一种基于模拟溯源法的数字电能表校验装置 技术领域 本发明涉及一种电能表校验装置， 尤其涉及一种基于模拟溯源法的数字电能表校 验装置， 用于对数字化变电站中应用的基于 IEC61850 标准的电能表误差测试。
背景技术 作为电能计量设备， 基于 IEC61850 标准的数字电能表还没有大规模用于变电站 或电厂， 其很重要的原因是缺失对数字电能表进行误差测试的有效手段， 所谓有效的手段 必须具备两个条件 ： 一是校验装置能够输出符合 IEC61850 标准的数据给被测电能表， 并 且接收被测电能表的电能脉冲， 测出被测电能表的误差 ； 二是校验装置的精度等级至少为 0.05 级， 且精度具有可溯源性。
国内的电能表厂家和部分科研院所开展了基于数字溯源的校验技术研究， 这种技 术的基本原理是 ： 校验装置内部模拟一个数字信号发生器， 信号发生器的基准是一组数学 模型， 校验装置将信号发生器的输出按 IEC61850 标准组帧发送给被测电能表， 同时接收被
测电能表输出的电能脉冲， 比较电能脉冲代表的电能量与基准电能量， 即得到了被测电能 表的误差。 这个技术的主要问题是信号发生器的基准本身的精度无法通过国家标准进行量 传， 也就是说校验装置的精度只能依靠设计方的保证， 而无法使用第三方的手段进行检定。 发明内容
本发明的目的， 就在于提供一种基于模拟溯源法的数字电能表校验装置， 校验装 置的量值可以直接向上溯源至更高等级的现有国家标准， 如精度为 0.01 级的 COM3000 标 准电能表。
为实现上述发明目的， 本发明提供一种数字电能表校验装置 ( 见附图 1 的虚线框 部分 )， 包括依次有数据线连接的交流信号调理板 2、 中央控制板 3、 工控机 4 以及给装置供 电的线性电源板 5。其特征是 ：
所述的交流信号调理板 2 作用是将外接的标准功率源 1 提供的量值溯源和虚负荷 测试时所需要的三相电压、 三相电流进行前端低失真转换， 转换为满足后面中央控制板中 的交流采样单元量限的电压信号， 交流信号调理板 2 包括电流调理回路、 电流量程切换控 制回路和电压调理回路 ：
在电流调理回路， 中央控制板根据输入电流的幅值大小动态改变零磁通电流互感 器的一次安匝数。 由于继电器的开关通断容量有限， 因此以两个开关并联、 共用一个控制信 号组成一组继电器， 每相输入的交流电流信号经三组继电器， 进入零磁通电流互感器， 零磁 通电流互感器一次匝数分四个档位， 具有四个抽头和一个公共端 ； 第一组继电器在前， 其输 出端口 A 与第二组继电器的输入端连接、 输出端口 B 与第三组继电器的输入端连接， 第二、 第三组继电器的四个输出端口连接零磁通互感器的抽头 ； 零磁通互感器的二次输出接入一 个电流 / 电压变换电路， 变换电路设有一个高精度运算放大器， 负输入端与输出端之间连 接有一个高精度电阻 ；电流量程切换控制回路含两块驱动芯片， 用于驱动三相电流回路的共 9 组继电 器， 其中第一驱动芯片用于驱动 A 相和 B 相电流量程切换的继电器， 第二驱动芯片用于驱动 C 相电流量程切换的继电器 ； 两块驱动芯片的控制输入均为来自中央控制板并经过光电隔 离的控制信号 ；
电压调理回路的作用为将标准功率源输出的交流电压低失真地转换为 5V 以内的 低电压信号， 再送到中央控制板中的交流采样单元 ； 输入的电压信号首先经过一个电 阻分 压网络， 分压网络由三个精密电阻组成， 经分压后的电压信号接至一个可编程增益仪表放 大器， 放大器的控制信号来自中央控制板， 放大器的输出电压信号送到中央控制板的交流 采样单元。
所述的中央控制板 3 完成功能包括交流采样、 电能累积、 IEC61850 标准通信、 误差 计算和与工控机的数据交换 ； 中央控制板按照功能可划分为如下几个部分 ：
