CN108490251B - 一种满足3/2接线的数字电能计量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种满足3/2接线的数字电能计量装置，包括3个光纤网口模块、脉冲驱动模块、现场可编程逻辑门阵列FPGA、微控制器MCU以及人机交互模块，3个光纤网口模块的输出端分别连接现场可编程逻辑门阵列FPGA，并且与现场可编程逻辑门阵列FPGA单向通信；脉冲驱动模块的输出端连接现场可编程逻辑门阵列FPGA，并且与现场可编程逻辑门阵列FPGA单向通信；MCU微控制器与现场可编程逻辑门阵列FPGA双向通信；人机交互模块与现场可编程逻辑门阵列FPGA双向通信。本装置可以同时接收来自母线PT及其合并单元、各间隔CT及其合并单元组成的采样值传输系统中的IEC61850‑9‑2数字报文，在内部进行插值同步、合电流计算、电能计算来实现3/2接线方式的电能计量。
Description
技术领域
本发明属于电能计量领域，尤其是一种满足3/2接线的数字电能计量装置。
背景技术
在智能变电站中，数字化计量装置及其采样值传输体系取代了传统的计量装置及其回路实现电能计量功能，电子式互感器及合并单元的应用将一次电压、一次电流就地实现数字化，通过IEC61850标准规约在过程层和间隔层设备中实现采样值的传输。与传统电能计量装置不同，数字电能表接收的是离散的采样值，在某一间隔中电流、电压采样时间的同步性将这届关乎功率因数的准确性，进而官话到电能计量的准确性，尤其是在智能变电站采用内桥接线、3/2接线、母线PT级联等设计时，位于多个间隔的电子式互感器的电压、电流采样值通常经过合并单元级联或组网传输至数字化电能表，此时夸间隔的采样值同步是一个关键问题，尤其是跨间隔采样值同步中绝对延时时间的补偿结果将直接影响电能计量的精度。
目前的智能变电站系统中，采样值的同步主要依靠合并单元来完成，合同单元通过接收外部同步和额定延时的方式对采样值进行同步插值，并将插值后的数据用IEC61850-9-2协议发送给数字式电能表，数字式电能表根据IEC61850-9-2报文里的采样值进行电能的计量。这种方式存在一定弊端；首先，合并单元依靠外部同步信号来进行采样值的同步，这样同步时钟源的可靠性和稳定性直接影响了电能计量的精度；其次，在3/2接线的智能变电站中，存在合并单元的级联情况，由于数字式电能表不能接收来自多个合并单元的数据，所以需要增加一级合并单元用于整合来自不同合并单元的采样值报文，这样就增加了设备的数量和系统的复杂度，同时影响了电能计量的精度。
本设备主要针对智能变电站3/2接线的电能计量功能，可以同时接收来自母线PT及其合并单元、各间隔CT及其合并单元组成的采样值传输系统中的IEC61850-9-2数字报文，在内部进行插值同步、合电流计算、电能计算来实现3/2接线方式的电能计量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种满足3/2接线的数字电能计量装置，本装置可以同时接收来自母线PT及其合并单元、各间隔CT及其合并单元组成的采样值传输系统中的IEC61850-9-2数字报文，在内部进行插值同步、合电流计算、电能计算来实现3/2接线方式的电能计量。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种满足3/2接线的数字电能计量装置，其特征在于：包括3个光纤网口模块、脉冲驱动模块、现场可编程逻辑门阵列FPGA、微控制器MCU以及人机交互模块，3个光纤网口模块的输出端分别连接现场可编程逻辑门阵列FPGA，并且与现场可编程逻辑门阵列FPGA单向通信；脉冲驱动模块的输出端连接现场可编程逻辑门阵列FPGA，并且与现场可编程逻辑门阵列FPGA单向通信；MCU微控制器与现场可编程逻辑门阵列FPGA双向通信；人机交互模块与现场可编程逻辑门阵列FPGA双向通信。
而且，所述现场可编程逻辑门阵列FPGA包括MII接口控制器、报文协议解析模块、数据缓存区、FSMC总线控制器、窗口控制器、脉冲生成模块、误差计算单元等子模块，MII接口控制器的输入端分别连接3个光纤网口模块，MII接口控制器的的输出端连接报文解析模块，报文解析模块的输出端单相连接数据缓存区，数据缓存区的输出端单相连接FSMC总线控制器，FSMC总线控制器双向连通串口控制器，串口控制器用于双向连通人机交互模块，FSMC总线控制器另一接口用于双向连通MCU微控制器；FSMC总线控制器的一个输出端单向连通脉冲生成模块，该脉冲生成模块的输出端单向连接误差计算单元，误差计算单元的另一输入端连接到脉冲驱动模块的输出端；脉冲生成模块的输出端外接高频脉冲输出端口。
