CN107677982A - 一种数字化电能表现场校验方法及装置 - Google Patents

一种数字化电能表现场校验方法及装置 Download PDF

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唐登平
雷鸣
夏天
李俊
荣先金
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马奔
石洪
李帆
明东岳
李君�
王尚鹏
鄢烈奇
汪应春
庞博
汪司珂
王信
王琪
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Abstract

本发明提供一种数字化电能表现场校验方法及装置,S1,使用多模光纤,一端连接被校数字化电能表的采样值数据转发接口,另一端连接DSP标准数字化电能表的数据接收光接口,将采样值数据引入DSP标准数字化电能表;S2,使用双股导线,将被校数字化电能表的电能脉冲输出端口、接地端口与FPGA脉冲采集校验仪的常规接口和备用接口相连,FPGA脉冲采集校验仪接收被校数字化电能表的低频脉冲;S3,DSP标准数字化电能表计算标准电能,FPGA脉冲采集校验仪计算被测表的电能计量误差并输出。可在现场数字化电能表不停运情况下,实现对其在现场复杂工况下计量误差进行准确检测。

Description

一种数字化电能表现场校验方法及装置
技术领域
[0001] 本发明属于数字化电能计量设备检测和校验领域,特别是一种数字化电能表现场 校验方法及装置。
背景技术
[0002] 随着国家对基于IEC61850规约数字化智能变电站投入不断加大,数字化电能表应 用逐渐广泛。相较传统的电能表,数字化电能表具有误差小、抗干扰性强、稳定度,由于数字 化电能表校验标准及溯源方案还未完善,以及实验室无法准确模拟现场复杂工况,现场超 差一直无法在实验室环境复现,超差原因也无法下以定论。数字化电能表用于贸易结算的 目标任重而道远。
[0003] 数字化电能表现有现场校验方法仍有不少问题以待改进:现场环境的线下校验方 法,需要数字化电能表停运后外加标准源进行校验,这种校验方式操作复杂,并且由于标准 源并不能完全还原现场频率波动、谐波、暂态状况、输入噪声等复杂工况,很难对数字化电 能表在现场工况下计量性能进行准确评估;现场环境的通常在线校验方法,校验时需要距 离较远的合并单元或电子式互感器引入电压电流采样值数据,接线距离远,校验复杂,易受 现场恶劣气候、电磁环境影响,甚至会因为接线停止计量,造成计量损失。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种数字化电能表现场校验方法及装置,可在现场数字化 电能表不停运情况下,实现对其在现场复杂工况下计量误差进行准确检测。
[0005] 本发明的技术方案:一种数字化电能表现场校验方法,其特征在于,包括以下具体 步骤:
[0006] S1,使用多模光纤,一端连接被校数字化电能表的采样值数据转发接口,另一端连 接DSP标准数字化电能表的数据接收光接口,将采样值数据引入DSP标准数字化电能表;
[0007] S2,使用双股导线,将被校数字化电能表的电能脉冲输出端口、接地端口与FPGA脉 冲采集校验仪的常规接口和备用接口相连,FPGA脉冲采集校验仪接收被校数字化电能表的 低频脉冲;
[0008] S3,DSP标准数字化电能表计算标准电能,FPGA脉冲采集校验仪计算被校数字化电 能表的电能计量误差并输出。
[0009] 所述DSP标准数字化电能表计算标准电能的方法步骤如下:
[0010] (I) DSP标准数字化电能表光电转换器通过光纤接收现场被校数字化电能表转接 自前一级合并单元的IEC61850-9-2协议数据,对其解析并还原实际的采样值数据,存储并 发往DSP芯片,
[0011] (2) DSP标准数字化电能表的DSP芯片接收实际的采样值数据,利用三阶拉格朗日 插值算法对采样值数据进行重采样,采样值数据重采样后,采用点积和算法,将三相采样值 数据转换为累加电能量,当累加电能量高于预设电能阈值,DSP芯片向GPI0接口发出脉冲产 生信号;
[0012] (3) DSP标准数字化电能表的DSP芯片首先根据采样值数据重采样的频率,使用高 速时钟计时模块对合并单元或电子式互感器原采样间隔进行分频;分频后的每个小的间隔 内进行电能脉冲输出。
