本發(fā)明涉及變電站電能計(jì)量及計(jì)量設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，具體是基于廣域同步測(cè)量的0.2s級(jí)三相電能表及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

目前國內(nèi)開展了計(jì)量裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)的相關(guān)研究與應(yīng)用，這些研究與應(yīng)用普遍是基于用電采集系統(tǒng)和計(jì)量裝置在線監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)施的，在具體應(yīng)用時(shí)采用rs485接口與電能量采集終端廣播對(duì)時(shí)技術(shù)，對(duì)時(shí)精度只能達(dá)到1s，電氣參量采集時(shí)間同步性差，不能利用電壓、電流、相位等參數(shù)分析計(jì)量裝置中pt、ct及相關(guān)線路、設(shè)備狀態(tài)，僅利用電量平衡評(píng)估計(jì)量裝置的狀態(tài)具有一定的局限性。雖然加裝設(shè)備可實(shí)現(xiàn)部分設(shè)備的監(jiān)測(cè)，但這會(huì)增加維護(hù)工作和推廣應(yīng)用的難度。如何提升電氣參量采集時(shí)間同步性，這成為目前人們普遍關(guān)注的問題，然而，現(xiàn)今沒有相應(yīng)設(shè)備，也未見相關(guān)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于廣域同步測(cè)量的0.2s級(jí)三相電能表，其應(yīng)用時(shí)能提升電氣參量采集時(shí)間同步性。本發(fā)明還公開了上述基于廣域同步測(cè)量的0.2s級(jí)三相電能表的測(cè)量方法。

本發(fā)明解決上述問題主要通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：基于廣域同步測(cè)量的0.2s級(jí)三相電能表，包括中央處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及與中央處理器連接的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列、數(shù)字信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器、恒溫晶振、時(shí)鐘芯片，所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列與數(shù)字信號(hào)處理器連接，且現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和數(shù)字信號(hào)處理器均與模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接；其中，

中央處理器，用于外接傳統(tǒng)變電站的秒脈沖為基準(zhǔn)的時(shí)鐘同步系統(tǒng)或智能變電站的ieee1588協(xié)議時(shí)鐘系統(tǒng)，與時(shí)鐘系統(tǒng)對(duì)時(shí)并守時(shí)；還用于發(fā)出自動(dòng)同步采樣命令到現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和數(shù)字信號(hào)處理器，以及將采樣的數(shù)據(jù)處理供存儲(chǔ)器存儲(chǔ)和電能量采集終端調(diào)用；其中，秒脈沖為基準(zhǔn)的時(shí)鐘同步系統(tǒng)，為滿足dl/t1100.1-2009標(biāo)準(zhǔn)的電力系統(tǒng)時(shí)鐘同步系統(tǒng)，輸出的秒脈沖時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的誤差在50ns以內(nèi)，串口對(duì)時(shí)報(bào)文輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，利用秒脈沖時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)校準(zhǔn)中央處理器的秒脈沖時(shí)間，并利用串口對(duì)時(shí)報(bào)文校準(zhǔn)三相電能表時(shí)間；ieee1588協(xié)議時(shí)鐘系統(tǒng)，為基于以太網(wǎng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)鐘協(xié)議系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的同步精度，利用ieee1588協(xié)議校準(zhǔn)中央處理器的秒脈沖時(shí)間和三相電能表時(shí)間；

模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于外接電壓電流取樣電路，并將電壓電流取樣信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換；

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，用于根據(jù)被測(cè)信號(hào)頻率，自動(dòng)產(chǎn)生每周波256點(diǎn)的采樣頻率控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣脈沖；還用于接收中央處理器產(chǎn)生的全網(wǎng)同步測(cè)量觸發(fā)信號(hào)，并在接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換脈沖信號(hào)，同時(shí)發(fā)送脈沖信號(hào)給數(shù)字信號(hào)處理器，同步采集模數(shù)轉(zhuǎn)換器的瞬時(shí)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)；

