CN115508767A - 一种基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置及方法，涉及电能表检定技术领域。动态负荷功率源提供一个触发脉冲给动态负荷标准表，动态负荷标准表接收到触发脉冲后，同步启动开始累积电能，当动态负荷功率源停止输出时再次发送触发脉冲，动态负荷标准表再次接收到触发脉冲时立即停止电能累计。动态负荷标准表接收被检电能表的被检电能脉冲和内部累计的电能量作比较，计算出被检电能表的误差。基于硬件同步触发启停电能累计和被检电能表累计同一时间段的电能，大大的缩短电能表的检定时间，实现快速高效的检定。

Description

一种基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置及方法

技术领域

本发明涉及电能表检定技术领域，尤其涉及一种基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在国际上，许多国家和地区对谐波污染造成电网危害问题都先后作了大量的深入研究，提出了许多意见和措施。针对有功计量，早期国内外对于非线性扰动存在时的研究工作，主要集中在谐波对电子式电能表的影响上，从上世纪末到本世纪初，出现大量对于谐波分析的文献。大部分的发表文献主要基于实验结果，通过实验研究，定性地指出谐波造成电能表计量误差的原因是谐波功率的大小和流向。针对这一问题，许多电能表生产商分别推出自己的具有谐波计量功能的电能表，其基本思想是将采样得到的电压、电流波形进行傅立叶(FFT)分析，得到各自的谐波分量的次数及大小，从而计算得到各次谐波功率并确定功率流向。应该说这是对谐波问题的比较圆满的一种解决方式，但是也存在它的局限性。这种方法对分析整次谐波十分有效，可分析的谐波次数仅受采样率的限制，对于间谐波的分析则需要采用加长数据窗宽度从而提高间谐波分辨率的目的，特别是间谐波特征次数事先不明确的情况下，数据窗宽度难以确定。重要的是，对于动态的、非稳态的谐波、间谐波或者暂态分量，FFT分析有些力不从心，这样难免造成冲击性负荷能量计量失准。因此，急需准确、高效、快速的检测手段，提高电能表在动态负荷情况下的测量准确度。

目前传统的电能表的检定方法采用瓦秒法，通过规范标准源的稳定度，采用以功率替代电能的方式，达到快速检定的目的，要求标准源的输出稳定度非常高，大约为准确度等级1/5内,检定标准表和被检表的功率误差的方法来检定被检表的误差，但是这种方法的前提是：标准源的输出稳定度高。但是对于动态负荷，其特征就是不稳定、快变化的，很难采用这种方法检定；目前动态负荷电能表是通过电能比较法来检定其误差，但是电能比较法的检定时间非常长，一个检定点约半个小时，整个被检表检定完成需要1-2天，耗时长，检定效率低，极大的浪费人力物力。

因此寻找一种能够减少检定时间、提升检定效率的动态负荷电能表检定装置，用于检定动态负荷电能表，并且可作为动态负荷电能表计量溯源标准，为动态负荷电能表的溯源标准体系的建立提供技术手段，成为本技术领域人员所研究的重要课题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置及方法。基于硬件同步触发启停电能累计，和被检电能表累计同一时间段的电能，大大的缩短电能表的检定时间，实现快速高效的检定。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本公开第一方面提供了一种基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置，包括：动态负荷功率源和动态负荷标准表；动态负荷标准表包括电压传感器、电流传感器、信号调理电路、采样AD和DSP处理器；动态负荷功率源给被检电能表和动态负荷标准表提供动态负荷电压、电流功率信号；动态负荷标准表接收被检电能表的被检电能脉冲和内部累计的电能量。

进一步的，DSP处理器包括DMA1控制器、DMA2控制器、SPORT1口、 SPORT2口、DSP内核、RAM、IO输入口、IO输出口和以太网接口。

更进一步的，信号调理电路包括AV1模块和AV2模块，电压传感器和信号调理电路的AV2模块相连，将输入的功率电压信号转换为小电压信号；所诉电流传感器和信号调理电路的AV1模块相连，将输入的功率电流转换为小电压信号。

更进一步的，采样AD包括A/D1模块和A/D2模块，所述信号调理电路的 AV2模块和A/D 2模块相连，电压传感器转换的小电压信号通过信号调理电路转换为适合采样AD采样的电压信号；所述信号调理电路的AV1模块和A/D 1模块相连，电流传感器转换的小电压信号通过信号调理电路转换为适合采样AD采样的电压信号。

