區域和省級計量中心電能表標準裝置準確性遠方檢測及狀態監測技術研究*

沈　鑫，曹　敏，李仕林，王　昕，劉清蟬（云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明650217）

區域和省級計量中心電能表標準裝置準確性遠方檢測及狀態監測技術研究*

沈鑫，曹敏*，李仕林，王昕，劉清蟬
（云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明650217）

隨著區域電網和省級電網電能計量中心實驗能力控制和管理的要求不斷提高，電能計量準確性保證管控愈發重要。針對目前國內電網公司各級供電局計量中心還未實現對電能表標準裝置的準確性和運行狀態實時掌控、對于標準裝置的工作中的偏移、運行效率以及故障情況不能及時發現的問題而提出的，分別運用在線監測裝置、遠端集控系統軟件，實現對電能表標準裝置準確性的監測和對電能表標準裝置運行情況的實時遠端監控。

電能計量；遠方檢測；標準裝置；狀態監測；數據分析

隨著區域電網和省級電網各供電局計量中心的建立和發展，各級電能計量中心實驗能力控制和管理的要求不斷提高，電能計量準確性保證管控愈發重要。為了保證電能計量準確性，并解決現有電能表標準裝置管控缺乏實時在線監測的問題，有必要對電能表標準裝置準確性的遠方檢測及狀態監測技術進行研究，實現區域內乃至全省范圍內的電能計量檢測、檢定、試驗能力的全面管控和評價。電能表標準裝置準確性遠方檢測及狀態監測技術的研究及監測平臺的建立，可有效實現區域電網和省級電網各級計量中心實施實時狀態監測，改變現有電能標準裝置定期送檢及維護現狀及不足，促進國內電網電能計量管控水平。

目前國內電網公司各級供電局計量中心電能表標準裝置的檢定按JJG 597-2005《交流電能表檢定裝置檢定規程》進行定期檢定和定期維護，還未實現對電能表標準裝置的準確性和運行狀態實時掌控，對于標準裝置的工作中的偏移不能及時發現。國外對電能表標準裝置準確性遠方檢測及狀態監測有一定的現實需求及理論研究，但并未實施電能表標準裝置的準確性遠方檢測及狀態監測，因此，為了保證電能標準裝置的準確可靠和在線的管控，有必要開展電能表標準裝置準確性遠方檢測及狀態監測技術研究。

1　系統設計及結構

如圖1所示，系統整體結構主要由電能表標準檢定裝置、標準電能表、0.05級監測裝置、0.01級比較儀、匯總保存及現場顯示服務器、遠方監測平臺組成。

系統的主要技術難度和重點包括以下4方面：

（1）對電能表標準裝置準確性遠方檢測及狀態監測技術的技術難點進行分析研究；

（2）完成0.05級監測系統及裝置和0.01級電能基準裝置開發；

（3）實現電能表標準裝置準確性遠方檢測及狀態監測平臺搭建；

（4）試點實現省級計量中心電能表標準裝置準確性遠方檢測及狀態監測改造，并實現該計量中心電能表標準裝置的計量檢測、檢定、試驗能力全面管控。

圖1　整體系統運行框圖

1.10.05級監測系統及裝置的結構

0.05級監測系統由電壓電流采樣單元、三相合并單元組成，通過對校驗臺的輸出信號進行測量并對校驗臺的標準表電能脈沖進行記錄，以及后方服務器的集中數據分析處理，實現實時在線對電能表標準裝置的準確性進行監測。

圖2　監測系統運行原理

1.1.1電壓采樣方式

前端采用精密儀用電壓互感器，將480V電壓直接轉換成便于數據采集模塊的A/D采集4V電壓，該電壓互感器采用無源的雙級電壓互感器設計，有較高的輸入阻抗，在并接于電能表校驗裝置輸出上時基本不增加裝置的負載，U/U變換器采用模塊化設計，便于上一層的量值傳遞。

圖3　監測裝置電壓采樣方式原理

通過18bit高分辨率以及超高的過采樣率保證監測系統能夠迅速、精確地測量各種信號。

對這種采樣方式進行了如下測試：使用雙通道交直流比較儀對兩組信號進行比對，通道1在測試中切換前端電壓互感器的比例使得在分別輸入480V、240V、120V、60V信號時，電壓互感器二次輸出總能保證4V信號輸出；通道2則在測試過程中不切換電壓互感器的比例，電壓互感器二次輸出在4.0V～0.4V之間；兩通道的電壓互感器一次端并接后分別輸入相同的480V、240V、120V、60V信號，通過交直流比較儀記錄計算結果。

