CN104330765B - 基于卫星导航系统的电能表现场校准装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于卫星导航系统的电能表现场校准装置，它包括电压‑频率转换模块、处理模块和卫星授时模块，电压‑频率转换模块的输入与标准信号源连接，电压‑频率转换模块的频率输出与处理模块频率输入连接，处理模块通过通讯总线与待校准电能表连接，处理模块的校准命令及电参数的获取均通过通讯总线进行交互，处理模块的电能脉冲输入与待校准电能表的电能脉冲输出连接，待校准电能表的输入与标准信号源连接，卫星授时模块从卫星导航系统接收授时信号并提取出时钟信号，卫星授时模块的输出分别与标准信号源、电压‑频率转换模块和处理模块的时钟输入连接。本发明的测量结果和校准结果精准、可信、可靠、可溯源。
Description
技术领域
本发明涉及信号精密计量领域，特别是涉及一种基于卫星导航系统的电能表现场校准装置。
背景技术
目前，电能表的校准都是在计量实验室完成的。在电能表的使用寿命内，还要经过周期检定。越是精度高的表计，越是重要场合的表计其周检间隔时间越短。这类重要场合的表计，由于数量庞大，很难完成规定的周期检定。没有进行周期检定的表计，其计量误差是未知的。由于存在这些不确定的因素，导致电力计量错误，每年给国家带来巨大损失。
现在大多数电力部门主要使用现场校验仪进行比对。由于现场校验仪受自身工作原理、计量精度、现场电力电压、电流波动的影响，不能实现校准，只能进行比对。这种校准装置的测量结果也只能作为参考。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于卫星导航系统的电能表现场校准装置，使得电能表现场校准装置，能在任何工作场合和工作环境下，完成电能表的现场校准工作，其测量和校准结果具有高精确性、可信性、可靠性和可溯源性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于卫星导航系统的电能表现场校准装置，它包括电能表电压计量回路、电能表电流计量回路，它还包括单相/三相标准交流信号源、电压-频率转换模块、处理模块和卫星授时模块。
单相/三相标准信号源在处理模块的控制下产生符合落地国要求的单相、三相三线或三相四线制的交流信号源，单相/三相标准信号源输出三路电压交流信号和三路电流交流信号，其输出的电压交流信号和电流交流信号分别与电能表电压计量回路、电能表电流计量回路连接，其输出的电压交流信号和电流交流信号还分别与电压-频率转换模块连接。电能表电压计量回路、电能表电流计量回路分别对电压交流信号和电流交流信号进行电参数计量，并将计量的电参数结果发送给处理模块。
所述的电压-频率转换模块的输入端与单相/三相标准信号源的输出信号连接，电压-频率转换模块的输出与处理模块连接。电压-频率转换模块将单相/三相标准交流信号源输出的三路电压信号、三路电流信号转换成与其幅值成正比的频率信号。
所述的处理模块通过通讯总线与待校准电能表连接，处理模块的校准命令及电参数的获取均通过通讯总线进行交互，处理模块的电能脉冲输入与待校准电能表的电能脉冲输出连接，处理模块控制单相/三相标准信号源产生交流信号源。处理模块根据卫星授时模块输出的时钟信号对电压-频率转换模块输出的频率信号进行定时采样，并根据采样结果对单相/三相标准交流信号源输出的电压信号、电流信号进行电参数计量。处理模块将其计量的电参数与待校准电能表计量的电参数进行比较计算出该待校准电能表的计量误差，并根据该计量误差对待校准电能表进行校准。
所述的卫星授时模块从卫星导航系统接收授时信号并提取出时钟信号，卫星授时模块的输出分别与标准信号源、电压-频率转换模块和处理模块的时钟输入连接，为标准信号源、电压-频率转换模块和处理模块提供时钟基准。
所述的处理模块包括信号源控制模块、频率采集模块，电参数测量模块、电参数比对模块和校准控制信号产生模块。
