CN107037261A - 基于广域同步测量的0.2s级三相电能表及其测量方法 - Google Patents

基于广域同步测量的0.2s级三相电能表及其测量方法 Download PDF

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刘鹍
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    • G01R22/00Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters
    • G01R22/06Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters by electronic methods
    • G01R22/10Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters by electronic methods using digital techniques

Abstract

本发明公开了基于广域同步测量的0.2S级三相电能表,包括中央处理器、模数转换器及与中央处理器连接的现场可编程门阵列、数字信号处理器、存储器、恒温晶振、时钟芯片,现场可编程门阵列与数字信号处理器连接,现场可编程门阵列和数字信号处理器均与模数转换器连接,中央处理器用于外接传统变电站的秒脉冲为基准的时钟同步系统或智能变电站的IEEE 1588协议时钟系统。本发明还公开了上述基于广域同步测量的0.2S级三相电能表测量传统变电站和智能变电站的方法。本发明可同步测量电气参量的瞬时值,能满足广域测量的要求。

Description

基于广域同步测量的0.2S级三相电能表及其测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及变电站电能计量及计量设备状态监测技术,具体是基于广域同步测量 的0.2S级三相电能表及其测量方法。
背景技术
[0002] 目前国内开展了计量装置状态监测和评价的相关研究与应用,这些研究与应用普 遍是基于用电采集系统和计量装置在线监测设备实施的,在具体应用时采用RS485接口与 电能量采集终端广播对时技术,对时精度只能达到ls,电气参量采集时间同步性差,不能利 用电压、电流、相位等参数分析计量装置中PT、CT及相关线路、设备状态,仅利用电量平衡评 估计量装置的状态具有一定的局限性。虽然加装设备可实现部分设备的监测,但这会增加 维护工作和推广应用的难度。如何提升电气参量采集时间同步性,这成为目前人们普遍关 注的问题,然而,现今没有相应设备,也未见相关报道。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供了一种基于广域同步测量的0.2S级 三相电能表,其应用时能提升电气参量采集时间同步性。本发明还公开了上述基于广域同 步测量的0.2S级三相电能表的测量方法。
[0004] 本发明解决上述问题主要通过以下技术方案实现:基于广域同步测量的0.2S级三 相电能表,包括中央处理器、模数转换器及与中央处理器连接的现场可编程门阵列、数字信 号处理器、存储器、恒温晶振、时钟芯片,所述现场可编程门阵列与数字信号处理器连接,且 现场可编程门阵列和数字信号处理器均与模数转换器连接;其中,
[0005] 中央处理器,用于外接传统变电站的秒脉冲为基准的时钟同步系统或智能变电站 的IEEE1588协议时钟系统,与时钟系统对时并守时;还用于发出自动同步采样命令到现场 可编程门阵列和数字信号处理器,以及将采样的数据处理供存储器存储和电能量采集终端 调用;其中,秒脉冲为基准的时钟同步系统,为满足DL/T 1100.1-2009标准的电力系统时钟 同步系统,输出的秒脉冲时间基准信号的误差在50ns以内,串口对时报文输出标准时间,利 用秒脉冲时间基准信号校准中央处理器的秒脉冲时间,并利用串口对时报文校准三相电能 表时间;IEEE1588协议时钟系统,为基于以太网运行的网络同步时钟协议系统,实现纳秒级 的同步精度,利用IEEE 1588协议校准中央处理器的秒脉冲时间和三相电能表时间;
