網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘在智能電能表日計(jì)時(shí)誤差測試中的應(yīng)用

肖 濤，李航康

（浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

目前確定電子式電能表日計(jì)時(shí)誤差的主要方法是將每臺(tái)檢定裝置內(nèi)的高精度時(shí)鐘（比如晶振、電子計(jì)數(shù)器等）作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，與被檢電能表時(shí)鐘（通常輸出信號(hào)為秒脈沖）進(jìn)行比較，計(jì)算出被檢電能表日計(jì)時(shí)誤差。在智能電能表檢定裝置大規(guī)模集中應(yīng)用的情況下，會(huì)使用大量（與裝置數(shù)量相同）的時(shí)鐘晶振。這樣設(shè)備不僅投入多，而且維護(hù)（如設(shè)備周期性送檢）工作量大，對(duì)檢定工作造成影響。

從檢測智能電能表日計(jì)時(shí)誤差的角度，提出了利用網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘代替多臺(tái)時(shí)鐘測試儀確定智能電能表日計(jì)時(shí)誤差的方法，減少時(shí)鐘晶振的使用量。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘確定電能表日計(jì)時(shí)誤差，需要將單個(gè)時(shí)鐘源信號(hào)分成多路與檢定裝置匹配的時(shí)鐘信號(hào)輸出，確保時(shí)鐘源信號(hào)在轉(zhuǎn)換和傳輸過程的準(zhǔn)確可靠。設(shè)計(jì)思路是：單個(gè)晶振時(shí)鐘信號(hào)通過多路分頻輸出，以網(wǎng)絡(luò)形式傳播，將標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘信號(hào)傳輸至各檢定裝置，通過誤差計(jì)算器計(jì)算出檢定裝置各工位上表計(jì)的日計(jì)時(shí)誤差，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)檢定裝置日計(jì)時(shí)誤差的測量。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘系統(tǒng)主要由精密時(shí)鐘基準(zhǔn)、整形電路、分頻電路、驅(qū)動(dòng)電路、光電隔離電路和時(shí)鐘誤差處理系統(tǒng)組成。精密時(shí)鐘基準(zhǔn)發(fā)出的高頻時(shí)鐘信號(hào)通過整形電路，將正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成相同頻率的方波信號(hào)；再通過分頻電路，將高頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率相對(duì)較低的信號(hào)；分頻后的信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路輸出多路相同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，并傳輸至各檢定裝置時(shí)鐘誤差處理系統(tǒng)，進(jìn)行日計(jì)時(shí)誤差測試，工作原理如圖1所示。

1.2 精密時(shí)鐘基準(zhǔn)的選擇

JJG 596-1999《電子式電能表檢定規(guī)程》（簡稱檢定規(guī)程）規(guī)定：確定日計(jì)時(shí)誤差、時(shí)段投切誤差和需量周期誤差時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于被檢誤差的1/10。傳統(tǒng)確定日計(jì)時(shí)誤差時(shí)，采用頻率準(zhǔn)確度不低于2×10-7/s的電子計(jì)數(shù)器（數(shù)字頻率計(jì)）。

圖1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘系統(tǒng)原理

有源晶振的頻率輸出必定要有某個(gè)波形作為輸出載體，波形的輸出也必定會(huì)伴隨著某個(gè)負(fù)載值。在實(shí)際使用中，波形負(fù)載也是晶振非常重要的參數(shù)指標(biāo)。如果選擇不當(dāng)，輕則導(dǎo)致晶振或其他模塊工作不正常，功能無法實(shí)現(xiàn)，重則損壞模塊甚至整機(jī)。根據(jù)以上要求選擇了一款型號(hào)為DP-4A的高精度石英晶體頻率標(biāo)準(zhǔn)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 DP-4A型石英晶體主要技術(shù)參數(shù)

2 電路的設(shè)計(jì)

2.1 整形電路

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源輸出信號(hào)為10 MHz的正弦波，一般數(shù)字通信系統(tǒng)時(shí)鐘都采用方波來驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)電路或門電路，檢定裝置內(nèi)的時(shí)鐘誤差處理系統(tǒng)只能對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，所以必須對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行整形，將正弦波整形為方波。

利用電壓比較器可將正弦波變?yōu)橥l率的方波或矩形波，根據(jù)轉(zhuǎn)換信號(hào)的頻率選取MAX903作為比較電路。MAX903是低功耗，高速電壓比較器，典型的轉(zhuǎn)換時(shí)間是10 ns。整形電路見圖2。

2.2 分頻電路

通過整形后的信號(hào)頻率仍為10 MHz，由于處理信號(hào)的單片機(jī)無法接收如此高頻率的信號(hào)，且高頻信號(hào)傳輸容易受到干擾和對(duì)其他部件產(chǎn)生干擾，因此需要降低傳輸信號(hào)的頻率。