1) 电源单元
电源单元的输入电压为 5V， 取自线性电源板， 电源单元含电源管理芯片进行电压 转换， 分别转换为 3.3V、 1.25V 和 1.8V 电压供中央控制板的各单元 ；
2) 交流采样单元
交流采样单元的作用是将模拟的交流信号 ( 表征三相电压、 电流 ) 同步转换为数 字信号， 然后将数字信号送入数字信号处理器 DSP 芯片 ( 下面介绍 ) ； 模数转换器 (AD) 采 用具有八通道同步转换的转换芯片， 信号在送到模数转换器之前经过共模转换和抗混叠滤 波处理 ； 采用高精度差分放大器， 将输入交流信号乘一个系数后叠加一个输入的共模电压， 处理后的差分信号送到模数转换器 ； 模数转换器的共模电压输出经过一个同相跟随器后送 给差分放大器， 作为差分放大器的共模电压输入 ；
三相电流信号送到模数转换器的第 1 到第 3 输入通道， 三相电压信号送到模数转 换器的第 4 到第 6 输入通道， 模数转换器的参考电压来自电压参考芯片 ； 模数转换器与 DSP 芯片间的通信采用帧同步串口方式 ；
3) 数字信号处理器 DSP 单元
数字信号处理器 DSP 单元主要包括一个数字信号处理器 DSP 芯片和外围时钟电 路， 作为中央控制板的核心部分， 本单元实现数据采集、 数据处理和数据传输的功能， 其内 部具有运算单元、 控制单元、 存储单元、 数据总线和 I/O 接口 ； DSP 芯片通过数 据线与其他 单元连接 ；
4) 存储单元
存储单元含存储器和闪存芯片， 存储器用于在 DSP 芯片运行时存储程序代码和实 时数据 ； 闪存芯片用于掉电后存储程序代码和参数数据 ；
5)I/O 单元
I/O 单元主要实现 DSP 芯片外部总线复用， 以及 DSP 芯片与工控机之间的 RS232 通 信接口 ； 总线复用机制采用译码器、 或非门和锁存器， 串口通信控制器采用光藕隔离器进行 电平转换 ；
6) 电能脉冲单元
中央控制板包含两路电能脉冲输入口 ( 一个为有功电能输入、 一个为无功电能输 入 ) 和两路电能脉冲输出口 ( 一个为有功电能输出、 一个为无功电能输出 )。 输入的电能脉冲经过光藕隔离器进行脉冲电平转换， 再经两级驱动器转换最后送至 DSP ； 来自 DSP 的电能 脉冲输出经一级驱动后， 送入光藕隔离器输入端， 其输出经一级驱动后， 作为输出脉冲 ；
7) 通信单元
通信单元的作用是在虚负荷测试时将标准功率源输出的三相电压、 电流以符合 IEC61850-9-1 标准的帧发送给被测电能表 ； 或在实负荷测试时， 从电子式互感器的合并单 元接收实时电压、 电流信号 ； 本单元具有两个以太网 RJ45 接口 ( 电口 ) 和两个以太网光纤 SC 接口 ( 光口 )， 电口和光口由以太网控制器控制， 共享一个 MAC 地址， 构成通信单元 ； 电口 和光口由以太网控制器控制， 共享一个 MAC 地址， 构成通信单元， 以太网控制器命令接口和 数据接口与 DSP 芯片连接。
3、 根据权利要求 2 所述的数字电能表校验装置， 其特征是 ： 所述的线性电源板 的 作用是将输入的 220V 交流电压转换为电子器件使用的直流电压， 信号调理板和中央控 制板的交流采样单元中的放大器均为 ±15V 供电， 继电器和光电隔离器件的驱动电源为 +12V， 模数转换器需要三个电压源供电， 模拟部分用 5V， 数字信号处理内核用 1.8V， I/O 接 口用 3.3V， ±15V、 +12V 和 +5V 电源取自线性电源板 ； 线性电源板采用一个具有多个抽头的、 220V 交流电压输入的变压器和三个桥式整流电路。