[0006] 模数转换器,用于外接电压电流取样电路,并将电压电流取样信号进行模/数转 换;
[0007] 现场可编程门阵列,用于根据被测信号频率,自动产生每周波256点的采样频率控 制模数转换器采样脉冲;还用于接收中央处理器产生的全网同步测量触发信号,并在接收 到触发信号时产生模数转换器的启动转换脉冲信号,同时发送脉冲信号给数字信号处理 器,同步采集模数转换器的瞬时数据并存储;
[0008] 数字信号处理器,用于处理经模数转换器转换的数据并存储,其中,处理的数据包 括电能计量数据、电气参数及同步电压电流瞬时数据;
[0009] 存储器,用于存储经中央处理器处理的数据;
[0010] 恒温晶振,用于配合中央处理器守时;
[0011] 时钟芯片,用于为中央处理器提供工作时钟。
[0012] 本发明采用变电站的时钟系统对时,利用恒温晶振和中央处理器守时,在规定的 时间点通过中央处理器产生的标准秒脉冲和时钟芯片的时钟准确产生启动同步瞬时数据 采样脉冲到可编程门阵列;可编程门阵列根据被测信号频率,自动产生每周波256点的采样 频率控制模数转换器采样,数字信号处理器处理经模数转换器转换的数据,包括电能计量、 电气参数、同步电压、电流瞬时数据的测试计算并存储,实现了全网同步采集每路多个连续 电压电流瞬时数据和电能测量。本发明外接的电能量采集终端采用现有技术中已经存在的 电能量采集终端实现,其调用的数据与主站进行信息交互。
[0013] 进一步的,所述中央处理器还连接有温湿度测量装置,所述温湿度测量装置用于 对变电站的环境温湿度进行监测。如此,本发明应用时便于实现对变电站的环境温度监测 并存储,用于分析环境温度对计量装置的性能的影响。
[0014] 进一步的,所述温湿度测量装置包括湿度传感器和温度测量装置,所述中央处理 器内部设有18个通道的12位模数转换接口,温度测量装置包括固定电阻及与固定电阻串联 的负温度系数热敏电阻,固定电阻相对连接负温度系数热敏电阻端的另一端与电源连接, 负温度系数热敏电阻相对连接固定电阻端的另一端接地,中央处理器具有一个模数转换接 口与固定电阻和电源之间的线路连接,中央处理器还具有一个模数转换接口与固定电阻和 负温度系数热敏电阻之间的线路连接。本发明应用时,通过测量电源电压和负温度系数热 敏电阻两端电压计算出负温度系数热敏电阻阻值,通过负温度系数热敏电阻阻值和温度的 对照表计算出温度值。本发明的湿度传感器采用湿度频率转换输出传感器,利用中央处理 器的高级计数器测量出频率,通过频率和湿度的对照表计算出湿度值。
[0015] 基于广域同步测量的0.2S级三相电能表的测量方法,包括以下步骤:
[0016] 步骤一、将三相电能表中各时钟与变电站时钟系统对时后,由中央处理器标准秒 脉冲和时钟芯片守时;
[0017] 步骤二、在规定的时间点,中央处理器发出自动同步采样命令到现场可编程门阵 列和数字信号处理器,通过模数转换器、现场可编程门阵列及数字信号处理器全网同步采 集每相电压电流连续瞬时数据;
[0018] 步骤三、中央处理器读取数字信号处理器的每点24位瞬时数据,保留前16位数据 并存储在存储器中,瞬时数据格式参照GB 18657.1-2002的FT3格式,在原DL/T 645-2007电 能表通信协议基础上增加每小时每一刻钟时间点每相电压电流采集1536个16位的电压电 流瞬时数据的协议。其中,中央处理器获取的采集数据可以通过电能量采集终端上传至主 站。
[0019] 进一步的,所述步骤一中对时的时钟系统为秒脉冲为基准的时钟同步系统,其对 时步骤如下:采用IPPS加RS485串口时间报文对时。本发明应用时,通过中央处理器RS485串 口接收RS485串口时间报文,PPS的接收通过中央处理器的中断口判断PPS的上升沿,通过中 央处理器的计数器连续记录两个PPS的时间间隔是否在一定的范围内,有一定的连续性和 稳定性,判断PPS的有效性。
[0020] 进一步的,所述步骤一中对时的时钟系统为采用IEEE 1588协议时钟系统,变电站 主时钟与三相电能表时钟之间的对时报文遵循IEEE 1588协议。IEEE 1588协议将IEEE 1588协议时钟系统看作是一种发布者与接收者构成的分布式网络,网络中的各个节点被视 为主时钟或从时钟,其中主时钟作为准确时间的发布者,从时钟接收主时钟对时信息并同 步从时钟时间。