數(shù)字信號(hào)處理器，用于處理經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，其中，處理的數(shù)據(jù)包括電能計(jì)量數(shù)據(jù)、電氣參數(shù)及同步電壓電流瞬時(shí)數(shù)據(jù)；

存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)經(jīng)中央處理器處理的數(shù)據(jù)；

恒溫晶振，用于配合中央處理器守時(shí)；

時(shí)鐘芯片，用于為中央處理器提供工作時(shí)鐘。

本發(fā)明采用變電站的時(shí)鐘系統(tǒng)對(duì)時(shí)，利用恒溫晶振和中央處理器守時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)通過中央處理器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖和時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘準(zhǔn)確產(chǎn)生啟動(dòng)同步瞬時(shí)數(shù)據(jù)采樣脈沖到可編程門陣列；可編程門陣列根據(jù)被測(cè)信號(hào)頻率，自動(dòng)產(chǎn)生每周波256點(diǎn)的采樣頻率控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，數(shù)字信號(hào)處理器處理經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，包括電能計(jì)量、電氣參數(shù)、同步電壓、電流瞬時(shí)數(shù)據(jù)的測(cè)試計(jì)算并存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)同步采集每路多個(gè)連續(xù)電壓電流瞬時(shí)數(shù)據(jù)和電能測(cè)量。本發(fā)明外接的電能量采集終端采用現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)存在的電能量采集終端實(shí)現(xiàn)，其調(diào)用的數(shù)據(jù)與主站進(jìn)行信息交互。

進(jìn)一步的，所述中央處理器還連接有溫濕度測(cè)量裝置，所述溫濕度測(cè)量裝置用于對(duì)變電站的環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如此，本發(fā)明應(yīng)用時(shí)便于實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)，用于分析環(huán)境溫度對(duì)計(jì)量裝置的性能的影響。

進(jìn)一步的，所述溫濕度測(cè)量裝置包括濕度傳感器和溫度測(cè)量裝置，所述中央處理器內(nèi)部設(shè)有18個(gè)通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，溫度測(cè)量裝置包括固定電阻及與固定電阻串聯(lián)的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，固定電阻相對(duì)連接負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻端的另一端與電源連接，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻相對(duì)連接固定電阻端的另一端接地，中央處理器具有一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換接口與固定電阻和電源之間的線路連接，中央處理器還具有一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換接口與固定電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻之間的線路連接。本發(fā)明應(yīng)用時(shí)，通過測(cè)量電源電壓和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻兩端電壓計(jì)算出負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻阻值，通過負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻阻值和溫度的對(duì)照表計(jì)算出溫度值。本發(fā)明的濕度傳感器采用濕度頻率轉(zhuǎn)換輸出傳感器，利用中央處理器的高級(jí)計(jì)數(shù)器測(cè)量出頻率，通過頻率和濕度的對(duì)照表計(jì)算出濕度值。

基于廣域同步測(cè)量的0.2s級(jí)三相電能表的測(cè)量方法，包括以下步驟：

步驟一、將三相電能表中各時(shí)鐘與變電站時(shí)鐘系統(tǒng)對(duì)時(shí)后，由中央處理器標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖和時(shí)鐘芯片守時(shí)；

步驟二、在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)，中央處理器發(fā)出自動(dòng)同步采樣命令到現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和數(shù)字信號(hào)處理器，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列及數(shù)字信號(hào)處理器全網(wǎng)同步采集每相電壓電流連續(xù)瞬時(shí)數(shù)據(jù)；

步驟三、中央處理器讀取數(shù)字信號(hào)處理器的每點(diǎn)24位瞬時(shí)數(shù)據(jù)，保留前16位數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，瞬時(shí)數(shù)據(jù)格式參照gb18657.1-2002的ft3格式，在原dl/t645-2007電能表通信協(xié)議基礎(chǔ)上增加每小時(shí)每一刻鐘時(shí)間點(diǎn)每相電壓電流采集1536個(gè)16位的電壓電流瞬時(shí)數(shù)據(jù)的協(xié)議。其中，中央處理器獲取的采集數(shù)據(jù)可以通過電能量采集終端上傳至主站。

