一种电能计量装置运行环境在线监测装置及方法与流程

1.本发明属于电能计量监测技术领域，更具体地，涉及一种电能计量装置运行环境在线监测装置及方法。


背景技术：

2.电能计量装置包括安装在用户现场的电能表、互感器等，电能计量装置的准确可靠运行受到其实际运行环境如电场、磁场、温湿度、振动等因素的影响较大。开展电能计量装置运行环境的在线监测将有助于准确、及时掌握电能计量装置工作状态，为评估现场环境对电能计量装置运行性能、计量误差的影响提供数据来源，助力电能计量装置由定期更换、周期检定向状态更换、状态检测过渡，从而提高设备运行寿命，节约社会资源投入。
3.目前，国内电能计量装置尤其是以电子式互感器为代表的新型计量装置，其运行环境参数众多、工况复杂，且研究起步较晚，积累的挂网运行经验仍然较为有限，针对电子式互感器运行环境在线监测技术的研究开展较少。对于电子式互感器现有问题的解决，主要依靠国内电子式互感器生产厂家自身研发投入和经验积累。但是无论是电子式互感器生产厂家还是研究院所等科研单位都会受制于环境限制、人员投入、安全等因素，仅能从历史数据中分析评估现场环境对运行性能的影响，无法开展长期在线的监控测试，也难以获知产生问题的原因和改善方法。
4.同时国外智能变电站的推广应用相对比较慢，电子式互感器的投入应用相对较少，针对电子式互感器运行环境在线监测的研究也鲜有报道。因此，亟需提出适用于电子式互感器的电能计量装置运行环境在线监测方法及装置，解决该类设备运行环境在线监测实时性、准确性的问题。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种电能计量装置运行环境在线监测装置及方法，实现电能计量装置不同监测量的同步集成，对不同的监测模块中的数据传输进行时间同步，对不同监测参量数据进行同步集成处理。
6.本发明采用如下的技术方案。
7.本发明一方面提出了一种电能计量装置运行环境在线监测装置，包括：环境参量在线监测模块，电气参量在线监测模块；所述装置还包括：同步集成功能模块；同步集成功能模块包括：时间同步单元，数据集成处理单元；其中，时间同步单元，用于对全站内时间基准信号进行解码，根据解码结果采用非固定常数脉冲生成法生成同步采样脉冲；环境参量在线监测模块，用于基于同步采样脉冲对电能计量装置的环境参量进行采集，并基于同步采样脉冲将所采集的环境参量传输至同步集成功能模块；电气参量在线监测模块，用于基于同步采样脉冲采用报文处理装置对电能计量装置的电气参量进行采集，并基于同步采样脉冲将所采集的电气参量传输至同步集成功能模
块；数据集成处理单元，用于基于同步采样脉冲对环境参量在线监测数据和电气参量在线监测数据进行同步集成。
8.全站内时间基准信号以irig-b信号输入至时间同步单元；时间同步单元生成的同步采样脉冲以irig-b信号传输至环境参量在线监测模块、电气参量在线监测模块和数据集成处理单元。
9.时间同步单元包括：信息显示子单元，中央控制子单元，计算子单元，输入输出单元，电源模块；其中，中央控制子单元与信息显示子单元、计算子单元和输入输出单元进行数据交互传输；电源模块对中央控制子单元、计算子单元、输入输出单元和信息显示子单元供电。
10.计算子单元输入接口和输出接口均支持irig-b/pps方式。
11.计算子单元包括：秒脉冲间隔计数器，第一减法器，绝对值器，复杂计数器，采样脉冲计数器；其中，秒脉冲信号输入秒脉冲间隔计数器，第一减法器将秒脉冲间隔计数器输出的计数值与标准值进行偏差计算，偏差经绝对值器后获得偏差绝对值，偏差绝对值输入复杂计数器，同时采样频率值输入复杂计数器；复杂计数器将调整信号输入采样脉冲计数器，第一减法器将符号位输入采样脉冲计数器；采样脉冲计数器根据采样脉冲宽度，结合符号位和调整信号输出秒脉冲信号。
