CN113740599B - 基于网络同步时钟的工频过零计数时标校验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网络同步时钟的工频过零计数时标校验装置及方法，属于电力通信和测量技术领域。本发明装置，包括：工频过零信号源；过零电压驱动电路；过零检测电路；通信信号分离电路；通信侦听电路；计数和锁存电路；控制和计算电路。本发明基于网络中央节点设备所发送的信标报文、工频过零计数时标报文完成对被测设备工频过零计数时标误差的测量，且测量的每个步骤均可进行测量精度的标定。

Description

基于网络同步时钟的工频过零计数时标校验装置及方法

技术领域

本发明涉及电力通信及测量技术领域，并且更具体地，涉及一种基于网络同步时钟的工频过零计数时标校验装置及方法。

背景技术

目前在低压用电信息采集领域的本地通信中广泛采用高速载波通信技术，通过信标中的以25MHz时钟为频率、增1计数、32位无符号计数值所建立的网络同步时钟，可应用于对一个低压用电台区中不同节点位置之间的工频电压过零相位差的准确测量。

该过零相位差参数连同电压有效值、信噪比、工频周期等特征参数，可用于区分两个相邻变压器下计量通信节点所处的不同的台区户变关系。现场实测的两个临近台区各自的电压波形在过零附近的波形中两个电压过零点存在相位差，借此可以区分两个位置所对应的两个不同台区。但由于厂商不同、或同一厂商不同方案对网络同步时钟设置处理不同、接收报文打时间戳时刻不同、过零判断电路不同、锁定网络同步时钟计数值的触发机制不同以及记录工频过零计数时标的软件处理方式不同，上述因素造成不同厂家、不同方案的网络中心节点所记录的工频过零计数时标结果存在不同的时延。这些时延如果不进行标定和测量统一，网络子节点就无法对比两个不同厂家、不同方案的网络中心节点的工频过零计数时标数据，无法进行台区识别。

因此，对工频电压过零时刻所对应通信网络同步时钟计数值的准确测量，特别是不同厂家、不同设计方案建立统一的时间标尺，是保障采用过零相位差原理所实现的现场台区识别的必要条件。

发明内容

针对上述问题，本发明一种基于网络同步时钟的工频过零计数时标校验装置，包括：

工频过零信号源，连接过零电压驱动电路和过零检测电路，并向所述过零电压驱动电路和过零检测电路传输过零电压信号；

过零电压驱动电路，连接被测的网络中央节点设备和通信信号分离电路，通过过零电压信号进行驱动被测的网络中央节点设备满足中央节点设备接收的功率要求，和驱动通信信号分离电路发出通信信号；

