一種同步測試有功無功電能誤差的三相電能表檢定裝置

黃金娟，王 祥

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.浙江涵普電力科技有限公司，浙江 海鹽 314300）

一種同步測試有功無功電能誤差的三相電能表檢定裝置

黃金娟1，王 祥2

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.浙江涵普電力科技有限公司，浙江 海鹽 314300）

結(jié)合國家電網(wǎng)公司省級計量中心智能電能表檢定工作的要求，介紹了一種全新的三相電能表檢定裝置。該裝置主要由ARM信號源、電壓電流功率放大器、三相標準電能表、ARM單元控制板等模塊組成，具備同步測試有功無功電能誤差的功能，從而減少三相智能電能表有功無功電能誤差的檢定時間，有效提高檢定效率。該裝置對電能表生產(chǎn)廠家和各級計量檢定機構(gòu)有很好的應(yīng)用價值。

檢定裝置；電能誤差；同步測試

0 引言

隨著國家智能電網(wǎng)建設(shè)的穩(wěn)步推進，智能電能表得到了全面推廣應(yīng)用。三相智能電能表具備有功和無功電能計量等多項功能，為供、用電雙方的電價結(jié)算提供了技術(shù)保障。按照國家法定計量管理要求，智能電能表必須經(jīng)實驗室檢定合格后方可安裝使用。由于三相智能電能表檢定點多，采用傳統(tǒng)檢定裝置分別檢定有功、無功電能計量誤差耗時較長，單批次的檢定時間長達2 h以上。本文介紹一種新型三相電能表檢定裝置，實現(xiàn)了有功和無功電能誤差的同步檢定，明顯縮短了單批次三相電能表的檢定時間，有效提高了檢定效率，同時也更加符合現(xiàn)場運行時有功無功電能同步計量的需求。

1 設(shè)計方案

本裝置主要由ARM信號源、電壓電流功率放大器、三相標準電能表、ARM單元控制板等模塊組成。裝置掛表架采用鋁合金結(jié)構(gòu)，單元壓接背板采用高強度塑料板，輔助針表托，各部件獨立設(shè)計，可獨立拆裝、便于維護。同時可與自動化檢定輸送單元有機集成應(yīng)用，實現(xiàn)電能表自動化檢定流水線。整個裝置原理框圖如圖1所示。

2 裝置硬件構(gòu)成及工作原理

2.1 ARM信號源

目前各個裝置生產(chǎn)廠家對信號源的設(shè)計不盡相同，波形數(shù)字合成技術(shù)大多采用將計算好的波形數(shù)據(jù)存入ARM芯片中，然后通過尋址計數(shù)輪流將波形數(shù)據(jù)輸入到D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生6路波形，這種方式不僅硬件設(shè)計繁瑣，而且6路信號也不是同時輸出，存在時延。

本裝置信號源采用32位ARM處理器作為核心控制器，升源速度快，10 s內(nèi)可完成輸出并保證輸出準確、穩(wěn)定。采用雙ARM（STM32F207）系統(tǒng)設(shè)計，分別負責人機界面和波形發(fā)生。ARM芯片內(nèi)部資源豐富，主頻達到120 MHz。本裝置波形數(shù)字合成技術(shù)采用外部中斷方式，波形數(shù)據(jù)直接存入ARM芯片F(xiàn)LASH中，以1個周波720點為例，ARM芯片產(chǎn)生1個36 kHz的方波信號，將此信號接入ARM外部中斷管腳，通過外部中斷將計算好的6路波形數(shù)據(jù)輸入D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生6路波形，因為主頻高，指令周期短（納秒級），6路模擬信號幾乎不存在時延。同時人機界面采用ARM系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理快，通過高速485方式（38400波特率）與PC機和誤差儀進行數(shù)據(jù)交互，可大大縮短升源時間和檢定效率。波形發(fā)生原理如圖2所示。