[0013] FPGA脉冲采集校验仪计算被测表的电能计量误差的步骤如下:
[0014] FPGA脉冲采集校验仪以低频脉冲作为触发标准,根据被校数字化电能表的准确度 等级,选择一个校验时序内需采集的低频脉冲个数,记录该数量低频脉冲时间内,高频脉冲 的个数,FPGA芯片根据被校数字化电能表和DSP标准数字化电能表的脉冲常数,分析采集到 的脉冲所对应的电能值及并计算电能计量误差。
[0015] 所述步骤⑵中累加电能量的实施方法为:
[0016] DSP芯片首先对最近的若干个电压、电流采样值进行存储,当收到当前时间点采样 值数据后,结合最近的四个采样点数据,使用三阶拉格朗日插值算法,以每1/4个采样间隔 为基准进行采样点插值,最后以实际的采样点和插值得的采样点相结合,每接收一个 IEC61850-9-2协议数据,将获得4个采样点数据,通过采样值乘以采样时间1/4个采样间隔 得瞬时的电能值大小,使用逐点累计的方法将瞬时电能值计入累计电能池中,具体算法如 下:
[0017] 设连续4个采样点为A[i-3]、A[i-2]、A[i-l]、A[i],根据拉格朗日插值方法有如下 插值公式⑴:
[0018]
Figure CN107677982AD00061
[0019] 式中:
[0020] A [X]为插值点X处插值大小。
[0021] 脉冲校验时,使用一个高精度高稳定度的50M赫兹时钟进行脉冲采集计数,以低频 脉冲上升沿作为校验起始,根据被校电能表的准确度等级,选择一个校验时序内需采集的 低频脉冲个数N,在第1个低频脉冲上升沿开始脉冲采集,在第N个低频脉冲的上升沿结束脉 冲采集,同时记录高频标准脉冲个数。然后将采集到的低频脉冲和高频脉冲个数分别乘以 各自脉冲常数,得到被校数字化电能表和数字化DSP标准数字化电能表同一段时间内各自 电能计算值,通过误差计算公式求取电能计量误差,并使用RS232串口输出检验结果。被校 数字化电能表的相对误差Y计算方法如下:
[0022]
Figure CN107677982AD00062
[0023] 式中:
[0024] W为被测电能表能量,按式⑶计算;
[0025] Wo为标准电能,按式⑷计算;
[0026] W=NC
[0027] (3)
[0028] 式中:
[0029] N为脉冲检测装置检测到的被校数字化电能表低频脉冲个数;
[0030] C为被校数字化电能表的脉冲常数;
[0031] W0 = NoCo
[0032] ⑷
[0033] 式中:
[0034] No为脉冲检测装置检测到的数字化DSP标准数字化电能表高频脉冲个数;
[0035] Co为数字化DSP标准数字化电能表的脉冲常数。
[0036] 包括被校数字化电能表、DSP标准数字化电能表以及FPGA脉冲采集校验仪,所述被 校数字化电能表通过多模光纤连接到DSP标准数字化电能表的光电转换器,光电转换器连 接RJ45连接器,RJ45连接器连接以太网芯片,以太网芯片连接DSP芯片,所述被校数字化电 能表通过网线连接到DSP标准数字化电能表的网线接口,网线接口连接以太网芯片,DSP芯 片通过GPIO接口连接到FPGA脉冲采集校验仪的IO接口,所述被校数字化电能表通过双股导 线连接到FPGA脉冲采集校验仪的常规接口和备用接口,常规接口和备用接口连接到FPGA芯 片,FPGA芯片连接串口转换芯片。
[0037] 所述光电转换器的型号为TP-932D;所述以太网芯片采用LAN8710A型芯片。
[0038] 所述DSP芯片采用TMS320C6748型芯片。
[0039] 所述FPGA芯片采用Altera Cyclone IIEP4CE15F17C8N型芯片。
[0040] 所述串口转换芯片采用MAX3232CSE型芯片。
[0041] 本发明的技术效果:本发明检测的信号为从被校数字电能直接引出的低频脉冲和 接收IEC61850-9-2协议数据,接线简单,可以实现对现场数字化电能表计量误差不停运检 定。
[0042] 本发明不需要外接标准源,直接使用现场工况对数字化电能表进行校验,能够检 测现场的数字化电能表工作在频率波动、谐波、输入噪声等复杂工况下电能计量准确度。