过零检测电路，根据过零电压信号和过零方向类型的设置，对应电压信号过零时刻输出过零触发信号，并将过零触发信号输入至计数和锁存电路；

通信信号分离电路，连接过零触发信号并向过零触发信号发出通信信号；

通信侦听电路，根据通信信号，产生信标指示信号输入至计数和锁存电路；

计数和锁存电路，接收信标指示信号及过零触发信号，并将所述信标指示信号及过零触发信号传输至测试控制和计算电路；

控制和计算电路，连接被测的网络中央节点设备，根据信标指示信号及过零触发信号确定，被测网络中央节点设备的工频过零计数时标的平均误差和方差误差结果。

可选的，过零触发信号为脉冲电平信号，所述过零触发信号的过零方向类型具有电压上升方向和电压下降方向。

可选的，信标指示信号，在通信标准规定的信标时标对应时刻产生。

可选的，装置还包括：高精度可调时钟源，连接通信侦听电路及，计数和锁存电路，所述高精度可调时钟源具有输出频率微调功能和时钟信号抖动功能。

本发明还提出了一种基于网络同步时钟的工频过零计数时标校验方法，包括：

步骤1：测试控制和计算电路通过中央节点访问数据向被测的网络中央节点设备发送通信启动命令，根据通信切动命令控制被测的网络中央节点设备的运行和发送信标报文；

步骤2：计算被测网络中央节点设备的频偏误差测量结果：

步骤3：根据频偏误差测量结果，设置输入到高精度可调时钟源的频率设置参数；

步骤4：计算计数和锁存电路的计数值与被测的网络中央节点设备的计数差值；

步骤5：测试控制和计算电路向计数和锁存电路设置计数值增减控制参数；

步骤6：测试控制和计算电路通过中央节点访问数据向被测的网络中央节点设备发送工频周期报文发送命令，控制被测的网络中央节点设备发送工频过零计数时标报文；

步骤7：通信侦听电路获取被测的网络中央节点设备的工频过零计数时标；

步骤8：测试控制和计算电路根据工频过零计数时标输出平均误差和方差误差。

本发明基于网络中央节点设备所发送的信标报文、工频过零计数时标报文完成对被测设备工频过零计数时标误差的测量，且测量的每个步骤均可进行测量精度的标定。

附图说明

图1为本发明装置的结构图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

下面结合实施例对本发明进行进一步的说明：

本发明提出了一种基于网络同步时钟的工频过零计数时标校验装置，如图1所示，包括：

包括：工频过零信号源、过零电压驱动电路、过零检测电路、通信信号分离电路、通信侦听电路、高精度可调时钟源、计数和锁存电路、测试控制和计算电路：

被测的网络中央节点设备，其中央节点数据访问的双向通信接口连接测试控制和计数电路，接收中央节点数据访问命令，并回复中央节点数据；被测的网络中央节点设备的通信和过零电压混合信号接口连接过零电压驱动电路和通信信号分离电路；

工频过零信号源，其过零电压信号输出端连接过零电压驱动电路和过零检测电路的过零电压信号输入端；

过零电压驱动电路，其过零电压混合信号接口连接被测的网络中央节点设备和通信信号分离电路，用以对工频过零信号源输入的过零电压信号进行信号驱动，以满足中央节点设备接收的功率要求，并且在工频频率具有低的输出阻抗，同时避免通信和过零电压混合信号损坏工频过零信号源；

过零检测电路，依据来自工频过零信号源的过零电压信号和过零方向类型的设置，对应电压信号过零时刻在其过零触发信号输出端输出有效的过零触发信号，过零触发信号输入到计数和锁存电路，过零触发信号为脉冲电平信号，过零方向类型具有电压上升方向和电压下降方向两种类型；

通信信号分离电路，其通信信号输出端连接通信侦听电路；

通信侦听电路，依据对应信标报文的通信信号，在通信标准规定的信标时标对应时刻产生有效的接收信标指示信号，该接收信标指示信号输出端连接计数和锁存电路的输入端；通信侦听电路依据来自被测网络中央节点设备通信信号所解析的信标时标BC(i)和过零时标ZC(j)发送给测试控制和计算电路部分，其中i为每个信标时标数据的序号，j为每个过零时标数据的序号；

高精度可调时钟源，其高精度时钟信号CLK₁输出端连接通信侦听电路的输入端、以及计数和锁存电路的输入端，该高精度可调时钟源具有输出频率微调功能和低的时钟信号抖动；

计数和锁存电路，来自通信侦听电路接收信标指示信号所锁存输出的信标锁存计数值B_S(i)、以及来自过零检测电路的过零触发信号所锁存输出的过零锁存计数值Z_S(k)的输出端连接测试控制和计算电路，其中k为每个过零锁存计数值的序号；

测试控制和计算电路，其频率设置参数F₁输出端连接高精度可调时钟源的输入端，其计数值增减控制参数J_S输出端连接计数和锁存电路的输入端，其中央节点数据访问的双向通信接口连接被测的网络中央节点设备，测试控制和计算电路最终输出被测网络中央节点设备的工频过零计数时标的平均误差和方差误差结果。

其中，通信侦听电路、与测试控制和计数电路，采用集成通信侦听部分、测试控制和计算部分的一个电路。

本发明提出一种基于网络同步时钟的工频过零计数时标校验方法，如图2所示，包括：

步骤1，测试控制和计算电路通过中央节点访问数据向被测网络中央节点设备发送通信启动命令，启动被测网络中央节点设备的工作和信标报文发送；

步骤2，测试控制和计算电路设置输入到高精度可调时钟源的频率设置参数F₁等于通信网络标称的工作频率F_S的2^P倍，即F₁＝F_S×2^P，其中P为相比网络中央节点通信网络同步时钟计数值扩增的正整数位数；在高精度可调时钟源所输出的高精度时钟信号CLK₁的控制下，计数和锁存电路增1计数，其计数值为无符号整数值，达到最大数值后从0开始循环计数；通信侦听电路接收来自被测网络中央节点设备发送的、经过通信信号分离电路的通信信号，其中当接收到被测网络中央节点设备的信标报文时，在通信标准规定的信标时标对应时刻产生有效脉冲形式的接收信标指示信号，随后解析该信标报文并获得信标报文所包含的被测网络中央节点设备的信标时标B_C1(i)；接收信标指示信号从无效变为有效时，计数和锁存电路锁存一个信标锁存计数值B_S1(i)；测试控制和计算电路依据N₁个信标报文所获得的被测网络中央节点设备的信标时标B_C1(i)和信标锁存计数值B_S1(i)，i＝0,1,…，N₁，按照下面公式计算被测网络中央节点设备的频偏误差测量结果E_C：