[0021] 采用IEEE 1588协议时钟系统对时的步骤如下:
[0022] 假设同步报文的准确发送时间为Tml,同步报文的接收时间为Tsl,延迟-请求报文 的发送时间为Ts3;延迟-请求报文的接收时间为Tm3; Delay表示从时钟和主时钟之间的网 络延迟记,Offset表示从时钟与主时钟之间的时间偏差,由于网络的延时是对称的,得到如 下计算公式(1):
Figure CN107037261AD00061
[0025] 从时钟根据公式⑵得到的Off set值,对自身时间进行修正;
[0026] 当Off set小于IOus时,则认为对时结束,从时钟停止与主时钟的对时过程。
[0027] 进一步的,所述步骤一对时时还包括以下步骤:利用恒温晶振和中央处理器的计 数器产生标准秒脉冲,在对时时同步启动中央处理器产生标准秒脉冲,同时校准时钟芯片 的时钟,中央处理器产生标准秒脉冲保证时钟芯片时间的准确,时钟芯片保证其他时间的 准确,从而保证了全网电能表时间同步准确。
[0028] 进一步的,所述步骤二的具体操作步骤为:在规定的时间点通过中央处理器的标 准秒脉冲和时钟芯片的时钟准确产生启动同步瞬时数据采样脉冲到可编程门阵列,同时可 编程门阵列根据被测信号频率,自动产生每周波256点的采样频率控制模数转换器采样,模 数转换器的数据送数字信号处理器计算电能量;可编程门阵列同时发送脉冲信号给数字信 号处理器,数字信号处理器同步采集模数转换器的每周波256点的三个周波瞬时数据并存 储。
[0029] 进一步的,所述步骤二还包括以下步骤:校准中央处理器产生启动同步瞬时数据 采样脉冲到可编程门阵,再到启动同步A/D转换采集的延时时间Tel,通过中央处理器控制 在需要同步采样时刻提前Tel的时间产生启动同步瞬时数据采样脉冲发出。如此,本发明应 用时能保证在广域测量范围的瞬时数据采样同步。
[0030] 本发明在具体实施时,瞬时数据的采集的时间点及每天采集点数可由本机及主站 远程设置,如果中央处理器重新启动,中央处理器标准秒脉冲、RTC和时钟芯片的时钟有偏 差时将启动与时钟系统校准程序。
[0031] 综上所述,本发明具有以下有益效果:(1)本发明应用于传统变电站时,将原电能 表的通过电能量采集终端RS485接口广播对时改为基于秒脉冲为基准的变电站时钟同步系 统直接对电能表对时,采用IPPS加RS485串口时间报文,时间同步误差由原来的Is提升为 Ius;本发明应用于智能变电站时,将原电能表的通过电能量采集终端RS485接口广播对时 改为基于IEEE 1588协议同步对时系统直接对电能表对时,时间同步误差由原来的I s提升 为lus。如此,本发明应用时,测量减少了由于电能表的时钟误差带来的电量平衡和线损计 算的误差,可同步测量电气参量的瞬时值,用于计量装置在线监测和评估,满足广域测量的 要求。
[0032] (2)本发明在每小时的每一刻钟时间点全网同步采集每相电压电流1536个16位连 续的瞬时数据,通过电量采集终端采集并上传到主站,主站通过波形数据计算出进出线路, 及站与站之间的同相电压、电流的比差及相位差等特征参数,从而评估分析互感器、电能 表、二次压降等计量设备及线路的状态,实现以电磁PT为参考的CVT误差变化过程监测,站 与站之间的线路参数测试,线损的监测评估。本发明通过温湿度测量装置实现对变电站的 环境温度监测并存储,用于分析环境温度对计量装置的性能的影响,提高了计量装置的在 线监测的准确性和可靠性。本发明实现了计量装置的智能监测和在状态评估,同时又不增 加其它设备,如此,本发明具有高精度和低成本的特点,能满足广域测量的要求,且便于维 护和推广应用。
附图说明
[0033] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部 分,并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:
[0034] 图1为基于广域同步测量的0.2S级三相电能表的一个具体实施例的结构示意图;
[0035] 图2为一个具体实施例中温度测量装置原理图;
[0036] 图3为IEEE 1588协议的时钟对时原理图。
具体实施方式