[0043] 本发明通过高速实时DSP系统来确保IEC61850-9-2协议抓包的实时性,可以快速 接受、解析9-1/9-2/9-2 (LE)协议数据包,并通过智能解包算法对数据帧的特殊标志位进行 解析,以对无效、丢包、错序等各种情况作出正确反应。标准电能计量真实还原现场一次侧 工况。
[0044] 本发明拉格朗日插值细化+点积和的算法以及高精度时间分频算法保证了实际电 能工况变化、采样时间、电能脉冲三者间的严格同步。确保标准电能计算、输出的实时性和 准确性。
[0045] 本发明使用特定的脉冲采集方法,并使用FPGA并行系统进行脉冲采集校验,电能 脉冲校验总系统误差小于两个高频脉冲,能够快速、高精度的检测出被校数字化电能表的 计量误差。与此同时,该校验方法也可以进行长时间不间断检测,实时监控现场数字化电能 表的电能计量状态。
附图说明
[0046] 图1是本发明的校验方法示意图;
[0047] 图2是本发明的校验装置结构示意图;
[0048] 图3是本发明的三阶拉格朗日算法原理框图。
[0049] 图中标号分别表示:1_被校数字化电能表,2-DSP标准数字化电能表,3-FPGA脉冲 采集校验仪,4-多模光纤,5-网线仪,6-双股导线,20-光电转换器,21-RJ45连接器,22-太网 芯片,23-DSP芯片,24-GPI0接口,25-网线接口,30-常规接口,31-备用接口,32-FPGA芯,33-IO接口,34-串口转换芯片。
具体实施方式
[0050] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一 步地详细描述。
[0051] 如图2所示,一种数字化电能表现场校验装置,包括被校数字化电能表1、DSP标准 数字化电能表2以及FPGA脉冲采集校验仪3,所述被校数字化电能表1通过多模光纤4连接到 DSP标准数字化电能表的光电转换器20,光电转换器20连接RJ45连接器21,RJ45连接器21连 接以太网芯片22,以太网芯片22连接DSP芯片23,所述被校数字化电能表1通过网线5连接到 DSP标准数字化电能表的网线接口 25,网线接口 25连接以太网芯片22,DSP芯片23通过GPIO 接口 24连接到FPGA脉冲采集校验仪3的IO接口 33,所述被校数字化电能表1通过双股导线6 连接到FPGA脉冲采集校验仪3的常规接口 30和备用接口 31,常规接口 30和备用接口 31连接 到FPGA芯片32,FPGA芯片32连接串口转换芯片34。
[0052] 所述光电转换器20的型号为TP-932D。
[0053] 所述以太网芯片22采用LAN8710A型芯片。
[0054] 所述DSP芯片23采用TMS320C6748型芯片。
[0055] 所述FPGA芯片32采用Altera Cyclone IIEP4CE15F17C8N型芯片。
[0056] 所述串口转换芯片34采用MAX3232CSE型芯片。
[0057] 如图1所示,一种数字化电能表现场校验方法:
[0058] 通过光纤将被校数字化电能表9-2协议接口的数据接入到DSP标准数字化电能表 装置的解码模块并设置解码9-2所需的匹配地址;通过连线将被校数字化电能表的有功电 能脉冲接入到低频脉冲采集接口。DSP标准数字化电能表装置将9-2数据解析成实际的电 压、电流采样值,通过插值细化+点积和电能算法求出实时电能,再将实时电能通过高频脉 冲发往脉冲采集校验装置。脉冲采集校验装置记录脉冲采集数量,通过校验算法,求取被校 数字化电能表的电能计量误差。
[0059] 解码模块的实施步骤为:数字化DSP标准数字化电能表装置由DSPC6748及其外围 电路构成的实时系统构成,光纤传输传输的9-2协议数据进入后,先经过高精度光电转换器 TP-932D转换成电信号,电信号通过100M网口传输到以太网控制器芯片LAN8710A,并触发 DSP的EMAC模块接收,满足地址匹配要求的数据包进入EMC缓存区并产生中断,DSP的CPU响 应中断读取EMAC缓存中的9-2数据并将其各种标志位、数据解析出来,CPU根据当前标志位 的含义,对数据进行相应的处理。依托高速实时的DSP系统,解码模块能够在30微秒内完成 上述操作。除了接收IEC61850-9-2协议数据,该解码模块也能对9-1和9-2 (LE)帧格式数据 进行智能处理。