而且，所述MII接口控制器与光纤网口模块中的PHY芯片DP83640通信，接收来自3个光纤网口模块的电数字报文信号；报文解析模块用于对接收到的数字报文进行报文解析；数据缓存区用于缓存从报文中解析出的信息和数据；FSMC总线控制器用于与MCU微控制器通信，将数据缓存区中的报文信息和数据通过FSMC总线上传至MCU微控制器，并通过FSMC总线接收MCU微控制器的指令，把指令送到脉冲生成模块；脉冲生成模块根据MCU的指令产生对应频率的高频脉冲信号，输出高频脉冲的同时将高频脉冲送到内部的误差计算单元；误差计算单元根据高频脉冲和脉冲驱动模块传来的低频脉冲进行误差分析；串口驱动控制器用于与人机交互模块的串口通讯。
而且，所述光纤网口模块采用AFBR-5803光纤接口和工业以太网PHY芯片DP83640，3个光纤接口分别用于接收来自CT1合并单元、CT2合并单元、PT合并单元输出的基于IEC61850-9-2LE协议的光数字信号，并将光数字信号转换为电数字信号；光纤网口模块内部PHY芯片将电数字信号处理后通过MII接口传至现场可编程门阵列FPGA。
而且，所述脉冲驱动模块采用电阻和电容组成的无源驱动电路；用于接收数字式电能表发出的低频脉冲信号，并将其转化成TTL脉冲信号传至现场可编程门阵列FPGA。
而且，所述MCU微控制器采用意法半导体公司的STM32F407系列微控制器；用于接收现场可编程逻辑门阵列FPGA上传的数字报文信息和数据，并将处理好的数据和结果下传回现场可编程逻辑门阵列FPGA。
而且，所述人机交互采用友善之臂公司的tiny4412ARM核心板和适用于便携式设备的Linux嵌入式操作系统，具有人机交互功能。人机接口通过串口与现场可编程逻辑门阵列FPGA连接，用于接收后发送指令和数据。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明公开了一种满足3/2接线的数字电能计量装置，在智能变电站中，数字化计量装置及其采样值传输体系取代了传统的计量装置及其回路实现电能计量功能，电子式互感器及合并单元的应用将一次电压、一次电流就地实现数字化，通过IEC61850标准规约在过程层和间隔层设备中实现采样值的传输。数字电能表接收的是离散的采样值，在某一间隔中电流、电压采样时间的同步性将直接关乎功率因数的准确性，进而影响到电能计量的准确性，尤其是在智能变电站采用内桥接线、3/2接线、母线PT级联等设计时，位于多个间隔的电子式互感器的电压、电流采样值通常经过合并单元级联或组网传输至数字化电能表，此时夸间隔的采样值同步是一个关键问题。
2、本装置能够提供一种用于3/2接线的电能计量功能，可以同时接收来自母线PT及其合并单元、各间隔CT及其合并单元组成的采样值传输系统中的IEC61850-9-2数字报文，在内部进行插值同步、合电流计算、电能计算来实现3/2接线方式的电能计量。
附图说明
图1为本发明的原理图。
具体实施方式
下面结具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种满足3/2接线的数字电能计量装置，参见附图所示，包括3个光纤网口模块(分别为附图所示光纤网口模块1、光纤网口模块2以及光纤网口模块3)、脉冲驱动模块、现场可编程逻辑门阵列FPGA、微控制器MCU以及人机交互模块，3个光纤网口模块的输出端分别连接现场可编程逻辑门阵列FPGA，并且与现场可编程逻辑门阵列FPGA单向通信；脉冲驱动模块的输出端连接现场可编程逻辑门阵列FPGA，并且与现场可编程逻辑门阵列FPGA单向通信；
MCU微控制器与现场可编程逻辑门阵列FPGA双向通信；人机交互模块与现场可编程逻辑门阵列FPGA双向通信。
其中，现场可编程逻辑门阵列FPGA包括MII接口控制器、报文协议解析模块、数据缓存区、FSMC总线控制器、窗口控制器、脉冲生成模块、误差计算单元等子模块，MII接口控制器的输入端分别连接3个光纤网口模块，MII接口控制器的的输出端连接报文解析模块，报文解析模块的输出端单相连接数据缓存区，数据缓存区的输出端单相连接FSMC总线控制器，FSMC总线控制器双向连通串口控制器，串口控制器用于双向连通人机交互模块，FSMC总线控制器另一接口用于双向连通MCU微控制器；FSMC总线控制器的一个输出端单向连通脉冲生成模块，该脉冲生成模块的输出端单向连接误差计算单元，误差计算单元的另一输入端连接到脉冲驱动模块的输出端；脉冲生成模块的输出端外接高频脉冲输出端口；
本实施例所示的现场可编程逻辑门阵列FPGA：采用Intel公司的高性能FPGA。MII接口控制器与光纤网口模块中的PHY芯片DP83640通信，接收来自3个光纤网口模块的电数字报文信号；报文解析模块用于对接收到的数字报文进行报文解析；数据缓存区用于缓存从报文中解析出的信息和数据；FSMC总线控制器用于与MCU微控制器通信，将数据缓存区中的报文信息和数据通过FSMC总线上传至MCU微控制器，并通过FSMC总线接收MCU微控制器的指令，把指令送到脉冲生成模块；脉冲生成模块根据MCU的指令产生对应频率的高频脉冲信号，输出高频脉冲的同时将高频脉冲送到内部的误差计算单元；误差计算单元根据高频脉冲和脉冲驱动模块传来的低频脉冲进行误差分析；串口驱动控制器用于与人机交互模块的串口通讯。
