一种在线监测数字电能表计量准确性的装置的制作方法

本发明属于电气测量与仪器领域，涉及一种在线监测数字电能表计量准确性的装置，尤其是一种解决新一代智能变电站当中，“以iec61850-9-2为输入的数字电能表”计量偏差较大问题的在线监测数字电能表计量准确性的装置。

背景技术：

电能计量的准确性，直接关系到发电企业、电网公司、用电客户之间的经济利益。所有计量设备，在入网前必须进行校验。目前，因为我们对基于iec61850电能计量研究还没有非常成熟，实际使用中，即使是在实验室中校验合格，而设备挂网运行后，依然会出现巨大偏差。出现这样状况的原因可能是多方面的，目前，可能存在的原因包括但不限于以下几种：

1.单元数据合并时没有处理好数据的同步；

2.iec618509-2报文在传输过程中出现报文丢失或报文抖动；

3.电网频率偏离50hz时，电能计算时周期问题处理不当；

4.谐波对电能计量的影响。

另一方面，新一代智能电网测量系统与传统模拟计量系统的结构性不同，使得我们缺乏手段去发现问题。传统的模拟计量系统是电磁互感器和模拟量输入的电能表由电缆连接构成，其主要误差主要来源于电能表侧的模数转换误差和算法误差。不同的是，在新一代的智能电网中，模数转换在互感器或合并单元端完成，采样得到的数字量再通过光纤传输到电能表。所以，新的误差特性的引入，使得传统的方法已经不在适用。本发明设计了一种装置，可以在设定的时间区间内，实时监测数字式电能表的误差变化，同时，当检测到误差超出设定限值时，保存该时间区间内的原始信号波形，以及9-2报文。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种在线监测数字电能表计量准确性的装置，可实时监测新一代智能变电站中数字式电能表的误差变化。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种在线监测数字电能表计量准确性的装置，包括三个电能计量模块以及一个录波模块，依据互感器输出计算得出未经合并单元合并时候的电能w1，然后依据合并单元输出的smv报文计算得出电能w2，再依据数字式电能表输出的脉冲信号得出电能表计量结果w3，采集得到的三个电能数值，被发送到点能误差计算单元，判定电能计量是否正常，当三个电能之间出现较大偏差，便通知录波单元，将各部分输入保留下来。

而且，w1的计算是将电压信号采样值与电流信号采样值经过计算得出。

而且，w2的计算，接收间隔250us的以太网报文时，实时通过计算解码取出电能量采样值，根据取出的采样值实时计算出电能量。

而且，录波单元包括报文解析模块、模拟采样值接收模块、数据处理及同步录波模块、录波数据管理模块，采取循环录波的方法来确保计量偏差发生时正确保存该区间的波形数据。

而且，所述的录波流程为：

(1)当开始比对后，根据监测的时间周期，启动一个定时器，定时器结束后，分别通知电能比对以及录波部分，停止动作，定时动作由电能比对模块控制；

(2)由9-2解析模块来根据设定的报文参数，来解析出smpcnt以及所需要的电压电流采样值数据，解析出来的数据暂存为零时文件，定时器结束后，停止解析及存储；

(3)模拟采样值数据由内部通信机制传输给arm处理器，经解析后，数据进行与9-2数据同样处理；

(4)9-2数据及模拟采样值数据存储由同一存储模块按时间顺序存储；

(5)电能比对模块根据w1、w2、w3实时进行电能比对，并计时，当到达预定时间后，通知录波模块；

(6)到达预定时间后，录波模块根据电能比对是否发现异常，决定是否永久存储波形数据。

本电能监测装置的结构，主要从经典的电能表校验仪演变而来。与经典装置结构相同，装置接收外部提供的smv信号，并依次计算出相应的电能量；同时，同样的smv信号接入到数字式电能表，由装置收集电能表输出的电能脉冲，进而计算得到电能表计量结果。根据在这里得到的两个电能，装置对电能表的计量结果进行了第一次验证。

此外，传统的模拟计量系统中，因为是电信号直接在铜缆中传输，此时，我们假设电信号在传输过程中是没有延迟的，所以，电压信号以及电流信号接入电能表时，他们是天然同步的。但是，在iec61850数字站中，电压采样值和电流采样值，可能来自不同的采样装置。不同采样装置的延迟，再加上合并单元可能在合并过程中再采样，使得数字电压采样值和数字电流采样值之间的数值同步，成为一个重要问题。目前数字变电站计量系统的两种经典架构，都存在这个问题。第一种，在电子式互感器+合并单元的应用中，采样单元内置于互感器中，故而电压采样器和电流采样器是天然隔离的，他们最终通过同一个smv报文进入电能表，必然会经过合并单元。第二种，传统电磁互感器+模拟采样值合并单元的应用中，传统互感器二次信号直接接入合并单元，即输入合并单元的输入是“数值同步”的，合并单元内部同步采样情况下，其输出也是同步的，但是，一些应用中，比如，间隔合并单元输出的电压量可能是从母线合并单元取得的，数字信号量同样经过了“二次合并”，故同样存在数值同步问题。当输入电能表的数字采样值在数值上不同步时，数字电能表的计量必然会出现异常。