4、 所述的工控机用于开发人机界面， 完成命令下达、 数据通信和结果显示功能， 与 中央控制板通过串口交换命令和数据。工控机的配件参数表为 ：
有益效果 ： 本发明的校验装置电能测量精度达到了 0.05 级， 并且精度可以通过传 统标准电能表进行检定， 确保了测试数据的有效性。附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步阐述。
图 1 校验装置原理框图 ；
图 2A 信号调理板电路中的电流调理回路的原理图 ； 图 2B 信号调理板电路中的电流量程切换控制回路的原理图 ； 图 2C 信号调理板电路中的电压调理回路的原理图 ；
图 3 中央控制板的结构框图 ；
图 4 中央控制板中的电源单元电路原理图 ；
图 5A 中央控制板中交流采样电路的模数转换器的原理图 ； 图 5B 中央控制板中交流采样电路的差分放大器的原理图 ；
图 6 中央控制板中的存储单元电路原理图 ；
图 7 中央控制板中的 I/O 单元电路原理图 ；图 8 中央控制板中的电能脉冲单元电路原理图 ； 图 9 中央控制板中的通信单元 1 电路原理图 ； 图 10 中央控制板中的通信单元 2 电路原理图 ； 图 11 线性电源板电路原理图 ； 图 12 ： 量值溯源原理图 ； 图 13 ： 虚负荷测试原理图 ； 图 14 ： 实负荷测试原理图。具体实施方式
本发明为校验装置， 适用于对基于 IEC61850 标准的数字电能表进行误差测试， 以 确定作为电能计量设备的电能表精度是否满足标称等级。
如图 1 所示， 本发明的数字电能表校验装置 ( 见附图 1 的虚线框部分 )， 包括依次 有数据线连接的交流信号调理板 2、 中央控制板 3、 工控机 4 以及给装置供电的线性电源板 5。
参见图 2A 至图 2C， 所述的交流信号调理板作用是将外接的标准功率源提供的量 值溯源和虚负荷测试时所需要的三相电压、 三相电流进行前端低失真转换， 转换为满足后 面中央控制板中的交流采样单元量限的电压信号， 交流信号调理板包括电流调理回路、 电 流量程切换控制回路和电压调理回路 ：
在电流调理回路， 中央控制板根据输入电流的幅值大小动态改变零磁通电流互感 器的一次安匝数。 由于继电器的开关通断容量有限， 因此以两个开关并联、 共用一个控制信 号组成一组继电器， A、 B、 C 三相每相输入的交流电流信号 (0.2A ～ 10A) 经三组继电器， 进 入零磁通电流互感器， 零磁通电流互感器一次匝数分四个档位， 具有四个抽头和一个公共 端。电流量程与互感器一次匝数的对应关系为 ： 0.2A 对应 100 匝、 1A 对应 20 匝、 5A 对应 4 匝、 10A 对应 2 匝。设每组继电器具有一个输入端和 两个输出端口 A 和 B。第一组继电器 在前， 其输出端口 A 与第二组继电器的输入端连接、 输出端口 B 与第三组继电器的输入端连 接， 第二、 第三组继电器的四个输出端口连接零磁通互感器的抽头。 每一相电流量程切换用 的继电器状态与互感器一次匝数的对应关系为 ：
零磁通互感器的二次输出接入一个电流 / 电压变换电路， 变换电路涉及一个高精 度运算放大器， 型号为 OPA2277U， 负输入端与输出端之间连接一个精度为 0.01％的 500 欧 姆。根据其说明书的应用方案， 各个档位电流信号变换为量程为 5V 的电压信号。
电流量程切换控制回路含两块驱动芯片， 型号为 LN2803， 用于驱动三相电流回路
的共 9 组继电器， 其中第一驱动芯片用于驱动 A 相和 B 相电流量程切换的继电器， 第二驱动 芯片用于驱动 C 相电流量程切换的继电器 ； 两块驱动芯片的控制输入均为来自中央控制板 并经过光电隔离的控制信号， 光电隔离器件型号为 PC817。