[0037] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本 发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作 为对本发明的限定。
[0038] 实施例:
[0039] 如图1所示,基于广域同步测量的0.2S级三相电能表,包括中央处理器、模数转换 器及与中央处理器连接的现场可编程门阵列、数字信号处理器、存储器、恒温晶振、时钟芯 片、温湿度测量装置,现场可编程门阵列与数字信号处理器连接,且现场可编程门阵列和数 字信号处理器均与模数转换器连接。中央处理器,用于外接传统变电站的秒脉冲为基准的 时钟同步系统或智能变电站的IEEE 1588协议时钟系统,与时钟系统对时并守时;中央处理 器还用于发出自动同步采样命令到现场可编程门阵列和数字信号处理器,以及将采样的数 据处理供存储器存储和电能量采集终端调用;模数转换器,用于外接电压电流取样电路,并 将电压电流取样信号进行模/数转换;现场可编程门阵列,用于根据被测信号频率,自动产 生每周波256点的采样频率控制模数转换器采样脉冲;现场可编程门阵列还用于接收中央 处理器产生的全网同步测量触发信号,并在接收到触发信号时产生模数转换器的启动转换 脉冲信号,同时发送脉冲信号给数字信号处理器,同步采集模数转换器的瞬时数据并存储; 数字信号处理器,用于处理经模数转换器转换的数据并存储,其中,处理的数据包括电能计 量数据、电气参数及同步电压电流瞬时数据;存储器,用于存储经中央处理器处理的数据; 恒温晶振,用于配合中央处理器守时;时钟芯片,用于为中央处理器提供工作时钟;温湿度 测量装置,用于对变电站的环境温湿度进行监测。秒脉冲为基准的时钟同步系统,为满足 DL/T 1100.1-2009标准的电力系统时钟同步系统,输出的秒脉冲时间基准信号的误差在 50ns以内,串口对时报文输出标准时间,利用秒脉冲时间基准信号校准中央处理器的秒脉 冲时间,并利用串口对时报文校准三相电能表时间;IEEE 1588协议时钟系统,为基于以太 网运行的网络同步时钟协议系统,实现纳秒级的同步精度,利用IEEE 1588协议校准中央处 理器的秒脉冲时间和三相电能表时间。本实施例外接的电能量采集终端,用于采集中央处 理器获取的电压、电流瞬时数据,并可以将其采集的数据上传至主站。
[0040] 本实施例的中央处理器采用基于Cortex-M3核的ST公司的STM32F107芯片,内部设 有18个通道的12位模数转换接口、RS485接口、I2C总线、SPI总线,RTC时钟,高级控制定时 器、计数器、网络接口MII,中央处理器为实现测量、计算、控制、通讯、数据存储的核心器件。 现场可编程门阵列(FPGA)采用ALTREA公司的EP2C20Q240C7,数字信号处理器采用 TMS320F28335芯片,存储器采用24C512,时钟芯片采用RX-8025。本实施例的恒温晶振OCXO (Over Controlled Crystals Oscillator)采用精密控温,使晶体工作在晶体的零温度系 数点的温度上,用0CX0极大地削弱了输出频率受时间和温度的影响。
[0041] 本实施例的模数转换器采用TI公司生产的ADS1278实现对前端电流信号采集电 路、电压信号采集电路输出信号进行模数转换。ADS1278为24位、8通道同步采样,最高采样 率可达128ksps的A/D转换器。片上集成了模拟输入箝位保护、有限冲击响应(FIR))数字二 滤波器、24位A-SADC内核、2.5V基准电压源及缓冲、高速串行和并行接口。此夕卜ADS1278集 成了高输入阻抗的调理电路,其等效输入阻抗为1ΜΩ。该输入阻抗值固定,与采样频率无 关,保证了模数转换器的采样精度。采用ANALOG DEVICE的ADR441B作为模数转换器的外置 基准。AD441B具有超低噪声1.2uV p-p、超低温漂3ppm/°C和初始精度2.5V± ImV的特性。
[0042] 本实施例有关采用模数转换器、现场可编程门阵列、数字信号处理器等器件,通过 高准确度的模拟信号调理,防电磁干扰电路布局,及温度影响的补偿实现0.2S级三相电能 计量,及0.05级的电压、电流准确度的设计均采用现有技术实现,在此不再阐述。