測試結果數據如表1所示。可見，當減去兩通道間的固定誤差以及互感器的固定誤差后，可以計算出兩種電壓采樣方式的非線性差異小于0.01%，雖然電壓互感器二次不調整增益使得測量不確定度在較低的輸入信號時增大，但綜合其整體準確度仍能滿足其設計要求。

表1　監測裝置電壓采樣模塊線性度測試

1.1.2電流采樣方式

測試結果數據如表1所示。可見，當減去兩通道間的固定誤差以及互感器的固定誤差后，可以計算出兩種電壓采樣方式的非線性差異小于0.01%，雖然電壓互感器二次不調整增益使得測量不確定度在較低的輸入信號時增大，但綜合其整體準確度仍能滿足其設計要求。

如圖4所示，根據0.05級監測系統設計要求，即一方面要快速響應信號的變化，同時要不影響被監測電能表標準裝置的運行。因此在電流采樣方式上做了較大的創新，電流采樣前端使用0.01級穿心式設計100 A/80mA雙級電流互感器，互感器二次輸出固定接入進口四端采樣電阻，使其不增加、不改變運行中的校驗裝置電流回路的負載，從而保證既能快速響應信號的變化又能不影響被監測電能表標準裝置的運行。

但這樣的恒定負載方式往往會使得小電流時準確度下降較大，為此在四端采樣電阻和補償電路將電流轉為電壓后，通過可以高速切換增益、動態范圍1 000∶1的程控增益儀用放大器對電壓信號進行放大，使得輸出信號在設計的100 A～1 A范圍內維持在0.4 V～4.0 V之間，保證后面18 bit高速AD進行模數轉換的準確性。

圖5（a）、5（b）、5（c）、5（d）面是程控增益儀用放大器的增益切換特性分析

圖4　監測裝置電流采樣方式原理

圖5　電流量程切換速度測試

由圖5中曲線可知，程控增益在1、10、100間切換時，由開始切換到輸出準確度穩定在10×10-6以內，其所需的建立時間均在2μs以內，而監測裝置中采樣速率是100 ksample/s，也就是采樣間隔是10μs，因此在100 A～1 A切換增益過程中有足夠的建立時間使得信號可以達到器件的最佳準確度，并且完全不影響監測系統任意一個采樣點的正常采樣，從而保證監測系統的快速響應性和較高的準確度。

1.1.3電流采樣電路設計

設計如圖6所示，為了盡可能地在最佳的量程范圍內對信號進行采樣，以及適應負荷的變動，采用上圖所示的采樣系統對U/U、I/U變換輸出的小電壓信號進行采樣。在電流采集模塊中采用STM32 的CORTEX-M3系列高性能低功耗單片機對當前信號大小進行實時的監測。當采樣點數據小于當前量程的8%時，通過增加儀用放大器的增益使放大器輸出信號盡可能的接近18 bit ADC的量程，提高測量準確度；而當采樣點數據超出當前量程的95%時，通過降低儀用放大器的增益使信號不超出量程范圍，保證監測數據的準確性。

圖6　采樣電路原理

由于現在高分辨率高采樣速度的SAR型ADC為了消除SAR型ADC內部開關電容對輸入端產生的尖脈沖影響，以便提供更高的準確度都采用差分方式對信號進行采樣，如圖7所示。

圖7中所示電路只能對0 V以上的信號進行采樣，但I/U、U/U輸出是±5，不能直接進行采樣，需要使用適當的接口驅動電路對工業信號進行衰減、電平轉換和差分轉換，使其具有與ADC輸入要求相匹配的正確幅度和共模電壓。雖然可以利用電阻網絡和雙通道運放來設計適當的接口電路，但電阻的比率匹配誤差和放大器之間的誤差會形成最終輸出端的誤差。特別是在低功耗水平上，實現所需的輸出相位匹配和建立時間可能非常困難。