更进一步的，所述采样AD的A/D 1模块和DSP的SPORT1接口相连，通过高速的SPORT读取采样AD的A/D 1模块的采样数据，实现高SPS采样；所述的采样AD的A/D 2模块和DSP的SPORT2接口相连，通过高速的SPORT读取采样AD的A/D 2模块的采样数据，实现高SPS采样。

更进一步的，所述DSP处理器的SPORT1口和DMA1控制器相连，DMA1 控制器通过SPORT1口读取采样AD的数据；DSP处理器的SPORT2口和DMA2 控制器相连，DMA2控制器通过SPORT2口读取采样AD的数据。

更进一步的，所述DSP的DMA1控制器、DSP的DMA2控制器均和DSP 内核相连，DSP内核通过DMA1控制器和DMA2控制器控制SPORT1口和 SPORT2口高速存取AD的采样数据。

更进一步的，所述DSP内核和RAM相连，DSP内核将通过DMA1和DMA2 控制的SPORT高速存取的AD采样数据，送至RAM做运算。

更进一步的，所述DSP内核和以太网口相连，DSP内核可以通过以太网口和外部PC通讯，交换数据；所述DSP内核还和IO输出口相连，DSP内核根据累计的电能和设置的电参数控制IO输出口电能脉冲；所述DSP内核还和IO输入口相连，DSP通过IO输入口接收启停脉冲，启动或者停止电能累计，DSP内核通过IO输入口接收外部电能脉冲输入，和内部累计的电能量做比较计算出被检表的误差。

本公开第二方面提供了一种基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定方法，包括以下步骤：

动态负荷功率源在输出动态负荷电压、电流功率信号的同时，同步输出一个触发脉冲，动态负荷标准表接收到触发脉冲后，同步启动开始累积电能，当动态负荷功率源停止输出时再次发送触发脉冲，动态负荷标准表再次接收到触发脉冲时立即停止电能累计。动态负荷标准表接收被检电能表的被检电能脉冲和内部累计的电能量作比较，计算出被检电能表的误差。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

本发明公开了一种基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置，能够基于硬件同步触发启停电能累计，和被检电能表累计同一时间段的电能，保证动态负荷标准表和被检电能表几乎同时开始累积电能，同时停止累计电能，两者之间的时间差基本可以忽略不计，基本可认为是计量同一时间段的电能，因此理论上误差的来源分为两部分，被检电能表的电能分辨率误差，动态负荷标准表的电能分辨率的误差，理论上被检电能表的电能分辨率和动态负荷标准表的电能分辨率中较大值所占的比例为累计电能值的0.05％以内，即可以测量出被检电能表的误差，与电能起始累计时的时间差无关，相比较通过相互独立的电能脉冲比较法来说，大大缩减了检定时间，提升了检定效率。

本发明公开了一种基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置，通过设计一种能够减少检定时间、提升检定效率的动态负荷标准电能表，用于检定动态负荷电能表，并且可作为动态负荷电能表计量溯源标准，为动态负荷电能表的溯源标准体系的建立提供了有力的技术支撑。

本发明通过DMA高速存取采样数据，计算功率、电能，确保能够在高采样率、高数据量吞吐的情况下，DSP的能够快速、有效的处理采样数据。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例一中动态负荷标准电能表内部结构图。

图2为本发明实施例一中动态负荷标准电能表工作原理图。

具体实施方式：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

目前传统电能表的检定方法采用瓦秒法，通过规范标准源的稳定度，检定标准和被检功率的方法来检定被检表的误差，但是这种方法的前提是：标准源的输出稳定度高，要求给标准电能表和被检电能表加量的标准源需要稳定度高，标准规范内要求至少是标准表准确度等级的1/5，才能够准确的检定被检电能表的误差；其实际检测的是功率，不是电能累计比较，所以检定速率快，可以满足传统电能表的生产、检定要求。而对于电能表一般是低频的，也就是脉冲频率小于10Hz，一般电能表厂家将额定点设置为6Hz，也就是说如果严格采用电能比较法，电能表工作在满量程点，也就是6Hz，由于两个标准和被检的起始电能不确定性，假设起始累计电能的时间差为1S，要达到0.05级的测量准确度，假定测量功率稳定，需要时间为33.33分钟，总而言之就是以测试时长换取测试准确度，而按照电能表的检定规程，电能表需要检定点很多，对于动态负荷，不能采用传统电能表的以功率代替电能的检定方法，因此检定一个表的时间至少需要1-2天，工作效率很低；动态负荷其特征就是，在一段时间内的电能变化是非周期、快变化的，其表现特征就是不稳定的，也就是其电能量不平均，没办法像传统的电能表一样通过高稳定度的标准源，以检定功率来代替电能量的检定，提高检定效率；因此，对于动态负荷的电能误差计算方法一般是电能比较法，目前被检电能表和标准电能表的电能累计一般是单独计算的，其被检电能表和标准电能表之间的电能起始累计点存在时间差，也就是说被检电能表和标准电能表并不是计算严格同一时间段的电能量，因此需要以测试时长换取测试准确度，导致检定效率较低。

