【文章內容簡介】 驗儀等產品我司擁有獨立的自主知識產權。 3 項目主要研究內容 項目涉及的技術領域，擬解決的關鍵技術問題；本項目涉及到一個數(shù)字電測儀表的校驗領域，屬于一個全新的領域，但是很多技術原理和校驗方法可以參照模擬電測儀表的方法，屬于應該屬于新型的測量和計量儀器。擬解決的技術問題如下? 高精度的模擬量采集我們產品的整體精度為 %,這要求我們的交流 AD 采集模塊精度要到達 %級，目前國內只有深圳科陸、思達等廠家能夠做到 %的交流采樣，我司能夠做到 %級沒有問題，我們通過如下方法解決這個問題，使用 1ppm 的電子分壓器，%的零磁通互感器、以及 OPA1632 帶差分輸入輸出的高性能運算放大器作為信號調理和高達 100KSPS 24Bit 的 8 路高精度的 AD 采集芯片 ADS1278 ，采用準同步算法，來到達這個指標? 光纖以太網遠程快速 DMA 傳輸 光纖以太網的遠程 DMA 傳輸速度要等到 10uS 才比較理想，以最高一個周波要送 200 點，假如遠程 DMA 不做優(yōu)化則大大浪費 CPU 的資源，因為采樣算法，光纖輸出是有一顆 CPU 通過 RTOS 來調度的，而一個 IEC61850的標準幀里面共有 111Byte 數(shù)字，這就要求 CPU 100uS 之內必須要把111Byte 的協(xié)議幀通過遠程 DMA 傳送到以太網芯片上， 這會大大提高 CPU的負荷能力，在本項目中由于 111Byte 中需要變化就是 6 個通道的模擬量12Byte，以及采樣計數(shù) 2 個字節(jié)共 14Byte，在本項目在初始化時候就把111Byte 協(xié)議中不變的數(shù)字先傳送到遠程 DMA，而后只是更改 14Byte 的變化數(shù)據(jù)后，使能芯片內部當?shù)?DMA 自動發(fā)送協(xié)議幀，這樣 CPU 有原來要傳送 111Byte 變?yōu)?14Byte 大大地減低了 CPU 的負荷。? IEC6185092 協(xié)議的掌握。IEC61850 是一套非常復雜的協(xié)議，目前我們已經能夠實現(xiàn) IEC6185091 協(xié)議，并和多個廠家聯(lián)調過，但對于 IEC6185092 協(xié)議目前尚未深入研究，IEC6185092 更復雜。 擬采用的技術原理、技術方法、技術路線以工藝流程； 技術原理及關鍵技術內容 數(shù)字電能表檢驗系統(tǒng)構成1) 虛負荷檢定原理 數(shù)字電能表校驗儀 RS232DSP 板（ （BF531 ）華北工控機 640*480 液晶顯示鍵盤串口/USB 接口EterOut以太網信號Pin電能脈沖信號 (M1) EterAD 轉換 3U3IPout(M2)來自合并單元（實負荷檢定）脈沖輸出，用于校驗自身精度送給 COM3000 做量傳串口 XL803 標準功率源RS232 圖 31 數(shù)字電能表校驗儀虛負荷檢定原理圖 原理介紹 工控機(PC)控制 XL803 標準功率源輸出 3U3I 的模擬量，數(shù)字電能表校驗儀把模擬量通過 AD 轉成符合 IEC 6185091 的數(shù)字量 D[0,n1]，并直接通過以太網轉給被檢的數(shù)字電能表，被檢的數(shù)字電能表和和數(shù)字電能表校驗儀同時根據(jù) D[0,n1]計算電能并產生脈沖輸出，對比 M1 和 M2 脈沖計算被檢電能表的電能誤差. 實負荷檢定原理 數(shù)字電能表校驗儀 RS232DSP 板（ （BF531 ）華北工控機 640*480 液晶顯示鍵盤串口/USB 接口EterOutPin電能脈沖信號 (M1)EterAD 轉換 3U3IPout(M2) 脈沖輸出，用于校驗自身精度送給 COM3000 做量傳串口 M2以太網信號 圖 32 數(shù)字電能表實負荷檢定原理圖 原理介紹 在現(xiàn)場光電互感器的合并單元(必需具備兩個光纖接口)，根據(jù)現(xiàn)場的實際測量值通過 IEC6185091 協(xié)議同時發(fā)給數(shù)字電能表和數(shù)字電能表校驗儀。數(shù)字電能表根據(jù)其算法計算產生電能脈沖 M1，數(shù)字電能表校驗儀也根據(jù)協(xié)議和算法產生脈沖 M2，對比 M2 和 M1 計算實際的電能誤差。