因此采用差分放大器AD 8475執行衰減、電平轉換和差分轉換，無需任何外部元件。AD 8475是一款全差分衰減放大器，集成精密薄膜增益設置電阻，可提供精密衰減（0.4×或0.8×）、共模電平轉換、單端差分轉換及輸入過壓保護等功能。采用5 V單電源供電時，其功耗僅為15mW。其工作電路如圖8所示。

由于系統中I/U、U/U的輸出為±5V的輸出，因此在電路中使用AD 8475的0.8×對輸入信號進行衰減。

圖7　SAR型ADC電路

圖8　單端轉差分電路

1.1.4監測裝置采樣傳輸控制電路設計

監測裝置采樣傳輸控制部分采用Altera公司的 Cyclone II系列的 EP2C20F256C8N，內嵌Nios II嵌入式處理器。而且，SOPC Builder還提供了標準的接口方式，以便用戶將自己的外圍電路做成Nios II軟核可以添加的外設模塊。這種設計方式，如圖9所示，更加方便了各類系統的調試。

在Avalon總線下編寫了AD采樣通信邏輯單元，由于合并單元需要下發檔位控制命令，同時也需要接收采樣模塊的數據，所以合并單元與采樣模塊之間需要雙向通信。而為了增強系統的可靠性，通過通信時序的巧妙運用，實現用最少的光纜數目實現雙向通信以及較高的采樣同步準確性，系統中使用三根光纖連接一個采樣模塊。其時序如圖10所示。

圖9　監測裝置采樣傳輸控制原理

圖10　混合通信控制時序

通過電壓、電流采集模塊中單片機對時序的控制，在AD的BUSY引腳變低時，通過單片機的IO對連接在AD采樣控制引腳的混合控制信號拉低，從而將混疊在混合控制信號中FPGA端發送過來的通信數據分離出來。單片機發送的通信數據則通過與AD芯片連接成菊花鏈的方式，尾隨在AD數據后一同發出，在FPGA端通過AD采樣通信邏輯將AD數據和通信數據分開，并對通信數據進行整理和校驗。由于是由硬件邏輯實現對通信數據的整理和校驗，因此大大降低了對處理器的要求。該通信、控制方式在測試過程中實現通信和采樣互不相干，達到預期的效果。

1.1.5監測裝置安裝方式

安裝效果如圖11所示，0.05級監測裝置的三相合并單元（采樣傳輸控制）安放在電能表標準裝置的機柜頂端，單/三相電壓電流采樣單元固定在機柜內部，作為采集器與電能表標準裝置中的標準表實行電壓并接、電流串接，通過T型BNC將標準表的脈沖輸出分成兩路其中一路接到監測裝置的脈沖輸入端。監測裝置端的光纖接口為SC接口，采用單模2芯光纖布線。安裝完畢后對監測裝置設定固定IP地址、電能表標準裝置的編號以及輸入對當前電能表標準裝置的備注信息，然后監測裝置便會將當前采集的信息發送到后臺服務器。

圖11　監測裝置安裝方式

1.2開發0.01級電能基準裝置

1.2.1電能基準裝置運行框圖

本0.01級電能基準裝置由電壓電流采樣單元、數據處理及誤差顯示單元組成。主要用于對0.05級監測系統的期間核查。0.01級電能基準裝置是為了建立一個實驗室的電能基準，因此內部的設計方式有別于0.05級監測裝置。

圖12　電能基準裝置原理

1.2.2電能基準裝置整體原理

電能基準內部的前端結構與監測裝置類似，都是通過FPGA模塊控制采集模塊接收采集數據。但與監測裝置不同，電能基準需要整機送上一級檢定，所以需要在內部增加運算單元。經過研究決定使用低功耗工控機作為數據運算處理單元，同時通過電能基準的液晶屏顯示，使得操作人員更直觀地看到當前的狀態、比對信息。液晶屏選取10.1 inch IPS 1 280像素×800像素高分辨率廣視角液晶屏，使得信息顯示更豐富。通過觸摸屏的操作選取信息的觀察方式，能更好地從各個角度分析當前狀況。預留兩個USB外部接口方便用戶在現場對數據進行存儲。