电压调理回路的作用为将标准功率源输出的 20 ～ 100V 交流电压低失真地转换为 5V 内的低电压信号， 再送到中央控制板中的交流采样单元 ； 输入的电压信号首先经过一个 电阻分压网络， 分压网络由三个精密电阻组成， 分压网络由三个精度为 5ppm 的精密电阻组 成， 分压比为 5/405。经分压后的电压信号接至一个可编程增益仪用放大器， 仪用放大器型 号为 PGA205AU， 放大器的控制信号来自中央控制板， 放大器的 输出电压信号送到中央控制 板的交流采样单元。
参见图 3， 所述的中央控制板完成功能包括交流信号采样、 电能累积、 IEC61850 标 准通信、 误差计算和与工控机的数据交换。DSP 芯片采用美国 AD 公司的 Blackfin531。中 央控制板按照功能可划分为如下几个部分 ：
1、 电源单元 ( 见图 4)
电源单元为中央控制板提供三个电源， 分别为 3.3V， 1.25V 和 1.8V， 电源单元的输 入电压为 5V， 取自线性电源板， 电源单元含电源管理芯片 ADP3339、 REG1117 和 TPS73018 进 行电压转换， 分别转换为 3.3V、 1.25V 和 1.8V 电压。 2、 采样单元 ( 见图 5A 和图 5B)
交流采样单元的作用是将模拟的交流信号 ( 三相电压、 电流 ) 同步转换为数字信 号， 然后将数字信号发送入 DSP。模数转换器 (AD) 采用具有八通道同步转换的转换芯片， 型号为 ADS1278。信号在送到模数转换器之前根据模数转换器的要求经过共模转换和抗混 叠滤波， 采用的器件是高精度差分放大器 OPA1632， 将输入交流信号乘系数 0.25 后叠加一 个 2.5V 电平的共模电压， 输出差分信号送到模数转换器。模数转换器的 2.5V 共模电压输 出经过一个同相跟随器后送给 OPA1632， 作为差分放大器的共模电压输入。OPA1632 的外围 电路参考其说明书。三相电流信号送到模数转换器的第 1 到第 3 输入通道， 三相电压信号 送到模数转换器的第 4 到第 6 输入通道。模数转换器的参考电压来自一个 2.5V 的电压参 考芯片， 型号为 ADR441。模数转换器的外围电路参考其说明书。模数转换器与 DSP 间的通 信采用帧同步串口方式， 参考模数转换器芯片和 DSP 芯片的说明书。
3、 存储单元 ( 见图 6)
存储单元含 SDRAM 存储器和闪存芯片。 SDRAM 用于在 DSP 运行时存储程序 代码和 运行数据， 芯片型号为 MT48LC4M16A2TG-75IT。闪存芯片用于掉电后存储程序代码和数据， 芯片型号为 SST39VF6401B-70-4C-EK。存储芯片与 DSP 的连接方法参考器件说明书。
4、 I/O 单元 ( 见图 7)
I/O 单元主要实现 DSP 外部总线复用， 以及 DSP 与工控机之间的 RS232 通信接口。 总线复用机制采用译码器 SN74HC138D、 或非门 SN74HC02D 和锁存器 SN74AHCT573PWR。串口 通信控制器为 MAX232ESE， 采用光藕隔离器 6N137 进行电平转换， DSP 侧高电平为 3.3V， 工 控机侧高电平为 12V。
5、 电能脉冲单元 ( 见图 8)
中央控制板包含两路电能脉冲输入口 ( 一个为有功电能输入、 一个为无功电能 输入 ) 和两路电能脉冲输出口 ( 一个为有功电能输出、 一个为无功电能输出 )。校验装