所述的信号源控制模块控制单相/三相标准信号源产生符合落地国要求的单相、三相三线或三相四线制的交流信号源。
所述的频率采集模块接收电压-频率转换模块输出的频率信号，对其进行定时采样，并将采样信号传送给电参数测量模块。
所述的电参数测量模块根据采样信号对标准信号进行电参数测量，并将所得的电参数测量数据传送给电参数比对模块。
所述的电参数比对模块接收待校准电能表对标准信号进行电参数测量所得的电参数测量数据，并将其与电参数测量模块所得的电参数测量数据进行比较，即计算出待校准电能表的计量误差。
所述的校准控制信号产生模块根据该计量误差通过控制端向待校准电能表发出校准指令，对待校准电能表进行校准。
所述的卫星授时模块由卫星授时处理电路和高稳恒温晶振电路组成，根据卫星授时时间和高稳恒温晶振之间的时差，采用驯服算法，实时调整高稳恒温晶振的时钟精度，保证提供给单相/三相标准交流信号源、电压-频率转换模块和处理模块的时钟信号始终保持高精度和时钟的可溯源。
所述的卫星授时模块包括GPS卫星授时模块、北斗卫星授时模块、GLONASS卫星授时模块和伽利略卫星授时模块中的任意一种或多种的组合。
本发明的有益效果是：本发明通过电压-频率转换模块，将标准信号源产生的交流信号转换成与之相应的频率信号，然后利用卫星导航系统提供的高精度时钟信号，测量出该交流信号的电压、电流、有功功率和无功功率等电参数，并根据该电参数与待校准电能表所测的电参数进行比较，计算得出待测量电能表的计量误差，最后根据该计量误差完成对该电能表的校准。
本发明电能表现场校准装置采用能提供高精度时钟信号的卫星授时模块、具有高线性度、高稳定特性的电压-频率转换模块和符合《JJG 597-2005交流电能表检定装置检定规程》要求的交流信号源，保证本发明电能表现场校准装置的测量结果和电能表的校准具有高精确性、可信性、可靠性和可溯源性。本发明电能表现场校准装置，符合国家交流电能表检定装置检定规程的要求。
本发明电能表现场校准装置能在任何工作场合和工作环境下，完成电能表的现场校准工作，使得该电能表无需再定期送到计量鉴定机构进行检定和校准。本发明还能避免传统量值溯源和量值传递方式所带来的问题，避免计量误差的累积传递。
本发明电能表现场校准装置还可增设通信模块，通过通信模块实现电力计量管理部门对该电能表现场校准装置的远程控制和管理。
附图说明
图1为本发明一种基于卫星导航系统的电能表现场校准装置的系统原理框图；
图2为本发明中电压-频率转换模块AD652芯片的原理框图；
图3为本发明一种基于卫星导航系统的电能表远程校准装置的系统原理框图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，基于卫星导航系统的电能表现场校准装置，它包括电能表电压计量回路、电能表电流计量回路，它还包括单相/三相标准交流信号源、电压-频率转换模块、处理模块和卫星授时模块。
单相/三相标准信号源在处理模块的控制下产生符合落地国要求的单相、三相三线或三相四线制的交流信号源，单相/三相标准信号源输出三路电压交流信号和三路电流交流信号，其输出的电压交流信号和电流交流信号分别与电能表电压计量回路、电能表电流计量回路连接，其输出的电压交流信号和电流交流信号还分别与电压-频率转换模块连接。电能表电压计量回路、电能表电流计量回路分别对电压交流信号和电流交流信号进行电参数计量，并将计量的电参数结果发送给处理模块。
所述的电压-频率转换模块的输入端与单相/三相标准信号源的输出信号连接，电压-频率转换模块的一路或多路输出分别与处理模块的一路或多路输入连接。电压-频率转换模块将单相/三相标准交流信号源输出的三路电压信号、三路电流信号转换成与其幅值成正比的频率信号。
