基于实时补偿的智能电能表日计时误差修正方法研究

引言

智能电能表作为智能电网的主要设备和基础,与传统电能表相比,其功能已从开始单一的计量,发展到分时计量、阶梯计费、电量冻结、数据存储以及事件记录等多种复杂功能,而这些功能均要求智能电能表要精确计时,这需要电能表具备准确的RTC(实时时钟)。自从两大电网公司对电能表实施统一招标以来,新的标准增加了产品设计的难度,也带来了技术和成本的挑战。

日计时误差是判定时钟准确度的一项重要指标,智能电能表要求在参比温度及工作电压范围内,时钟误差不应超过0.5s/d:在工作温度范围-25~60℃内,时钟准确度随温度的改变量不应超过0.1s/(d·℃),在该温度范围内时钟误差不应超过1s/d。如何保证在-25~60℃内时钟的准确度,已成为众多芯片及电能表厂家研究的课题。

电能表日计时误差主要受环境温度、补偿温度及晶振器件等的影响,而晶振器件选定及环境温度稳定后,补偿温度就成为了主要的影响因素。因此,本文对日计时误差超差进行讨论,并对如何进行日计时误差补偿作出一定的分析研究。

1时钟日计时误差分析

实现时钟功能的方案一般有两种:一种是基于谐振器件的时钟方案,如晶振、陶瓷谐振器等:一种是基于相移电路的时钟方案,如RC、LC振荡器等。前者精度高:后者精度相对较低,成本也低。

1.1时钟误差影响因素

造成时钟日计时误差的因素较多,从大体上可以归类为元器件、温度偏差、工艺制造等三大类,又可对应细分为晶体老化程度、晶体损坏、晶体温度与芯片温度有偏差、温度调校不一致、三防工艺等等。在众多的因素中,只有晶体温度与芯片温度偏差引起的日计时误差不可把控,需要进一步研究分析。

1.2晶体温度与芯片温度偏差分析

以目前所采用的典型的32.768kHz晶体为例,32.768kHz晶体不能在宽温范围内提供较高精度,在一定温度范围内精度呈抛物线型(图1),特定频率f和温度T的典型晶体频率Af关系如下:

式中,f为晶体标称频率:k为曲率常数:T为温度:T0为顶点温度:f0是顶点温度下的相对频偏。

从32.768kHz晶体抛物线图可以看出,在20~30℃温度范围内,抛物线频率变化较小,晶体温度和芯片温度温差影响不大,可以忽略。同时由于晶体外置,表内发热器件发热后导致晶体和芯片感应的温度不同,这个温差也会影响高低温下日计时误差的精度。当晶体实际温度为40℃,Af/f=-10×10-6,而若芯片测得温度为45℃,Af/f=-16×10-6,相差6×10-6×24×60x60=0.518s/d。由图1也可得出越往温度两端,Af/f相差越大。所以在高温及低温条件下,日计时误差较大,需要在高温及低温环境下进行日计时误差实时补偿,实现一种宽温度范围内高精度的实时时钟。

2时钟日计时误差实时补偿

由以上分析可知,实时时钟芯片的时间误差主要来源于时钟芯片中晶振的频率误差,而晶振的频率误差主要是由于晶体温度与芯片温度不一致引起的。所以,有效地补偿温度偏差对晶振谐振频率所产生的误差,是提高时钟精度的关键。

已知的补偿方法中,有晶体谐振频率误差补偿法,该方法是在晶振谐振频率随着温度的变化存在误差已知的基础上,对产生1Hz频率的分频计数器进行补偿[6]。该方法通过仿真证明了其在-25~60℃的补偿效果,但是实际试验中效果难以保证。

在晶体温度与芯片温度偏差的分析中,可以得出常温下日计时误差可以忽略的结论,故采用在高低温条件下实测计算补偿值,对日计时误差值进行实时累加,从而满足高精度要求。

高低温条件下,误差补偿修正公式为:

式中,μA为误差修正量:Tonc=24×60×60为日计时标准量:Mc为对应补偿量:α、8为补偿系数。

式中,μi为原始日计时误差值:μA(i)为对应的误差修正值:μi'为对应的补偿后日计时误差值。

在高低温条件下,通过对日计时误差进行实时累加得到修正量,从而保证对应温度下的精度,可以实现宽温度范围的高精度实时时钟。

3试验结果

通过建立的试验环境,将试验表计包括补偿前的表计Meter1和补偿后的表计Meter2分别放入高低温箱中,在高、低温时预热2h,利用时钟测试仪分别对两种智能表进行日计时误差的测试。

3.1高温结果

选取60℃条件下Meter1与Meter2各两组表计的日计时误差数据进行对比,如图2所示。

从图2中可以明显得出,未补偿时,表计在高温条件的误差偏差较大,当累加补偿量时,误差明显变小,均可以达到±0.02s/d以内,精度明显提高。

3.2低温结果

选取-25℃条件下Meter1与Meter2各两组表计的日计时误差数据进行对比,如图3所示。

从图3中可以明显得出,未补偿时,表计在低温条件的误差偏差较大,当累加补偿量时,误差明显变小,均可以达到±0.03s/d以内,精度明显提高。

3.3宽温度范围结果

对高温60℃及低温-25c补偿后,精度明显提高,此时对Meter1及Meter2表计分别在-25c到60c之间的温度进行验证,选取-20c、-10c、0c、10c、20c、30c、40℃、50℃等温度点,对比数据如图4所示。

从图4中可以得出,补偿后的表计Meter2,在选取的温度点的日计时误差,均可以满足要求,误差均在±0.04s/d以内,比Meter1误差明显减小。

通过上述高温60℃、低温-25℃以及中间温度点日计时误差数据的测试对比,可知本文采用的实时误差补偿方法,在宽温度范围内能够有效地提高日计时精度。

4结语

通过对影响智能电能表时钟日计时误差因素的分析,指出了晶体温度与芯片温度不一致引起的频率误差是关键因素,针对此因素确定了日计时误差补偿的方向。由研究分析及试验验证可知,采用的实时补偿法,在提高智能电能表日计时误差精度方面有良好的改进效果。本文介绍的智能电能表时钟日计时误差补偿思路,也可应用于其他具有高精度计时功能的相关设备。