步骤3，测试控制和计算电路依据步骤2测量的被测网络中央节点设备的频偏误差测量结果E_C，设置输入到高精度可调时钟源的频率设置参数F₁为F₁＝(1+E_C)×F_S×2^P；

步骤4，通信侦听电路接收来自被测网络中央节点设备发送的、经过通信信号分离电路的通信信号，其中当接收到被测网络中央节点设备的信标报文时，在通信标准规定的信标时标对应时刻产生有效脉冲形式的接收信标指示信号，随后解析该信标报文并获得信标报文所包含的被测网络中央节点设备的信标时标B_C2(i)；接收信标指示信号从无效变为有效时，计数和锁存电路锁存一个信标锁存计数值B_S2(i)；测试控制和计算电路依据N₂个信标报文所获得的被测网络中央节点设备的信标时标B_C2(i)和信标锁存计数值B_S2(i)，i＝0,1,…，N₂，按照下面公式计算计数和锁存电路的计数值与被测网络中央节点设备的计数差值：

步骤5，测试控制和计算电路向计数和锁存电路设置计数值增减控制参数J_S＝(C_B+C_P)；如果J_S大于0，则计数和锁存电路的当前计数值增加(C_B+C_P)；如果J_S小于0，则计数和锁存电路的当前计数值减小|C_B+C_P|，其中C_P是通信侦听电路输出接收信标指示信号的固有延迟T_P所对应F_S×2^P频率的计数值，即：

C_P＝T_P×F_S×2^P；

步骤6，测试控制和计算电路通过中央节点访问数据向被测网络中央节点设备发送工频周期报文发送命令，启动被测网络中央节点设备的工频过零计数时标报文发送；工频过零信号源产生的过零电压信号，在经过过零电压驱动电路后输入被测网络中央节点设备进行过零检测，并标记工频过零计数时标；同时，工频过零信号源产生的过零电压信号，经过过零检测电路在电压过零时刻产生有效脉冲形式的过零触发信号，过零触发信号从无效变为有效时，计数和锁存电路锁存一个过零锁存计数值Z_S(k)，输出给测试控制和计算电路，其中k为过零锁存计数值的连续编号；

步骤7，通信侦听电路接收来自被测网络中央节点设备发送的、经过通信信号分离电路的通信信号，当接收到被测网络中央节点设备的工频过零计数时标报文时，解析该工频过零计数时标报文获得被测网络中央节点设备的工频过零计数时标Z_C(j)，这些工频过零计数时标数据对应被测网络中央节点设备所获得的、间隔若干过零点的数个连续工频过零；测试控制和计算电路依据Z_C(j)，查找满足|Z_S(k_j)-Z_C(j)|<T_Z的过零锁存计数值Z_S(k_j)，其中j为1,2,…,N₃的连续编号，N₃是用于误差计算的数据个数，k_j为过零锁存计数值的编号，T_Z为设定搜索对应过零锁存计数值的阈值，取值小于(F_S×2^P-1)/F₀，F₀是工频频率值；

步骤8，测试控制和计算电路输出的被测网络中央节点设备的工频过零计数时标的平均误差E_avg按照下式计算：

工频过零计数时标的方差误差σ_E：

最终输出平均误差E_avg和方差误差σ_E，作为被测网络中央节点设备的工频过零计数时标的检验结果。

本发明基于网络中央节点设备所发送的信标报文、工频过零计数时标报文完成对被测设备工频过零计数时标误差的测量；

本发明装置的过零检测电路所输出过零触发信号的精度，可以采用示波器直接和工频过零信号源输出的过零电压信号进行同时采样和显示观测，确定其延时误差并进行补偿校准。

本发明方法步骤2中频偏误差测量结果的精度，可以采用具有高精度时钟的网络中央节点设备接入进行测量。

第一步，通过步骤2获取的被测网络中央节点设备的频偏误差测量结果E_C。

第二步，采用高精度频率计测量网络中央节点设备时钟频率F_S和高精度可调时钟的输出频率F₁，依据下式计算频偏误差E’_C：

最后，将第二步获得的频偏误差E’_C和第一步获得的E_C进行误差分析，以评定本装置的频偏测量精度。

本发明装置的频偏测量精度受到所用高精度可调时钟源、通信侦听电路输出的接收信号指示信号的精度、计数和锁存电路扩展的位数P、以及测试控制和计算电路计算采用的信标报文个数N₁和公式计算精度等性能的影响，可以依此分析性能瓶颈，改善本发明装置的频偏测量精度。此外，频偏测量精度不足的问题，也可以通过本发明方法进行发现，具体步骤为：首先，采用具有高精度时钟的网络中央节点设备接入进行测量，执行本发明方法所述的步骤1、2、3；然后，再次按照步骤2测量频偏误差，以确认步骤3中所设置的频率设置参数，如果所获得的频偏误差越是接近0则本发明装置的频偏测量精度和高精度可调时钟源的频率调节精度越好。

