双时间标准的多功能电能表测试模块研制​

【核心介绍】多功能电能表的检定需要时间标准，本文介绍采用GPS标准秒脉冲、高稳晶振作为计时标准，实现对多功能电能表的日计时误差、需量周期、时段投切、最大需量、脉冲常数误差检定的设计思路和方法。GPS卫星安装有铯原子钟，具有很高的频率准确度（可达1×10-12）和时间准确度。经测试模块的GPS时间标准秒信号误差小于1μs，满足JJG691-1990《分时记度（多费率）电能表检定规程》的要求。 　

双时间标准的多功能电能表测试模块研制

何洪伟¹，胡波²，付昆鹏¹

（1. 云南省计量测试技术研究院，昆明 650228）

（2. 云南锡业集团有限责任公司老虎山酒厂，个旧 661000）

摘  要 多功能电能表的检定需要时间标准，本文介绍采用GPS标准秒脉冲、高稳晶振作为计时标准，实现对多功能电能表的日计时误差、需量周期、时段投切、最大需量、脉冲常数误差检定的设计思路和方法。GPS卫星安装有铯原子钟，具有很高的频率准确度（可达1×10^-12）和时间准确度。经测试模块的GPS时间标准秒信号误差小于1μs，满足JJG691-1990《分时记度（多费率）电能表检定规程》的要求。

关键词 多功能电能表检定；GPS；时间标准

中图分类号 TM933.4

Test Module Development of Multi-function Watt-hour Meter with Double Time Standard

He Hongwei¹, Hu Bo², Fu Kunpeng¹

(1.Yunnan Institute of Metrology And Testing Technology, Kunming 650228)

(2. Yunnan Tin Group Co., LTD., The Tiger Hill Winery, Gejiu 661000)

Abstract The calibration of multi-function watt-hour meter needs time standard, this paper introduces design idea and method of the implementation of the multi-function watt-hour meter parameters including timing error, demand cycle, cutting time and maximum demand, pulse constant error verification of design ideas and methods by using GPS standard second pulse, high stability crystal up to standard. The GPS satellite equipped cesium atomic clocks has the very high accuracy of frequency (up to 1 x 10^-12) accuracy and time. Through the test, the GPS standard time second signal error of the module is less than 1μs,  it satisfies requirements of JJG691-1990 《Verification Regulation of Multi-Rate Alternating Current Watthour Meters》.

Keywords Multifunction energy meter testing; GPS; Time standard

随着我国经济的飞速发展，各行各业对电的需求越来越大，不同时间用电量不均衡的现象也日益严重。为缓解我国日趋尖锐的电力供需矛盾，调节负荷曲线，改善用电量不均衡的现象，全面实行峰、平、谷分时电价制度，“削峰填谷”，提高全国的用电效率，合理利用电力资源，达到节能减排的目的，越来越多的多功能电能表取代了传统的普通单相电能表，国内大部分省市的电力部门已开始逐步推进包含多费率等功能的单相多功能电能表对普通单相电能表的替换工作，对用户的用电量分时计费。然而普通的电能表检定装置只能对电能表的基本误差以及常规实验项目进行检定，而对多功能电能表的日计时误差、需量周期、时段投切、通讯等功能不能检测。为此，本文主要对多功能电能表双时间标准测试模块的设计做简要的介绍。

1. 系统的硬件设计及技术方案

1.1硬件设计

硬件主要由MCU（STC89C52）、GPS OEM模块（GARMIN GPS15xL）、高稳定度恒温晶振、分频器（74LS390）、高速光电耦合器（6N137）、模拟开关（CD4051）等元器件组成，如图1所示，被检表的电能脉冲口、多功能口通过高速光电耦合器（6N137）隔离后连接至模拟开关（CD4051），模拟开关（CD4051）的公共输出口分别接至MCU（STC89C52）的INT1和T0引脚，GPS OEM模块（GARMIN GPS15xL）输出的秒脉冲信号（1PPS）通过高速光电耦合器（6N137）后连接至MCU（STC89C52）的INT0引脚，将1MHz的高稳定度恒温晶振通过74LS390二分频得到一个500kHz即分辨率为2×10^-6的信号源，然后将此信号通过高速光电耦合器（6N137）隔离后连接至模拟开关（CD4051）然后通过片选信号连接至MCU（STC89C52）的T0引脚。MAX232将MCU（STC89C52）输出的TTL通信信号转换为RS-232所定义的电平信号实现与上位机通信。

STC89C52有两个外部中断口INT0和INT1，两个中断口分别连接被检表的多功能输出口和GPS OEM模块的秒脉冲输出口；该MCU还有3个计数/计时口，T0、T1、和T2；T0和T1分别连接到500kHz信号源和标准电能表脉冲输出进行计数；T2作为波特率发生器以进行串口通信，原理如图2所示。

MCU接收到多功能电能表发出的一个秒脉冲后中断开始计数，接收到多功能电能表发出的下一个秒脉冲时中断停止计数，计数值乘上信号源频率后即得到两个脉冲之间的时间差，达到检测时段投切、需量周期、日计时误差的目的。