[0043] 本实施例的中央处理器外接有PPS脉冲接口和RS485接口,PPS脉冲接口用于接收 PPS脉冲,用于中央处理器产生标准秒脉冲的同步时钟,准确产生启动同步瞬时数据采样脉 冲到可编程门阵列;RS485接口用于接收串口时间报文,作为电能表的标准时间,用于校准 电能表的RTC时钟。本实施例的中央处理器还外接有一个PHY接口芯片,PHY接口芯片采用NS 公司的DP83640,是PHYTER-IEEE-1588标准的精密时间协议收发器,时间标记得分辨率8ns, 用于IEEE 1588协议同步对时系统直接对电能表对时,用于校准中央处理器生产的秒脉冲、 RTC时间和时钟芯片的时间,准确产生启动同步瞬时数据采样脉冲到可编程门阵列。
[0044] 本实施例中瞬时数据的存储格式参照GB 18657.1-2002的FT3格式存储,在原DL/ T645-2007电能表通信协议基础上增加每小时每一刻钟时间点每相电压电流采集1536个16 位的电压电流瞬时数据的协议,满足站与站之间,及站内的同相电压、电流的比差及相位差 等特征参数广域测量要求,同时不影响电能表的技术指标和功能。
[0045] 本实施例的温湿度测量装置包括湿度传感器和温度测量装置,湿度传感器采用 HF3223,该芯片的湿度测量采用湿度频率转换输出,利用中央处理器的ΊΊΜ8高级计数器测 量,测量出频率,通过频率和湿度的对照表计算出湿度值。如图2所示,本实施例的温度测量 装置包括固定电阻Rl及与固定电阻Rl串联的负温度系数热敏电阻R2,固定电阻Rl相对连接 负温度系数热敏电阻R2端的另一端与电源连接,负温度系数热敏电阻R2相对连接固定电阻 Rl端的另一端接地,中央处理器具有一个模数转换接口与固定电阻Rl和电源之间的线路连 接,中央处理器还具有一个模数转换接口与固定电阻Rl和负温度系数热敏电阻R2之间的线 路连接。温度测量采用负温度系数热敏电阻R2 (NTC)元件,利用电阻分压和中央处理器的12 位A/D测量NTC电阻值,通过电阻和温度的对照表,计算出温度值。该功能实现对变电站的环 境温度监测并存储,用于分析环境温度对计量装置的性能的影响。
[0046] 基于广域同步测量的0.2S级三相电能表的测量方法,包括以下步骤:步骤一、将三 相电能表中各时钟与变电站时钟系统对时后,由中央处理器标准秒脉冲和时钟芯片守时; 步骤二、在规定的时间点,中央处理器发出自动同步采样命令到现场可编程门阵列和数字 信号处理器,通过模数转换器、现场可编程门阵列及数字信号处理器全网同步采集每相电 压电流连续瞬时数据;步骤三、中央处理器读取数字信号处理器的每点24位瞬时数据,保留 前16位数据并存储在存储器中,瞬时数据格式参照GB 18657.1-2002的FT3格式,在原DL/T 645-2007电能表通信协议基础上增加每小时每一刻钟时间点每相电压电流采集1536个16 位的电压电流瞬时数据的协议。
[0047] 步骤一中对时的时钟系统为秒脉冲为基准的时钟同步系统时,采用IPPS加RS485 串口时间报文对时,PPS的接收通过中央处理器的中断口判断PPS的上升沿,通过中央处理 器的Tl计数器连续记录两个PPS的时间间隔是否在一定的范围内,有一定的连续性和稳定 性,判断PPS的有效性。然后利用秒脉冲为基准的时钟同步系统IPPS脉冲启动中央处理器的 TIMl高级计数器计数产生标准秒脉冲,恒温晶振的晶振8M,Ippm的频率精度在Is中内的误 差小于lus,通过中央处理器PLL倍频产生72M的工作时钟,保证了中央处理器产生标准秒脉 冲误差始终小于Ius,利用串口时间报文,校准中央处理器的RTC的时钟和时钟芯片的时钟, 对时完成后以自身中央处理器的RTC晶振和时钟芯片产生标准秒脉冲继续守时。
[0048] 步骤一中对时的时钟系统为采用IEEE 1588协议时钟系统时,变电站主时钟与三 相电能表时钟之间的对时报文遵循IEEE 1588协议,该协议将IEEE 1588协议时钟系统看作 是一种发布者与接收者构成的分布式网络,网络中的各个节点被视为主时钟或从时钟(BP 电能表终端子时钟),其中主时钟作为准确时间的发布者,从时钟接收主时钟对时信息并同 步从时钟时间。
[0049] IEEE 1588协议的时钟对时原理图如图3所示,采用IEEE 1588协议时钟系统对时 的步骤如下:
