CN105911495A - 一种带有iec61850数字接口的模拟标准源及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有IEC61850数字接口的模拟标准源，包括：RAM存储单元、IEC61850处理单元、以太网接口、D/A转换器、放大器单元、通信控制单元、人机交互单元、DSP处理单元、脉冲收发模块。本发明提供的一种带有IEC61850数字接口的模拟标准源及其检测方法，能实现每周波50000点，通过自身分布电容即可达到好的滤波效果，保证模拟功率源的准确度和可靠性。带有数字接口的模拟标准功率源，通过在每周波拟合点中同源抽取，实现数字标准功率源输出。

Description

一种带有IEC61850数字接口的模拟标准源及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种带有IEC61850数字接口的模拟标准源及其检测方法，属于电测量专业智能仪器设备测试技术领域。

背景技术

近年来，随着智能变电站的建设，电子式互感器、合并单元及数字化电能表得到了大量推广应用。对于数字化电能表的检测，目前已有多家研究机构在数字化电能表的检测方法及设备研制方面做了诸多研究工作，介绍了基于数字信号源及数字标准表或基于数字功率源的数字式检测方法、基于模拟功率源及模拟标准表的模拟式检测方法。

数字式检测方法实现简单，未与模拟电能建立直接联系，适用于数字化电能表的实验室周期性检查。模拟式检测方法可与模拟电能建立直接联系，检测方法具有溯源性。对于目前的模拟式检测方法，传统模拟功率源实现数字量输出，需附加A/D转换模块和IEC61850协议调制模块，需要对这两个模块的准确度进行考核。另外,基于模拟标准电能表的方法,标准电能表内部A/D模块引入的误差增大了整个系统的测量不确定度，并使误差环节更加复杂。

模拟功率源的设计一般采用以下方案：由信号发生器每周波发出满足采样频率的采样离散点，通过D/A模块转换为模拟量，经放大器及滤波器模块滤波，得到所需电压电流输出。滤波器性能的优劣直接影响模拟功率源的准确度等级。

本发明中提出了在模拟功率源的技术基础上，创新性的实现了通过提高拟合点数，使每周波实现50000点采样数据拟合，在此基础上可实现无需滤波器即可达到所需的准确度要求，并在每周波50000拟合点的基础上，通过抽点方法抽取80或256点作为数字量输出，无需使用任何插值算法从而实现模拟量输出与数字量输出的同宗同源。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种带有IEC61850数字接口的模拟标准源及其检测方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种带有IEC61850数字接口的模拟标准源，包括：RAM存储单元、IEC61850处理单元、以太网接口、D/A转换器、放大器单元、通信控制单元、人机交互单元、DSP处理单元，所述DSP处理单元与RAM存储单元相连接，用于存储拟合数据；所述DSP处理单元与D/A转换器、放大器单元依次连接，用于将拟合数据转化为模拟功率源输出；所述DSP处理单元与IEC61850处理单元、以太网接口依次连接，用于将拟合数据转化为数字功率源输出；所述DSP处理单元与通信控制单元、人机交互单元依次连接，用于控制DSP处理单元的输入、输出。

还包括脉冲收发模块，所述脉冲收发模块与DSP处理单元相连接，用于发出数字功率源相对应的电能脉冲信号和接收被测数字化电能表的电能脉冲信号。

所述DSP处理单元包括数字波形拟合单元、数字量抽取模块、DMA控制器、SPORT接口、电能计算模块、电能比较模块；所述数字波形 拟合单元用于将每周波的正弦信号按照N个等间隔进行离散化得到拟合数据，并将拟合数据存储在RAM存储单元；所述数字量抽取模块与DMA控制器对RAM存储单元中同一起点拟合数据进行处理；数字量抽取模块用于将拟合数据按每周波80或256个采样点数进行抽取，抽取后的采样点波形数据同时发送给IEC61850处理单元和电能计算模块；所述DMA控制器用于将拟合数据从SPORT接口发送给D/A转换器；所述电能计算模块根据点积和方式对采样点波形数据进行积分，计算电能量；所述电能比较模块分别与脉冲收发模块和电能计算模块相连接，用于将电能计算模块中计算的电能量与脉冲收发模块中接收到的被测数字化电能表电能量计算差值。

作为优选方案，所述拟合数据中N设置为50000。

一种基于数字功率源检测数字化电能表方法，包括如下步骤：

步骤一：将带有IEC61850数字接口的模拟标准源的以太网接口与数字化电能表的输入端相连接；

步骤二：将数字化电能表的输出端与脉冲收发模块相连接；

步骤三：数字化电能表对以太网接口的数字功率源进行计量输出电能量通过脉冲收发模块发送到电能比较模块；

步骤四：电能计算模块对产生数字功率源的同一采样点波形数据进行电能计算，并将计算后的电能量发送到电能比较模块，得到被测数字化电能表的计量误差。

有益效果：本发明提供的一种带有IEC61850数字接口的模拟标准源，能实现每周波50000点，通过自身分布电容即可达到好的滤波 效果，保证模拟功率源的准确度和可靠性。带有数字接口的模拟标准功率源，通过在每周波拟合点中同源抽取，实现数字标准功率源输出。

