本发明涉及一种基于 IEC61850-9釆样值的高精度、高可靠数字功率源 及其实现方法， 用于智能变电站中数字化电能表的量值溯源或 其他数字化 二次设备的电气参量校准， 属于智能电网仪器设备测试领域。

背景技术

近年来， 随着智能变电站的推广应用， 电子式互感器， 合并单元以及 数字化电能表所组成的电能计量系统得到了大 量应用， 对于数字化电能表 或其他数字化二次设备的校验检测工作相对滞 后， 目前虽然有多家研究机 构进行了校验方法研究和校验装置研制等方面 的有益尝试， 并取得了一定 成果， 但其研究成果还不够完善， 还有许多问题如溯源方法的完整性、 校 验系统技术指标等需要进行深入分析研究。

国内其他多家机构也陆续研制了数字化电能表 或其他数字化二次设备 校验系统， 并已经对外进行数字化电能表或其他数字化二 次设备的测试工 作， 但这些测试工作仅仅是一种尝试性的测试， 不具备严格的计量性能溯 源和评价分析能力。

数字化电能表或其他数字化二次设备校验系统 常见的一种为数字功率 源， 目前对于数字功率源国内外还处于研发初期阶 段， 相关技术标准还没 有制定和发布， 数字功率源的准确性和可靠性无法保证， 同时数字功率源 的检测方法还不完善， 也未能解决其溯源的问题。 对于目前数字化电能表或其他数字化二次设备 校验系统， 虽然目前国 内部分研究机构已经研制了相应的校验系统， 但是校验方法以及校验装置 多种多样， 不够统一， 存在以下一个问题：

1 ) 数字化电能表或其他数字化二次设备校验系统 技术指标还没有明 确， 还不能在严格意义上进行量值的溯源检测，

2 )数字化电能表或其他数字化二次设备校验系� �未釆用先进的算法和 实现方式， 不具有高准确性； 同时也未釆用高可靠硬件电路， 不具备具有 高可靠性；

3 )不具有对于数字化电能表或其他数字化二次� �备的计量特性的试验 研究的功能， 特别是各种现场影响因素以及实际配置情况对 数字化电能表 或其他数字化二次设备计量性能的影响测试手 段。

因此可以说目前数字化电能表或其他数字化二 次设备测试校验系统和 试验评价方法还不够完备。

发明内容

本发明针对上述数字化电能表或其他数字化二 次设备校验设备及校验 方法和体系存在的技术缺陷， 进行了技术创新， 提出一种高精度、 高可靠 的数字功率源及其检测方法， 溯源检测方法是由报文发送模块发送的报文 经过标准计算模块得到标准的电能和电气测量 参数， 并和脉冲接收模块或 其它电气参量接受模块得到的电能量比较得到 其量值误差。

本发明的技术方案为：

一种基于 IEC61850-9釆样值的数字功率源， 其特征在于： 包括中央处 理单元， 与中央处理单元进行数据交互的报文发送模块 ， 从被测数字化电 能表接收电能计量脉冲的脉冲接收模块， 为中央处理单元和报文发送模块 提供时钟节拍的温度补偿晶体振荡器；

其中， 中央处理单元包括标准计算模块、 报文控制模块和误差计算模 块；

由所述报文控制模块控制所述报文发送模块发 送的报文经过所述标准 计算模块计算得到标准的电能和电气测量参数 ， 并在所述误差计算模块中 和脉冲接收模块得到的被测数字化电能表的电 能量比较得到量值误差。

所述报文发送模块以 IEC61850-9-1/2/LE规约格式向被测数字化电能 所述报文发送模块釆用锁相环控制方法以及 FPGA 全数字逻辑控制方 法， 控制报文发送时的时序， 从而保证报文发送模块报文发送时具有严格 的时序特性； 同时发送报文釆用硬件电路实现可以去除报文 的抖动， 从而 确保数字功率源的高准确性， 高可靠性。

