【文章內(nèi)容簡介】 這方面的研究， 在數(shù)字化變電站校驗儀的方面我司是國內(nèi)研究比較早的廠家之一，也是國內(nèi)起點最高的一個廠家了，目前有國內(nèi)有從事數(shù)字化變電站校驗研發(fā)的，一般只是考慮測試功能，沒有考慮到量值傳遞，而測試儀器最重要的功能之一就是能實現(xiàn)溯源，無法量傳的產(chǎn)品沒有意義。數(shù)字化變電站校驗儀可行性分析報告 第 9 頁 相關(guān)技術(shù)在知識產(chǎn)權(quán)、市場需求方面的情況。數(shù)字化變電站的驗收、檢驗還需要新的配套標(biāo)準(zhǔn)，目前國內(nèi)外在這方面尚屬空白。IEC61850 協(xié)議國內(nèi)引用過來時更名為 DL/T 860 協(xié)議，但是這只是標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)協(xié)議，要是實施數(shù)字化變電站還需要一些配套的標(biāo)準(zhǔn)， 我司將聯(lián)合廣東電力工業(yè)研究所爭取在未來 23 年制定出廣東省內(nèi)的數(shù)字電能表驗收規(guī)范。數(shù)字化變電站設(shè)備校驗裝置中的光電互感器校驗、數(shù)字交流采樣校驗儀、數(shù)字繼電保護(hù)檢驗儀等產(chǎn)品我司擁有獨立的自主知識產(chǎn)權(quán)。 3 項目主要研究內(nèi)容 項目涉及的技術(shù)領(lǐng)域，擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題；本項目涉及到一個數(shù)字電測儀表的校驗領(lǐng)域，屬于一個全新的領(lǐng)域，但是很多技術(shù)原理和校驗方法可以參照模擬電測儀表的方法，屬于應(yīng)該屬于新型的測量和計量儀器。擬解決的技術(shù)問題如下? 高精度的模擬量采集我們產(chǎn)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(dá) %級，目前國內(nèi)只有某科陸、思達(dá)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(yùn)算放大器作為信號調(diào)理和高達(dá) 100KSPS 24Bit 的 8 路高精度的 AD 采集芯片 ADS1278 ，采用準(zhǔn)同步算法，來到達(dá)這個指標(biāo)? 光纖以太網(wǎng)遠(yuǎn)程快速 DMA 傳輸 光纖以太網(wǎng)的遠(yuǎn)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(yuǎn)程 DMA 不做優(yōu)化則大大浪費(fèi) CPU 的資源，因為采樣算法，光纖輸出是有一顆 CPU 通過 RTOS 來調(diào)度的，而一個 IEC61850的標(biāo)準(zhǔn)幀里面共有 111Byte 數(shù)字，這就要求 CPU 100uS 之內(nèi)必須要把111Byte 的協(xié)議幀通過遠(yuǎn)程 DMA 傳送到以太網(wǎng)芯片上， 這會大大提高 CPU數(shù)字化變電站校驗儀可行性分析報告 第 10 頁的負(fù)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(yuǎn)程 DMA，而后只是更改 14Byte 的變化數(shù)據(jù)后，使能芯片內(nèi)部當(dāng)?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(fù)荷。? IEC6185092 協(xié)議的掌握。IEC61850 是一套非常復(fù)雜的協(xié)議，目前我們已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn) IEC6185091 協(xié)議，并和多個廠家聯(lián)調(diào)過，但對于 IEC6185092 協(xié)議目前尚未深入研究，IEC6185092 更復(fù)雜。 擬采用的技術(shù)原理、技術(shù)方法、技術(shù)路線以工藝流程； 技術(shù)原理及關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容 數(shù)字電能表檢驗系統(tǒng)構(gòu)成1) 虛負(fù)荷檢定原理數(shù)字化變電站校驗儀可行性分析報告 第 11 頁 數(shù)字電能表校驗儀 RS232DSP 板（ （BF531 ）華北工控機(jī) 640*480 液晶顯示鍵盤串口/USB 接口EterOut以太網(wǎng)信號Pin電能脈沖信號 (M1) EterAD 轉(zhuǎn)換 3U3IPout(M2)來自合并單元（實負(fù)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(biāo)準(zhǔn)功率源RS232 圖 31 數(shù)字電能表校驗儀虛負(fù)荷檢定原理圖 原理介紹 工控機(jī)(PC)控制 XL803 標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)成符合 IEC 6185091 的數(shù)字量 D[0,n1]，并直接通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)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(chǎn)生脈沖輸出，對比 M1 和 M2 脈沖計算被檢電能表的電能誤差.數(shù)字化變電站校驗儀可行性分析報告 第 12 頁 實負(fù)荷檢定原理 數(shù)字電能表校驗儀 RS232DSP 板（ （BF531 ）華北工控機(jī) 640*480 液晶顯示鍵盤串口/USB 接口EterOutPin電能脈沖信號 (M1)EterAD 轉(zhuǎn)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(wǎng)信號 圖 32 數(shù)字電能表實負(fù)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(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)信號數(shù)字化變電站校驗儀可行性分析報告 第 13 頁 數(shù)字電能表校驗儀 RS232DSP 板（ （BF531 ）華北工控機(jī) 640*480 液晶顯示鍵盤串口/USB 接口EterOutPin電能脈沖信號 (M1)EterAD 轉(zhuǎn)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(wǎng)信號以太網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)源也不需要實負(fù)荷，通過數(shù)字模擬光盤事先產(chǎn)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(wǎng)送給網(wǎng)絡(luò)電能表，網(wǎng)絡(luò)電能表計算產(chǎn)生電能脈沖 M1，網(wǎng)絡(luò)電能表校驗儀根據(jù)這個數(shù)字信號計算電能產(chǎn)生脈沖 M2，對比 M2 和 M1 計算實際的電能誤差。