[0050] 假设同步报文的准确发送时间为Tml,它包含在跟随报文内;同步报文的接收时间 为Tsl,延迟-请求报文的发送时间为Ts3;延迟-请求报文的接收时间为Tm3,它包含在延迟-响应报文内;假设从时钟和主时钟之间的网络延迟具有对称性,即从时钟到主时钟的网络 延时与主时钟到从时钟的网络延迟相等,D e I a y表示从时钟和主时钟之间的网络延迟记, Offset表示从时钟与主时钟之间的时间偏差,由于网络的延时是对称的,得到如下计算公 式⑴:
Figure CN107037261AD00091
[0053] 从时钟根据公式⑵得到的Off set值,对自身时间进行修正;
[0054] 当Off set小于IOus时,则认为对时结束,从时钟停止与主时钟的对时过程。实现 IEEE-1588高精度同步的关键在于精确标记发送、接收时间戳和准确计算网络延时。为了尽 量减少网络各层之间交互数据帧所带来的时间延迟,报文的发送和接收直接在PHY和MAC层 之间的MII接口处进行标记。IEEE 1588的四类报文均参照MAC帧格式进行封装或者解包。这 四类报文发送和解析也遵循MII接口规范,与PHY之间进行信息交互。
[0055] 通过上述方案实现了在对时时同步启动中央处理器产生标准秒脉冲,同时校准时 钟芯片的时钟,中央处理器产生标准秒脉冲保证秒时间的准确,时钟芯片保证其他时间的 准确用于校准中央处理器生产的秒脉冲,保证了准确产生启动可编程门阵列自动同步采样 的脉冲。
[0056] 本实施例步骤二的具体操作步骤为:在规定的时间点通过中央处理器的标准秒脉 冲和时钟芯片的时钟准确产生启动同步瞬时数据采样脉冲到可编程门阵列,同时可编程门 阵列根据被测信号频率,自动产生每周波256点的采样频率控制模数转换器采样,模数转换 器的数据送数字信号处理器计算电能量;可编程门阵列同时发送脉冲信号给数字信号处理 器,数字信号处理器同步采集模数转换器的每周波256点的三个周波瞬时数据并存储。
[0057] 本实施例步骤二还包括以下步骤:校准中央处理器产生启动同步瞬时数据采样脉 冲到可编程门阵,再到启动同步A/D转换采集的延时时间Tel,通过中央处理器控制在需要 同步采样时刻提前Tel的时间产生启动同步瞬时数据采样脉冲发出。如此,本发明应用时能 保证在广域测量范围的瞬时数据采样同步。
[0058] 本实施例在具体实施时,优选在每天的三个每一刻钟(15分钟)时间点前3分钟的 时间点通过时钟系统校准中央处理器的RTC、时钟芯片的时钟、中央处理器的标准秒脉冲; 瞬时数据的采集的时间点及每天采集点数可由本机及主站远程设置;如果中央处理器重新 启动,中央处理器标准秒脉冲、RTC和时钟芯片的时钟有偏差时将启动与时钟系统校准程 序。
[0059] 以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步 详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明 的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含 在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1. 基于广域同步测量的0.2S级三相电能表,其特征在于,包括中央处理器、模数转换器 及与中央处理器连接的现场可编程门阵列、数字信号处理器、存储器、恒温晶振、时钟芯片, 所述现场可编程门阵列与数字信号处理器连接,且现场可编程门阵列和数字信号处理器均 与模数转换器连接;其中, 中央处理器,用于外接传统变电站的秒脉冲为基准的时钟同步系统或智能变电站的 IEEE1588协议时钟系统,与时钟系统对时并守时;还用于发出自动同步采样命令到现场可 编程门阵列和数字信号处理器,以及将采样的数据处理供存储器存储和电能量采集终端调 用;其中,秒脉冲为基准的时钟同步系统,为满足DL/T 1100.1-2009标准的电力系统时钟同 步系统,输出的秒脉冲时间基准信号的误差在50ns以内,串口对时报文输出标准时间,利用 秒脉冲时间基准信号校准中央处理器的秒脉冲时间,并利用串口对时报文校准三相电能表 时间;IEEE1588协议时钟系统,为基于以太网运行的网络同步时钟协议系统,实现纳秒级的 同步精度,利用IEEE 