为了实现MCU端口复用功能，我们采用了模拟开关技术。CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有8个输入一个输出，可通过二进制控制输入端控制八位中的任意一位与输出端相连。将多块被检多功能电能表的多功能口信号通过光电隔离后分别接至模拟开关的输入口，即可完成多块被检表的检定。同时高稳定度恒温晶振脉冲输出、GPS秒脉冲输出（1PPS）、被检表电能脉冲输出、标准电能表电能脉冲信号输出等也都通过模拟开关接至MCU的外部中断口或计数/计时口。

图1电路工作原理图

Fig.1 Operation of the circuit diagram

图2电路原理图

Fig. 2 Circuit schematics

1.2多功能测试技术方案

1.2.1日计时误差检测

首先选用GPS时间作为时间标准，因GPS标准时间不存在长期运行而产生累计误差，解决了其他标准时间会产生累计日计时误差的问题。当实验过程接收不到GPS信号时候，选择高稳定晶振单标准作为计时标准，从而实现双时间标准的测试模块。

(1)双标准法：

当接收到被检表多功能口输出的秒脉冲信号后通过模拟开关切换连接，启动计数器1开始计数，同时检测到GPS的秒脉冲输出的信号后模拟开关切换连接，同时启动计数器2开始计数，一段时间后分别停止计数器1和计数器2的计数，比较计数器1和计数器2的计数值，即GPS标准秒脉冲和被检表的秒脉冲之间的差值，得出日计时误差。

秒脉冲误差=（（被检表脉冲数-GPS脉冲数）÷GPS脉冲数）×100%          （1）

(2)单标准法：

当实验环境接收不到GPS信号时，就可使用高稳定晶振单标准作为计时标准。工作原理如下：MCU在接受到被检表多功能口输出的秒脉冲信号后模拟开关切换连接，启动计数器1开始计数，一段时间后停止计数，通过计数值×计时精度得出时间，再与测量时间比较得出日计时误差。
晶振误差=（（理论脉冲数-实际脉冲数）÷实际脉冲数）×100%             （2）

1.2.2需量周期检测

需量周期检测类同于日计时误差检测方法。上位PC设置被检表的多功能口输出为需量周期输出后，检测方式类同于日计时误差检测。

1.2.3时段投切检测

上位PC设置被检表的多功能口输出为时段投切输出后，被检多功能表的信号输入到上述电路中（以多功能口输入1为例），先通过光隔离接入到模拟开关，MCU通过片选信号导通模拟开关，将被检多功能表的信号接入到MCU的外部中断口进行中断。

当MCU检测到中断后发送指令给上位机，上位机同时读取GPS模块的标准时间，再与设置的时段比较，完成时段投切的检测。

时段投切误差=实际投切时间-设定投切时间 （3）

1.2.4最大需量检测

上位PC机设置需量周期后，MCU在接受到被检表多功能口输出的需量周期脉冲后选通模拟开关，即将标准表脉冲输出接到计数器1，启动计数器1开始计数，检测到下一个需量周期脉冲后停止计数，再通过计数值×脉冲常数得出总电能，除以时间后得出平均功率，再通过PC读取被检表的需量值，将两个值比较后得出需量误差。

需量误差=（（被检表需量-标准表需量）÷标准表需量）×100%             （4）

1.2.5脉冲常数检测

上位机PC先读取被检表的电能值，然后导通模拟开关，接入到MCU的计数口并启动计数并启动源输出，PC期间反复读取被检表的电能值，在一定电能值后停止源输出并停止计数，通过计数值和被检表已走度数计算出常数误差。

2. 多功能测试软件的实现

根据《DL/T645-2007多功能电能表通讯规约》，多功能电能表通讯技术在物理接口方面采用RS-485标准串行电气接口，这种接口设备因具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点，就使其成为首选的串行接口。用电脑实现RS-485通讯采用RS-232串行接口进行转换。其转换电路如图3所示。RS-232信号通过MAX202转换为TTL信号，再通过MAX485转换为RS-485所需的差模信号，达到RS-232信号转换到RS-485信号的目的。此电路是半双工通信，通过置位使能信号可完成RS-485信号转换到RS-232的目的。

图3  RS-232、RS-485转换电路

Fig.3 RS-232、 RS-485 converter circuit

多功能检测采用轮询模式（见图4测试软件框图），先检第一块表的第一个功能，然后检测下一块表，然后再测试第二块表的第一个功能……然后检测第一块表的第二个功能，直至所有表的所有功能全部检测完成。

图4测试软件框图

Fig.4 Testing software diagram

3.总结

GPS卫星安装有铯原子钟，具有很高的频率准确度（可达1×10^-12）和时间准确度。通过高精度的秒脉冲对比检测，达到了多功能电能表的日计时误差、需量周期、时段投切、最大需量、脉冲常数等功能的检测，达到了设计目的。创新点：时间模块采用双时标同步测量法，保证时间误差校验的可靠性和测量的准确性[科技查新报告（2014）53b2001821]。本测试模块经计量部门使用检测后，本系统的GPS时间标准秒信号误差小于1μs，满足《JJG691-1990分时记度（多费率）电能表检定规程》的要求。此模块属于可集成模块，可将此模块集成到单相电能表检定装置、三相电能表检定装置等完成单相、三相多功能电能表的多功能检测，集成方便，检测便捷。

参考文献

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