網絡時鐘在智能電能表日計時誤差測試中的應用

肖 濤，李航康

（浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

目前確定電子式電能表日計時誤差的主要方法是將每臺檢定裝置內的高精度時鐘（比如晶振、電子計數器等）作為標準時鐘，與被檢電能表時鐘（通常輸出信號為秒脈沖）進行比較，計算出被檢電能表日計時誤差。在智能電能表檢定裝置大規模集中應用的情況下，會使用大量（與裝置數量相同）的時鐘晶振。這樣設備不僅投入多，而且維護（如設備周期性送檢）工作量大，對檢定工作造成影響。

從檢測智能電能表日計時誤差的角度，提出了利用網絡時鐘代替多臺時鐘測試儀確定智能電能表日計時誤差的方法，減少時鐘晶振的使用量。

1 設計方案

1.1 網絡時鐘系統

實現網絡時鐘確定電能表日計時誤差，需要將單個時鐘源信號分成多路與檢定裝置匹配的時鐘信號輸出，確保時鐘源信號在轉換和傳輸過程的準確可靠。設計思路是：單個晶振時鐘信號通過多路分頻輸出，以網絡形式傳播，將標準的時鐘信號傳輸至各檢定裝置，通過誤差計算器計算出檢定裝置各工位上表計的日計時誤差，實現多臺檢定裝置日計時誤差的測量。

網絡時鐘系統主要由精密時鐘基準、整形電路、分頻電路、驅動電路、光電隔離電路和時鐘誤差處理系統組成。精密時鐘基準發出的高頻時鐘信號通過整形電路，將正弦波信號轉換成相同頻率的方波信號；再通過分頻電路，將高頻率信號轉換成頻率相對較低的信號；分頻后的信號通過驅動電路輸出多路相同頻率的時鐘信號，并傳輸至各檢定裝置時鐘誤差處理系統，進行日計時誤差測試，工作原理如圖1所示。

1.2 精密時鐘基準的選擇

JJG 596-1999《電子式電能表檢定規程》（簡稱檢定規程）規定：確定日計時誤差、時段投切誤差和需量周期誤差時，標準時鐘的準確度應優于被檢誤差的1/10。傳統確定日計時誤差時，采用頻率準確度不低于2×10-7/s的電子計數器（數字頻率計）。

圖1 網絡時鐘系統原理

有源晶振的頻率輸出必定要有某個波形作為輸出載體，波形的輸出也必定會伴隨著某個負載值。在實際使用中，波形負載也是晶振非常重要的參數指標。如果選擇不當，輕則導致晶振或其他模塊工作不正常，功能無法實現，重則損壞模塊甚至整機。根據以上要求選擇了一款型號為DP-4A的高精度石英晶體頻率標準作為標準時鐘信號源，其主要技術指標如表1所示。

表1 DP-4A型石英晶體主要技術參數

2 電路的設計

2.1 整形電路

標準時鐘信號源輸出信號為10 MHz的正弦波，一般數字通信系統時鐘都采用方波來驅動計數電路或門電路，檢定裝置內的時鐘誤差處理系統只能對方波信號進行計數，所以必須對時鐘信號進行整形，將正弦波整形為方波。

利用電壓比較器可將正弦波變為同頻率的方波或矩形波，根據轉換信號的頻率選取MAX903作為比較電路。MAX903是低功耗，高速電壓比較器，典型的轉換時間是10 ns。整形電路見圖2。

2.2 分頻電路

通過整形后的信號頻率仍為10 MHz，由于處理信號的單片機無法接收如此高頻率的信號，且高頻信號傳輸容易受到干擾和對其他部件產生干擾，因此需要降低傳輸信號的頻率。

圖2 整形電路

設計采用74LS90分頻，將10 MHz信號進行100分頻，轉換成100 kHz。由于74LS90是TTL電路，最高響應速度為20 MHz，2個74LS90可完成100分頻；這樣輸出的波形是50%占空比的方波，有利于后續采樣電路的可靠采樣。

2.3 驅動電路

時鐘信號通過分頻后可能需要進行長距離傳輸，因此要對信號進行驅動。設計采用74HC14觸發反相器對信號進行驅動（整形），每個通道使用1個74HC14的門驅動，這樣可以實現對輸入信號的整形和驅動。1個信號源輸入，10個與信號源相同頻率的信號輸出，驅動電路見圖3。

2.4 信號傳輸過程中的可靠性設計

為使信號在長距離傳輸過程中不受外界環境的干擾，需要采用屏蔽線來傳輸驅動以后的信號。通過在電能表檢定實驗室環境進行相關試驗，結果表明在確保屏蔽可靠的情況下，信號傳輸100 m距離能夠保證準確性。同時考慮到設備運行的實際環境中可能存在瞬變脈沖，會影響到數據的傳輸，甚至傷害互連的設備，為了確保信號可靠安全的傳輸，需要對這些干擾進行處理，一般是通過使用具有絕緣隔離功能的光電耦合器來維持數據的完整性并保護互連設備。

因此在每臺檢定裝置信號接收處設計了1個光電隔離的接收板來接收這個100 kHz的時鐘信號，隔離電路（見圖4）主要是采用單獨的電源和光耦，信號接收后使用74HC14進行整形，再輸入智能電能表檢定裝置的時鐘誤差處理系統作為標準時鐘。

圖3 驅動電路

3 時鐘信號的測試和驗證

檢定規程規定了作為檢測電表日計時誤差的時鐘標準準確度不得低于2×10-7/s，精密時鐘基準的信號通過整形、分頻、驅動和隔離輸出后，是否能夠滿足檢定規程的要求？這需要對整個網絡時鐘系統的準確性、可靠性進行測試和驗證，同時為了確定時鐘信號在電能表檢定實驗室環境下長距離傳輸對信號準確度的影響，傳輸距離選取100 m。

測量方法采用自校準：5 MHz（或1 MHz）信號作為標準時鐘信號，10 MHz信號通過整形、分頻、驅動和光電隔離后作為被測時鐘信號，將標準信號和被測信號輸入計數器進行比對，具體測試接線見圖5，校準數據見表2。

圖5 自校準接線

表2 自校準結果

從表2可看出：時鐘信號經過整形、分頻、驅動、光電隔離后，改變量相對于準確度等級幾乎可以忽略，裝置所接收到的時鐘信號準確度完全滿足檢定規程的要求，因此標準時鐘信號源等級的選擇可按照檢定規程規定的等級進行選取。

4 結語

網絡時鐘技術已經在浙江省電力公司計量中心智能電能表檢定裝置上使用，功能、準確度均滿足設計要求，僅使用了2臺時鐘晶振加上相應配件組成的網絡時鐘系統，就實現了64臺三相電能表檢定裝置和50臺單相電能表檢定裝置的日計時誤差測試功能。如果采用傳統方法，則需要114臺時鐘晶振。網絡時鐘系統的應用不僅減少了設備投入成本，而且減小了設備周期性送檢對檢定工作的影響，設備維護工作量也明顯減少。尤其對于電能表檢定裝置大規模應用的情況更具推廣意義。

圖4 隔離電路

[1]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社，2009.

[2]JJG 596-1999電子式電能表檢定規程[S].北京：中國電力出版社，1999.

[3]JJG 1027-1991測量誤差及數據處理檢定規程[S].北京：中國電力出版社，1991.