[0060] 插值细化+点积和电能算法原理如图3,其实施步骤为:计算模块首先会对最近的 若干个电压、电流采样值进行存储,当收到当前时间点采样值数据后,会结合最近的四个采 样点数据,使用三阶拉格朗日插值算法,以每1/4个采样间隔为基准进行采样点插值,最后 以实际的采样点和插值得的采样点相结合,每接收一个9-2协议数据,将获得4个采样点数 据,通过采样值乘以采样时间(1/4个采样间隔)得瞬时的电能值大小,使用逐点累计的方法 将瞬时电能值计入累计电能池中。具体算法如下:
[0061] 设连续4个采样点为A[i-3]、A[i-2]、A[i-l]、A[i],根据拉格朗日插值方法有如下 插值公式⑴:
[0062]
Figure CN107677982AD00091
[0063] 式中:
[0064] A [X]为插值点X处插值大小。
[0065] 本申请中,DSP标准数字化电能表的高频电能脉冲模块实施原理为:DSP标准数字 化电能表的脉冲常数设置为普通电能表的2000倍,首先使用高频时钟将一个采样间隔均分 为4等分,当计入某个细化后采样点处电能值后电能累计池的电能超过一个电能阈值时, DSP控制IO外设端口在对应的时间间隔点输出一个电能脉冲,并将该脉冲对应的电能量从 电能累计池其中去除。
[0066] 脉冲采集校验实施方法为:脉冲采集模块基于Altera Cyclone Π EP4CE15F17C8N 型号FPGA研制,脉冲校验时,使用一个高精度高稳定度的50M赫兹时钟进行脉冲采集计数, 以低频脉冲上升沿作为校验起始。根据被校电能表的准确度等级,选择一个校验时序内需 采集的低频脉冲个数N。在第1个低频脉冲上升沿开始脉冲采集,在第N个低频脉冲的上升沿 结束脉冲采集,同时记录高频标准脉冲个数。然后将采集到的低频脉冲和高频脉冲个数分 别乘以各自脉冲常数,得到被校数字化电能表和数字化DSP标准数字化电能表同一段时间 内各自电能计算值,通过误差计算公式求取电能计量误差,并使用RS232串口输出检验结 果。被校数字化电能表的相对误差Y计算方法如下:
[0067]
Figure CN107677982AD00092
[0068] 式中:
[0069] W为被测电能表能量,按式⑶计算;
[0070] Wo为标准电能,按式⑷计算。
[0071] W=NC (3)
[0072] 式中:
[0073] N为脉冲检测装置检测到的被校数字化电能表低频脉冲个数;
[0074] C为被校数字化电能表的脉冲常数。
[0075] Wo = NoCo ⑷
[0076] 式中:
[0077] No为脉冲检测装置检测到的数字化DSP标准数字化电能表高频脉冲个数;
[0078] Co为数字化DSP标准数字化电能表的脉冲常数。
[0079] 以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按 照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书 的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种数字化电能表现场校验方法,其特征在于,包括以下具体步骤: Si,使用多模光纤,一端连接被校数字化电能表的采样值数据转发接口,另一端连接 DSP标准数字化电能表的数据接收光接口,将采样值数据引入DSP标准数字化电能表; S2,使用双股导线,将被校数字化电能表的电能脉冲输出端口、接地端口与FPGA脉冲采 集校验仪的常规接口和备用接口相连,FPGA脉冲采集校验仪接收被校数字化电能表的低频 脉冲; S3,DSP标准数字化电能表计算标准电能,FPGA脉冲采集校验仪计算被校数字化电能表 的电能计量误差并输出。
2. 根据权利要求1所述的一种数字化电能表现场校验方法,其特征在于,所述DSP标准 数字化电能表计算标准电能的方法步骤如下: (1) DSP标准数字化电能表光电转换器通过光纤接收现场被校数字化电能表转接自前 一级合并单元的IEC61850-9-2协议数据,对其解析并还原实际的采样值数据,存储并发往 DSP芯片, (2) DSP标准数字化电能表的DSP芯片接收实际的采样值数据,利用三阶拉格朗日插值 算法对采样值数据进行重采样,采样值数据重采样后,采用点积和算法,将三相采样值数据 转换为累加电能量,当累加电能量高于预设电能阈值,DSP芯片向GPIO接口发出脉冲产生信 号; (3) DSP标准数字化电能表的DSP芯片首先根据采样值数据重采样的频率,使用高速时 钟计时模块对合并单元或电子式互感器原采样间隔进行分频;分频后的每个小的间隔内进 行电能脉冲输出。