对于这一问题，在考量电能表在线计量准确性时，我们必须假设合并单元的输入也是不可靠的。所以，该装置中，我们还设计了对合并单元之前的模拟信号的电能计算单元，并将这里计算得到的电能作为本系统的判定电能表量值是否超差的基准，对电能计量准确性进行第二次验证。

从结构上来讲，输入为iec618509-2报文的数字式电能表，只是处理来自合并单元的采样值报文，自身并没有采样单元，所以，它的误差主要是来自于算法误差，以及一些通信故障因素的干扰。因此，由传统电能表校验方式演化而来的校验方法，对通信干扰因素造成影响的评估并不完全。所以，为了更好的记录通信故障与点能异常之间的关系，我们设计了本装置的另一个主要功能，即根据计量比对结果对数字量报文的记录。

本装置的具体实现，底层采用stm32+fpga的硬件方案，然后，使用exynos4412驱动sata硬盘完成波形录制并驱动10.1寸电容屏实现人机交互。三部分电能计量单元使用共同的stm32和fpga硬件资源，但是其处理的原理却又本质的不同，接下来将分别进行着重介绍。

除图1中w3实现比较简单外，其他都需要复杂的设计。w3的获取与传统电能表电能计量结果获取方式一致，主要是对电能表输出脉冲进行计数。电能表脉冲输出方式可分为有源输出和无源输出两大类。有源输出方式不需终端提供电源，脉冲电压源幅度为5±5v，脉宽80±20ms，电能表与0.20终端有电气公共点；无源输出方式需终端提供电源，电能表与终端通过光耦合隔离，脉冲电压幅度与终端所提供的电源相当，脉宽80±20ms。目前来看，最新的数字式电能表基本都采用通过光耦隔离的无源式输出方式，即说明书标注的无功光耦空接点。为电能表光耦输出提供电压驱动，即可得到代表电能的脉冲，将脉冲接入fpga计数就可以直接用于计算。

本系统主要包括了报文解析、模拟采样值接收、数据处理及同步录波、录波数据管理三大模块。报文解析模块主要是为了接收合并单元发出的9-2信号，根据协议将采样值数据从报文取出来。模拟采样将由w1采集单元完成，采样值数据通过仪器内部通讯线路发送值录波单元。数据处理及同步录波模块，将采用合适的策略，将解析出的数字采样值数据以及底层上发的模拟采样数据同步的进行存储。数据管理单元独立于其它三个部分，主要对已经存储的波形数据进行管理。

本发明的优点和积极效果是：

(1)在新一代的智能电网中，模数转换在互感器或合并单元端完成，采样得到的数字量再通过光纤传输到电能表。针对新的误差特性，本发明可实时监测新一代智能变电站中数字式电能表的误差变化。

(2)当检测到误差超出设定限值时，保存该时间区间内的原始信号波形，以及9-2报文。

附图说明

图1为本发明的电能计量及录波装置结构图；

图2为计算模拟电能的硬件框图；

图3为tlv编码格式图；

图4为录波单元软件系统框图；

图5为报文帧结构图；

图6为apdu分布图；

图7为软件流程框图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

1.电能量监测系统设计

本装置包括了三个电能计量模块以及一个录波模块。装置结构图见附图1：

如图所示，本装置基本工作过程为：依据互感器输出计算得出未经合并单元合并时候的电能w1，然后依据合并单元输出的smv报文计算得出电能w2，再依据数字式电能表输出的脉冲信号得出电能表计量结果w3。采集得到的三个电能数值，被发送到电能误差计算单元，用来判定电能计量是否正常。最后，当三个电能之间出现较大偏差，便通知录波单元，将各部分输入保留下来。

2.电能计量及校验硬件设计

2.1互感器输出电能量计算

对于w1的计算，由于电子式互感器工程使用还有很多的问题，目前大量应用的还是模拟量输入的合并单元，所以，主要考虑还是从模拟信号计算电能。计算模拟电能的硬件框图见附图2。

输入的电压信号，经过装置内部互感器变换为2.5v小信号，并输入pga放大单元。pga单元的设计，主要是为了确保adc的采样精度，当变换后的信号赋值小于adc分辨率时，stm32调整pga，将信号放大后再采样。比如，放大单元初始放大倍数为1，当信号小于0.025v，则使用stm32调整pga放大倍数为100，使得输入adc的模拟量不会过小。adc采样的结果，乘以pga的放大倍数，再乘以内部互感器的倍数，便能得到输入电压值的采样。

