電能表溫度影響試驗自動測試系統

李博

(江蘇省計量科學研究院，江蘇南京210007)

0 引言

電能表作為列入國家重點管理目錄的計量器具，其質量優劣影響到人身及財產安全和貿易結算雙方的經濟利益。幾大國家電能表質量監督檢驗中心承擔著全國幾乎全部電能表的型式評價檢驗工作，每年的檢驗任務十分飽滿。自江蘇省計量科學研究院成立國家電能表質量監督檢驗中心 (江蘇)之后，每年完成的電能表型式評價檢驗均達到180批次以上。

電能表溫度影響試驗是電能表型式評價中的一項重要試驗，被測電能表需放置在恒溫恒濕室中，在高中低不同溫度下進行誤差測試，考察電能表受溫度變化的影響程度。雖然各檢測中心都配備了步入式恒溫恒濕室，但電能表校驗裝置及被測電能表之間的控制都是人工方式，人員需要在各設備之間來回操作，人為監測試驗過程，手工記錄測試數據。一個溫度影響試驗周期需要22 h，費時費力且試驗效率低。這種傳統人工現場檢測的方式已經無法滿足事業發展的需要，如何利用計算機技術提高測試的自動化程度，已成為今后測試領域的發展方向。充分利用恒溫恒濕室的巨大空間，實現大批量電能表的集中試驗，從而高效、嚴格、準確地完成電能表溫度影響試驗是各國家電能中心面臨的一個意義重大而又亟待解決的課題。

1 總體設計

1.1 設計要求

設計一種電能表自動測試系統，包括自動控溫、自動測量、異常狀態自動報警三部分。自動控溫要求能自動控制恒溫恒濕室的溫度和恒溫時間。自動測量要求能自動控制檢驗裝置對樣品進行測試，并保存校驗的結果。異常狀態自動保護要求當設備出現故障時能自動報警。此外，對現有的電能表校驗裝置進行技術改造，通過不同電流電壓檔位的自動切換，能實現多種電壓電流規格樣品的集中檢驗，一次可以檢驗30個樣品。其準確度等級為0.05級，電流電壓量程為3× (0～100)A，3× (0～480)V。

1.2 設計原理

被測電能表的誤差測量方法采用定時比較法，即在特定的一段時間內，分別記下電能表檢驗裝置與被測電能表累計的電能值，它們兩者的相對誤差就是被測電能表的誤差值。按照 JJF 1245.1－2010，JJF 1245.2－2010，JJF 1245.3－2010，JJF 1245.4－2010，JJF 1245.5－2010中規定的試驗方法，被測電能表需放置在恒溫恒濕室中，溫度范圍按照20 K溫度間隔進行劃分，為 －10～10℃，13～33℃，25～45℃。對于每一個溫度間隔，分別將恒溫恒濕室溫度設置為間隔上限溫度Tu和下限溫度Tl，電能表放置于恒溫恒濕室直至溫度穩定 (通常在每一溫度點保持2 h)，按規定的負載點測試電能表誤差，電能誤差隨溫度改變的變化率可通過式 (1)計算:

式中:Tu和Tl分別對應某一溫度間隔的上限溫度和下限溫度;eu和el是該上限溫度和下限溫度的誤差值。

針對上述要求，設計應滿足以下幾點:一是對恒溫恒濕室準確的控溫與恒溫;二是對被測電能表的準確的誤差測試;三是一旦出現異常情況能迅速報警。

1.3 系統組成

設計一種電能表溫度影響試驗自動測試系統，包括自動控溫、自動測量和異常狀態自動報警三個子系統。自動控溫就是通過本地上位機自動控制恒溫恒濕室的溫度，并增加對試驗溫度穩定性判斷的功能，采用高速數據采集方式，自動記錄和保存溫度數據，并啟動判斷模塊，在人為不干預的狀態下，保證試驗溫度和恒溫時間的準確性，大大優于以往的人工方式。自動測量是通過本地上位機自動控制檢驗裝置對被測電能表進行誤差測試，并保存校驗的結果。異常狀態自動報警是當設備出現故障時系統能立即發現并自動報警，包括警鈴報警和短信提醒等方式。其系統組成參見圖1。

2 硬件方案

2.1 自動控溫系統

圖1 電能表溫度影響自動測試系統

恒溫恒濕室是自動控溫系統的主體，其本身具有溫度采集系統及RS485接口輸出。人工控溫的試驗方式無法做到時時刻刻對溫度的監視，而自動系統則可以通過RS485接口進行實時的數據采集 (數據采集頻率為1次/min)，并記錄在數據庫中。在采集數據的同時對數據與標準設定值進行比較，判定當前溫度是否符合測溫點的要求，在試驗過程中如有采集溫度的異常出現，將重新進行溫度的記錄，直到滿足溫度穩定的條件再進行試驗。每一個測溫點試驗完成后，結果將自動反饋給后臺軟件，軟件通過RS485接口設置預置的下一個測溫點，繼續試驗。

2.2 自動測量系統

電能表校驗裝置是本測試系統的主體，目前市場上所有的電能表校驗裝置，只能同時校驗相同電流和電壓規格的電能表，對于規格不同的電能表，則必須人工重新拆裝后分批檢驗。如果仍沿用傳統的校驗裝置進行測試，面對規格不同的電能表，必將使本測試系統的自動化大打折扣。因此必須研制一種多規格可切換式電能表校驗裝置，可以實現對多種不同規格電能表的集中檢驗。