進(jìn)一步的，所述步驟一中對(duì)時(shí)的時(shí)鐘系統(tǒng)為秒脈沖為基準(zhǔn)的時(shí)鐘同步系統(tǒng)，其對(duì)時(shí)步驟如下：采用1pps加rs485串口時(shí)間報(bào)文對(duì)時(shí)。本發(fā)明應(yīng)用時(shí)，通過中央處理器rs485串口接收rs485串口時(shí)間報(bào)文，pps的接收通過中央處理器的中斷口判斷pps的上升沿，通過中央處理器的計(jì)數(shù)器連續(xù)記錄兩個(gè)pps的時(shí)間間隔是否在一定的范圍內(nèi)，有一定的連續(xù)性和穩(wěn)定性，判斷pps的有效性。

進(jìn)一步的，所述步驟一中對(duì)時(shí)的時(shí)鐘系統(tǒng)為采用ieee1588協(xié)議時(shí)鐘系統(tǒng)，變電站主時(shí)鐘與三相電能表時(shí)鐘之間的對(duì)時(shí)報(bào)文遵循ieee1588協(xié)議。ieee1588協(xié)議將ieee1588協(xié)議時(shí)鐘系統(tǒng)看作是一種發(fā)布者與接收者構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)被視為主時(shí)鐘或從時(shí)鐘，其中主時(shí)鐘作為準(zhǔn)確時(shí)間的發(fā)布者，從時(shí)鐘接收主時(shí)鐘對(duì)時(shí)信息并同步從時(shí)鐘時(shí)間。

采用ieee1588協(xié)議時(shí)鐘系統(tǒng)對(duì)時(shí)的步驟如下：

假設(shè)同步報(bào)文的準(zhǔn)確發(fā)送時(shí)間為tm1，同步報(bào)文的接收時(shí)間為ts1，延遲-請(qǐng)求報(bào)文的發(fā)送時(shí)間為ts3；延遲-請(qǐng)求報(bào)文的接收時(shí)間為tm3；delay表示從時(shí)鐘和主時(shí)鐘之間的網(wǎng)絡(luò)延遲記,offset表示從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差,由于網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)是對(duì)稱的，得到如下計(jì)算公式(1)：

offset＝ts1-tm1-delay(2)

從時(shí)鐘根據(jù)公式(2)得到的offset值，對(duì)自身時(shí)間進(jìn)行修正；

當(dāng)offset小于10us時(shí)，則認(rèn)為對(duì)時(shí)結(jié)束，從時(shí)鐘停止與主時(shí)鐘的對(duì)時(shí)過程。

進(jìn)一步的，所述步驟一對(duì)時(shí)時(shí)還包括以下步驟：利用恒溫晶振和中央處理器的計(jì)數(shù)器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，在對(duì)時(shí)時(shí)同步啟動(dòng)中央處理器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，同時(shí)校準(zhǔn)時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘，中央處理器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖保證時(shí)鐘芯片時(shí)間的準(zhǔn)確，時(shí)鐘芯片保證其他時(shí)間的準(zhǔn)確，從而保證了全網(wǎng)電能表時(shí)間同步準(zhǔn)確。

進(jìn)一步的，所述步驟二的具體操作步驟為：在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)通過中央處理器的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖和時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘準(zhǔn)確產(chǎn)生啟動(dòng)同步瞬時(shí)數(shù)據(jù)采樣脈沖到可編程門陣列，同時(shí)可編程門陣列根據(jù)被測(cè)信號(hào)頻率，自動(dòng)產(chǎn)生每周波256點(diǎn)的采樣頻率控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)送數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)算電能量；可編程門陣列同時(shí)發(fā)送脈沖信號(hào)給數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)字信號(hào)處理器同步采集模數(shù)轉(zhuǎn)換器的每周波256點(diǎn)的三個(gè)周波瞬時(shí)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

