便攜式數字化電能表校驗裝置設計探討

婁彥杰　陳靖公

摘要：文章參照了JJG 596所運用的電子式電能表檢測原理及負載點，結合數字化電能表的采樣特點，設計了一款數字化電能表現場校驗裝置，其優點是可實現數字化電能表在線誤差校驗，并且可分析電子式互感器及合并單元的采樣值報文合法性，從而提高了數字化電能表的運維便利性。

關鍵詞：電能量計量；數字化電能表；誤差校驗；現場校驗；校驗裝置 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN911 文章編號：1009-2374（2015）14-0015-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.008

1 系統工作原理

數字化電能表相對于電子式電能表而言，采樣部分使用了電子式互感器以及IEC 61850-9采樣通信，但電能計量過程基本類似，因此系統校驗原理參照了JJG 596-2012檢定規程中所提到的標準表法-定低頻脈沖測量法。式（1）為標準表法-定低頻脈沖測量法的校驗精度計算公式：

（1）

式中：γ0為檢定裝置的系統誤差，可通過對系統進行修正而消除；W為檢定裝置實測電能值；W0為被檢表的計量電能值。在實際檢測時，所校驗電能表以及系統的電能量都以脈沖數讀取。將被檢表的脈沖常數記為C，校驗裝置的高頻脈沖常數為C0：

W0=N/C W0=NO/CO （2）

則（1）式簡化為：

（3）

式（3）中，N為電能表校驗圈數，N0為裝置檢測到電能表N個電能脈沖時所發出的高頻脈沖數。

2 系統實現方案

2.1 裝置系統結構

根據數字式電能表的運行特點以及設計的校驗原理，結合DTAD6268數字化電能表的結構，經過對其相應軟、硬件的更改、設計，實現了便攜式數字化電能表現場校驗儀。校驗儀系統結構組成包含了CPU處理器、檢測脈沖信號接收單元、采樣值報文收發部分、工作電源、通信以及相應的顯示、按鍵操作等部分，采用MPC8274為系統數據處理器，用于進行數據計算處理，繼而實現軟件功能；被檢表的脈沖信號，通過高速光耦芯片TLP114傳輸到處理器引起中斷響應，其μs級的響應速度迅速將脈沖信號傳輸給處理器接收并處理，同時也實現了信號隔離，增強了系統的安全；系統共設計了兩路光纖以太網口，其中一個用于校驗儀接收IEC 61850采樣值報文并進行電能計量，另一個用于校驗儀向外發送IEC 61850采樣值報文供被檢表計量；電源部分通過NI-MH電池供電，不僅對系統提供工作電源，同時也提供+5V電源輸出，以檢測被檢表的無源脈沖信號；校驗儀系統文件的傳輸通過RJ45電以太網口實現；240×128的LCD液晶屏以及3個按鍵用來實現系統的狀態量顯示以及系統的各項功能操作控制。

2.2 系統功能

校驗儀的功能有電能計量、電能校驗、通信、顯示操作等，采用了Vxworks RTOS系統，在Tornado開發環境下，使用C語言實現系統功能的開發。

校驗儀的系統工作流程為：系統上電啟動后，首先進行初始化，包括中斷寄存器設置、定時寄存器設置、運行任務優先級、系統自檢等；初始化完成后，系統開始運行各項任務，分別完成校驗儀的采樣值收發、電能計量、校驗電能表、界面顯示以及按鍵的控制等任務。

系統的電能計量以IEC 61850的數字化信號為基礎，即將電能計算進行離散化，得到數字信號的電能計算公式；根據IEC 61850協議，采樣一般按照每周波80點進行，因此由采樣報文中得到的電壓、電流值相乘得到瞬時功率，根據采樣的時間間隔進行相乘、累加從而得到相應的電

能值。

系統的校驗功能利用RTOS的信號量機制實現。校驗任務隨著系統的啟動開始運行，等待相應控制量的狀態改變；當通過按鍵進入校驗儀的校驗界面啟動其功能后，相關變量狀態改變使得校驗任務允許脈沖中斷響應中開始進行電能計量；當接收到的脈沖數達到在進行校驗前所輸入的脈沖常數C時，中斷中停止電能計量，并通知校驗任務對檢測結果按照式（3）進行處理，計算出被檢表的計量精度，一次檢測完成；為了提高校驗的精度，減小隨機誤差的影響，每次校驗共累計5次檢測的結果再求平均值，得到校驗的結果。另外，系統在計量電能的同時也能夠對其幅值、頻率、相序等信息進行檢測。在利用現場的采樣值進行校驗時，校驗儀對其電壓、電流信息相關量的顯示，可直接用來檢查前端電子式互感器的CT反序等錯誤接線問題。

