一種新型數字式電能表檢定系統的研制

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）

為適應電力系統數字化發展的需要，基于IEC61850等通信協議的數字化電力系統得到了越來越多的應用[1]。與此相應的數字化電能計量系統也應運而生。數字化電能計量系統的核心是數字化的電能表。這種電能表與傳統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的模擬電壓和模擬電流，而是全數字化的數據流。由于這種新型數字化電能表內部沒有模數轉換誤差，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的模擬系統的，尚無成熟的數字化的電能表檢定標準。因此，需要研制一種可納入國家現行電能計量誤差傳遞體系中的數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字式電能表檢定系統的設計方案，給出了其軟硬件設計原理。

1 技術原理

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、以及既帶傳統三相電壓和三相電流輸入接口又帶有符合 IEC61850數字通信規約的數字流輸出接口的新型標準電能表等三部分組成。

圖1 新型檢定裝置

如圖2所示，新型的標準電能表的原理為，輸入的三相交流電壓 Ua，Ub，Uc和三相交流電流 Ia，Ib，Ic依次接入信號調理電路和 A/D轉換器，然后將模數轉換后的原始數字量送入數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通信規約將原始數字量組幀。然后，通過脈沖輸出裝置輸出與輸入功率嚴格成正比的電能脈沖，同時通過數字通信單元輸出符合IEC61850通信標準規約的包含電壓和電流信息的數字流[2]。

2 硬件設計

圖3是新型標準電能表的硬件框圖。

2.1 信號調理

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輸入的電壓和電流進行調理，以使其滿足儀器內部的A/D轉換器輸入量程范圍，以及鎖相環（PLL）輸入要求。

圖2 新型標準電能表

圖3 新型標準電能表電路原理圖

2.2 鎖相環

對輸入信號頻率的跟蹤是通過鎖相環（PLL）實現的。鎖相環通常由壓控振蕩器、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74HC4046，實現頻率跟蹤[3]。

2.3 A/D采樣

從信號調理電路部分輸出的電壓和電流模擬信號輸入A/D轉換器進行模數轉換。A/D轉換器的采樣頻率與PLL的輸出成正比。A/D轉換器采用了美國MAXIM公司的MAX11045六通道16位同時采樣A/D轉換器[4]。該A/D轉換器具有正負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轉換后的采樣值送入DSP進行數據處理。

2.4 數字信號處理器

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

2.5 脈沖輸出和IEC61850數字流輸出

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

3 軟件設計

如上所述，新型標準電能表的數字信號處理器TMS320C28346負責各種電參量的計算。TMS320C28346的計算軟件運行于 DSP/BIOS實時操作系統內核上。DSP/BIOS實時操作系統內核具有搶占式多線程功能。實時操作系統內核維護調度多線程的運行，只需將定制的數字信號處理算法作為一個線程嵌入系統即可。通過將不同的測量功能算法分配到不同的實時操作系統線程中，我們可以認為每一測量線程都是運行于一個獨立的微型數字信號處理器上的。這種高度模塊化的軟件設計方案大大簡化了測量軟件設計。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內核管理 TMS320C28346硬件資源并協調其他所有線程。原始數據預處理線程獲取A/D轉換器傳來的原始采樣數據或內部直接生成原始數字量，轉發給其他測量線程進行后續處理。數據交換線程與 EP9315片上系統進行通信，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 結論

本文提出了一種新型數字式電能表檢定系統的設計方案，并詳細討論了其軟硬件設計方法。可以看出，本系統不僅解決了基于 IEC61850-9-1和IEC61850-9-2LE標準的全數字式電能表的檢定問題，還同時解決了本檢定裝置納入現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 通信協議體系介紹和分析[J]. 電力系統自動化,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.鎖相環集成電路原理與應用[M].上海:上海科學技術出版社,2012.

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

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

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