虛擬檢定原理以太網信號 數(shù)字電能表校驗儀 RS232DSP 板（ （BF531 ）華北工控機 640*480 液晶顯示鍵盤串口/USB 接口EterOutPin電能脈沖信號 (M1)EterAD 轉換 3U3IPout(M2) 脈沖輸出，用于校驗自身精度送給 COM3000 做量傳串口 M2以太網信號以太網信號圖 33 數(shù)字電能表虛擬檢定原理圖 原理介紹 不需要 XL803 標準源也不需要實負荷，通過數(shù)字模擬光盤事先產生的IEC6185091 協(xié)議的數(shù)字信號，把這個數(shù)字信號通過以太網送給網絡電能表，網絡電能表計算產生電能脈沖 M1，網絡電能表校驗儀根據(jù)這個數(shù)字信號計算電能產生脈沖 M2，對比 M2 和 M1 計算實際的電能誤差。以太網信號 數(shù)字交流采樣檢驗系統(tǒng)構成 數(shù)字交流采樣校驗儀 RS232DSP 板（ （BF531 ）華北工控機 640*480 液晶顯示鍵盤串口/USB 接口EterOut以太網信號PinEterAD 轉換 3U3IPout(M2)來自合并單元（實負荷檢定）串口 XL803 標準功率源RS232圖 34 數(shù)字交流采樣電能表校驗儀原理圖 原理介紹工控機(PC)控制 XL803 標準功率源輸出 3U3I 的模擬量，數(shù)字交流采樣校驗儀把模擬量通過 AD 轉成符合 IEC 6185091 的數(shù)字量 D[0,n1]，并直接通過以太網轉給被檢的網絡交流采樣校驗儀，被檢的數(shù)字交流采樣和數(shù)字交流采樣校驗儀同時根據(jù) D[0,n1]計算 U、I、P、Q 、COS ，同時工控機通過交流采樣終端協(xié)議，讀取交流采樣終端的 U、I、 P、Q、COS。并和同數(shù)字交流采樣校驗儀算出來的 U、I、P、Q、COS。做比對得出誤差值，最后形成報表 數(shù)字繼電保護檢驗系統(tǒng)構成 數(shù)字繼電保護測試儀 RS232DSP 板（ （BF531 ）華北工控機 640*480 液晶顯示鍵盤串口/USB 接口EterOut以太網信號IOIO、Eter AD 轉換 3U3IPout(M2)串口圖 35 數(shù)字繼電保護測試儀原理圖 原理介紹 繼電保護測試儀通過以太網發(fā)出數(shù)字模擬的電壓電流信號給數(shù)字繼電保護，測試儀通過 IO 口讀取繼電保護的跳閘信號，也可以通過以太網 GOOSE信息讀取跳閘信號，進而判斷繼電保護的動作是否正確。 光電互感器檢驗系統(tǒng)構成1).電壓校驗原理圖模擬電壓 光電互感器數(shù)字交流采樣校驗儀 RS232DSP 板（ （BF531 ）華北工控機 640*480 液晶顯示鍵盤串口/USB 接口EterOutIOEterAD 轉換 3U3IPout(M2)串口圖 36 光電互感器電壓校驗儀原理圖 原理介紹 被檢驗光電 PT，接受校驗儀送過來的同步信號，并在同步信號的控制下，把光電轉換后的數(shù)字量通過以太網傳給校驗儀，校驗同時通過 AD 采集 標準電壓互感器的模擬信號，并轉換為數(shù)字量和被檢 PT 通過以太網傳遞過來的數(shù)字信號使用 FFT 計算出比差和角差 2).電流校驗原理圖模擬電壓 光電互感器數(shù)字交流采樣校驗儀 RS232DSP 板（ （BF531 ）華北工控機 640*480 液晶顯示鍵盤串口/USB 接口EterOutIOEterAD 轉換 3U3IPout(M2)串口圖 37 光電互感器電流壓校驗儀原理圖 原理介紹 電流校驗和電壓校驗的原理是一樣的，唯一不同的是標準信號取電流標準互感器的信號而已。 軟硬件硬件： 使用一個統(tǒng)一的硬件平臺。軟件：數(shù)字電能表校驗管理軟件；數(shù)字交流采樣校驗管理軟件；數(shù)字繼電保護測試軟件軟件；光電互感器校驗軟件軟件；其他軟件； 技術路線 1）為 提高產品的測量長期穩(wěn)定性，要使用穩(wěn)定性更好的材料以及優(yōu)良的制造工藝，為此，電壓分壓器采用 1ppm 的金屬氧化膜電阻分壓，同時使用 PGA205 放大器跟隨，以減小分布電容造成的相移，電流使用零磁通互感器，相關的電容均使用溫度性能更好的 CBB 電容，布線各個高壓回路相互隔離并保證有足夠的距離，降低串擾，PCB 對于輸入信號采用差分并行走線，減小共模干擾，以及通道串擾。 參考電壓是 2ppm 的參考電壓，測量 AD 使用24Bit 100LK SPS 8 個通道 AD,同時使用換檔來降低噪音2 ) 為了提高設備在現(xiàn)場使用的可靠性采用如下措施? 