圖2 整形電路

設(shè)計(jì)采用74LS90分頻，將10 MHz信號(hào)進(jìn)行100分頻，轉(zhuǎn)換成100 kHz。由于74LS90是TTL電路，最高響應(yīng)速度為20 MHz，2個(gè)74LS90可完成100分頻；這樣輸出的波形是50%占空比的方波，有利于后續(xù)采樣電路的可靠采樣。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

時(shí)鐘信號(hào)通過分頻后可能需要進(jìn)行長距離傳輸，因此要對(duì)信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)采用74HC14觸發(fā)反相器對(duì)信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)（整形），每個(gè)通道使用1個(gè)74HC14的門驅(qū)動(dòng)，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的整形和驅(qū)動(dòng)。1個(gè)信號(hào)源輸入，10個(gè)與信號(hào)源相同頻率的信號(hào)輸出，驅(qū)動(dòng)電路見圖3。

2.4 信號(hào)傳輸過程中的可靠性設(shè)計(jì)

為使信號(hào)在長距離傳輸過程中不受外界環(huán)境的干擾，需要采用屏蔽線來傳輸驅(qū)動(dòng)以后的信號(hào)。通過在電能表檢定實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果表明在確保屏蔽可靠的情況下，信號(hào)傳輸100 m距離能夠保證準(zhǔn)確性。同時(shí)考慮到設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際環(huán)境中可能存在瞬變脈沖，會(huì)影響到數(shù)據(jù)的傳輸，甚至傷害互連的設(shè)備，為了確保信號(hào)可靠安全的傳輸，需要對(duì)這些干擾進(jìn)行處理，一般是通過使用具有絕緣隔離功能的光電耦合器來維持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性并保護(hù)互連設(shè)備。

因此在每臺(tái)檢定裝置信號(hào)接收處設(shè)計(jì)了1個(gè)光電隔離的接收板來接收這個(gè)100 kHz的時(shí)鐘信號(hào)，隔離電路（見圖4）主要是采用單獨(dú)的電源和光耦，信號(hào)接收后使用74HC14進(jìn)行整形，再輸入智能電能表檢定裝置的時(shí)鐘誤差處理系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路

3 時(shí)鐘信號(hào)的測試和驗(yàn)證

檢定規(guī)程規(guī)定了作為檢測電表日計(jì)時(shí)誤差的時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度不得低于2×10-7/s，精密時(shí)鐘基準(zhǔn)的信號(hào)通過整形、分頻、驅(qū)動(dòng)和隔離輸出后，是否能夠滿足檢定規(guī)程的要求？這需要對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性進(jìn)行測試和驗(yàn)證，同時(shí)為了確定時(shí)鐘信號(hào)在電能表檢定實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下長距離傳輸對(duì)信號(hào)準(zhǔn)確度的影響，傳輸距離選取100 m。

測量方法采用自校準(zhǔn)：5 MHz（或1 MHz）信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，10 MHz信號(hào)通過整形、分頻、驅(qū)動(dòng)和光電隔離后作為被測時(shí)鐘信號(hào)，將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測信號(hào)輸入計(jì)數(shù)器進(jìn)行比對(duì)，具體測試接線見圖5，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)見表2。

圖5 自校準(zhǔn)接線

表2 自校準(zhǔn)結(jié)果

從表2可看出：時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過整形、分頻、驅(qū)動(dòng)、光電隔離后，改變量相對(duì)于準(zhǔn)確度等級(jí)幾乎可以忽略，裝置所接收到的時(shí)鐘信號(hào)準(zhǔn)確度完全滿足檢定規(guī)程的要求，因此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源等級(jí)的選擇可按照檢定規(guī)程規(guī)定的等級(jí)進(jìn)行選取。

4 結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘技術(shù)已經(jīng)在浙江省電力公司計(jì)量中心智能電能表檢定裝置上使用，功能、準(zhǔn)確度均滿足設(shè)計(jì)要求，僅使用了2臺(tái)時(shí)鐘晶振加上相應(yīng)配件組成的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘系統(tǒng)，就實(shí)現(xiàn)了64臺(tái)三相電能表檢定裝置和50臺(tái)單相電能表檢定裝置的日計(jì)時(shí)誤差測試功能。如果采用傳統(tǒng)方法，則需要114臺(tái)時(shí)鐘晶振。網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘系統(tǒng)的應(yīng)用不僅減少了設(shè)備投入成本，而且減小了設(shè)備周期性送檢對(duì)檢定工作的影響，設(shè)備維護(hù)工作量也明顯減少。尤其對(duì)于電能表檢定裝置大規(guī)模應(yīng)用的情況更具推廣意義。

圖4 隔離電路

[1]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]JJG 596-1999電子式電能表檢定規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，1999.

[3]JJG 1027-1991測量誤差及數(shù)據(jù)處理檢定規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，1991.