针对现有技术的不足，本发明提供了一种于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置及方法，以0.05级动态负荷标准表为例：

实施例一：

本公开实施例一提供了一种基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置，包括：

动态负荷功率源和动态负荷标准表；动态负荷标准表包括电压传感器、电流传感器、信号调理电路、采样AD和DSP处理器，如图1所示；动态负荷功率源给被检电能表和动态负荷标准表提供动态负荷电压、电流功率信号；动态负荷标准表接收被检电能表的被检电能脉冲和内部累计的电能量。

优选的，DSP处理器包括DMA1控制器、DMA2控制器、SPORT1口、SPORT2 口、DSP内核、RAM、IO输入口、IO输出口和以太网接口。

信号调理电路包括AV1模块和AV2模块，电压传感器和信号调理电路的AV2 模块相连，将输入的功率电压信号转换为小电压信号；所诉电流传感器和信号调理电路的AV1模块相连，将输入的功率电流转换为小电压信号。

采样AD包括A/D1模块和A/D2模块，所述信号调理电路的AV2模块和A/D 2模块相连，电压传感器转换的小电压信号通过信号调理电路转换为适合采样AD 采样的电压信号；所述信号调理电路的AV1模块和A/D 1模块相连，电流传感器转换的小电压信号通过信号调理电路转换为适合采样AD采样的电压信号。

采样AD的A/D 1模块和DSP的SPORT1接口相连，通过高速的SPORT读取采样AD的A/D1模块的采样数据，实现高SPS采样；所述的采样AD的A/D 2模块和DSP的SPORT2接口相连，通过高速的SPORT读取采样AD的A/D 2 模块的采样数据，实现高SPS采样。

DSP处理器的SPORT1口和DMA1控制器相连，DMA1控制器通过SPORT1 口读取采样AD的数据；DSP处理器的SPORT2口和DMA2控制器相连，DMA2 控制器通过SPORT2口读取采样AD的数据。

DSP的DMA1控制器、DSP的DMA2控制器均和DSP内核相连，DSP内核通过DMA1控制器和DMA2控制器控制SPORT1口和SPORT2口高速存取AD 的采样数据。

DSP内核和RAM相连，DSP内核将通过DMA1和DMA2控制的SPORT高速存取的AD采样数据，送至RAM做运算。

DSP内核和以太网口相连，DSP内核可以通过以太网口和外部PC通讯，交换数据；所述DSP内核还和IO输出口相连，DSP内核根据累计的电能和设置的电参数控制IO输出口电能脉冲；所述DSP内核还和IO输入口相连，DSP通过 IO输入口接收启停脉冲，启动或者停止电能累计，DSP内核通过IO输入口接收外部电能脉冲输入，和内部累计的电能量做比较计算出被检表的误差。

优选的，动态负荷标准表电压采用1ppm温漂的无感高精密的电阻分压网络实现电压的精密传感，电阻分压网络是通过两个电阻的分压将高电压转换为小电压，因此分压桥臂的高端阻值一般较大，一般是M欧级以上，分压电阻的低端阻值较小，一般是K欧级，而对于高精密电阻其功率一般不大，否则发热过大将导致阻值漂移，分压比将不准确，而对于动态负荷功率电压信号，其特征是非稳定，快变化的，而分压桥臂的电阻值较大，一般是M欧级以上，因此要求线路中的分压电阻的电感量值较小，否则可能在频率较高时，电感量的影响不可忽略，导致分压比不准确，因此采用无感高精密的电阻做电压取样网络。

动态负荷标准表电流采用1ppm(量程误差)的交/直流零磁通互感器实现隔离和精密传感的，相较于电阻取样，采用交/直流零磁通互感器的优点是：电气隔离、发热小，因此有利于做到高精度，且电流输入和内部电路隔离，安全性、可靠性更高，且相比较电阻取样发热小，整机温升较小，由于温度带来的系统漂移小，实现0.05级的高精度测量。