本发明所述方法步骤5中，C_P是本发明装置中通信侦听电路输出接收信标指示信号的固有延迟的补偿参数。

C_P的测定步骤为：首先将一个能够输出自身发送信标时标信号的标准网络中央节点设备，接入本发明装置；再采用示波器，将标准网络中央节点设备输出的信标时标信号与本发明装置中通信侦听电路输出接收信标指示信号进行对比，测量信号有效沿变化所对应的延时时间T_P；最后依据下式计算并获得C_P，用以校正本发明装置：

C_P＝T_P×F_S×2^P。

本发明所述工频过零计数时标校验方法所设计的步骤，通过上述标定方法可以严格检验装置自身的精度，进行自校准。

同时，本发明方法通过步骤5中高频可调时钟源的频率设置，获得和被测网络中央节点设备相同频率、计数值误差均值趋近于0的计数，以完成工频过零计数时标的检验，实现了本发明测量方法的可验性和本源性。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种基于网络同步时钟的工频过零计数时标校验装置，所述装置包括：

工频过零信号源，连接过零电压驱动电路和过零检测电路，并向所述过零电压驱动电路和过零检测电路传输过零电压信号；

过零电压驱动电路，连接被测的网络中央节点设备和通信信号分离电路，通过过零电压信号驱动被测的网络中央节点设备，以满足中央节点设备接收的功率要求，并驱动通信信号分离电路发出通信信号；

过零检测电路，根据过零电压信号和过零方向类型的设置，对应电压信号过零时刻输出过零触发信号，并将过零触发信号输入至计数和锁存电路；

通信信号分离电路，向通信侦听电路发出通信信号；

通信侦听电路，根据通信信号，产生信标指示信号输入至计数和锁存电路；

计数和锁存电路，接收信标指示信号及过零触发信号，并将所述信标指示信号及过零触发信号传输至测试控制和计算电路；

测试控制和计算电路，连接被测的网络中央节点设备，根据信标指示信号及过零触发信号确定被测的网络中央节点设备的工频过零计数时标的平均误差和方差误差结果；

其中，通信侦听电路根据对应信标报文的通信信号，在通信标准规定的信标时标对应时刻，产生有效的信标指示信号，所述信标指示信号输出到所述计数和锁存电路的输入端，所述通信侦听电路将来自被测网络中央节点设备通信信号所解析的信标时标和过零时标发送给测试控制和计算电路，高精度可调时钟源的输出端连接所述通信侦听电路的输入端和计数和锁存电路的输入端，所述计数和锁存电路将所述信标指示信号锁存，以输出信标锁存计数值、过零锁存计数值，所述测试控制和计算电路输出频率设置参数F1到高精度可调时钟源的输入端。

2.根据权利要求1所述的装置，所述过零触发信号为脉冲电平信号，所述过零触发信号的过零方向类型具有电压上升方向和电压下降方向。

3.根据权利要求1所述的装置，所述信标指示信号，在通信标准规定的信标时标对应时刻产生。

4.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括：高精度可调时钟源，连接通信侦听电路及计数和锁存电路，所述高精度可调时钟源具有输出频率微调功能和时钟信号抖动功能。

5.一种使用如权利要求1-4任意一种基于网络同步时钟的工频过零计数时标校验装置的的工频过零计数时标校验方法，所述方法包括：

步骤1：测试控制和计算电路通过中央节点访问数据向被测的网络中央节点设备发送通信启动命令，根据通信切动命令控制被测的网络中央节点设备的运行和发送信标报文；

步骤2：计算被测的网络中央节点设备的频偏误差测量结果：

步骤3：根据频偏误差测量结果，设置输入到高精度可调时钟源的频率设置参数；

步骤4：计算计数和锁存电路的计数值与被测的网络中央节点设备的计数差值；

步骤5：测试控制和计算电路向计数和锁存电路设置计数值增减控制参数；

步骤6：测试控制和计算电路通过中央节点访问数据向被测的网络中央节点设备发送工频周期报文发送命令，控制被测的网络中央节点设备发送工频过零计数时标报文；

步骤7：通信侦听电路获取被测的网络中央节点设备的工频过零计数时标；

步骤8：测试控制和计算电路根据工频过零计数时标输出平均误差和方差误差。