光纤网口模块：采用AVAGO公司的AFBR-5803光纤接口和TI公司的工业以太网PHY芯片DP83640，本实施例所示的3个光纤接口分别用于接收来自CT1合并单元、CT2合并单元、PT合并单元输出的基于IEC61850-9-2LE协议的光数字信号，并将光数字信号转换为电数字信号；光纤网口模块内部PHY芯片将电数字信号处理后通过MII接口传至现场可编程门阵列FPGA。
脉冲驱动模块：采用电阻和电容组成的无源驱动电路；用于接收数字式电能表发出的低频脉冲信号，并将其转化成TTL脉冲信号传至现场可编程门阵列FPGA。
MCU微控制器：采用意法半导体公司的STM32F407系列微控制器；用于接收现场可编程逻辑门阵列FPGA上传的数字报文信息和数据，并将处理好的数据和结果下传回现场可编程逻辑门阵列FPGA。
人机交互：采用友善之臂公司的tiny4412ARM核心板和适用于便携式设备的Linux嵌入式操作系统，具有人机交互功能。人机接口通过串口与现场可编程逻辑门阵列FPGA连接，用于接收后发送指令和数据。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (6)
1.一种满足3/2接线的数字电能计量装置，其特征在于：包括3个光纤网口模块、脉冲驱动模块、现场可编程逻辑门阵列FPGA、微控制器MCU以及人机交互模块，3个光纤网口模块的输出端分别连接现场可编程逻辑门阵列FPGA，并且与现场可编程逻辑门阵列FPGA单向通信；脉冲驱动模块的输出端连接现场可编程逻辑门阵列FPGA，并且与现场可编程逻辑门阵列FPGA单向通信；MCU微控制器与现场可编程逻辑门阵列FPGA双向通信；人机交互模块与现场可编程逻辑门阵列FPGA双向通信；
所述现场可编程逻辑门阵列FPGA包括MII接口控制器、报文协议解析模块、数据缓存区、FSMC总线控制器、窗口控制器、脉冲生成模块、误差计算单元等子模块，MII接口控制器的输入端分别连接3个光纤网口模块，MII接口控制器的的输出端连接报文解析模块，报文解析模块的输出端单相连接数据缓存区，数据缓存区的输出端单相连接FSMC总线控制器，FSMC总线控制器双向连通串口控制器，串口控制器用于双向连通人机交互模块，FSMC总线控制器另一接口用于双向连通MCU微控制器；FSMC总线控制器的一个输出端单向连通脉冲生成模块，该脉冲生成模块的输出端单向连接误差计算单元，误差计算单元的另一输入端连接到脉冲驱动模块的输出端；脉冲生成模块的输出端外接高频脉冲输出端口。
2.根据权利要求1所述的满足3/2接线的数字电能计量装置，其特征在于：所述MII接口控制器与光纤网口模块中的PHY芯片DP83640通信，接收来自3个光纤网口模块的电数字报文信号；报文解析模块用于对接收到的数字报文进行报文解析；数据缓存区用于缓存从报文中解析出的信息和数据；FSMC总线控制器用于与MCU微控制器通信，将数据缓存区中的报文信息和数据通过FSMC总线上传至MCU微控制器，并通过FSMC总线接收MCU微控制器的指令，把指令送到脉冲生成模块；脉冲生成模块根据MCU的指令产生对应频率的高频脉冲信号，输出高频脉冲的同时将高频脉冲送到内部的误差计算单元；误差计算单元根据高频脉冲和脉冲驱动模块传来的低频脉冲进行误差分析；串口驱动控制器用于与人机交互模块的串口通讯。
3.根据权利要求1所述的满足3/2接线的数字电能计量装置，其特征在于：所述光纤网口模块采用AFBR-5803光纤接口和工业以太网PHY芯片DP83640，3个光纤接口分别用于接收来自CT1合并单元、CT2合并单元、PT合并单元输出的基于IEC61850-9-2LE协议的光数字信号，并将光数字信号转换为电数字信号；光纤网口模块内部PHY芯片将电数字信号处理后通过MII接口传至现场可编程门阵列FPGA。
4.根据权利要求1所述的满足3/2接线的数字电能计量装置，其特征在于：所述脉冲驱动模块采用电阻和电容组成的无源驱动电路；用于接收数字式电能表发出的低频脉冲信号，并将其转化成TTL脉冲信号传至现场可编程门阵列FPGA。
5.根据权利要求1所述的满足3/2接线的数字电能计量装置，其特征在于：所述MCU微控制器采用意法半导体公司的STM32F407系列微控制器；用于接收现场可编程逻辑门阵列FPGA上传的数字报文信息和数据，并将处理好的数据和结果下传回现场可编程逻辑门阵列FPGA。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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