進(jìn)一步的，所述步驟二還包括以下步驟：校準(zhǔn)中央處理器產(chǎn)生啟動(dòng)同步瞬時(shí)數(shù)據(jù)采樣脈沖到可編程門陣，再到啟動(dòng)同步a/d轉(zhuǎn)換采集的延時(shí)時(shí)間tel，通過中央處理器控制在需要同步采樣時(shí)刻提前tel的時(shí)間產(chǎn)生啟動(dòng)同步瞬時(shí)數(shù)據(jù)采樣脈沖發(fā)出。如此，本發(fā)明應(yīng)用時(shí)能保證在廣域測(cè)量范圍的瞬時(shí)數(shù)據(jù)采樣同步。

本發(fā)明在具體實(shí)施時(shí)，瞬時(shí)數(shù)據(jù)的采集的時(shí)間點(diǎn)及每天采集點(diǎn)數(shù)可由本機(jī)及主站遠(yuǎn)程設(shè)置，如果中央處理器重新啟動(dòng)，中央處理器標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖、rtc和時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘有偏差時(shí)將啟動(dòng)與時(shí)鐘系統(tǒng)校準(zhǔn)程序。

綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果：(1)本發(fā)明應(yīng)用于傳統(tǒng)變電站時(shí)，將原電能表的通過電能量采集終端rs485接口廣播對(duì)時(shí)改為基于秒脈沖為基準(zhǔn)的變電站時(shí)鐘同步系統(tǒng)直接對(duì)電能表對(duì)時(shí)，采用1pps加rs485串口時(shí)間報(bào)文，時(shí)間同步誤差由原來的1s提升為1us；本發(fā)明應(yīng)用于智能變電站時(shí)，將原電能表的通過電能量采集終端rs485接口廣播對(duì)時(shí)改為基于ieee1588協(xié)議同步對(duì)時(shí)系統(tǒng)直接對(duì)電能表對(duì)時(shí)，時(shí)間同步誤差由原來的1s提升為1us。如此，本發(fā)明應(yīng)用時(shí)，測(cè)量減少了由于電能表的時(shí)鐘誤差帶來的電量平衡和線損計(jì)算的誤差，可同步測(cè)量電氣參量的瞬時(shí)值，用于計(jì)量裝置在線監(jiān)測(cè)和評(píng)估，滿足廣域測(cè)量的要求。

(2)本發(fā)明在每小時(shí)的每一刻鐘時(shí)間點(diǎn)全網(wǎng)同步采集每相電壓電流1536個(gè)16位連續(xù)的瞬時(shí)數(shù)據(jù)，通過電量采集終端采集并上傳到主站，主站通過波形數(shù)據(jù)計(jì)算出進(jìn)出線路，及站與站之間的同相電壓、電流的比差及相位差等特征參數(shù)，從而評(píng)估分析互感器、電能表、二次壓降等計(jì)量設(shè)備及線路的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)以電磁pt為參考的cvt誤差變化過程監(jiān)測(cè)，站與站之間的線路參數(shù)測(cè)試，線損的監(jiān)測(cè)評(píng)估。本發(fā)明通過溫濕度測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)，用于分析環(huán)境溫度對(duì)計(jì)量裝置的性能的影響，提高了計(jì)量裝置的在線監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了計(jì)量裝置的智能監(jiān)測(cè)和在狀態(tài)評(píng)估，同時(shí)又不增加其它設(shè)備，如此，本發(fā)明具有高精度和低成本的特點(diǎn)，能滿足廣域測(cè)量的要求，且便于維護(hù)和推廣應(yīng)用。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。在附圖中：

圖1為基于廣域同步測(cè)量的0.2s級(jí)三相電能表的一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為一個(gè)具體實(shí)施例中溫度測(cè)量裝置原理圖；

圖3為ieee1588協(xié)議的時(shí)鐘對(duì)時(shí)原理圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

