便攜式智能電能表功耗測(cè)量儀設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)與應(yīng)用

趙 波，趙 敏，馬宇明

（1. 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院，南京 210046； 2. 南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016）

便攜式智能電能表功耗測(cè)量儀設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)與應(yīng)用

趙 波1，2，趙 敏2，馬宇明1

（1. 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院，南京 210046； 2. 南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016）

針對(duì)目前智能電能表功耗檢測(cè)困難，設(shè)計(jì)了一種便攜式功耗測(cè)量儀。分析了功耗測(cè)量儀的總體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，給出了儀器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及儀器應(yīng)用方法。經(jīng)實(shí)踐證明，該功耗測(cè)量儀在測(cè)量精度和實(shí)用性上表現(xiàn)良好。

智能電能表；功耗測(cè)量；校準(zhǔn)

1 背景

隨著國家智能電網(wǎng)建設(shè)逐步推進(jìn)，智能電能表的應(yīng)用日益廣泛，隨之帶來的質(zhì)量問題也日漸凸顯。其中智能電能表自身功耗測(cè)量是一個(gè)非常重要的性能試驗(yàn)項(xiàng)目。

智能電能表的功耗檢測(cè)包括三項(xiàng)數(shù)據(jù)：電壓線路視在功率、有功功率和電流線路視在功率。目前常用測(cè)量方法如下：①對(duì)電壓線路進(jìn)行功耗檢測(cè)時(shí)，需在參比電壓、參比電流、參比溫度和參比頻率下，測(cè)量電壓線路的視在功率和有功功率。讀取電壓線路中瓦特表的示值P，即為電壓線路的有功功率；讀取數(shù)字式電壓線路中電流表的示值I，計(jì)算其與參比電壓的乘積為該電壓線路的視在功率。②在對(duì)電流線路進(jìn)行功耗檢測(cè)時(shí)，需在參比電壓、參比電流、參比溫度和參比頻率下，測(cè)量電流線路的視在功率。讀取電流線路電壓示值U，計(jì)算其與參比電流的乘積為該電流線路的視在功率。使用目前常用方法需要多臺(tái)儀表分別測(cè)量，數(shù)據(jù)也需要人工計(jì)算才能得出結(jié)果，可操作性不強(qiáng)，并且使用儀表直接接入強(qiáng)電回路，存在一定的安全隱患。

2 儀器設(shè)計(jì)

為了解決以上問題，針對(duì)智能電能表的功耗測(cè)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1]要求，項(xiàng)目組研制了一種專用儀器：便攜式智能電能表功耗測(cè)量儀。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括絕緣外殼、液晶顯示器、電源、矩陣鍵盤、片上處理系統(tǒng)（SoC）、存儲(chǔ)器和通訊模塊。功耗測(cè)量儀為手持式便攜設(shè)計(jì)，外殼為絕緣塑料，人工操作簡單便捷，而且具有和上位計(jì)算機(jī)的接口。

在功率測(cè)量和測(cè)量自動(dòng)化方面，市場(chǎng)上有多種功率測(cè)量芯片，本測(cè)量儀采用了某公司的71M6541F系統(tǒng)級(jí)芯片。該芯片為電能功率專用芯片，相當(dāng)于一個(gè)嵌入式微機(jī)系統(tǒng)，是該公司的第四代高度集成SoC，包括：8501兼容MPU、帶有數(shù)字補(bǔ)償?shù)牡凸膶?shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、閃存存儲(chǔ)器和LCD驅(qū)動(dòng)器。71M6541F采用單轉(zhuǎn)換器技術(shù)（Single Converter Technology），內(nèi)置一路22位Σ-Δ ADC數(shù)字溫度傳感器、3路模擬輸入、數(shù)字溫度補(bǔ)償、精密電壓基準(zhǔn)和32位計(jì)算引擎(CE)，只需少數(shù)外部元件可完成多種設(shè)計(jì)。

在測(cè)量數(shù)據(jù)采集方面，儀器通過TA1015-3交流互感器采集回路電壓、電路數(shù)據(jù)，該互感器體積小、精度高、電壓隔離能力強(qiáng)、安全可靠，且不需為測(cè)量儀提供額外電源供電。使用互感器采樣，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)弱電隔離，提高了操作安全性。

在與上位計(jì)算機(jī)通訊時(shí)，采用PL2303芯片給電路供電以及和上位機(jī)通訊，PL2303 是Prolific 公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS232-USB 接口轉(zhuǎn)換器，可提供一個(gè)RS232全雙工異步串行通信裝置與USB 功能接口直接連接的解決方案。該器件內(nèi)置USB功能控制器、USB 收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)的UART， 只需外接幾只電容就可實(shí)現(xiàn)USB 信號(hào)與RS232 信號(hào)的轉(zhuǎn)換。圖3所示為USB接口電路，主要由三部分組成，分別是USB接頭，USB供電和USB數(shù)據(jù)收發(fā)。USB接頭提供USB的物理接口，通過USB線可與USB設(shè)備連接。整個(gè)USB轉(zhuǎn)串口線不需要外接電源，直接使用USB供電即可，在本電路中，為了保證USB供電的電壓質(zhì)量，采用了電感隔離和濾波器電容。測(cè)量儀實(shí)物圖見圖2。