圖13　電能基準裝置整體原理

1.2.3電壓采樣方式

0.01級電能基準裝置的電壓采樣通道前端采用的精密儀用電壓互感器可以通過小信號繼電器在互感器二次進行400 V、200 V、100 V和50 V的量程切換，保證在上述檔位輸入滿量程信號時，二次輸出信號為4 V信號。后面的模數變換硬件部分與監測裝置一致，采用高準確度高采樣率A/D對互感器二次信號進行采集，為了進一步降低最終數據的不確定度，在電能基準裝置中采用更高的采樣率，通過更高的過采樣率提高數據的準確度。采樣模塊使用了數字溫度補償技術，通過每一相溫度的準確測量，分別對電壓、電流進行補償，最終使得整體溫度系數維持在較低的水平。

圖14　電能基準裝置電壓采樣方式原理

1.2.4電流采樣方式

0.01級電能基準裝置的電流采樣通道前端采用雙級電流互感器，其一次回路有100 A、10 A、1 A 3個電流檔位，通過一次繼電器切換，使得二次回路電流在8mA～80mA范圍。檔位切換采用程控手動和自動換檔方式，前者適合于送檢時的穩態信號比對，后者適合于與0.05級監測裝置并聯運行對監測裝置各個量程點的長期穩定性的核查。

圖15　電能基準裝置電流采樣方式原理

1.2.5電能基準裝置安裝方式

安裝效果如圖16所示，0.01級電能基準裝置通過儀表推車，放到需要進行期間核查的監測裝置旁，與監測裝置中的電壓電流采樣單元實行電壓并接、電流串接，將監測裝置的脈沖輸出接到基準裝置的脈沖輸入端。基準裝置端的光纖接口為SC接口，采用單模2芯光纖布線。0.01級電能基準裝置是為了考核長期穩定性設計，因此電能基準裝置應該與在各個電能表標準裝置上的監測裝置之間進行循環比對。

圖16　電能基準裝置安裝方式

比對的方式可以分為2種：（1）在線比對；（2）常規比對。

在線比對也就是在電能表校表的過程中自動完成各個測試點的比對，其好處是能快速檢驗常用的測試點準確性，缺點是準確性要略差于常規標準表比對。而常規比對則是將0.05級監測裝置從電能表標準裝置上取下，與0.01級電能基準進行單獨的比對，其比對的準確性會較高，但工序和耗時會較多。但上述2種方式都基本不影響電能表標準裝置的正常校驗工作，這是本系統的特色之一。

因此推薦首先在較短的時間內（優先1 d內）依次與多個監測裝置進行并聯工作，如果某臺監測裝置的誤差超出誤差帶允許范圍，則對該臺監測裝置進行常規比對，否則跳過常規比對步驟。這樣即可最大限度的降低操作的復雜度，提高校表的質量和效率。

2　電能表標準裝置準確性遠方檢測及狀態監測軟件設計

2.1電能基準裝置安裝方式

整體硬件連接方案如圖17所示，0.01級基準裝置和各個0.05級監測裝置以及對應的電能表標準裝置的PC機通過交換機與現場服務器連接。整體系統的軟件架構如圖18所示。

圖17　整體系統裝置測試、安裝方式

圖18　整體系統裝置測試、安裝方式

0.01級基準裝置和各個0.05級監測裝置均作為采樣Socket服務端，服務器端的多通道運算客戶端從采樣服務端獲取采樣數據并計算出電壓、電流、功率值，電能表標準裝置的PC機中通過規約轉換軟件連接服務器端的狀態監測軟件和PC機中的校表軟件進行通信，如圖19所示。

圖19　整體系統裝置測試、安裝方式

2.2系統開發平臺

本系統選用Visual Studio.net2010的C#作為系統軟件開發平臺，如圖20所示。

（1）校驗軟件PC-X為每套校驗裝置配套校驗軟件所運行的電腦，X表示校驗裝置序列號，排序為1到8，根據各廠家校驗裝置不同，校驗軟件也不相同，但都需要在校驗運行中起到2種作用。

①擔任其固有的職責，通過與校驗裝置通信，進行電能表各種功能的檢測。

②作為客戶端，應記錄當前裝置運行狀態、軟件測試功能項、測試負載點名稱、各表位測試數據等信息，通過TCPSocket主動將數據發送到作為服務端的監控PC電腦上，其發送數據格式應符合“校驗軟件與監控通信協議”規約約定。