12.计算子单元还包括：第二减法器；复杂计数器包括：第三减法器，重载器，累加器，比较器；其中，第二减法器的输入端连接绝对值器的输出端，第二减法器的输出端连接重载器的一个输入端，重载器的另一个输入端连接秒脉冲；重载器的输出端连接累加器的一个输入端，累加器的另一个输入端连接采样脉冲；累加器的输出端连接比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端连接信号“0”，比较器的输出端连接第三减法器的一个输入端，第三减法器的另一个输入端连接采样频率值，第三减法器的输出端连接累加器的一个输入端。
13.计算子单元还包括：锁相环；锁相环用于获取有源钟振并锁存为内部时钟信号。
14.环境参量在线监测模块包括：光纤远传单元；时间同步单元输出的irig-b信号经过光纤远传单元再由irig-b转码后得到同步采样脉冲。
15.本发明另一方面还提出了一种电能计量装置运行环境在线监测方法，包括：步骤1，时间同步单元对全站内时间基准信号进行解码，根据解码结果采用非固定常数脉冲生成法生成同步采样脉冲；步骤2，环境参量在线监测模块，基于同步采样脉冲对电能计量装置的环境参量进行采集，其中，环境参量包括：振动数据，温度数据，湿度数据，磁场数据；基于同步采样脉冲将所采集的环境参量传输至同步集成功能模块；步骤3，电气参量在线监测模块，基于同步采样脉冲采用报文处理装置对电能计量装置的电气参量进行采集，其中，电气参量包括：幅值，相位，频率；基于同步采样脉冲将所采集的电气参量传输至同步集成功能模块；步骤4，数据集成处理单元，基于同步采样脉冲对环境参量在线监测数据和电气参
量在线监测数据进行同步集成。
16.优选地，步骤1包括：步骤1.1，设定计算子单元内部时钟频率为标准值；步骤1.2，第一减法器将获取的秒脉冲间隔计数器值与标准值60000000相减，获得偏差的绝对值；步骤1.3，令采样脉冲计数器在第1000、2000、3000、4000个计数间隔时，进行增加计数；计数序号y通过以下关系式进行计算：式中，代表采样频率；；步骤1.4，计算子单元在秒脉冲信号到来时，对累加器加载默认值；步骤1.5，在每一个秒脉冲信号到来时进行加的计算；如果加后，得到的值大于等于零，表示该脉冲间隔必须进行调整，将所得值减去后放入累加器；如果加后，得到的值小于零，则不作调整，输出为同步采样脉冲。
17.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提出了电能计量装置尤其是适用于电子式互感器的运行环境在线监测方法及装置，保证了对不同环境参量的同步监测，提高了运行环境监测的准确性和实时性。
18.本发明实施例提供电能计量标准装置在线监测方法，主站平台服务器通过地州服务器能够及时、准确的获取所有电能计量标准装置的运行状态和误差数据，并实时展示电能计量标准装置的运行状态和误差数据，使管理人员对所有电能计量标准装置的准确性和运行状态实时掌控。
19.本发明的时间同步单元中，输出接口不是简单的把同步信号增强驱动后直接输出，而是采用fpga重构恢复出补偿传输延迟的秒脉冲信号，在重构的信号基础上，重新恢复出其他设备需要使用的irig-b和pps信号。
20.本发明的时间同步单元中，计算子单元采用一种非固定常数生成采样脉冲的方法，解决了最后一个采样间隔（最后一个同步采样脉冲与前一个同步采样脉冲的时间间隔）的时间误差偏大的问题。将秒脉冲等分成任意间隔，并将时间误差控制在一个fpga时钟（16.67ns）内。
附图说明
21.图1是本发明提出的电能计量装置运行环境在线监测装置的结构示意图；图1中的附图标记说明如下：1-环境参量在线监测模块，11-光纤远传单元，12-环境监测单元，121-振动传感器，122-温湿度传感器，123-空间磁场传感器，124-单片机，125-外部接口，126-电源，2-电气参量在线监测模块，3-同步集成功能模块，31-时间同步单元，32-数据集成处理单元，4-交换机，5-服务器；图2是本发明实施例中时间同步单元的系统框图；
