一種新型數(shù)字式電能表檢定系統(tǒng)的研制

劉忠琛 楊秋生 朱瑞民 任愛仙 弓建華

（山西省電力公司晉中供電分公司，山西 榆次 030060）

為適應(yīng)電力系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展的需要，基于IEC61850等通信協(xié)議的數(shù)字化電力系統(tǒng)得到了越來越多的應(yīng)用[1]。與此相應(yīng)的數(shù)字化電能計量系統(tǒng)也應(yīng)運而生。數(shù)字化電能計量系統(tǒng)的核心是數(shù)字化的電能表。這種電能表與傳統(tǒng)機械式或電子式電能表的最大不同點是其測量輸入信號不再是傳統(tǒng)的模擬電壓和模擬電流，而是全數(shù)字化的數(shù)據(jù)流。由于這種新型數(shù)字化電能表內(nèi)部沒有模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差，因而提高了電能計量精度。但是，我國目前的電能計量誤差的量值傳遞體系仍然是基于傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)的，尚無成熟的數(shù)字化的電能表檢定標(biāo)準(zhǔn)。因此，需要研制一種可納入國家現(xiàn)行電能計量誤差傳遞體系中的數(shù)字式電能表的檢定裝置。本文提出了一種滿足這一要求的新型數(shù)字式電能表檢定系統(tǒng)的設(shè)計方案，給出了其軟硬件設(shè)計原理。

1 技術(shù)原理

如圖1所示，新型檢定裝置由可輸出交流電壓和交流電流的電能表檢定電源、電能脈沖誤差比較器、以及既帶傳統(tǒng)三相電壓和三相電流輸入接口又帶有符合 IEC61850數(shù)字通信規(guī)約的數(shù)字流輸出接口的新型標(biāo)準(zhǔn)電能表等三部分組成。

圖1 新型檢定裝置

如圖2所示，新型的標(biāo)準(zhǔn)電能表的原理為，輸入的三相交流電壓 Ua，Ub，Uc和三相交流電流 Ia，Ib，Ic依次接入信號調(diào)理電路和 A/D轉(zhuǎn)換器，然后將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的原始數(shù)字量送入數(shù)字信號處理器中進行計算處理，完成電壓、電流、功率和電能等量的測量，按IEC61850通信規(guī)約將原始數(shù)字量組幀。然后，通過脈沖輸出裝置輸出與輸入功率嚴(yán)格成正比的電能脈沖，同時通過數(shù)字通信單元輸出符合IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約的包含電壓和電流信息的數(shù)字流[2]。

2 硬件設(shè)計

圖3是新型標(biāo)準(zhǔn)電能表的硬件框圖。

2.1 信號調(diào)理

儀器采用了微型電壓互感器和微型電流互感器分別將電力系統(tǒng)輸入的電壓和電流進行調(diào)理，以使其滿足儀器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器輸入量程范圍，以及鎖相環(huán)（PLL）輸入要求。

圖2 新型標(biāo)準(zhǔn)電能表

圖3 新型標(biāo)準(zhǔn)電能表電路原理圖

2.2 鎖相環(huán)

對輸入信號頻率的跟蹤是通過鎖相環(huán)（PLL）實現(xiàn)的。鎖相環(huán)通常由壓控振蕩器、鑒相器、分頻器、以及回路濾波器等部分組成。本儀器采用了集成電路鎖相環(huán)74HC4046，實現(xiàn)頻率跟蹤[3]。

2.3 A/D采樣

從信號調(diào)理電路部分輸出的電壓和電流模擬信號輸入A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率與PLL的輸出成正比。A/D轉(zhuǎn)換器采用了美國MAXIM公司的MAX11045六通道16位同時采樣A/D轉(zhuǎn)換器[4]。該A/D轉(zhuǎn)換器具有正負(fù)5V輸入和高達 250kHz的采樣速率，可同時完成輸入的三相電壓和三相電流的采樣。A/D轉(zhuǎn)換后的采樣值送入DSP進行數(shù)據(jù)處理。