信号调理电路，将电压、电流传感器输出的高精密信号调理为适合AD采集的信号，其属于整个信号链的中间端，如果信号调理电路性能较差将会降低整个测量回路的信号质量，采用ADI或者TI的高精密运算放大器，其温漂小、失调低，可以高精度的调理由精密传感器输出的高精密信号，送至后级AD采集。

动态负荷信号的特征即是非稳定、快变化的，因此对于其采样，需要采样 AD具备足够高带宽和高采样率，动态负荷标准表的采样AD选用24Bit 512倍过采样的高速AD，最高采样率为144K SPS，有效带宽可达70KHz,具有高带宽、高采样率，可以高精度的采集动态负荷功率波形信号，但是AD采样数据的吞吐量十分巨大，而动态负荷标准表需要无延时的读取、处理AD采样的数据，实时性要求高；因此动态负荷标准表的AD转换数据的读取通过DMA控制器自动实现，DMA控制器控制SPORT读取AD采样的采样数据，采用DMA控制器读取采样数据，其为DMA控制器外设自主运行，无需占用DSP内核的资源，DSP 内核可以把大量的资源用于采样数据的处理计算，例如，动态负荷功率信号的幅值、相位、功率、电能的计算，实现AD采样的高精度、高采样率、大数据吞吐；并且可由DSP把A/D采样后的数据转换为IEC61850-9-2实现在上位机的二次开发，并通过串口或网口上传到电脑终端进行人机交互和管理。

动态负荷标准表工作原理，如图2所示，具体为：

动态负荷标准表的启停脉冲输入接口，即IO输入口，在接收第一个脉冲到来时，在DSP内核产生一个IO中断，在这个中断内程序将启动DMA控制器，开始读取AD转换数据，保证电压、电流取样的完全同步采样，DMA控制器通过SPORT 口，高速读取电压、电流的AD采样数据，在读取的过程中，马上利用电压、电流值计算功率、累计电能，利用启停输入的IO中断实现无延时的启动电能累计过程，因为DSP的中断为硬件响应，AD数据采用DMA控制器直接读取，不占用DSP 内核，因此延时非常短，可达到微秒级的响应速度，基本可以忽略，也就是在接收到启动脉冲后，约几个微秒的时间，动态负荷标准表就将启动AD采样，开始电能累计；动态负荷标准表的启停脉冲输入接口，在启动状态下再接收到一个脉冲时，在DSP内核产生一个IO中断，在这个中断内程序将停止DMA控制器，停止读取AD转换数据，保证电压、电流取样的完全同步停止采样，DMA控制器不通过SPORT口读取采样数据，停止累计电能，利用启停输入的IO中断实现无延时的停止电能累计，因为DSP的中断为硬件响应，延时非常短，微秒级的响应速度，基本可以忽略，也就是说在接收到停止脉冲后，约几个微秒的时间，动态负荷标准表就将停止电能累计，因此动态负荷标准表的电能累计，是严格按照启停脉冲来累计的，也就是说，动态负荷标准表能够精确的累计启停脉冲时间段内的动态负荷电能，其在时间上的不确定度为几个微秒，相对于整个测试时长来说，其影响可以忽略不计，因此影响动态负荷标准表的准确度，一个是本身电压、电流测量的准确度，动态负荷标准表的准确度等级是0.05级，另一个是电能比较法时，由于标准和被检的启动、停止电能累计时间不一致带来的误差，尤其是对于动态负荷功率信号，其本身是快变化、不稳定的，动态负荷标准表的被检和标准可以很准确的测量同一时间段的电能，可以实现以最少的时间完成对被检表的检定，对检定效率提升巨大。动态负荷标准表的幅值、相位、功率、电能都可以通过控制软件读取显示。

实施例二：

本公开实施例二提供了一种基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定方法，如图3所示，动态负荷功率源给被检电能表和动态负荷标准表提供动态负荷电压、电流功率信号，动态负荷功率源提供一个触发脉冲给动态负荷标准表的启停输入接口，动态负荷标准表接收被检电能表的被检电能脉冲和内部累计的电能量作比较计算出被检电能表的误差，具体包括以下步骤：

动态负荷功率源在输出动态负荷电压、电流功率信号至被检电能表的同时，同步输出一个触发脉冲给动态负荷标准表，动态负荷标准表接收到触发脉冲后，同步启动开始累积电能，当动态负荷功率源停止输出时再次发送触发脉冲，动态负荷标准表再次接收到触发脉冲时立即停止电能累计。