图2中的附图标记说明如下：311-信息显示子单元，312-中央控制子单元，313-计算子单元，314-输入输出单元；图3是本发明实施例中计算子单元的系统框图；图3中的附图标记说明如下：601-秒脉冲间隔计数器，602-第一减法器，603-绝对值器，604-复杂计数器，605-采样脉冲计数器，606-第二减法器，607-第三减法器，608-重载器，609-累加器，610-比较器，611-锁相环。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本技术所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
23.根据gb/t20840.8
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2007《互感器第8部分：电子式电流互感器》对电子式互感器的相关规定，电能计量装置运行环境在线监测装置要实现的功能包括：空间磁场在线监测，电气参量在线监测，温湿度、振动在线监测。其中，空间磁场监测模块采用电磁传感模块，采集频率范围为30~2000hz；电气参量在线监测采用报文处理装置采集数据，采样频率为4khz；温湿度、振动在线监测采用温湿度及振动传感器芯片。在同步脉冲控制下，温湿度模块每秒钟获取一次温度和湿度数据，振动模块每秒钟获取10次加速度值。因此，为了实现对不同监测量的同步集成，首先需要对不同的监测模块中的数据传输进行时间同步；其次，需要对不同监测参量数据进行集成处理。
24.由于温湿度、振动、空间磁场以及电气参量的数据具有数据类型不同、集成数据量大等特点。因此，对这些数据的集成处理需满足以下应用要求：1、能够满足对大量数据进行处理的要求；2、能够满足对数据的快速采集及处理要求；3、能满足数据基于相同时间域控制的要求。
25.因此，本发明提出了一种电能计量装置运行环境在线监测装置，如图1所示，包括：环境参量在线监测模块1，电气参量在线监测模块2，同步集成功能模块3。
26.环境参量在线监测模块包括：光纤远传单元11，环境监测单元12；环境监测单元12包括：振动传感器121，温湿度传感器122，空间磁场传感器123，单片机124，外部接口125，电源126。环境参量在线监测模块1通过光纤远传单元11与时间同步单元31进行数据交互传输，还通过光纤远传单元11与数据集成处理单元32进行数据交互传输。环境参量在线监测模块，用于基于同步采样脉冲对电能计量装置的环境参量进行采集，并基于同步采样脉冲将所采集的环境参量传输至同步集成功能模块。
27.电气参量在线监测模块2与时间同步单元31进行数据交互传输，还与数据集成处理单元32进行数据交互传输。电气参量在线监测模块，用于基于同步采样脉冲采用报文处理装置对电能计量装置的电气参量进行采集，并基于同步采样脉冲将所采集的电气参量传输至同步集成功能模块。
28.同步集成功能模块包括：时间同步单元31，数据集成处理单元32；时间同步单元31与数据集成处理单元32之间进行数据交互传输。数据集成处理单元32与交换机4进行数据交互传输，交换机4向服务器5传输数据。数据集成处理单元，用于基于同步采样脉冲对环境参量在线监测数据和电气参量在线监测数据进行同步集成。
29.对不同环境监测量的同步集成，需要对不同传感器中的数据传输进行时间同步，即通过计算子单元实现变电站内时间基准信号的输入及对多台设备的时钟同步输出。
30.对多台设备的时钟同步输出即生成采样脉冲并向环境监测单元的外部接口单元输出，外部接口单元与环境监测单元内的振动传感器、温湿度传感器、空间磁场传感器等环境参量监测设备进行数据交互。