2.4 數(shù)字信號處理器

本儀器使用了兩個微處理器，一個是數(shù)字信號處理器，另一個是 ARM 處理器。其中，數(shù)字信號處理器采用了TI公司的TMS320C28346浮點數(shù)字信號處理器用于采樣值的數(shù)字信號處理[5]。通過執(zhí)行不同的算法，TMS320C28346浮點數(shù)字信號處理器可同時測量電壓、電流、頻率、功率、功率因數(shù)、電能等參數(shù)，并通過其 SPI總線接口送入 ARM處理器進行后續(xù)處理。

2.5 脈沖輸出和IEC61850數(shù)字流輸出

本儀器的 ARM 處理器采用了基于 ARM9的EP9315片上系統(tǒng)[6]。EP9315片上系統(tǒng)負(fù)責(zé)儀器的后續(xù)處理及人機接口。在后續(xù)處理中，EP9315根據(jù)DSP送來的功率值，通過其GPIO接口輸出與這一功率嚴(yán)格成正比的電能脈沖序列，同時通過其自帶的百兆以太網(wǎng)口，經(jīng)過光物理層芯片輸入與輸出IEC61850-9-1和IEC61850-9-2LE信號。

3 軟件設(shè)計

如上所述，新型標(biāo)準(zhǔn)電能表的數(shù)字信號處理器TMS320C28346負(fù)責(zé)各種電參量的計算。TMS320C28346的計算軟件運行于 DSP/BIOS實時操作系統(tǒng)內(nèi)核上。DSP/BIOS實時操作系統(tǒng)內(nèi)核具有搶占式多線程功能。實時操作系統(tǒng)內(nèi)核維護調(diào)度多線程的運行，只需將定制的數(shù)字信號處理算法作為一個線程嵌入系統(tǒng)即可。通過將不同的測量功能算法分配到不同的實時操作系統(tǒng)線程中，我們可以認(rèn)為每一測量線程都是運行于一個獨立的微型數(shù)字信號處理器上的。這種高度模塊化的軟件設(shè)計方案大大簡化了測量軟件設(shè)計。圖4是TMS320C28346線程分配示意圖。

圖4 TMS320C28346線程分配示意圖

圖 4中，DSP/BIOS內(nèi)核管理 TMS320C28346硬件資源并協(xié)調(diào)其他所有線程。原始數(shù)據(jù)預(yù)處理線程獲取A/D轉(zhuǎn)換器傳來的原始采樣數(shù)據(jù)或內(nèi)部直接生成原始數(shù)字量，轉(zhuǎn)發(fā)給其他測量線程進行后續(xù)處理。數(shù)據(jù)交換線程與 EP9315片上系統(tǒng)進行通信，并將各個電參量測量值傳送給EP9315。測量線程分別為電參量測量線程、電能測量及脈沖輸出線程、和IEC61850組幀輸出線程等。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型數(shù)字式電能表檢定系統(tǒng)的設(shè)計方案，并詳細(xì)討論了其軟硬件設(shè)計方法?？梢钥闯?，本系統(tǒng)不僅解決了基于 IEC61850-9-1和IEC61850-9-2LE標(biāo)準(zhǔn)的全數(shù)字式電能表的檢定問題，還同時解決了本檢定裝置納入現(xiàn)行電能計量誤差量值傳遞體系的問題。

[1]任雁銘,秦立軍,楊奇遜. IEC61850 通信協(xié)議體系介紹和分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2000,24(8):62-64.

[2]IEC Technical Committee 38. IEC 61850-9-1:2003 Communication networks and systems in substations Part 9-1:Specific Communication Service Mapping(SCSM)—sampled analogue values over serial unidirectional multidrop point to point link[S].Geneva , Switzerland : International Electrotechnical Commission, 2003.

[3]曾慶貴.鎖相環(huán)集成電路原理與應(yīng)用[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,2012.

[4]MAX11045 Datasheet[Z].Maxim Integrated, 2011.

[5]TMS320C28346 Data Manual[Z].TI, 2012.

[6]EP93xx User Guide[Z]. Cirrus Logic, 2007.