检测数字化电能表方法采用本装置的数字接口为被测数字化电能表提供检测功率源信号，以模拟标准功率源的设定值作为标准值，通过比较被测数字化电能表与标准值得到被测表的电能计量误差，实现数字化电能向模拟电能的溯源。

带数字接口的模拟标准源的计量性能指标如下：

1、模拟标准功率源额定电压57.7V，额定电流5A，准确度等级为0.02％；

2、标准数字功率源，输出符合IEC61850-9-2/LE的数据帧，额定电压电流可根据电网中一次电压和电流情况设置。

3、标准数字功率源的测量不确定度优于0.01％。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为DSP处理单元结构示意图；

图3为数字化电能表检测连接示意图；

图4为时序控制原理图(a)、(b)、(c)、(d)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种带有IEC61850数字接口的模拟标准源，包括：RAM存储单元、IEC61850处理单元、以太网接口、D/A转换器、放大器单元、通信控制单元、人机交互单元、DSP处理单元，所述DSP处 理单元与RAM存储单元相连接，用于存储拟合数据；所述DSP处理单元与D/A转换器、放大器单元依次连接，用于将拟合数据转化为模拟功率源输出；所述DSP处理单元与IEC61850处理单元、以太网接口依次连接，用于将拟合数据转化为数字功率源输出；所述DSP处理单元与通信控制单元、人机交互单元依次连接，用于控制DSP处理单元的输入、输出。还包括脉冲收发模块，所述脉冲收发模块与DSP处理单元相连接，用于发出数字功率源相对应的电能脉冲信号和接收被测数字化电能表的电能脉冲信号。

如图2所示，所述DSP处理单元包括数字波形拟合单元、数字量抽取模块、DMA控制器、SPORT接口、电能计算模块、电能比较模块；所述数字波形拟合单元用于将每周波的正弦信号按照N个等间隔进行离散化得到拟合数据，并将拟合数据存储在RAM存储单元；所述数字量抽取模块与DMA控制器对RAM存储单元中同一起点拟合数据进行处理；数字量抽取模块用于将拟合数据按每周波80或256个采样点数进行抽取，抽取后的采样点波形数据同时发送给IEC61850处理单元和电能计算模块；所述DMA控制器用于将拟合数据从SPORT接口发送给D/A转换器；所述电能计算模块根据点积和方式对采样点波形数据进行积分，计算电能量；所述电能比较模块分别与脉冲收发模块和电能计算模块相连接，用于将电能计算模块中计算的电能量与脉冲收发模块中接收到的被测数字化电能表电能量计算差值。

如图3所示，一种基于数字功率源检测数字化电能表方法，包括如下步骤：

步骤一：将带有IEC61850数字接口的模拟标准源的以太网接口与数字化电能表的输入端相连接；

步骤二：将数字化电能表的输出端与脉冲收发模块相连接；

步骤三：数字化电能表对以太网接口的数字功率源进行计量输出电能量通过脉冲收发模块发送到电能比较模块；

步骤四：电能计算模块对产生数字功率源的同一采样点波形数据进行电能计算，并将计算后的电能量发送到电能比较模块，得到被测数字化电能表的计量误差。

本装置具体实施例如下：

第一步：连续波形离散化和输出电能计算，一个理想正弦信号的波形发生函数f(t)为

频率值f、幅值A、初始相位值φ，因为初始相位值φ决定了输出信号的起始点，为了简化分析，先假设初始相位值φ为0，设每周波的拟合点数为N，对函数f(t)按照N个等间隔进行离散化，得到拟合数据为

$f\left(i\right)=A\×sin(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\·i)---\left(2\right)$

根据IEC61850-9-2LE，每周波采样点数(SampleDot)为80或256点，为了保证输出的数字量功率源与模拟量功率源符合同步采样的要求，每周波的拟合点数N，频率值f为50Hz的整数倍，在本发明中N取50000，即每周波为50000点的数据。

输出电能计算：电能为功率的对时间的积分，使用点积和方式进 行积分，TI为积分的时间，则有功电能为

$Ep=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}P\left(i\right)*TI=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}\left(Ua\right(i)*Ia(i)+Ub(i)*Ib(i)+Uc(i)*Ic(i\left)\right)*TI---\left(3\right)$

式中：n为累计的采样点数。

第二步：数据存储，将第一步骤产生的拟合数据存储于RAM存储单元。

第三步：数字量抽取，根据IEC61850-9-2LE，每周波采样点数(SampleDot)为80或256点，从拟合数据中按抽取间隔M＝N/SampleDot(M为整数)抽取，这些抽取出来的点即是每周波的采样点波形数据。