在檢定過程中，按鍵設置為禁用，顯示界面處于校驗狀態，更好地實現了系統的可視化和交互功能；在系統啟動后，當校驗儀沒有采樣值報文輸入時，自動通過程序向外發送模擬采樣值報文。

3 系統性能及試驗數據分析

系統脈沖響應對整個系統性能的影響在于從脈沖發出到系統開始響應這段時間內所測電能的功率波動造成的誤差；高速光耦芯片TLP114對脈沖的響應動作延時為μs級，根據變電站的現場運行情況來看，功率波動對檢測造成的影響可以忽略。從設計原理上來看，校驗儀有著很高的校驗精度，參照JJG 596-2012中的電子式電能表的檢測負載點，可以對數字化電能表進行精度

校驗。

在軟硬件的設計實現后，通過實驗，對所設計的校驗儀進行驗證。校驗實驗對象選擇DTAD6268型數字化電能表（有功0.2s，無功優于2.0s精度等級）。首先使用傳統電子式電能表校驗裝置的電源裝置向合并單元發送模擬電壓、電流信號，由合并單元對電能信號進行采樣輸出數字信號，校驗儀及電能表使用合并單元的采樣值進行校驗實驗，根據四項電能（有功正反向、無功正反向）校驗實驗的校驗結果顯示界面，然后直接由校驗儀向電能表發送采樣值報文進行校驗實驗，其校驗結果與第一次實驗結果一致。分別對兩種模式進行了多次重復性實驗，所得結果均一致。

在校驗儀對被檢表發送模擬采樣值報文進行檢測時，模擬報文則是由程序所生成的標準波形數字信號，因而故其檢測誤差結果也為0。由于校驗儀及被檢表使用同一數字化采樣值進行計量計算，消除了由于采樣值不同而引入的誤差，故正常工作的電能表的誤差應十分小；檢測結果中的誤差為0，并不代表被檢表的計量絕對準確，而表示被檢表和校驗儀的計量精度一致，即被檢表的計量是準確的。由此看出，數字化電能表現場校驗裝置能夠快捷地對數字化電能表進行實驗室及現場校驗，校驗結果十分準確，能夠達到所設計的要求。

4 結語

經過實驗，所設計的數字化電能表現場校驗儀，能夠實現所要求的功能，同時也能夠對電壓、電流的幅值、相序以及頻率等信息進行檢測。相對于常用電能表校驗裝置而言，現場校驗儀的體積、重量都大為減小，其便攜性能使得數字式電能表的現場校驗更加快捷、

簡便。

校驗儀已經能夠滿足實驗使用需求，而對于形成產品很好的滿足還需要進一步改進。隨著數字化電能表應用的不斷推廣，其現場校驗工作的便捷也顯得越來越重要；數字化電能表現場校驗裝置不僅能夠快速完成數字化電能表的精度校驗，而且其攜帶、操作都非常方便，對于變電站的日常維護、檢查工作能夠發揮重要作用，也必將隨著智能變電站的發展得到越來越廣泛的

應用。

參考文獻

[1] 劉潤民.電能表現場校驗儀常見問題解析[J].計量技術，2008，（7）.

[2] 國家質量技術監督局.電子式電能表檢定規程（JJG 596-1999）[S].1999.

[3] 楊晴.電力生產過程現場校驗技術發展及應用[J].云南電力技術，2004，32（4）.

[4] 艾兵，江波.數字電能計量以及電能表檢測技術[J].四川電力技術，2011，（4）.

作者簡介：婁彥杰，女，國電南京自動化股份有限公司工程師，MBA，研究方向：數字化電能表相關的智能變電站電能計量產品研制設計和管理；陳靖公，男，供職于國電南京自動化股份有限公司，研究方向：電能計量及電能表相關智能電網產品設計。

（責任編輯：周 瓊）