优选的，上述过程保证动态负荷标准表和被检电能表几乎同时开始累积电能，同时停止累计电能，两者之间的时间差基本可以忽略不计，基本可认为是计量同一时间段的电能，因此理论上误差的来源分为两部分，被检电能表的电能分辨率误差，动态负荷标准表的电能分辨率的误差，理论上被检电能表的电能分辨率和动态负荷标准表的电能分辨率中较大值所占的比例为累计电能值的0.05％以内，即可以测量出被检电能表的误差，与电能起始累计时的时间差无关，相比较通过相互独立的电能脉冲比较法来说，大大缩减了检定时间，提升了检定效率。

动态负荷标准表接收被检电能表的被检电能脉冲和内部累计的电能量作比较，计算出被检电能表的误差。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置，其特征在于，包括：动态负荷功率源和动态负荷标准表；动态负荷标准表包括电压传感器、电流传感器、信号调理电路、采样AD和DSP处理器；动态负荷功率源给被检电能表和动态负荷标准表提供动态负荷电压、电流功率信号；动态负荷标准表接收被检电能表的被检电能脉冲和内部累计的电能量。

2.如权利要求1所述的基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置，其特征在于，DSP处理器包括DMA1控制器、DMA2控制器、SPORT1口、SPORT2口、DSP内核、RAM、IO输入口、IO输出口和以太网接口。

3.如权利要求2所述的基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置，其特征在于，信号调理电路包括AV1模块和AV2模块，电压传感器和信号调理电路的AV2模块相连，将输入的功率电压信号转换为小电压信号；所诉电流传感器和信号调理电路的AV1模块相连，将输入的功率电流转换为小电压信号。

4.如权利要求3所述的基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置，其特征在于，采样AD包括A/D1模块和A/D2模块，所述信号调理电路的AV2模块和A/D 2模块相连，电压传感器转换的小电压信号通过信号调理电路转换为适合采样AD采样的电压信号；所述信号调理电路的AV1模块和A/D 1模块相连，电流传感器转换的小电压信号通过信号调理电路转换为适合采样AD采样的电压信号。

5.如权利要求4所述的基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置，其特征在于，所述采样AD的A/D 1模块和DSP的SPORT1接口相连，通过高速的SPORT读取采样AD的A/D 1模块的采样数据，实现高SPS采样；所述的采样AD的A/D 2模块和DSP的SPORT2接口相连，通过高速的SPORT读取采样AD的A/D 2模块的采样数据，实现高SPS采样。

6.如权利要求2所述的基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置，其特征在于，所述DSP处理器的SPORT1口和DMA1控制器相连，DMA1控制器通过SPORT1口读取采样AD的数据；DSP处理器的SPORT2口和DMA2控制器相连，DMA2控制器通过SPORT2口读取采样AD的数据。

7.如权利要求2所述的基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置，其特征在于，所述DSP的DMA1控制器、DSP的DMA2控制器均和DSP内核相连，DSP内核通过DMA1控制器和DMA2控制器控制SPORT1口和SPORT2口高速存取AD的采样数据。

8.如权利要求2所述的基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置，其特征在于，所述DSP内核和RAM相连，DSP内核将通过DMA1和DMA2控制的SPORT高速存取的AD采样数据，送至RAM做运算。

9.如权利要求2所述的基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定装置，其特征在于，所述DSP内核和以太网口相连，DSP内核可以通过以太网口和外部PC通讯，交换数据；所述DSP内核还和IO输出口相连，DSP内核根据累计的电能和设置的电参数控制IO输出口电能脉冲；所述DSP内核还和IO输入口相连，DSP通过IO输入口接收启停脉冲，启动或者停止电能累计，DSP内核通过IO输入口接收外部电能脉冲输入，和内部累计的电能量做比较计算出被检表的误差。

10.一种基于硬件同步触发的动态负荷电能表检定方法，其特征在于，包括以下步骤：

动态负荷功率源在输出动态负荷电压、电流功率信号的同时，同步输出一个触发脉冲，动态负荷标准表接收到触发脉冲后，同步启动开始累积电能，当动态负荷功率源停止输出时再次发送触发脉冲，动态负荷标准表再次接收到触发脉冲时立即停止电能累计。动态负荷标准表接收被检电能表的被检电能脉冲和内部累计的电能量作比较，计算出被检电能表的误差。

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