3. 根据权利要求2所述的一种数字化电能表现场校验方法,其特征在于,FPGA脉冲采集 校验仪计算被测表的电能计量误差的步骤如下: FPGA脉冲采集校验仪以低频脉冲作为触发标准,根据被校数字化电能表的准确度等 级,选择一个校验时序内需采集的低频脉冲个数,记录该数量低频脉冲时间内,高频脉冲的 个数,FPGA芯片根据被校数字化电能表和DSP标准数字化电能表的脉冲常数,分析采集到的 脉冲所对应的电能值及并计算电能计量误差。
4. 根据权利要求2所述的一种数字化电能表现场校验方法,其特征在于,所述步骤(2) 中累加电能量的实施方法为: DSP芯片首先对最近的若干个电压、电流采样值进行存储,当收到当前时间点采样值数 据后,结合最近的四个采样点数据,使用三阶拉格朗日插值算法,以每1/4个采样间隔为基 准进行采样点插值,最后以实际的采样点和插值得的采样点相结合,每接收一个IEC61850-9-2协议数据,将获得4个采样点数据,通过采样值乘以采样时间1/4个采样间隔得瞬时的电 能值大小,使用逐点累计的方法将瞬时电能值计入累计电能池中,具体算法如下: 设连续4个采样点为A[i-3]、A[i-2]、A[i-l]、A[i],根据拉格朗日插值方法有如下插值 公式⑴:
Figure CN107677982AC00031
式中: A [X]为插值点X处插值大小。
5. 根据权利要求3所述的一种数字化电能表现场校验方法,其特征在于,脉冲校验时, 使用一个高精度高稳定度的50M赫兹时钟进行脉冲采集计数,以低频脉冲上升沿作为校验 起始,根据被校数字化电能表的准确度等级,选择一个校验时序内需采集的低频脉冲个数 N,在第1个低频脉冲上升沿开始脉冲采集,在第N个低频脉冲的上升沿结束脉冲采集,同时 记录高频标准脉冲个数,然后将采集到的低频脉冲和高频脉冲个数分别乘以各自脉冲常 数,得到被校数字化电能表和数字化DSP标准数字化电能表同一段时间内各自电能计算值, 通过误差计算公式求取电能计量误差,并使用串口转换芯片通过RS232串口输出检验结果, 被校数字化电能表的相对误差Y计算方法如下:
Figure CN107677982AC00032
式中: W为被校数字化电能表能量,按式⑶计算; W0为DSP标准数字化电能表能量,按式(4)计算; W=NC (3) 式中: N为脉冲检测装置检测到的被校数字化电能表低频脉冲个数; C为被校数字化电能表的脉冲常数; Wo = NoCo ⑷ 式中: No为脉冲检测装置检测到的DSP标准数字化电能表高频脉冲个数; C0为DSP标准数字化电能表的脉冲常数。
6. —种数字化电能表现场校验装置,其特征在于:包括被校数字化电能表、DSP标准数 字化电能表以及FPGA脉冲采集校验仪,所述被校数字化电能表通过多模光纤连接到DSP标 准数字化电能表的光电转换器,光电转换器连接RJ45连接器,RJ45连接器连接以太网芯片, 以太网芯片连接DSP芯片,所述被校数字化电能表通过网线连接到DSP标准数字化电能表的 网线接口,网线接口连接以太网芯片,DSP芯片通过GPIO接口连接到FPGA脉冲采集校验仪的 IO接口,所述被校数字化电能表通过双股导线连接到FPGA脉冲采集校验仪的常规接口和备 用接口,常规接口和备用接口连接到FPGA芯片,FPGA芯片连接串口转换芯片。
7. 根据权利要求6所述的一种数字化电能表现场校验装置,其特征在于:所述光电转换 器的型号为TP-932D;所述以太网芯片采用LAN8710A型芯片。
8. 根据权利要求6所述的一种数字化电能表现场校验装置,其特征在于:所述DSP芯片 采用TMS320C6748型芯片。
9. 根据权利要求6所述的一种数字化电能表现场校验装置,其特征在于:所述FPGA芯片 采用Altera Cyclone Π EP4CE15F17C8N型芯片。
10. 根据权利要求6所述的一种数字化电能表现场校验装置,其特征在于:所述串口转 换芯片采用MAX3232CSE型芯片。
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