1588协议校准中央处理器的秒脉冲时间和三相电能表时间; 模数转换器,用于外接电压电流取样电路,并将电压电流取样信号进行模/数转换; 现场可编程门阵列,用于根据被测信号频率,自动产生每周波256点的采样频率控制模 数转换器采样脉冲;还用于接收中央处理器产生的全网同步测量触发信号,并在接收到触 发信号时产生模数转换器的启动转换脉冲信号,同时发送脉冲信号给数字信号处理器,同 步采集模数转换器的瞬时数据并存储; 数字信号处理器,用于处理经模数转换器转换的数据并存储,其中,处理的数据包括电 能计量数据、电气参数及同步电压电流瞬时数据; 存储器,用于存储经中央处理器处理的数据; 恒温晶振,用于配合中央处理器守时; 时钟芯片,用于为中央处理器提供工作时钟。
2. 根据权利要求1所述的基于广域同步测量的0.2S级三相电能表,其特征在于,所述中 央处理器还连接有温湿度测量装置,所述温湿度测量装置用于对变电站的环境温湿度进行 监测。
3. 根据权利要求2所述的基于广域同步测量的0.2S级三相电能表,其特征在于,所述温 湿度测量装置包括湿度传感器和温度测量装置,所述中央处理器内部设有18个通道的12位 模数转换接口,温度测量装置包括固定电阻及与固定电阻串联的负温度系数热敏电阻,固 定电阻相对连接负温度系数热敏电阻端的另一端与电源连接,负温度系数热敏电阻相对连 接固定电阻端的另一端接地,中央处理器具有一个模数转换接口与固定电阻和电源之间的 线路连接,中央处理器还具有一个模数转换接口与固定电阻和负温度系数热敏电阻之间的 线路连接。
4. 根据权利要求1〜3中任意一项所述的基于广域同步测量的0.2S级三相电能表的测 量方法,其特征在于,包括以下步骤: 步骤一、将三相电能表中各时钟与变电站时钟系统对时后,由中央处理器标准秒脉冲 和时钟芯片守时; 步骤二、在规定的时间点,中央处理器发出自动同步采样命令到现场可编程门阵列和 数字信号处理器,通过模数转换器、现场可编程门阵列及数字信号处理器全网同步采集每 相电压电流连续瞬时数据; 步骤三、中央处理器读取数字信号处理器的每点24位瞬时数据,保留前16位数据并存 储在存储器中,瞬时数据格式参照GB 18657.1-2002的FT3格式,在原DL/T 645-2007电能表 通信协议基础上增加每小时每一刻钟时间点每相电压电流采集1536个16位的电压电流瞬 时数据的协议。
5. 根据权利要求4所述的基于广域同步测量的0.2S级三相电能表的测量方法,其特征 在于,所述步骤一中对时的时钟系统为秒脉冲为基准的时钟同步系统,其对时步骤如下:采 用IPPS加RS485串口时间报文对时。
6. 根据权利要求4所述的基于广域同步测量的0.2S级三相电能表的测量方法,其特征 在于,所述步骤一中对时的时钟系统为采用IEEE 1588协议时钟系统,变电站主时钟与三相 电能表时钟之间的对时报文遵循IEEE 1588协议。
7. 根据权利要求4所述的基于广域同步测量的0.2S级三相电能表的测量方法,其特征 在于,所述步骤一对时时还包括以下步骤:利用恒温晶振和中央处理器的计数器产生标准 秒脉冲,在对时时同步启动中央处理器产生标准秒脉冲,同时校准时钟芯片的时钟,中央处 理器产生标准秒脉冲保证时钟芯片时间的准确,时钟芯片保证其他时间的准确。
8. 根据权利要求4所述的基于广域同步测量的0.2S级三相电能表的测量方法,其特征 在于,所述步骤二的具体操作步骤为:在规定的时间点通过中央处理器的标准秒脉冲和时 钟芯片的时钟准确产生启动同步瞬时数据采样脉冲到可编程门阵列,同时可编程门阵列根 据被测信号频率,自动产生每周波256点的采样频率控制模数转换器采样,模数转换器的数 据送数字信号处理器计算电能量;可编程门阵列同时发送脉冲信号给数字信号处理器,数 字信号处理器同步采集模数转换器的每周波256点的三个周波瞬时数据并存储。
9. 根据权利要求4所述的基于广域同步测量的0.2S级三相电能表的测量方法,其特征 在于,所述步骤二还包括以下步骤:校准中央处理器产生启动同步瞬时数据采样脉冲到可 编程门阵,再到启动同步A/D转换采集的延时时间Tel,通过中央处理器控制在需要同步采 样时刻提前Tel的时间产生启动同步瞬时数据采样脉冲发出。
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