置在量值溯源模式时， 中央控制板输出有功电能脉冲或者无功电能脉冲至更高精度的电 能标准表， 如 COM3000 ； 而在虚负荷测试和实负荷测试时， 中央控制板接收被测电能表的 有功电能脉冲和无功电能脉冲。本单元包含两路电能脉冲输入通道和两路电能脉冲输 出通道， 输入的电能脉冲经过光藕隔离器 6N137， 脉冲电平转换为 +5V， 再经两级驱动器 SN74AHC1G14DBVR， 脉冲电平转换为 +3.3V， 最后送至 DSP。电能脉冲输出经一级驱动后， 送 入光藕隔离器 PC817 输入端， 其输出经一级驱动后， 作为输出脉冲。
6、 通信单元 ( 见图 9 和图 10)
通 信 单 元 的 作 用 是 在 虚 负 荷 测 试 时 将 标 准 功 率 源 输 出 的 三 相 电 压、 电流以 IEC61850-9-1 或 -9-2 标准的帧格式发送给被测电能表 ； 或在实负荷测试时， 从电子式互感 器的合并单元接收实时电压、 电流信号。本单元具有两个以太网 RJ45 接口 ( 电 口 )， 接口 芯片为 16ST8515 ； 两个以太网光纤 SC 接口 ( 光口 )， 接口芯片为 RTL8201BL。 电口和光口由 以太网控制器 ( 型号为 AX88796L) 控制， 共享一个 MAC 地址， 构成通信单元 1( 图 9)。电口 和光口由以太网控制器 ( 型号为 AX88796L) 控制， 共享一个 MAC 地址， 构成通信单元 2( 图 10)。以太网控制器的命令接口和数据接口与 DSP 芯片连接。
所述的工控机用于开发人机界面， 完成命令下达、 数据通信、 结果显示功能， 与 DSP 通过串口交换命令和数据。工控机的配件参数表为 ：
参见图 11， 线性电源板的作用是将输入的 220 交流电压转换为装置电子器件使用 的直流电压。信号调理板和中央控制板的交流采样单元中的放大器均为 ±15V 供电， 继电 器和光电隔离器件的驱动电源为 +12V， AD 转换器需要三个电压源供电， 模拟部分用 5V， 数 字内核用 1.8V， I/O 接口用 3.3V。±15V、 +12V 和 +5V 电源取自线性电源板， 自己设计。线 性电源板采用一个具有多个抽头的、 220V 交流电压输入的变压器和三个桥式整流电路， 线 性电源转换芯片有 LM78H05、 78H12、 LM7815C 和 LM7915。1.8V 电压取自中央控制板的电源 单元。
校验装置有三种工作模式 ： 一、 校验装置自身的量值溯源 ； 二、 校验装置在实验室 对电能表进行虚负荷测试 ； 三、 校验装置在运行现场对电能表进行实负荷测试。一、 量值溯 源模式 ( 见图 12)
量值溯源是为了确定本校验装置的误差是否达到了 0.05 级。COM3000 是 0.01 级 的标准电能表， 电压与校验装置并联， 电流与校验装置串联。采用部分标准功率源 ( 如 深 圳星龙公司的 XL803)， 工控机可以对标准功率源的输出进行控制， 实现自动检定。 工作原理 图如图 12 所示。
二、 虚负荷测试模式 ( 见图 13)
在实验室进行虚负荷测试， 是为了检测被测数字电能表的误差是否符合标定值。
校验装置从标准功率源采集电压、 电流信号后， 组成 IEC61850 标准帧内容， 通过光纤线传 给被检电能表， 并且接收被检表的电能脉冲， 与校验装置的内部标准电能表累积的电能比 较， 从而得到被检表的误差。 采用部分标准功率源 ( 如深圳星龙公司的 XL803)， 工控机可以 对标准功率源的输出进行控制， 实现自动检定。工作原理图如图 13 所示。
三、 实负荷测试模式 ( 见图 14)
实负荷测试是在变电站或者电厂对电能表进行误差测试， 从合并单元输出的同步 电压、 电流数据同时送到被检电能表和校验装置， 被检电能表的电能脉冲也送到校验装置， 由校验装置计算得到被检电能表的误差。