多規格可切換式電能表校驗裝置，由電能表標準裝置、切換器與多個表臺組成，以下以兩種不同電流規格的電能表為例進行介紹。將一種額定電流的被測電能表1設于表臺1上，將另一種額定電流的被測電能表2設于表臺2上，電能表標準裝置通過切換器分別串聯被測電能表1、被測電能表2，在需要對被測電能表1進行校驗時，上位機自動控制切換器切換連接被測電能表1進行校驗;校驗結束后，再自動控制切換器切換連接被測電能表2進行校驗，從而實現兩種不同電流規格電能表的集中檢驗。切換路數可根據實際需要進行增加。多規格可切換式電能表校驗裝置的結構示意圖見圖2。

圖2 多規格可切換式電能表校驗裝置

在實際設計中，切換器與電能表標準裝置均處于恒溫恒濕室的外面，通過電流和電壓引線與室內的表臺相連。切換器可以實現三路電流和電壓的切換，單相表與三相表通用，每個通路可檢驗最多10只同種規格的被測電能表，即每次最多可以完成三種不同電流電壓規格的30只單相或三相電能表的試驗。切換器的電流適用范圍為0～120 A，電壓適用范圍為0～380 V，電壓與電流分別獨立切換。

2.3 異常狀態自動報警系統

在試驗過程中考慮到非人工全程參與的特點，為了保證試驗過程的安全性，需增加異常狀態的報警。主要采用聲光報警的功能，在主站的后臺上位機安裝聲光報警設備。在溫度異常或者測量數據處于非正常狀態時，后臺輸出控制命令，控制設備的啟停。報警設備啟動后，需人工干預才能復歸，同時后臺保存發生報警的記錄，供后期查詢分析。

3 軟件方案

整個軟件采用分層方式進行架構，如圖3～4所示。

1)功能模塊發出設定溫度命令，服務層通過協議封裝層將命令轉換為對恒溫室的操作命令，并經由通訊層發送給恒溫室;

2)恒溫室定期將溫度通過回調方式傳送給采樣模塊 (Observer)，該模塊在溫度未恒定前不做操作;

3)當溫度恒定后，采樣模塊通知控制模塊進行測試;

4)控制模塊發出測試命令，服務層將通過協議封裝層將命令轉換為對檢驗裝置的操作命令，并經由通訊層發送給檢驗裝置;

5)測試結果通過回調方式傳送給功能模塊 (Observer)，該模塊通過數據庫模塊記錄數據，由此完成一次測試;

圖3 軟件分層架構

圖4 軟件流程圖

6)重復1～4步，直到所有溫度下的所有測試都完成，至此整個測試完成。

主要開發工具如下:

Embarcadero C++Builder集成開發環境

Inno Setup安裝程序工具

Raize VCL Component Suite控件

TeeChart Pro VCL Component控件

XLS ReadWrite VCL Component控件

SerialMon串行通訊分析工具

CommView報文捕獲分析工具

AQTime軟件性能分析工具

4 對比試驗

選用一只穩定的電能表并選取－10～10℃，13～33℃，25～45℃三個溫度范圍的上限溫度和下限溫度，分別用人工測試方式與自動測試方式測試電能表的誤差。測試結果對比見表1。

表1 電能表人工測試與自動測試結果

以完成10個批次30只電能表溫度影響試驗為例，該自動測試系統與人工測試的用時比較見表2。

表2 批次電能表人工測試與自動測試結果對比

結論1:三個溫度范圍對應的溫度改變量均為20℃，將表1測試數據代入到公式 (1)中，可得到同一只被測表在兩種測試方式下電能誤差隨溫度的改變量均為0.002%/℃，試驗結果一致。

結論2:通過表2可見，該自動測試方式較人工方式工作用時大大縮短，每日有效工作時間大幅提高，試驗效率顯著增加。

5 結束語

通過對比可見，本自動測試系統不僅可以達到提高試驗設備使用率、減少人工和人為差錯的目的，也能提升整個溫度影響試驗過程的嚴謹性和規范性，目前在國內計量領域尚屬空白，具有較大的推廣價值。

［1］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF 1245.3－2010安裝式電能表型式評價大綱 特殊要求 靜止式有功電能表 (0.2S、0.5S、1和2級)［S］.北京:中國計量出版社，2010.

［2］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF 1245.5－2010安裝式電能表型式評價大綱 特殊要求 靜止式無功電能表 (2和3級)［S］.北京:中國計量出版社，2010.

［3］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF 1245.2－2010安裝式電能表型式評價大綱特殊要求機電式有功電能表 (0.5、1和2級)［S］.北京:中國計量出版社，2010.

［4］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF 1245.1－2010安裝式電能表型式評價大綱通用要求［S］.北京:中國計量出版社，2010.

［5］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF 1245.4－2010安裝式電能表型式評價大綱 特殊要求 機電式無功電能表 (2和3級)［S］.北京:中國計量出版社，2010.

［6］蒙祖強，龔濤.C++Builder程序員成長攻略 ［M］.北京:水利水電出版社，2007.