（2）監控PC：在此電腦上運行著“裝置監控軟件”，該軟件運行中主要起到3個作用：

①作為服務端，通過TCPSocket實時監聽客戶端（各廠家電能表校驗軟件）所發出的裝置運行狀態、軟件測試功能項、測試負載名稱、各表位測試數據等信息，根據“校驗軟件與監控通信協議”規約，解析從客戶端（各廠家電能表校驗軟件）接收到的裝置校驗運行狀態及測試數據等信息。

②作為監視器，此功能為該軟件的主要功能，把作為服務端職責的，從各校驗軟件接收到的裝置運行狀態、各表位測試數據等信息實時顯示在監控顯示器上，以方便使用者查看檢測裝置當前運行情況及檢測數據。

③作為客戶端，通過通信方式把作為服務端職責的，從各校驗軟件接收到的數據上傳到用戶終端服務器中，作為裝置運行狀況及測試數據的歷史記錄，永久保存，以便后期維護查看。

（3）終端服務器：為用戶最終存儲校驗裝置長期運行狀況，及各表位檢測數據的存儲設備，該設備配有足夠大的存儲硬盤，以方便長期存儲及歷史數據查看比對。

圖20　系統軟件開發平臺

3　電能表標準裝置準確性遠方檢測及狀態監測的應用

如圖21所示，電能表誤差曲線是通過數據采集系統將電能表檢測數據傳遞給數據處理系統進行數據處理和歸總在通過主站系統所繪制出來能夠更直觀的反應出了電能表的鑒定時間與鑒定誤差值。

圖21　電能表誤差曲線

如圖22所示，不僅僅是電能表的誤差值還有標準裝置的誤差值；標準裝置的誤差值是通過監測PC裝置所獲取；標準裝置與電能表的誤差分析有助于直觀的反應出標準裝置的工作狀態是否穩定以及在該狀態下所檢測出的電能表是否合格。

圖22　標準裝置和電能表誤差曲線分析圖

如圖23所示某標準裝置一定期間內所檢測的電能表合格率以及不合格率的餅圖展示起到一目了然的分析結果。

圖23　電能表檢測合格率餅圖

4　結語

本文介紹了區域和省級各級計量中心電能表標準裝置準確性遠方檢測及狀態監測技術系統的結構特點和技術路線，針對目前國內電網公司各級供電局計量中心還未實現對電能表標準裝置的準確性和運行狀態實時掌控、對于標準裝置的工作中的偏移、運行效率以及故障情況不能及時發現的問題而提出的，分別運用在線監測裝置、遠端集控系統軟件，實現對電能表標準裝置準確性的監測和對電能表標準裝置運行情況的實時遠端監控。

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沈鑫（1981-），男，云南人，云南電網有限責任公司電力科學研究院，博士研究生，高級工程師，昆明市第十三批學術和技術帶頭人，主要研究方向為是電能計量和智能電網技術，237555803.com。

曹敏（1961-），男，山東人，云南電網公司有限責任公司，教授級高級工程師，云南省科技帶頭人，云南省云嶺產業領軍人，云南電網一級技術專家，主要研究方向為是智能電網、設備監測與物聯網技術；

Research on Accuracy Distance Detection and Condition Monitoring of Standard Meter Device for Regional and Provincial Measurement Center*

SHEN Xin，CAO Min*，LI Shilin，WANG Xin，LIU Qingchan
（Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China）

With the requirement of ability and management for regional and provincial power grid electricitymeasurement center increasing，the accuracy assurance of energymetering control becomes significantly important.At present，in view of domestic power grid companies and power supply bureau have yet to realized the running status and the accuracy of real-time control of standardmeter device formeasurement center，for the shiftand operational efficiency of standard device inwork，and the problem of faultcondition is not found in time，that respectively use of on-linemonitoring device，remote control system software to realize the accuracy of themonitoring and real-time remote the performance of the device for themeter device and standard device.

electricitymetering；distance detection；standard device；conditionmonitoring；data analysis

TM 764.1

A

1005-9490（2016）04-0968-10

項目來源：國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目（2011AA05A120）；云南省教育廳重大專項研究項目（2015Z014）

2015-08-16修改日期：2015-10-17

EEACC:818010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.041