电流信号的采样过程类似，但是，电流信号经过互感器之后要先通过采样电阻进行“电流-电压”转换，才能输入pga。计算实际电流采样值大小时，要除以采样电阻值。

电压采样值以及电流采样值，经过合适的算法计算后，得到互感器输出的模拟信号量所携带的电能。

2.2合并单元输出电能量计算

对于w2的计算，重点在于以太网报文的接收。根据iec61850协议，采样率为4000samples/sec时，采样值报文之间的间隔为250us。同时，协议还规定，采样值报文使用以太网传输时，其报文采用tlv编码格式。tlv格式见附图3：

tlv是type，length，value的缩写。使用的tlv编码结构的报文，其内容是一层层的嵌套的。下一层的tlv块作为上一层的value存在，即，上一层的value可能是由一个或多个tlv块并列存在。同时，每一个tlv块，都拥有各自类型(tag)、大小(length)、数据(value)。所以，使用该结构时，不同应用中，任何一个数据块(value)的位置都不是固定的。要接收间隔250us的以太网报文，同时需要实时通过计算解码取出采样值，还要根据取出的采样值实时计算出电能量，对硬件的处理速度以及实时性要求非常的高。最终，对比之后，我们选择了fpga直接驱动phy芯片的方案作为获取w2的硬件。

3.录波单元软件设计

录波单元使用4核cotexa8处理器，再挂载额外sata接口固态硬盘实现，以保持设计的先进性以及提高设计的方便性。该部分系统框图如附图4。

与传统模拟录波设备不同，传统设备只需要对铜缆上的模拟信号进行采样存储，而针对iec61850的录波设备，还需要具备采样值报文及数据模型的解析能力。本设备设计不需要频繁对数据模型修改，故只考虑根据给定参数进行报文解析即可。根据iec61850协议，数字报文采用如上文所述的tlv编码格式，接下来主要对报文的具体解析进行详细介绍。

根据协议，sv报文按照iso/iec8802-3帧格式进行封包，然后在100m-basefx网络中进行传输，其帧结构如附图5所示。该报文类型定义为广播报文，其广播地址定义在01-0c-cd-04-00-00与01-0c-cd-01-01-ff之；vlan部分根据需要可以添加或不添加，直接采样应用中可不考虑；ethertype为0x88ba，用来区别于其他以太网报文；appid可在0x4000-0x7fff之间取值；长度表示整个以太网报文数据部分的大小，其值等于appid、长度、保留1、保留2和apdu这五个部分的实际占用字节数。保留1和保留2各为2字节，目前并未使用，均为00h。apdu部分的实际分布如图6所示。

整个apdu经过asn.1/ber后作为以太网报文的实际数据部分。图6中，apdu只包含有一个应用协议数据单元(applicationservicedataunit，asdu)。smpcnt为采样值序列号，其取值范围为(0，3999)，用两字节表示，在同步时钟触发采样的情况下，它表示该采样值为这一秒的第xx个采样值。confrev为配置版本号，该字段长度可变，上图中该字段占了3个字节。smpsynch为同步标识，当数据采样及合并由同步时钟触发完成至为0x01，无同步时钟应用时为0x00。svid值类型为字符串，其长度可变，根据具体应用设计，通常会作为应用识别的一个手段。data字段为电压电流采样值数据，上图中有8组采样值，即通常意义上的采用值通道，从上往下，为通道1到通道8。不同应用中，采样值通道数会有不同，而且，电压采样值或电流采样值放置的位置也会有不同。

本设备主要是为了记录电能异常时的波形及报文信息，为了节约嵌入式设备中的有限资源，只记录报文的采样值序列号、以及计算电能所需的通道的内的采样值数据。报文头信息只在发生变化时存储。

另外，由于波形数据的输入，要先于判定结果的到来，所以，我们不能等到判定结果产生之后再进行录波。这里，我们采取了一种循环录波的方法，来确保当计量偏差发生时，我们能够正确的保存该区间的波形数据。这种存储机制的软件流程框图见附图7，具体的步骤为：

1.当开始比对后，根据监测的时间周期，比如5分钟，启动一个定时器，定时器结束后，分别通知电能比对以及录波部分，停止动作。定时动作由电能比对模块控制。

2.由9-2解析模块来根据设定的报文参数，来解析出smpcnt以及所需要的电压电流采样值数据。解析出来的数据暂存为零时文件。定时器结束后，停止解析及存储。

3.模拟采样值数据由内部通信机制传输给arm处理器，经解析后，数据进行与9-2数据同样处理。

4.9-2数据及模拟采样值数据存储由同一存储模块按时间顺序存储，以便在使用是进行比对。

5.电能比对模块根据w1、w2、w3实时进行电能比对，并计时，当到达预定时间后，通知录波模块。

6.到达预定时间后，录波模块根据电能比对是否发现异常，决定是否永久存储波形数据。

应用该方法实施录波，可能会多余记录比对完成后的部分波形数据，但是，必定会包含电能异常区间内的采样值信息。这样做是可以满足我们的需求的。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。