所述的处理模块通过通讯总线与待校准电能表连接，处理模块通过通讯总线向待校准电能表发送校准命令，以及接收待校准电能表发出的电参数，处理模块的电能脉冲输入与待校准电能表的电能脉冲输出连接，处理模块控制单相/三相标准信号源产生交流信号源。处理模块根据卫星授时模块输出的时钟信号对电压-频率转换模块输出的频率信号进行定时采样，并根据采样结果对单相/三相标准交流信号源输出的电压信号、电流信号进行电参数计量。处理模块将其计量的电参数与待校准电能表计量的电参数进行比较计算出该待校准电能表的计量误差，并根据该计量误差对待校准电能表进行校准。
所述的卫星授时模块从卫星导航系统接收授时信号并提取出时钟信号，卫星授时模块的输出分别与标准信号源、电压-频率转换模块和处理模块的时钟输入连接，为标准信号源、电压-频率转换模块和处理模块提供时钟基准。
待校准电能表通过电能脉冲端口将电能脉冲信号发送给处理模块，电能脉冲是宽度为80ms±16ms的脉冲信号。两个电能脉冲之间的时间间隔就是当前这段时间的累计电量。例如：当一只电能表的电表常数是3200 imp/kWh（3200转（脉冲）/每度电），于是，出现一个脉冲，表示电表已经计量了1/3200度电。当出现3200个电能脉冲时，表示电表已经计量了1度电。
所述的处理模块包括信号源控制模块、频率采集模块，电参数测量模块、电参数比对模块和校准控制信号产生模块。
所述的信号源控制模块控制单相/三相标准信号源产生符合落地国要求的单相、三相三线或三相四线制的交流信号源。
所述的频率采集模块接收电压-频率转换模块输出的频率信号，对其进行定时采样，并将采样信号传送给电参数测量模块。
所述的电参数测量模块根据采样信号对标准信号进行电参数测量，并将所得的电参数测量数据传送给电参数比对模块。所述的电参数包括电压、电流、有功功率和无功功率等。
所述的电参数比对模块通过通讯总线和电能脉冲端口接收待校准电能表对标准信号进行电参数测量所得的电参数测量数据，并将其与电参数测量模块所得的电参数测量数据进行比较，即计算出待校准电能表的计量误差。
所述的校准控制信号产生模块根据该计量误差通过控制端向待校准电能表发出校准指令，对待校准电能表进行校准。
所述的标准信号源可以采用待校准电能表中的标准信号源，也可以独立设置，以便在待校准电能表中没有符合《JJG 597-2005 交流电能表检定装置检定规程》要求的标准信号源时使用。
所述的卫星授时模块由卫星授时处理电路和高稳恒温晶振电路组成，根据卫星授时时间和高稳恒温晶振之间的时差，采用驯服算法，实时调整高稳恒温晶振的时钟精度，保证提供给单相/三相标准交流信号源、电压-频率转换模块和处理模块的时钟信号始终保持高精度和时钟的可溯源。所述的卫星授时模块包括GPS卫星授时模块、北斗卫星授时模块、GLONASS卫星授时模块和伽利略卫星授时模块中的任意一种或多种的组合。
所述的处理模块为ARM处理器，可以选用STM32F108VET6芯片。
所述的电压-频率转换模块为同步电压频率转换器SVFC，可以采用AD652芯片。AD652芯片能将输入的模拟电压或电流信号转换成输出频率与该输入信号的大小成比例的脉冲或方波信号。
AD652芯片是一个功能强大的精密模数转换应用构建模块，该芯片的最大满度频率可达2MHz，当输出频率为100kHz时，其非线性误差典型值为0.002%，当输出频率为1MHz时，其线性误差值达到最大为0.005%。
AD652芯片使用多种常用的电荷平衡技术来执行转换功能。它利用外部时钟定义满量程输出频率，而不是依赖于外部电容的稳定性。因此，其传递函数更稳定、线性度更高，这对单通道和多通道系统都有很大好处。其精密低漂移基准电压源和低温度系数片内薄膜调整电阻使增益漂移最小。此外，激光晶圆调整将初始增益误差降至0.5%以下。
如图2所示，图2为AD652芯片的原理框图，AD652芯片将输入的模拟电压或电流信号转换成输出频率与该输入信号的大小成比例的脉冲或方波信号。输出频率信号F与输入电压信号Vin的转换公式如下所示，其推导过程可参见AD652数据手册：
