網(wǎng)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(nèi)的高精度時鐘（比如晶振、電子計數(shù)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(guī)模集中應用的情況下，會使用大量（與裝置數(shù)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(wǎng)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(wǎng)絡時鐘系統(tǒng)

實現(xiàn)網(wǎng)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(zhuǎn)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(wǎng)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(xiàn)多臺檢定裝置日計時誤差的測量。

網(wǎng)絡時鐘系統(tǒng)主要由精密時鐘基準、整形電路、分頻電路、驅(qū)動電路、光電隔離電路和時鐘誤差處理系統(tǒng)組成。精密時鐘基準發(fā)出的高頻時鐘信號通過整形電路，將正弦波信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成頻率相對較低的信號；分頻后的信號通過驅(qū)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(tǒng)，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(guī)程》（簡稱檢定規(guī)程）規(guī)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(yōu)于被檢誤差的1/10。傳統(tǒng)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(shù)器（數(shù)字頻率計）。

圖1 網(wǎng)絡時鐘系統(tǒng)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(shù)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(xiàn)，重則損壞模塊甚至整機。根據(jù)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(shù)

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(shù)字通信系統(tǒng)時鐘都采用方波來驅(qū)動計數(shù)電路或門電路，檢定裝置內(nèi)的時鐘誤差處理系統(tǒng)只能對方波信號進行計數(shù)，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?yōu)橥l率的方波或矩形波，根據(jù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(xù)采樣電路的可靠采樣。

2.3 驅(qū)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(qū)動。設計采用74HC14觸發(fā)反相器對信號進行驅(qū)動（整形），每個通道使用1個74HC14的門驅(qū)動，這樣可以實現(xiàn)對輸入信號的整形和驅(qū)動。1個信號源輸入，10個與信號源相同頻率的信號輸出，驅(qū)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(huán)境的干擾，需要采用屏蔽線來傳輸驅(qū)動以后的信號。通過在電能表檢定實驗室環(huán)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(huán)境中可能存在瞬變脈沖，會影響到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)作為標準時鐘。

圖3 驅(qū)動電路

3 時鐘信號的測試和驗證

檢定規(guī)程規(guī)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(qū)動和隔離輸出后，是否能夠滿足檢定規(guī)程的要求？這需要對整個網(wǎng)絡時鐘系統(tǒng)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(huán)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(qū)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(shù)器進行比對，具體測試接線見圖5，校準數(shù)據(jù)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(jīng)過整形、分頻、驅(qū)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(guī)程的要求，因此標準時鐘信號源等級的選擇可按照檢定規(guī)程規(guī)定的等級進行選取。

4 結語

網(wǎng)絡時鐘技術已經(jīng)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(wǎng)絡時鐘系統(tǒng)，就實現(xiàn)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(tǒng)方法，則需要114臺時鐘晶振。網(wǎng)絡時鐘系統(tǒng)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(guī)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(yè)出版社，2009.

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

[3]JJG 1027-1991測量誤差及數(shù)據(jù)處理檢定規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，1991.