實(shí)施例：

如圖1所示，基于廣域同步測(cè)量的0.2s級(jí)三相電能表，包括中央處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及與中央處理器連接的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列、數(shù)字信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器、恒溫晶振、時(shí)鐘芯片、溫濕度測(cè)量裝置，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列與數(shù)字信號(hào)處理器連接，且現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和數(shù)字信號(hào)處理器均與模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接。中央處理器，用于外接傳統(tǒng)變電站的秒脈沖為基準(zhǔn)的時(shí)鐘同步系統(tǒng)或智能變電站的ieee1588協(xié)議時(shí)鐘系統(tǒng)，與時(shí)鐘系統(tǒng)對(duì)時(shí)并守時(shí)；中央處理器還用于發(fā)出自動(dòng)同步采樣命令到現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和數(shù)字信號(hào)處理器，以及將采樣的數(shù)據(jù)處理供存儲(chǔ)器存儲(chǔ)和電能量采集終端調(diào)用；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于外接電壓電流取樣電路，并將電壓電流取樣信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，用于根據(jù)被測(cè)信號(hào)頻率，自動(dòng)產(chǎn)生每周波256點(diǎn)的采樣頻率控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣脈沖；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列還用于接收中央處理器產(chǎn)生的全網(wǎng)同步測(cè)量觸發(fā)信號(hào)，并在接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換脈沖信號(hào)，同時(shí)發(fā)送脈沖信號(hào)給數(shù)字信號(hào)處理器，同步采集模數(shù)轉(zhuǎn)換器的瞬時(shí)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)；數(shù)字信號(hào)處理器，用于處理經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，其中，處理的數(shù)據(jù)包括電能計(jì)量數(shù)據(jù)、電氣參數(shù)及同步電壓電流瞬時(shí)數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)經(jīng)中央處理器處理的數(shù)據(jù)；恒溫晶振，用于配合中央處理器守時(shí)；時(shí)鐘芯片，用于為中央處理器提供工作時(shí)鐘；溫濕度測(cè)量裝置，用于對(duì)變電站的環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。秒脈沖為基準(zhǔn)的時(shí)鐘同步系統(tǒng)，為滿足dl/t1100.1-2009標(biāo)準(zhǔn)的電力系統(tǒng)時(shí)鐘同步系統(tǒng)，輸出的秒脈沖時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的誤差在50ns以內(nèi)，串口對(duì)時(shí)報(bào)文輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，利用秒脈沖時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)校準(zhǔn)中央處理器的秒脈沖時(shí)間，并利用串口對(duì)時(shí)報(bào)文校準(zhǔn)三相電能表時(shí)間；ieee1588協(xié)議時(shí)鐘系統(tǒng)，為基于以太網(wǎng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)鐘協(xié)議系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的同步精度，利用ieee1588協(xié)議校準(zhǔn)中央處理器的秒脈沖時(shí)間和三相電能表時(shí)間。本實(shí)施例外接的電能量采集終端，用于采集中央處理器獲取的電壓、電流瞬時(shí)數(shù)據(jù)，并可以將其采集的數(shù)據(jù)上傳至主站。

本實(shí)施例的中央處理器采用基于cortex-m3核的st公司的stm32f107芯片，內(nèi)部設(shè)有18個(gè)通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換接口、rs485接口、i2c總線、spi總線，rtc時(shí)鐘，高級(jí)控制定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、網(wǎng)絡(luò)接口mii，中央處理器為實(shí)現(xiàn)測(cè)量、計(jì)算、控制、通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的核心器件?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(fpga)采用altrea公司的ep2c20q240c7，數(shù)字信號(hào)處理器采用tms320f28335芯片，存儲(chǔ)器采用24c512，時(shí)鐘芯片采用rx-8025。本實(shí)施例的恒溫晶振ocxo(overcontrolledcrystalsoscillator)采用精密控溫，使晶體工作在晶體的零溫度系數(shù)點(diǎn)的溫度上，用ocxo極大地削弱了輸出頻率受時(shí)間和溫度的影響。