由 GPS高精度时钟同步模块和报文发送模块控制报 文发送的时序， 使 应发送的报文理论信号与真实发送的时域信号 准确对应。

一种基于 IEC61850-9釆样值的数字功率源检测方法， 其特征在于： 包 括以下步骤：

中央处理单元与报文发送模块进行数据交互， 其中， 中央处理单元包 括标准计算模块、 报文控制模块和误差计算模块；

由所述中央处理单元中的报文控制模块控制所 述报文发送模块向被测 数字电能表发送基于 IEC61850协议的报文；

脉冲接收模块从被测数字化电能表接收电能计 量脉冲； 所述报文发送模块发送的报文经过所述标准计 算模块计算得到标准的 电能和电气测量参数， 并在所述误差计算模块中和脉冲接收模块的电 能量 比较得到量值误差。

所述中央处理单元和报文发送模块由温度补偿 晶体振荡器提供时钟节 本发明所达到的有益效果：

数字功率源能准确模拟现场情况， 具备现场各类报文模拟测试功能， 提供了完善的数字化电能表或其他数字化二次 测量设备检测手段， 完成实 际工况下数字化电能表或其他数字化二次测量 设备的检测工作， 确保数字 化电能表或其他数字化二次测量设备在实际工 况下的计量准确性和可靠 性，数字功率源具备的检测数字化电能表或其 他数字化二次测量设备，主要 通过数字功率源模拟高稳定的 IEC618050釆样值报文信号， 并由内部的标 准计算模块得到需要的标准电能或其他电气标 准参量， 并把被测的数字化 电能表或其他数字化二次测量设备和标准参量 进行比较， 并且可以在检测 过程中具备的具体功能如下：

1 )基于 GPS和高精度时钟信号来精确控制时序，保证功 率源理论信号 与真实时域信号准确对应。

2 )可灵活配置接口协议类型， 能够以 IEC61850-9-1/2/LE规约格式输 出釆样值报文， 覆盖国内目前所有合并单元厂家的标准协议规 范。

3 )支持所有数据通道的幅值， 频率， 功率因数角， 釆样率的配置， 以 满足被测对象的精度 'J试要求。

4 )支持基波信号中叠加零漂， 谐波， 噪声， 可灵活配置叠加信号的幅 值频率和含量。

5 )能够定量的模拟数字通信异常： 丟包， 连包， 误码， 状态变位， 抖 动， 以满足被测对象性能测试要求。

6 ) 可精确控制多端口信号的发送， 发送模式可基于统一的同步信号， 也可多端口异步， 且异步时间可控， 从而解决了多光口数字化电能表的再

数字功率源的计量性能指标如下：

1 ) 量程范围， IEC61850-9-1 , 额定电压： 57. 7V , 额定电流 5A ; IEC61850-9-2/LE , 额定电压和额定电流由实际一次电压和电流情 况设置。

2 ) 数字功率源的功率输出误差优于 0. 02%。 数字功率源的算法为以下两种：

1 ) 当波形函数确定之后， 在做整周期釆样时， 每个周期得到的釆样序 列相同。 因此釆样序列的值可以事先计算， 而不用实时计算。

2 ) 当波形函数确定之后， 在做非整周期釆样时， 为了提高系统的执行 速度， 使用三角函数计算的近似公式。

数字功率源溯源方法是使用已经过模拟式溯源 方法溯源过的标准数字 化电能表， 对数字功率源进行溯源。 附图说明

图 1为数字功率源结构与测试原理图；

图 2为数字功率源测试数字化电能表接线示意图� �

图 3为数字功率源报文发送的时序控制原理图；

图 4为数字功率源内部实现原理示意图。 具体实施方式 如图 1至图 3所示， 本发明的一种基于 IEC61850-9釆样值的高精度、 高可靠数字功率源， 包括中央处理单元， 高精度温补晶振， 报文发送模块, 脉冲接收模块等。 其中中央处理单元包括标准计算模块， 报文控制模块和 误差计算模块组成。 数字功率源完成数字化电能表测试的原理图如 图 1所 示， 数字功率源测试数字化电能表接线如图 2所示， 进行其他数字化二次 设备的测试图和数字化电能表测试图类似， 这里为方便起见仅以数字化电 能表来说明。 数字功率源中央控制单元中报文控制模块发送 需要的报文给 标准计算模块， 标准计算模块得到需要的标准电能量， 报文控制模块的报 文通过报文发送模块发送给被测的数字化电能 表， 数字功率溯源比较被测 数字化电能表的电能和标准电能得到其误差。