3 儀器校準(zhǔn)

3.1 電壓回路功耗

表1 電壓回路測(cè)量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)（電壓220V，功率因數(shù)cosΦ=1.0）

用便攜式功率源輸出mA級(jí)別的電流至儀器電壓功耗測(cè)試回路和標(biāo)準(zhǔn)電能表COM 3000電流測(cè)量回路，電流選擇30 mA、60 mA檔。同時(shí)分別輸出220 V、110 V、55 V電壓至儀器電壓功耗測(cè)試回路和標(biāo)準(zhǔn)電能表COM 3000電壓測(cè)量回路。分別在功率因數(shù)1.0、0.5L狀態(tài)下進(jìn)行校準(zhǔn)。以電壓220V，功率因數(shù)cosΦ=1.0為例（見表1），最大誤差+0.17%，符合誤差小于千分之五的設(shè)計(jì)要求。

3.2 電流回路功耗

用Fluke 5520A多功能校驗(yàn)儀輸出mV級(jí)電壓至儀器電流功耗測(cè)試回路對(duì)測(cè)量儀進(jìn)行校準(zhǔn)。電流回路測(cè)量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)見表2，最大誤差0.20%，符合誤差小于千分之五的設(shè)計(jì)要求。

圖1 便攜式功耗測(cè)量儀總體結(jié)構(gòu)

圖2 便攜式功耗測(cè)量儀實(shí)物圖

4 儀器應(yīng)用

智能電能表便攜式功耗測(cè)量儀的接線如圖3所示。該功耗測(cè)量儀有5條輸入線，其中3條對(duì)應(yīng)接入電壓回路，2條接入電流回路，圖中所示的是單相電能表接入方法，相似的，如果是三相四線電能表，則在每相對(duì)地回路分別測(cè)量，共需測(cè)量3次；如果是三相三線電能表，則在A、C相分別對(duì)B相進(jìn)行測(cè)量，共需測(cè)量2次。

在測(cè)量完成后，通過USB線纜將功耗測(cè)量儀與計(jì)算機(jī)連接，通過圖4所示的“電能表功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”軟件將測(cè)量儀中的數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)。上傳時(shí)需要配置與電能表功耗測(cè)量儀通信的串口號(hào)和串口通訊協(xié)議，最后通過選擇不同的報(bào)表存儲(chǔ)路徑，用戶可以把生成的報(bào)表保存在計(jì)算機(jī)硬盤上。

表2 電流回路測(cè)量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

圖3 測(cè)量儀連接示意圖

圖4 計(jì)算機(jī)軟件界面

5 結(jié)束語

使用智能電能表便攜式功耗測(cè)量儀可直接對(duì)單相、三相多規(guī)格電能表產(chǎn)品進(jìn)行各個(gè)回路的功耗數(shù)據(jù)測(cè)量，安全性高，測(cè)量精度高，與原有多臺(tái)儀表測(cè)試、人工計(jì)算數(shù)據(jù)的方法相比具有顯著先進(jìn)性。本智能電能表功耗測(cè)量儀經(jīng)過多家電能計(jì)量實(shí)驗(yàn)室使用后，反饋效果良好。

[1] GB/T 17215.211-2006, 交流電測(cè)量設(shè)備通用要求、試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)條件第11部分：測(cè)量設(shè)備[S].

[2] 馬宇明,趙波,陳道升,李博,等. 手持式電能表功耗檢測(cè)儀[P]. 中國專利： ZL201320621613.8, 2014-04-16.

[3] 趙波,馬宇明,李博. 智能電能表功耗測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J]. 環(huán)境技術(shù), 2015(1)： 40-42, 51.

趙波（1979.12-），男，江蘇張家港人，江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院高級(jí)工程師，主要從事計(jì)量科技研究與管理工作。

Design, Calibration and Application of Portable Energy Consumption Instrument of Smart Meter

ZHAO Bo1,2, ZHAO Min2, Ma Yu-ming1
（1. Jiangsu Institute of Metrology, Nanjing 210046; 2. College of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016）

According to the problems in smart meter energy consumption measurement, the portable energy consumption instrument of smart meter is designed. This paper presents the construction and key technologies of the instrument, and introduces the calibration and application methods. Experiments show the instrument works well in measurement accuracy and efficiency.

smart meter; energy consumption measurement; calibration

TM<933.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A class="emphasis_bold">933.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004-7204（2015）03-0047-03933.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1004-7204（2015）03-0047-03

A 文章編號(hào):1004-7204（2015）03-0047-03