本實(shí)施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ti公司生產(chǎn)的ads1278實(shí)現(xiàn)對(duì)前端電流信號(hào)采集電路、電壓信號(hào)采集電路輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。ads1278為24位、8通道同步采樣，最高采樣率可達(dá)128ksps的a/d轉(zhuǎn)換器。片上集成了模擬輸入箝位保護(hù)、有限沖擊響應(yīng)(fir))數(shù)字二濾波器、24位δ-σadc內(nèi)核、2.5v基準(zhǔn)電壓源及緩沖、高速串行和并行接口。此外ads1278集成了高輸入阻抗的調(diào)理電路，其等效輸入阻抗為1mω。該輸入阻抗值固定，與采樣頻率無關(guān)，保證了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣精度。采用analogdevice的adr441b作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的外置基準(zhǔn)。ad441b具有超低噪聲1.2uvp-p、超低溫漂3ppm/℃和初始精度2.5v±1mv的特性。

本實(shí)施例有關(guān)采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列、數(shù)字信號(hào)處理器等器件，通過高準(zhǔn)確度的模擬信號(hào)調(diào)理，防電磁干擾電路布局，及溫度影響的補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)0.2s級(jí)三相電能計(jì)量,及0.05級(jí)的電壓、電流準(zhǔn)確度的設(shè)計(jì)均采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在此不再闡述。

本實(shí)施例的中央處理器外接有pps脈沖接口和rs485接口，pps脈沖接口用于接收pps脈沖，用于中央處理器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖的同步時(shí)鐘，準(zhǔn)確產(chǎn)生啟動(dòng)同步瞬時(shí)數(shù)據(jù)采樣脈沖到可編程門陣列；rs485接口用于接收串口時(shí)間報(bào)文，作為電能表的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，用于校準(zhǔn)電能表的rtc時(shí)鐘。本實(shí)施例的中央處理器還外接有一個(gè)phy接口芯片，phy接口芯片采用ns公司的dp83640，是phyter-ieee-1588標(biāo)準(zhǔn)的精密時(shí)間協(xié)議收發(fā)器，時(shí)間標(biāo)記得分辨率8ns，用于ieee1588協(xié)議同步對(duì)時(shí)系統(tǒng)直接對(duì)電能表對(duì)時(shí)，用于校準(zhǔn)中央處理器生產(chǎn)的秒脈沖、rtc時(shí)間和時(shí)鐘芯片的時(shí)間，準(zhǔn)確產(chǎn)生啟動(dòng)同步瞬時(shí)數(shù)據(jù)采樣脈沖到可編程門陣列。

本實(shí)施例中瞬時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式參照gb18657.1-2002的ft3格式存儲(chǔ)，在原dl/t645-2007電能表通信協(xié)議基礎(chǔ)上增加每小時(shí)每一刻鐘時(shí)間點(diǎn)每相電壓電流采集1536個(gè)16位的電壓電流瞬時(shí)數(shù)據(jù)的協(xié)議，滿足站與站之間，及站內(nèi)的同相電壓、電流的比差及相位差等特征參數(shù)廣域測(cè)量要求，同時(shí)不影響電能表的技術(shù)指標(biāo)和功能。

本實(shí)施例的溫濕度測(cè)量裝置包括濕度傳感器和溫度測(cè)量裝置，濕度傳感器采用hf3223，該芯片的濕度測(cè)量采用濕度頻率轉(zhuǎn)換輸出，利用中央處理器的tim8高級(jí)計(jì)數(shù)器測(cè)量，測(cè)量出頻率，通過頻率和濕度的對(duì)照表計(jì)算出濕度值。如圖2所示，本實(shí)施例的溫度測(cè)量裝置包括固定電阻r1及與固定電阻r1串聯(lián)的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻r2，固定電阻r1相對(duì)連接負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻r2端的另一端與電源連接，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻r2相對(duì)連接固定電阻r1端的另一端接地，中央處理器具有一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換接口與固定電阻r1和電源之間的線路連接，中央處理器還具有一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換接口與固定電阻r1和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻r2之間的線路連接。溫度測(cè)量采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻r2(ntc)元件，利用電阻分壓和中央處理器的12位a/d測(cè)量ntc電阻值，通過電阻和溫度的對(duì)照表，計(jì)算出溫度值。該功能實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)，用于分析環(huán)境溫度對(duì)計(jì)量裝置的性能的影響。