第四步：采样点数据的时间同步控制，如图4(d)所示，时钟同步信号由DSP处理单元的内核控制在一个周波的起点且按每秒钟的间隔输出，时钟同步信号作为时间基准信号提供DSP处理单元和IEC61850处理单元以控制数字功率源(IEC61850-9-2)的0序号报文输出时刻。每周波的拟合数据由DMA控制器自动从RAM的起点到终点循环输出，发送给D/A，如图4(c)所示。当每周波拟合点数为50000点时，RAM输出的每个采样点时间间隔为0.4us，如图4(a)所示，那么对应的时钟周期为25ns。所以模拟量输出的D/A的触发时刻可由DSP精确控制到25ns的分辨率，实际上使用四舍五入后可以到达12.5ns的精度。

在DSP处理单元的控制下，如图4(b)所示，启动内部定时器，定时时间为采样周期，数字源的每个采样点是模拟信号的离散数据点以M为间隔抽取出来的，得到采样点波形数据Si。

S(i)＝f(M*i+n₀),i＝0,1,2,...,SampleDot-1 (4)

式中，M是抽取间隔，i是采样值报文输出的帧序号，n0是采样起始点，由下面公式决定：

式中，φ是初始相位值，当n0不是整数时，取最近的整数。

DSP处理单元的时钟最大为166MHz，其最小可控分辨率为1/166MHz约为6ns。在DSP处理单元的控制下，DSP处理单元每秒钟输出PPS同步脉冲控制第一个周波的起始点输出，每周波的采样点波形按照公式(4)从数字波形拟合单元中循环读取。

第五步：采样点波形组帧，当定时时间结束，读取采样点的波形数据Si后，IEC61850处理单元根据IEC61850-9-2LE定义的帧格式和用户设置的参数，对采样点数据Si进行协议组帧得到采样值报文。

第六步：采样值报文输出和电能脉冲输出，IEC61850处理单元将第采样值报文转化为以太网接口，在输出采样值报文的同时，根据用户设置的脉冲常数，电能计算模块使用公式(3)计算输出采样值报文代表的电能量，并输出电能脉冲信号。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种带有IEC61850数字接口的模拟标准源，包括：RAM存储单元、IEC61850处理单元、以太网接口、D/A转换器、放大器单元、通信控制单元、人机交互单元、DSP处理单元，其特征在于：所述DSP处理单元与RAM存储单元相连接，用于存储拟合数据；所述DSP处理单元与D/A转换器、放大器单元依次连接，用于将拟合数据转化为模拟功率源输出；所述DSP处理单元与IEC61850处理单元、以太网接口依次连接，用于将拟合数据转化为数字功率源输出；所述DSP处理单元与通信控制单元、人机交互单元依次连接，用于控制DSP处理单元的输入、输出。

2.根据权利要求1所述的一种带有IEC61850数字接口的模拟标准源，其特征在于：还包括脉冲收发模块，所述脉冲收发模块与DSP处理单元相连接，用于发出数字功率源相对应的电能脉冲信号和接收被测数字化电能表的电能脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的一种带有IEC61850数字接口的模拟标准源，其特征在于：所述DSP处理单元包括数字波形拟合单元、数字量抽取模块、DMA控制器、SPORT接口、电能计算模块、电能比较模块；所述数字波形拟合单元用于将每周波的正弦信号按照N个等间隔进行离散化得到拟合数据，并将拟合数据存储在RAM存储单元；所述数字量抽取模块与DMA控制器对RAM存储单元中同一起点拟合数据进行处理；数字量抽取模块用于将拟合数据按每周波80或256个采样点数进行抽取，抽取后的采样点波形数据同时发送给IEC61850处理单元和电能计算模块；所述DMA控制器用于将拟合数据从SPORT接口发送给D/A转换器；所述电能计算模块根据点积和方式对采样点波形数据进行积分，计算电能量；所述电能比较模块分别与脉冲收发模块和电能计算模块相连接，用于将电能计算模块中计算的电能量与脉冲收发模块中接收到的被测数字化电能表电能量计算差值。

4.根据权利要求3所述的一种带有IEC61850数字接口的模拟标准源，其特征在于：所述拟合数据中N设置为50000。

5.一种基于数字功率源检测数字化电能表方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：将带有IEC61850数字接口的模拟标准源的以太网接口与数字化电能表的输入端相连接；

步骤二：将数字化电能表的输出端与脉冲收发模块相连接；

步骤三：数字化电能表对以太网接口的数字功率源进行计量输出电能量通过脉冲收发模块发送到电能比较模块；

步骤四：电能计算模块对产生数字功率源的同一采样点波形数据进行电能计算，并将计算后的电能量发送到电能比较模块，得到被测数字化电能表的计量误差。