2.2 電壓電流功率放大器

圖1 檢定裝置原理

圖2 波形發(fā)生原理

采用D類放大器，具有功放輸出容量大、體積小、輸出效率高、發(fā)熱量低、負載特性好、可靠性高等優(yōu)點。

2.3 三相標準電能表

三相標準電能表的電壓、電流分別采用電阻分壓和電流互感器取樣，每相模擬電路獨立設(shè)計，可減少相間干擾；內(nèi)置程控運算放大器，可保證A/D在寬范圍信號輸入情況下的高轉(zhuǎn)換分辨率，從而提高A/D的轉(zhuǎn)換精度；采用帶恒溫槽電壓基準，溫度系數(shù)小于1 ppm，在電壓30～500 V輸入范圍和電流0.01～100 A輸入范圍內(nèi)，電能誤差可控制在0.02%以內(nèi)。每個表位脈沖采樣接口具有高壓隔離電路，可防止高壓誤接入損壞誤差計算器，能兼容不同的脈沖輸入電壓，并對輸入的采樣脈沖具有整形功能；每個表位可按照規(guī)程要求，對經(jīng)互感器接入式電能表的啟動、潛動、基本誤差、標準偏差、24 h變差等檢定項目進行全自動檢驗。為提高裝置檢定效率，標準表設(shè)計了有功無功電能脈沖同時輸出功能，可實現(xiàn)對被測電能表有功無功電能誤差的同步檢定，經(jīng)驗證，采用此方式可比常規(guī)檢定方式快10%～20%。

2.4 ARM單元控制板

ARM單元控制板是整個裝置的核心部分，主控芯片采用ST公司的32位ARM芯片STM32F-103VBT6。該芯片主頻為72 MHz，內(nèi)部資源豐富，自帶128k字節(jié)FLASH和20k字節(jié)SRAM，有多達9個通信接口和7個定時器，每個定時器有4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道。利用該ARM芯片內(nèi)部資源豐富、管腳功能可靈活配置的特點，設(shè)計了集電能誤差計算、時鐘誤差計算、開路檢測、溫度檢測、電流短接控制、對被檢表通信等多功能于一身的單元控制板。原理框圖如圖3所示。

圖3 ARM誤差儀原理

（1）誤差計算功能。傳統(tǒng)誤差計算器受CPU本身資源所限，外部中斷和計數(shù)器偏少，被測表有功無功脈沖、秒脈沖、標準電能脈沖和標準時鐘脈沖通過外圍切換電路再輸入到CPU，這種設(shè)計方式不僅硬件復雜，而且有功無功電能誤差和時鐘誤差只能輪流檢定，無法同時進行。ARM單元控制板誤差測試充分利用該ARM芯片資源豐富的特點，3路被測電能表脈沖信號和3路標準脈沖信號直接輸入到ARM系統(tǒng)，可同時進行誤差檢定，3路誤差值以輪顯方式在誤差儀上顯示，上位機軟件也可同時讀取3路誤差值，從而大幅提高檢定效率。同步測試原理見圖4。

圖4 同步測試原理

目前，個別廠家生產(chǎn)的電能表脈沖輸出頻率不變，但其中一個沿（上升沿或下降沿）經(jīng)常變化，如果CPU采用變化的這個沿進行觸發(fā)采樣，勢必會造成每次檢定的誤差都不盡相同，為解決這個問題，ARM單元控制板可通過軟件配置，外部中斷源可選擇下降沿觸發(fā)、上升沿觸發(fā)和電平觸發(fā)，以滿足不同電能表脈沖輸出的誤差測試需求。

（2）表托溫度檢測。在無人工干預的情況下，當被檢電能表壓接不可靠，大電流長時間運行時，表托因接觸電阻偏大溫升較快，易造成表托和電能表接線柱變形甚至燒壞，嚴重時還會出現(xiàn)火花。為避免此類情況發(fā)生，在ARM單元控制模塊中設(shè)計了表托溫度檢測功能，將數(shù)字溫度傳感器安裝在表托的電流柱中，ARM單元控制板通過I2C總線讀取溫度傳感器的數(shù)據(jù)來實時監(jiān)測電能表接線柱的溫度，系統(tǒng)可自定義設(shè)置閥值（默認80℃），當接線柱溫度超過閥值時，單元控制板控制磁保繼電器短接該表位的電流回路，從而達到保護表托和被檢電能表接線柱的目的。表托溫度信息能被檢定軟件即時讀取，方便檢定人員了解整個系統(tǒng)的運行情況。