基于廣域同步測(cè)量的0.2s級(jí)三相電能表的測(cè)量方法，包括以下步驟：步驟一、將三相電能表中各時(shí)鐘與變電站時(shí)鐘系統(tǒng)對(duì)時(shí)后，由中央處理器標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖和時(shí)鐘芯片守時(shí)；步驟二、在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)，中央處理器發(fā)出自動(dòng)同步采樣命令到現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和數(shù)字信號(hào)處理器，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列及數(shù)字信號(hào)處理器全網(wǎng)同步采集每相電壓電流連續(xù)瞬時(shí)數(shù)據(jù)；步驟三、中央處理器讀取數(shù)字信號(hào)處理器的每點(diǎn)24位瞬時(shí)數(shù)據(jù)，保留前16位數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，瞬時(shí)數(shù)據(jù)格式參照gb18657.1-2002的ft3格式，在原dl/t645-2007電能表通信協(xié)議基礎(chǔ)上增加每小時(shí)每一刻鐘時(shí)間點(diǎn)每相電壓電流采集1536個(gè)16位的電壓電流瞬時(shí)數(shù)據(jù)的協(xié)議。

步驟一中對(duì)時(shí)的時(shí)鐘系統(tǒng)為秒脈沖為基準(zhǔn)的時(shí)鐘同步系統(tǒng)時(shí)，采用1pps加rs485串口時(shí)間報(bào)文對(duì)時(shí)，pps的接收通過中央處理器的中斷口判斷pps的上升沿，通過中央處理器的t1計(jì)數(shù)器連續(xù)記錄兩個(gè)pps的時(shí)間間隔是否在一定的范圍內(nèi)，有一定的連續(xù)性和穩(wěn)定性，判斷pps的有效性。然后利用秒脈沖為基準(zhǔn)的時(shí)鐘同步系統(tǒng)1pps脈沖啟動(dòng)中央處理器的tim1高級(jí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，恒溫晶振的晶振8m，1ppm的頻率精度在1s中內(nèi)的誤差小于1us，通過中央處理器pll倍頻產(chǎn)生72m的工作時(shí)鐘，保證了中央處理器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖誤差始終小于1us，利用串口時(shí)間報(bào)文，校準(zhǔn)中央處理器的rtc的時(shí)鐘和時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘,對(duì)時(shí)完成后以自身中央處理器的rtc晶振和時(shí)鐘芯片產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖繼續(xù)守時(shí)。

步驟一中對(duì)時(shí)的時(shí)鐘系統(tǒng)為采用ieee1588協(xié)議時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)，變電站主時(shí)鐘與三相電能表時(shí)鐘之間的對(duì)時(shí)報(bào)文遵循ieee1588協(xié)議，該協(xié)議將ieee1588協(xié)議時(shí)鐘系統(tǒng)看作是一種發(fā)布者與接收者構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)被視為主時(shí)鐘或從時(shí)鐘(即電能表終端子時(shí)鐘)，其中主時(shí)鐘作為準(zhǔn)確時(shí)間的發(fā)布者，從時(shí)鐘接收主時(shí)鐘對(duì)時(shí)信息并同步從時(shí)鐘時(shí)間。

ieee1588協(xié)議的時(shí)鐘對(duì)時(shí)原理圖如圖3所示，采用ieee1588協(xié)議時(shí)鐘系統(tǒng)對(duì)時(shí)的步驟如下：

假設(shè)同步報(bào)文的準(zhǔn)確發(fā)送時(shí)間為tm1，它包含在跟隨報(bào)文內(nèi)；同步報(bào)文的接收時(shí)間為ts1，延遲-請(qǐng)求報(bào)文的發(fā)送時(shí)間為ts3；延遲-請(qǐng)求報(bào)文的接收時(shí)間為tm3，它包含在延遲-響應(yīng)報(bào)文內(nèi)；假設(shè)從時(shí)鐘和主時(shí)鐘之間的網(wǎng)絡(luò)延遲具有對(duì)稱性，即從時(shí)鐘到主時(shí)鐘的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)與主時(shí)鐘到從時(shí)鐘的網(wǎng)絡(luò)延遲相等，delay表示從時(shí)鐘和主時(shí)鐘之間的網(wǎng)絡(luò)延遲記,offset表示從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差,由于網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)是對(duì)稱的，得到如下計(jì)算公式(1)：

offset＝ts1-tm1-delay(2)