31.时间同步单元，用于对全站内时间基准信号进行解码，根据解码结果采用非固定常数脉冲生成法生成同步采样脉冲。本实施例中，用于生成采样脉冲，以及对电气参量在线监测模块、数据处理子单元以及在线误差比对评估子单元均基于irig-b码对时同步。本发明通过时间同步子单元实现了采用脉冲的生成和事件时标记录的生成。
32.irig码是一种对时标准，irig时间序列码分为g、a、b、e、h、d共六种编码格式，其中应用最广泛的是irig-b 格式，简称b码。该编码的特点是以每秒1次的频率发送包括日、时、分、秒等在内的时间信息，b码信号是每秒一帧的时间串码。b码对时采用直流电位携带码元信息，可通过专线进行传输，无传输距离限制。b码对时的优点是时间精度高，其时间准确度范围为10～1 000μs；缺点是组网不灵活，需要进行点对点传输。b码对时技术基本可以满足变电站内除行波测距和功角测量装置外大部分设备的对时精度要求。
33.全站内时间基准信号以irig-b信号输入至时间同步单元；时间同步单元生成的同步采样脉冲以irig-b信号传输至环境参量在线监测模块、电气参量在线监测模块和数据集成处理单元。
34.本发明提出了电能计量装置尤其是适用于电子式互感器的运行环境在线监测方法及装置，保证了对不同环境参量的同步监测，提高了运行环境监测的准确性和实时性。
35.如图2所示，时间同步单元包括：信息显示子单元311，中央控制子单元312，计算子单元313，输入输出单元314，电源模块；其中，中央控制子单元312与信息显示子单元311、计算子单元313和输入输出单元314进行数据交互传输。电源模块对中央控制子单元、计算子单元、输入输出单元和信息显示子单元供电。
36.中央控制子单元312，用于实现对同步集成功能模块的控制处理；本实施例中优选为12mhz的微控制单元（microcontroller unit，mcu）。
37.信息显示子单元311，用于显示当前的时间信息；本实施例中优选为lcd显示器。
38.计算子单元313，用于对全站内时间基准信号进行解码，根据解码结构进行重构和补偿传输延迟后得到时钟同步信号；本实施例中优选为现场可编程门阵列（field-programmable gate array，fpga），为适应实际需求，输入接口支持多种同步输入方式，支持irig-b/pps方式，支持光纤输入、rs485输入、ttl输入三种物理接口，方便从变电站获取同步时钟。输出接口不是简单的把同步信号增强驱动后直接输出，而是采用fpga重构恢复出补偿传输延迟的秒脉冲信号，在重构的信号基础上，重新恢复出其他设备需要使用的irig-b和pps信号。
39.本实施例中，计算子单元的技术参数包括：同步输入类型为irig-b/pps，同步输入
接口为st光纤/ttl/rs485，同步输出类型为irig-b/pps，同步输出接口为9路光纤输出和1路ttl/rs485输出，同步延时≤0.1
µ
s。
40.ad数字化处理必须生成一个等间隔的采样脉冲，也就是将秒脉冲等分成相等的间隔时间，由于内部时钟存在偏移，且内部时钟由外部的同步信号同步，因此每次秒脉冲所对应内部时钟的计数值可能存在偏差，如果使用固定的常数生成采样脉冲，就会导致最后一个采样间隔的时间偏多或偏少。假如秒脉冲偏差10
µ
s，这个误差会直接体现到最后一个采样间隔，在4khz采样率情况下，最后一个脉冲的偏差高达4%，利用fpga采用一种非固定常数生成采样脉冲的方法，就能设计一个逻辑将10
µ
s误差等分到各个采样脉冲中，就能将误差控制在0.01
‰
的水平。