對采集前端和電源前端采取多重抗干擾措施采用功率電阻、壓敏電阻、TVS 以及電子保護器確保傳導性干擾信號(脈沖群和浪涌) 不會通過電源或者采集前端侵入敏感脆弱器件，保護CPU、 AD、 MEM、OP 等敏感器件 ? CPU 采用總線在運行中不出總線，使用內部的 RAMCPU 采用總線不出芯片方案，提高 CPU 自身抗干擾能力，由于總線在芯片內具有很強的抗干擾能力? 多重 WatchDog 技術? IO 保護對于容易損壞的 IO 口全部用高集成化的貼片 TVS 統(tǒng)一保護， 3) 為提高設備無故障工作時間，要研究元件老化的規(guī)律，對設備的密封方式，溫度與濕度交互作用方式進行試驗研究，并進行如下的高可靠性設計：? 元器件選擇對于 IC、插座等器件盡可能使用工業(yè)芯片，插座使用菲尼克斯插座。盡量使用焊接技術(因為我們電流小、振動小焊接反而比壓接可靠)。 ? 軟件 DEBUG 技術用于故障診斷，遠程下載用于程序更新。? 防塵防潮 PCB 最后均要防塵防潮處理? 冗余設計無論對于 PCB 布線還是間距，以及熱設計，耐壓設計，要留于充分的余量，對于一些關鍵地方使用雙重硬件作為冗余? 數(shù)據(jù)可靠性塊數(shù)據(jù)存儲全部使用 CRC16 校驗。采用大容量的 NVRAM，對于經常需要更新的數(shù)據(jù)如電能脈沖用于 NVRAM 備份記錄，累計一段時間暫存到Flash。對于 Flash 數(shù)據(jù)的寫入進行校驗，并記錄擦寫時間，為 Flash 的健康狀態(tài)做初步檢測。文件數(shù)據(jù)可靠性使用基于 YAFFS 日記式文件系統(tǒng)原理，同時用 NVRAM 備份 FAT 區(qū)。4) 算法驗證大部分的算法我們通過 Matlab 來驗證后，再在 blackfin 平臺上運行，可以節(jié)約反復調試的時間5) 測試驗證利用廣東電力工業(yè)局研究院的設備，和技術支持用戶技術的最終驗證，以及通過他們的驗收 主要創(chuàng)新點1) 使用可編程時鐘芯片和高性能的同步采樣 AD 實現(xiàn)準同步算法設信號 )(tx的周期為 T0，最高諧波次數(shù)為 M，則基波的角頻率為 012T???，把)(tx展成復數(shù)項級數(shù)： ???MmtjeCt1?= ???MmjtjmeA??12 推導得到： ??MjmX???)()( 1，即周期信號的頻譜為 δ 函數(shù)。使用 p(t)采樣后 ????100)()Nn nTjSSetwTx?=??? ???MmjsmenWA)(1(21??? 當 1??，窗函數(shù) ?W與 W（0）有偏差，同時由于選定頻率處不是窗函數(shù)旁瓣的過零點，產生頻譜鄰近干擾。減小頻譜泄漏的方法是采用旁瓣弱的窗函數(shù)。由于窗函數(shù)有過零點，在過零點處不會由于頻譜泄漏產生干擾，在原信號頻率格點處計算得到的幅值與相位才能與原信號的頻譜對應，這種情況稱為柵欄效應直接影響測量精度。 所以要提高測量準確度則必須是 1?? 也就是 nTs0? 由于我們測量的是 50Hz 左右的工頻信號 T0=50Hz，但是這個 T0 會在 45 ~ 55Hz 范圍內波動，所以要滿足 T0 = nTs,就必須是 Ts 在 T0/n 的 90% ~ 110%之內變化， 要實現(xiàn)這個變化我們使用可編程時鐘芯片 CY22393 其中 Fpll 可以在通過一個 8bit 分頻器再分頻。 我們通過這芯片可以實現(xiàn) 2^(7+9+1+8)的精確時間控制， 配合 DSP 算法，可以實現(xiàn)高精度的采樣。2）數(shù)字量溯源功能 AD 采集卡模擬世界24Bit 或以上 ulMeterDataIEC6185091(16Bit)uiMeterData被檢網絡電能表(Meter)脈沖輸出時標 M2_Timer 標準電能表IO 采集卡M1 M2 數(shù)字信號目前沒有更高一級的基準，而模擬信號確有高到 %的基準，要實現(xiàn)數(shù)字信號的量傳就必須要設法把它和模擬的基準聯(lián)系起來，這就需要高精度的模數(shù)轉換，本項目利用 6 個同步 24Bit 的高精度 AD，以及使用零磁通電流互感器和 1ppm 的電阻分壓器，實現(xiàn)了對模擬世界的精確數(shù)字化，后通過數(shù)字電能表計算電能表脈沖再和模擬的標準電能表做比對實現(xiàn)量傳功能。3） 以太網的快速傳送遠程 DMA 在 IEC61850