一种新型数字式电能表检定系统的研制

刘忠琛 杨秋生 朱瑞民 任爱仙 弓建华

（山西省电力公司晋中供电分公司，山西 榆次 030060）

为适应电力系统数字化发展的需要，基于IEC61850等通信协议的数字化电力系统得到了越来越多的应用[1]。与此相应的数字化电能计量系统也应运而生。数字化电能计量系统的核心是数字化的电能表。这种电能表与传统机械式或电子式电能表的最大不同点是其测量输入信号不再是传统的模拟电压和模拟电流，而是全数字化的数据流。由于这种新型数字化电能表内部没有模数转换误差，因而提高了电能计量精度。但是，我国目前的电能计量误差的量值传递体系仍然是基于传统的模拟系统的，尚无成熟的数字化的电能表检定标准。因此，需要研制一种可纳入国家现行电能计量误差传递体系中的数字式电能表的检定装置。本文提出了一种满足这一要求的新型数字式电能表检定系统的设计方案，给出了其软硬件设计原理。

1 技术原理

如图1所示，新型检定装置由可输出交流电压和交流电流的电能表检定电源、电能脉冲误差比较器、以及既带传统三相电压和三相电流输入接口又带有符合 IEC61850数字通信规约的数字流输出接口的新型标准电能表等三部分组成。

图1 新型检定装置

如图2所示，新型的标准电能表的原理为，输入的三相交流电压 Ua，Ub，Uc和三相交流电流 Ia，Ib，Ic依次接入信号调理电路和 A/D转换器，然后将模数转换后的原始数字量送入数字信号处理器中进行计算处理，完成电压、电流、功率和电能等量的测量，按IEC61850通信规约将原始数字量组帧。然后，通过脉冲输出装置输出与输入功率严格成正比的电能脉冲，同时通过数字通信单元输出符合IEC61850通信标准规约的包含电压和电流信息的数字流[2]。

2 硬件设计

图3是新型标准电能表的硬件框图。

2.1 信号调理

仪器采用了微型电压互感器和微型电流互感器分别将电力系统输入的电压和电流进行调理，以使其满足仪器内部的A/D转换器输入量程范围，以及锁相环（PLL）输入要求。

图2 新型标准电能表

图3 新型标准电能表电路原理图

2.2 锁相环

对输入信号频率的跟踪是通过锁相环（PLL）实现的。锁相环通常由压控振荡器、鉴相器、分频器、以及回路滤波器等部分组成。本仪器采用了集成电路锁相环74HC4046，实现频率跟踪[3]。

2.3 A/D采样

从信号调理电路部分输出的电压和电流模拟信号输入A/D转换器进行模数转换。A/D转换器的采样频率与PLL的输出成正比。A/D转换器采用了美国MAXIM公司的MAX11045六通道16位同时采样A/D转换器[4]。该A/D转换器具有正负5V输入和高达 250kHz的采样速率，可同时完成输入的三相电压和三相电流的采样。A/D转换后的采样值送入DSP进行数据处理。

2.4 数字信号处理器

本仪器使用了两个微处理器，一个是数字信号处理器，另一个是 ARM 处理器。其中，数字信号处理器采用了TI公司的TMS320C28346浮点数字信号处理器用于采样值的数字信号处理[5]。通过执行不同的算法，TMS320C28346浮点数字信号处理器可同时测量电压、电流、频率、功率、功率因数、电能等参数，并通过其 SPI总线接口送入 ARM处理器进行后续处理。

2.5 脉冲输出和IEC61850数字流输出

本仪器的 ARM 处理器采用了基于 ARM9的EP9315片上系统[6]。EP9315片上系统负责仪器的后续处理及人机接口。在后续处理中，EP9315根据DSP送来的功率值，通过其GPIO接口输出与这一功率严格成正比的电能脉冲序列，同时通过其自带的百兆以太网口，经过光物理层芯片输入与输出IEC61850-9-1和IEC61850-9-2LE信号。

3 软件设计

如上所述，新型标准电能表的数字信号处理器TMS320C28346负责各种电参量的计算。TMS320C28346的计算软件运行于 DSP/BIOS实时操作系统内核上。DSP/BIOS实时操作系统内核具有抢占式多线程功能。实时操作系统内核维护调度多线程的运行，只需将定制的数字信号处理算法作为一个线程嵌入系统即可。通过将不同的测量功能算法分配到不同的实时操作系统线程中，我们可以认为每一测量线程都是运行于一个独立的微型数字信号处理器上的。这种高度模块化的软件设计方案大大简化了测量软件设计。图4是TMS320C28346线程分配示意图。

图4 TMS320C28346线程分配示意图

图 4中，DSP/BIOS内核管理 TMS320C28346硬件资源并协调其他所有线程。原始数据预处理线程获取A/D转换器传来的原始采样数据或内部直接生成原始数字量，转发给其他测量线程进行后续处理。数据交换线程与 EP9315片上系统进行通信，并将各个电参量测量值传送给EP9315。测量线程分别为电参量测量线程、电能测量及脉冲输出线程、和IEC61850组帧输出线程等。

4 结论

本文提出了一种新型数字式电能表检定系统的设计方案，并详细讨论了其软硬件设计方法。可以看出，本系统不仅解决了基于 IEC61850-9-1和IEC61850-9-2LE标准的全数字式电能表的检定问题，还同时解决了本检定装置纳入现行电能计量误差量值传递体系的问题。

[1]任雁铭,秦立军,杨奇逊. IEC61850 通信协议体系介绍和分析[J]. 电力系统自动化,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]曾庆贵.锁相环集成电路原理与应用[M].上海:上海科学技术出版社,2012.

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

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

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