F＝(1/Ir*Rin*T0)*Vin
式中：Ir－AD652芯片中恒流源传输给积分电容的充电电流值；
Rin－AD652芯片中电阻Rin的阻值；
T0－AD652芯片输出频率信号的周期，即积分电容的充电周期。
电流Ir与电阻Rin的稳定性只与AD652芯片的工艺决定。外界工作条件对电流Ir与电阻Rin的影响基本可以忽略不计，因此电流Ir与电阻Rin可以认为是常数。所以输出频率F与输入的模拟电压Vin成正比。AD652芯片输出频率F的最大值和稳定性由卫星授时模块所输入的时钟信号决定，与外部元件的精度、工作环境温度和湿度基本无关。
而周期T0受AD652芯片的时钟控制，因此外部时钟频率的稳定性和精度直接影响了输出频率信号的稳定度和线性误差。
卫星授时模块所输入的时钟信号决定AD652芯片输出频率F的范围，同时AD652芯片的时钟的稳定性也必将影响输出频率F的稳定性。由于采用卫星授时的方式提供时钟信号，保证了AD652芯片时钟输入信号的高稳定性和高精确性。因此AD652芯片可以实现高线性度的电压-频率转换。本发明电能表校准装置采用能提供高精度时钟信号的卫星授时模块和具有高稳定特性的电压-频率转换模块，使得电能表校准装置的测量结果具有高精确性。
本发明基于卫星导航系统的电能表现场校准装置的工作原理为：
卫星授时模块从卫星导航系统接收授时信号并提取出时钟信号，再根据卫星授时时钟信号和高稳晶振之间的时差，采用驯服算法实时调整晶振的时钟精度，为电流-频率转换模块和处理模块提供高精度和可溯源的时钟信号；
处理模块根据实际情况控制标准信号源产生需要的三相三线或三相四线的交流电压/电流信号，标准信号源将该交流电压/电流信号输出给电压-频率转换模块和待校准电能表；
电压-频率转换模块根据卫星授时时钟信号，将其接收到的交流电压/电流信号转换成与该输入信号的大小成比例的频率信号，并把该频率信号发送给处理模块；
处理模块根据卫星授时时钟信号对该频率信号进行定时采样，依据采集的脉冲个数，即可得到标准信号源输出的交流电压/电流信号的幅值，并完成电压、电流、有功功率和无功功率的采样和计算；
待校准电能表根据内部的计量芯片计算出标准信号源输出的交流电压/电流信号的有功功率、无功功率和功率因素等电参数，并通过通讯总线和电能脉冲端口将该电参数信息发送给处理模块；
处理模块将待校准电能表所计算出的电参数与其自身所计算出的电参数进行比较计算，得到当前待校准电能表的计量误差，并根据该误差数据校正电能表计量芯片的误差，完成对待校准电能表的校准。
如图3所示，图3为一种基于卫星导航系统的电能表远程控制校准装置的系统原理框图，在电能表现场校准装置中可增设通信模块，处理模块通过该通信模块实现与上位机连接，如与电能表管理主站系统连接，实现接收电力部门电能表管理主站系统的启动、停止或定时校准等命令，并在校准完毕后，实现将校准结果数据传回电能表管理主站系统。
所述的通信模块包括有线通信模块和无线通信模块中的一种或多种的组合。所述的有线通信模块包括RJ45通信模块、RS232通信模块和RS485通信模块中的一种或多种的组合。还可以采用光纤通信模块。所述的无线通信模块包括GSM通信模块、GPRS通信模块和卫星通信模块中的一种或多种的组合。还可以是3G通信模块、4G通信模块或WiFi通信模块。当采用卫星通信模块作为本发明的无线通信模块时，可采用具有采集卫星授时时钟信号功能的卫星通信模块，以简化本发明的电路结构。
本发明校准装置采用高线性度、高稳定度的电压-频率转换模块，将信号源输入的标准信号转换成与该标准信号大小成正比的频率信号，然后通过处理模块对该频率信号进行定时采样，以此得到输入电流、电压信号的幅值大小。
本发明的关键点在于：①采用高线性度、高稳定度的电压-频率转换模块来进行信号转换；②卫星授时模块从卫星导航系统接收授时信号并提取出时钟信号，为标准信号源、电压-频率转换模块和处理模块提供时钟基准，来保证校准装置测量结果和电能表校准的高精度、可信性、可靠性和可溯源性。