以太網(wǎng)信號數(shù)字化變電站校驗儀可行性分析報告 第 14 頁 數(shù)字交流采樣檢驗系統(tǒng)構(gòu)成 數(shù)字交流采樣校驗儀 RS232DSP 板（ （BF531 ）華北工控機(jī) 640*480 液晶顯示鍵盤串口/USB 接口EterOut以太網(wǎng)信號PinEterAD 轉(zhuǎn)換 3U3IPout(M2)來自合并單元（實負(fù)荷檢定）串口 XL803 標(biāo)準(zhǔn)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(jī)(PC)控制 XL803 標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)成符合 IEC 6185091 的數(shù)字量 D[0,n1]，并直接通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)給被檢的網(wǎng)絡(luò)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(jī)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)字化變電站校驗儀可行性分析報告 第 15 頁 數(shù)字繼電保護(hù)檢驗系統(tǒng)構(gòu)成 數(shù)字繼電保護(hù)測試儀 RS232DSP 板（ （BF531 ）華北工控機(jī) 640*480 液晶顯示鍵盤串口/USB 接口EterOut以太網(wǎng)信號IOIO、Eter AD 轉(zhuǎn)換 3U3IPout(M2)串口圖 35 數(shù)字繼電保護(hù)測試儀原理圖 原理介紹 繼電保護(hù)測試儀通過以太網(wǎng)發(fā)出數(shù)字模擬的電壓電流信號給數(shù)字繼電保護(hù)，測試儀通過 IO 口讀取繼電保護(hù)的跳閘信號，也可以通過以太網(wǎng) GOOSE信息讀取跳閘信號，進(jìn)而判斷繼電保護(hù)的動作是否正確。 光電互感器檢驗系統(tǒng)構(gòu)成1).電壓校驗原理圖數(shù)字化變電站校驗儀可行性分析報告 第 16 頁模擬電壓 光電互感器數(shù)字交流采樣校驗儀 RS232DSP 板（ （BF531 ）華北工控機(jī) 640*480 液晶顯示鍵盤串口/USB 接口EterOutIOEterAD 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過以太網(wǎng)傳給校驗儀，校驗同時通過 AD 采集 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的模擬信號，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量和被檢 PT 通過以太網(wǎng)傳遞過來的數(shù)字信號使用 FFT 計算出比差和角差 數(shù)字化變電站校驗儀可行性分析報告 第 17 頁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(jī) 640*480 液晶顯示鍵盤串口/USB 接口EterOutIOEterAD 轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)信號取電流標(biāo)準(zhǔn)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)字化變電站校驗儀可行性分析報告 第 18 頁數(shù)字繼電保護(hù)測試軟件軟件；光電互感器校驗軟件軟件；其他軟件； 技術(shù)路線 1）為 提高產(chǎn)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(guān)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?dāng)_，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?dāng)_。 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(shè)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(hù)器確保傳導(dǎo)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(hù)CPU、 AD、 MEM、OP 等敏感器件 ? CPU 采用總線在運(yùn)行中不出總線，使用內(nèi)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(nèi)具有很強(qiáng)的抗干擾能力? 多重 WatchDog 技術(shù)? IO 保護(hù)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(hù)， 3) 為提高設(shè)備無故障工作時間，要研究元件老化的規(guī)律，對設(shè)備的密封方式，溫度與濕度交互作用方式進(jìn)行試驗研究，并進(jìn)行如下的高可靠性設(shè)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(shù)(因為我們電流小、振動小焊接反而比壓接可靠)。 ? 軟件 DEBUG 技術(shù)用于故障診斷，遠(yuǎn)程下載用于程序更新。? 防塵防潮數(shù)字化變電站校驗儀可行性分析報告 第 19 頁 PCB 最后均要防塵防潮處理? 冗余設(shè)計無論對于 PCB 布線還是間距，以及熱設(shè)計，耐壓設(shè)計，要留于充分的余量，對于一些關(guān)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(jīng)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(jìn)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(yùn)行，可以節(jié)約反復(fù)調(diào)試的時間5) 測試驗證利用廣東電力工業(yè)局研究院的設(shè)備，和技術(shù)支持用戶技術(shù)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(zhǔn)同步算法設(shè)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(fù)數(shù)項級數(shù)： ???MmtjeCt1?= ???MmjtjmeA??12 推導(dǎo)得到： ??MjmX???)()( 1，即周期信號的頻譜為 δ 函數(shù)。使用 p(t)采樣后數(shù)字化變電站校驗儀可行性分析報告 第 20 頁 ????100)()Nn nTjSSetwTx?=??? ???MmjsmenWA)(1(21??? 當(dāng) 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(chǎn)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(chǎn)生干擾，在原信號頻率格點處計算得到的幅