從時(shí)鐘根據(jù)公式(2)得到的offset值，對(duì)自身時(shí)間進(jìn)行修正；

當(dāng)offset小于10us時(shí)，則認(rèn)為對(duì)時(shí)結(jié)束，從時(shí)鐘停止與主時(shí)鐘的對(duì)時(shí)過程。實(shí)現(xiàn)ieee-1588高精度同步的關(guān)鍵在于精確標(biāo)記發(fā)送、接收時(shí)間戳和準(zhǔn)確計(jì)算網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。為了盡量減少網(wǎng)絡(luò)各層之間交互數(shù)據(jù)幀所帶來的時(shí)間延遲，報(bào)文的發(fā)送和接收直接在phy和mac層之間的mii接口處進(jìn)行標(biāo)記。ieee1588的四類報(bào)文均參照mac幀格式進(jìn)行封裝或者解包。這四類報(bào)文發(fā)送和解析也遵循mii接口規(guī)范，與phy之間進(jìn)行信息交互。

通過上述方案實(shí)現(xiàn)了在對(duì)時(shí)時(shí)同步啟動(dòng)中央處理器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖,同時(shí)校準(zhǔn)時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘，中央處理器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖保證秒時(shí)間的準(zhǔn)確，時(shí)鐘芯片保證其他時(shí)間的準(zhǔn)確用于校準(zhǔn)中央處理器生產(chǎn)的秒脈沖，保證了準(zhǔn)確產(chǎn)生啟動(dòng)可編程門陣列自動(dòng)同步采樣的脈沖。

本實(shí)施例步驟二的具體操作步驟為：在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)通過中央處理器的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖和時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘準(zhǔn)確產(chǎn)生啟動(dòng)同步瞬時(shí)數(shù)據(jù)采樣脈沖到可編程門陣列，同時(shí)可編程門陣列根據(jù)被測(cè)信號(hào)頻率，自動(dòng)產(chǎn)生每周波256點(diǎn)的采樣頻率控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)送數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)算電能量；可編程門陣列同時(shí)發(fā)送脈沖信號(hào)給數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)字信號(hào)處理器同步采集模數(shù)轉(zhuǎn)換器的每周波256點(diǎn)的三個(gè)周波瞬時(shí)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

本實(shí)施例步驟二還包括以下步驟：校準(zhǔn)中央處理器產(chǎn)生啟動(dòng)同步瞬時(shí)數(shù)據(jù)采樣脈沖到可編程門陣，再到啟動(dòng)同步a/d轉(zhuǎn)換采集的延時(shí)時(shí)間tel，通過中央處理器控制在需要同步采樣時(shí)刻提前tel的時(shí)間產(chǎn)生啟動(dòng)同步瞬時(shí)數(shù)據(jù)采樣脈沖發(fā)出。如此，本發(fā)明應(yīng)用時(shí)能保證在廣域測(cè)量范圍的瞬時(shí)數(shù)據(jù)采樣同步。

本實(shí)施例在具體實(shí)施時(shí)，優(yōu)選在每天的三個(gè)每一刻鐘(15分鐘)時(shí)間點(diǎn)前3分鐘的時(shí)間點(diǎn)通過時(shí)鐘系統(tǒng)校準(zhǔn)中央處理器的rtc、時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘、中央處理器的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖；瞬時(shí)數(shù)據(jù)的采集的時(shí)間點(diǎn)及每天采集點(diǎn)數(shù)可由本機(jī)及主站遠(yuǎn)程設(shè)置；如果中央處理器重新啟動(dòng)，中央處理器標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖、rtc和時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘有偏差時(shí)將啟動(dòng)與時(shí)鐘系統(tǒng)校準(zhǔn)程序。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。