（3）自動短接功能。每個單元控制板還具有自動短接功能，能在電流開路時進行自動短接，也可由軟件控制短接，保證在壓接不可靠或不掛滿表的情況下正常進行檢定。

3 檢定軟件

3.1 總體功能概述

檢定軟件具有以下主要功能：接線檢查、通信測試、啟動、潛動、基本誤差、標準偏差、日計時誤差、需量示值誤差、需量周期誤差、時段投切誤差、預置參數(shù)設(shè)置、預置參數(shù)檢查、有功常數(shù)試驗、遠程費控試驗、誤差一致性、誤差變差、負載電流升降變差等。其中，有功無功電能基本誤差的測試可同時進行，從而減少檢定時間，提高了檢定效率。

3.2 有功無功同步測試的實現(xiàn)方式

檢定裝置誤差儀具備多個脈沖通道同時輸入的功能，由檢定軟件將有功、無功脈沖數(shù)和檢定圈數(shù)發(fā)送至誤差儀，待誤差儀完成誤差檢定后，軟件同時獲取有功、無功誤差數(shù)據(jù)并分別保存。

4 結(jié)語

經(jīng)現(xiàn)場使用和測試驗證，該裝置測試數(shù)據(jù)和各項功能完全滿足JJG 597-2005《交流電能表檢定裝置檢定規(guī)程》、JJG 596-2012《電子式電能表檢定規(guī)程》、DL/T 645-2007《多功能電能表通信規(guī)約》的相關(guān)要求。信號源采用32位ARM芯片，增強了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，縮短了源輸出穩(wěn)定時間，從而提高誤差檢定效率。單元控制板利用32位ARM芯片豐富的內(nèi)部資源，實現(xiàn)了各種功能的高度集成，有功無功電能誤差通道和多功能誤差通道相互獨立，實現(xiàn)了3路誤差同時測試，大大縮短了三相智能電能表檢定時間。裝置充分利用D類放大器輸出可靠、穩(wěn)定性好、負載能力強等特點，并結(jié)合32位ARM芯片的應(yīng)用，不僅單批次檢定數(shù)量達到40表位，而且單批次的檢定時間也大大縮短。經(jīng)測試，1.0級三相四線智能電能表檢定時間從139 min縮短為127 min，三相三線表檢定時間從172 min縮短為160 min。目前，該裝置已在多個電能表生產(chǎn)廠家和省級計量中心應(yīng)用，按照三相電能表年檢定量60萬只測算，檢定系統(tǒng)年運行時間可減少150 h，相當于檢定能力提升了近9%，折算成設(shè)備投資可節(jié)約215萬元，經(jīng)濟效益顯著。

[1]JG 597-2005交流電能表檢定裝置檢定規(guī)程[S].北京：中國標準出版社，2005.

[2]JJG 596-2012電子式電能表檢定規(guī)程[S].北京：中國標準出版社，2012.

[3]廖義奎.STM32F207高性能網(wǎng)絡(luò)型MCU嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

（本文編輯：方明霞）

A Three-phase Energy Meter Calibration Device for synchronous Active/Reactive Energy Error Test

HUANG Jinjuan1，WANG Xiang2
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.Zhejiang Harpu Electric Technology Co.，Ltd.，Haiyan Zhejiang 314300，China）

Combined with requirements of provincial metering center of SGCC on smart meter calibration,the paper introduces a new three-phase meter calibration device，which comprises modules such as ARM signal source，voltage/current power amplifier，three-phase standard meter and ARM unit control board.The device can synchronously calibrate active and reactive energy error so as to reduce time for calibrating active and reactive energy error of three-phase smart energy meter and therefore to improve calibration efficiency.The device can be favorably applied in energy meter manufactures and metering calibration agencies at all levels.

calibration device；energy error；synchronous test

TM761

B

1007-1881（2015）08-0062-03

2015-06-04

黃金娟（1964），女，工程師，主要從事電能計量技術(shù)管理工作。