41.如图3所示，计算子单元包括：秒脉冲间隔计数器601，第一减法器602，绝对值器603，复杂计数器604，采样脉冲计数器605；其中，秒脉冲信号输入秒脉冲间隔计数器，第一减法器将秒脉冲间隔计数器输出的计数值与标准值进行偏差计算，偏差经绝对值器后获得偏差绝对值，偏差绝对值输入复杂计数器，同时采样频率值输入复杂计数器；复杂计数器将调整信号输入采样脉冲计数器，第一减法器将符号位输入采样脉冲计数器；采样脉冲计数器根据采样脉冲宽度，结合符号位和调整信号输出秒脉冲信号。
42.计算子单元还包括：第二减法器606；复杂计数器604包括：第三减法器607，重载器608，累加器609，比较器610；其中，第二减法器的输入端连接绝对值器的输出端，第二减法器的输出端连接重载器的一个输入端，重载器的另一个输入端连接秒脉冲；重载器的输出端连接累加器的一个输入端，累加器的另一个输入端连接采样脉冲；累加器的输出端连接比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端连接信号“0”，比较器的输出端连接第三减法器的一个输入端，第三减法器的另一个输入端连接采样频率值，第三减法器的输出端连接累加器的一个输入端。
43.计算子单元还包括：锁相环611；锁相环用于获取有源钟振并锁存为内部时钟信号。优选地，本实施例中，fpga内部时钟为60mhz。
44.本发明另一方面还提出了一种电能计量装置运行环境在线监测方法，包括：步骤1，时间同步单元对全站内时间基准信号进行解码，根据解码结果采用非固定常数脉冲生成法生成同步采样脉冲；步骤2，环境参量在线监测模块，基于同步采样脉冲对电能计量装置的环境参量进行采集，其中，环境参量包括：振动数据，温度数据，湿度数据，磁场数据；基于同步采样脉冲将所采集的环境参量传输至同步集成功能模块；步骤3，电气参量在线监测模块，基于同步采样脉冲采用报文处理装置对电能计量装置的电气参量进行采集，其中，电气参量包括：幅值，相位，频率；基于同步采样脉冲将所采集的电气参量传输至同步集成功能模块；步骤4，数据集成处理单元，基于同步采样脉冲对环境参量在线监测数据和电气参量在线监测数据进行同步集成。
45.具体地，步骤1中，设定计算子单元内部时钟频率为标准值；第一减法器将获取的秒脉冲间隔计数器值与标准值60000000相减，获得偏差的绝对值；令采样脉冲计数器在第1000、2000、3000、4000个计数间隔时，进行增加计数；计数序号y通过以下关系式进行计算：
式中，代表采样频率；。
46.计算子单元在秒脉冲信号到来时，对累加器加载默认值，因为，默认值一定为负数。在每一个采样脉冲信号到来时进行加的计算，如果加后，得到的值大于等于零，表示该脉冲间隔必须进行调整，将该值减去后放入累加器；如果加后，得到的值小于零，则不作调整。经过调整后，每一个同步采样脉冲信号与实际的偏差值均不会超过一个fpga内部时钟周期。
47.以秒脉冲间隔计数值为60000004，采样率为4khz为例，则。秒脉冲到来时，加载默认值-3996，第2个采样脉冲，该值为-3992，第3个为-3988，
……
第999个为-4，第1000个为0，此时比较器产生调整信号控制采样脉冲计数器在该间隔内多计数一个值，然后累加器值减去，该值变为-4000，第1001个采样脉冲，该值为-3996，
……
第2000个，该值又为0，则又产生一次调整信号，然后第3000次，第4000个又产生两次调整信号，最终保证4000个采样脉冲总计数值与秒脉冲一致，为60000004个计数。经过调整后，每一个同步采样脉冲信号与实际的偏差值均不会超过一个内部时钟周期。
48.本发明中提出的计算子单元采用一种非固定常数生成采样脉冲的方法，解决了最后一个采样间隔（最后一个同步采样脉冲与前一个同步采样脉冲的时间间隔）的时间误差偏大的问题。将秒脉冲等分成任意间隔，并将时间误差控制在一个fpga时钟（16.67ns）内。
49.最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。