数字功率源中釆用高精度晶体振荡器，锁相 控制技术以及 FPGA全数字逻辑 控制技术， 从而保证报文发送模块报文发送时具有严格的 时序特性， 数字 功率源中为了控制报文发送的时序的硬件实现 原理图如图 3所示。

图中各模块及英文说明如下：

MAC (Medium Acces s Control)模块： 介质访问控制器， 实现符合 IEEE802. 3标准的 MAC逻辑； PHY物理层模块： 对双绞线上的模拟数据进行 编码和译码； Gen Buf : 数据缓存； TxBM: 数据发送缓存； F lowContro l : 流量控制； Hos t Interface: 主机接口。

控制报文发送的时序的硬件系统分为发送模块 、 MAC状态模块、 MAC控 制模块、 时序控制模块四部分。 发送模块主要提供 MAC帧的发送功能， 其 主要操作有 MAC 帧的封装， 它直接提供了到外部物理层芯片 （PHY) 的并 行数据接口 （MI I)。 MAC 控制模块则用于执行全双工模式中的流量控制 功 能。 MAC状态模块可用来监视 MAC的操作过程的各种状态信息， 并作修改。 Mi l管理模块提供了标准的 IEEE 802. 3介质独立接口 （Mi l) , 可用于连接 以太网的链路层与物理层 （PHY)。 时序控制模块釆用高精度温补晶振保证 工作时钟源的稳定性和可靠性， 同时， 釆用 FPGA时序控制能控制各个模块 的工作过程， 准确控制各个过程时间， 保证报文发送的时间间隔的稳定性。 数据功率源报文发送控制过程如下：

数据功率源报文包含标准电压电流波形数据， 为广播报文， 数据报文发 送给 Gen Buf , 同时 ARP报文发送给另一个 Gen Buf , 通过时序控制， 让两 种报文交叉发送， 即发送一个数据功率源报文， 发送一个 ARP报文， 再发 数据功率源报文， 以此保证报文传送成功。

MAC发送模块可将上层协议提供的数据封装之后 通过 ΜΠ接口发送给 PHY。 发送模块可接收要发送的 Gen Buf 数据帧数据， 并对数据进行封装， 此过程时间为 150us。然后通过 PHY在信道空闲时通过 Mi l接口将数据以 4 位的宽度发送给 PHY, 最后由 PHY 将数据发送到网络上， 此过程时间为 250us。

数字功率源同时发送报文釆用硬件电路实现可 以去除报文的抖动， 从 而确保数字功率源的高准确性， 高可靠性。

高精度、 高可靠的数字功率源内部实现原理如图 4。

数字功率源中的主 CPU釆用 Freesca le公司的 MPC8247嵌入式微处理 器， 该处理器属于 PowerQUICC I I 系列， 包含一个基于 PowerPC MPC603e 的内核， 和一个通信处理内核 CPM。 双核设计具有强大的处理能力和较高 数字功率源中的 FPGA釆用 Xi l inx的 Spar tan3系列产品 XC3S1500,包 含有 150万个系统门， 32个专用乘法器， 4个数字时钟管理模块， 逻辑资 源丰富， 运行速度快。 基于 FPGA精确的时序控制能力， 由 FPGA完成以太 网的 MAC子层设计， MAC子层与以太网控制器的接口设计， 实现优良的以 太网数据发送时间特性。

数字功率源中的晶体振荡器选用 0CX050恒温晶振 , -40至 85度的工作 温度，小于 lppb的温漂特性， -160dBc/lKHz的低相位噪声，最大 l Oppb/year 的低老化、 高精度晶振为 PowerPC和 FPGA提供时钟节拍， 保证了系统极低 的时间误差、 时序控制的精确性， 以及长期的稳定性。

数字功率源中的以太网控制器为 Intel公司 LXT97L LXT971是单端 口 10/100M 双速快速以太控制器， 它兼容 IEEE802. 3 ; 支持 10Base5、 10Base2、 l OBaseT, 100BASE-X, 100BASE-TX, 100BASE-FX, 并能自动检测 所连接的介质， 选用 Ag i lent AFBR5803作为光纤网络收发器。

数字功率源中的应用软件基于 vxworks操作系统开发， vxworks 良好的 可靠性和卓越的实时性被广泛应用在通信、 军事、 航空、 航天等高精尖技 术及实时性要求极高的领域。