Claims (4)
1.基于卫星导航系统的电能表现场校准装置，它包括电能表电压计量回路、电能表电流计量回路、单相/三相标准交流信号源、电压-频率转换模块、处理模块和卫星授时模块；
单相/三相标准交流信号源在处理模块的控制下产生符合落地国要求的单相、三相三线或三相四线制的交流信号源，单相/三相标准交流信号源输出三路电压交流信号和三路电流交流信号，其输出的电压交流信号和电流交流信号分别与电能表电压计量回路、电能表电流计量回路连接，其输出的电压交流信号和电流交流信号还分别与电压-频率转换模块连接；电能表电压计量回路、电能表电流计量回路分别对电压交流信号和电流交流信号进行电参数计量，并将计量的电参数结果发送给处理模块；
所述的电压-频率转换模块的输入端与单相/三相标准交流信号源的输出信号连接，电压-频率转换模块的输出与处理模块连接；电压-频率转换模块将单相/三相标准交流信号源输出的三路电压信号、三路电流信号转换成与其幅值成正比的频率信号；
所述的处理模块通过通讯总线与待校准电能表连接，处理模块的校准命令及电参数的获取均通过通讯总线进行交互，处理模块的电能脉冲输入与待校准电能表的电能脉冲输出连接；处理模块控制单相/三相标准交流信号源产生交流信号源；处理模块根据卫星授时模块输出的时钟信号对电压-频率转换模块输出的频率信号进行定时采样，并根据采样结果对单相/三相标准交流信号源输出的电压信号、电流信号进行电参数计量；
其特征在于：
处理模块还将其计量的电参数与待校准电能表计量的电参数进行比较计算出该待校准电能表的计量误差，并根据该计量误差对待校准电能表进行校准；
所述的卫星授时模块从卫星导航系统接收授时信号并提取出时钟信号，卫星授时模块的输出分别与单相/三相标准交流信号源、电压-频率转换模块和处理模块的时钟输入连接，为单相/三相标准交流信号源、电压-频率转换模块和处理模块提供时钟基准；
所述的电压-频率转换模块采用的芯片不仅将输入的模拟电压或电流信号转换成输出频率与该输入信号的大小成比例的脉冲或方波信号，而且利用外部时钟定义满量程输出频率；采用卫星授时的方式提供时钟信号，保证了电压-频率转换模块的芯片时钟输入信号的高稳定性和高精确性。
2.根据权利要求1所述的基于卫星导航系统的电能表现场校准装置，其特征在于：所述的处理模块包括信号源控制模块、频率采集模块，电参数测量模块、电参数比对模块和校准控制信号产生模块；
所述的信号源控制模块控制单相/三相标准交流信号源产生符合落地国要求的单相、三相三线或三相四线制的交流信号源；
所述的频率采集模块接收电压-频率转换模块输出的频率信号，对其进行定时采样，并将采样信号传送给电参数测量模块；
所述的电参数测量模块根据采样信号对标准信号进行电参数测量，并将所得的电参数测量数据传送给电参数比对模块；
所述的电参数比对模块接收待校准电能表对标准信号进行电参数测量所得的电参数测量数据，并将其与电参数测量模块所得的电参数测量数据进行比较，即计算出待校准电能表的计量误差；
所述的校准控制信号产生模块根据该计量误差通过控制端向待校准电能表发出校准指令，对待校准电能表进行校准。
3.根据权利要求1所述的基于卫星导航系统的电能表现场校准装置，其特征在于：所述的卫星授时模块由卫星授时处理电路和高稳恒温晶振电路组成，根据卫星授时时间和高稳恒温晶振之间的时差，采用驯服算法，实时调整高稳恒温晶振的时钟精度，保证提供给单相/三相标准交流信号源、电压-频率转换模块和处理模块的时钟信号始终保持高精度和时钟的可溯源。
4.根据权利要求1所述的基于卫星导航系统的电能表现场校准装置，其特征在于：所述的卫星授时模块包括GPS卫星授时模块、北斗卫星授时模块、GLONASS卫星授时模块和伽利略卫星授时模块中的任意一种或多种的组合。
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