0.1級便攜式單相多功能電能表檢測系統研制

2018-08-16 14:16:56楊春鳳張紹旺付昆鵬李亞娟曾舒帆

中國測試 2018年7期

楊春鳳，張紹旺，付昆鵬，李亞娟，曾舒帆，龔榕

(云南省計量測試技術研究院，云南昆明 650228)

0 引言

在當今節能降耗大環境的影響下，電能計量變得極為重要。在電能計量中，研究設備的能效方法、制定相關的檢測標準、研制在線測試裝置，是現在國內外電能檢測研究的重點和熱點[1]。在當前多功能電能現場計量領域中，國內市場上多功能標準表的種類有限，許卓等[2-4]研制了便攜式電能檢測裝置，但多是針對部分應用領域設計的，不能同時具備幾項指標，不適于普遍使用[5]。智能電能的發展及相關資料[6-7]中介紹了當前國內最具進代表性的現場檢測系統，如深圳思達的型號為ST001D5的多功能電能表校驗裝置、深圳科陸電子的CL9305-1型及海鹽電力的HY3000型產品等。這些產品雖功能齊全，但體積大、質量重、不易搬動，不利于現場環境下使用。國外計量動態[8]以及計量大事件[6]中提到，如ZERA公司、美國Fluke公司和Radian公司都研制出了高準確度等級、性能極優的滿足本文所研究檢測裝置系統技術指標的此類產品設備，最具有代表性的是Radian公司的RD33多功能標準電能表。但這些國外產品售價高、容易損壞、修理費用高、修理周期長，不利于現場環境下使用。本文根據上述各系統裝置不適用于現場的特點，研制了便攜式單相多功能電能表檢測系統。該檢測系統測量準確、可靠，具有超強保護裝置以及便攜式的設計，更有利于現場各種環境下使用。

1 系統工作原理及其構成

電能是功率在時間上的積累，其表達式為

式中：p——功率，W；

t——時間，s。

傳統電能計量采用瓦?秒法[9]，但隨著科技發展，當今電能檢測中采用更可靠的秒脈沖智能控制技術。在該檢測系統的設計中，采用智能芯片控制技術，主要由CPU控制輸出諧波信號，該信號經過數字合成、D/A轉換等一系列處理得到所需的電壓、電流信號，將其輸出給被檢表。高準確度GPS時間或高穩定度恒溫晶振提供秒脈沖信號，所有輸出信號及測量結果由多功能檢測模塊來處理和實現。系統結構框圖如圖1所示。

2 系統總體設計方案

為使所研制的檢測系統達到預期理想效果，滿足圖1的工作原理，需進行整體設計。技術指標是整個系統研制的中心方向，系統功能是整個系統能穩定運行的根本，因此在進行具體設計前必須確定系統的技術參數指標、功能模塊。

2.1 系統技術指標設計

依據計量標準及國家對標準裝置的有關規定和要求[10-11]，結合現場使用條件，通過分析評定后設計出所研制檢測系統須滿足下列技術指標：

1）準確度等級：0.1級；

圖1 系統結構框圖

2）輸出范圍：電流0～50 A，電壓0～400 V；

3）測量范圍：電流0～50 A，電壓0～400 V；

4）諧波輸出：2～21次諧波輸出；

5）時鐘標準：秒信號誤差≤10 μs；

6）體積大小：儀器體積約為500 mm×20 mm×500 mm，質量約小于10 kg。

2.2 系統功能設計

所研制檢測系統在滿足上述技術指標的同時，為確保在設計、制作、使用和銷售各環節的合理性，必須確定其功能。

一套完整的電能檢測系統應該包括：有源輸出、有顯示儀表、誤差檢測處理功能，相對應的3個模塊為：功率源、標準表、多功能檢測模塊。因此，該檢測系統由獨立的功率源、標準表、多功能檢測模塊相互協調一致構成。由于多功能檢測的所有參數與時間有關，所以該模塊中應設計有時間標準。本文將分別按不同功能模塊進行分析研制。

3 具體硬件設計原理及技術方案

3.1 功率源的設計及技術方案

功率源的設計采用諧波輸出信號的原理，輸出的諧波信號采用數字波形合成技術。

基波的數學模型為

由式（2）可知，將基波的一個周期波形離散為3 600個數據，每個數據占一個字節，共占用3 600個存儲單元。將相應諧波以2πN/3 600為參數離散，離散成3 600個數據點。然后將基波數據與諧波數據相疊加，得到新數據后送入RAM中供生成波形。

功率源需輸出50Hz的工頻信號，故將以3 600×50=180 kHz的掃描頻率掃描RAM。然后將RAM輸出8位的數字信號通過8位的D/A芯片DAC0832進行數模變換，得到量化的階梯形正弦波輸出。經低通/帶通濾波器濾除高頻分量后，經過前置放大和功放最終形成平滑的、具有一定驅動能力的信號。再通過變壓器或電流發生器生成對應工頻或有諧波疊加的電壓、電流信號。設置、調節等數字化信息由CPU送到波形發生電路的對應部分以實現電源的控制，輸出信號的幅值由D/A環節的基準電壓Uref決定，通過D/A環節的基準電壓Uref信號合并到波形發生電路的D/A變換器中后再一起進行放大處理。變頻由信號脈沖發生器中的脈沖頻率控制，相位由波形計數器中的清零時間間隔來調節。其功率源設計原理結構如圖2所示。

圖2 功率源設計原理結構圖

3.2 標準表的設計及技術方案

標準表由信號輸入A/D轉換部分和裝置硬件控制系統組成，運用DSP作為主要芯片來進行信號乘法累加及誤差處理。信號輸入A/D轉換部分：模擬分壓器與電流互感器通過輸入控制電路輸入電壓、電流信號，經18位A/D轉換輸入到DSP處理器，其中基準電壓電路為A/D提供參考電壓，時序控制電路控制A/D采樣頻率。裝置硬件控制系統部分：被測脈沖信號輸入到DSP處理器中。被輸入到DSP處理器中的被測信號與標準信號進行分析比較，通過編寫好的算法實現所有分析功能，之后將運算結果發送至液晶顯示以及上位機顯示。為方便被檢測，標準表還設計有頻率合成、脈沖輸出功能，所有硬件由DSP處理器控制。標準表的基本原理框圖如圖3所示。

圖3 標準表的基本原理框圖

3.3 多功能檢測模塊的設計及技術方案

多功能檢測模塊主要采用MCU來運作。MUC把CPU、計數器、存儲器（RAM或ROM）以及I/O端口集成在一塊芯片上。在有硬件電路回路的前提下，把需處理的數據、操作指令、計算方法以及步驟等按要求編寫成程序，將其存放在MUC內部或外部的存儲器中。在運行時自動連續地讀取存儲器中的數據，并且按操作指令進行執行。時間標準采用GPS高準確度時間標準為主標準，高穩定度恒溫晶體振蕩器時間為副標準[12]。時間雙標準的設計既能保證時間的準確性，又能保證現場無GPS信號等各種環境下使用時的準確性、可靠性。

多功能檢測模塊采用輪詢檢測的技術方案。設定3塊被檢表的地址，選擇需要檢測的功能，通過檢測程序選擇所須檢測功能并發送指令到每塊被檢表，指令發送成功與否將會有回饋處理，如果成功直接進入下一塊，如果不成功，將有提示后進入下一塊······，直到最后一塊被檢表。如果所有項目檢測完，則提示完畢并結束檢測；如果還需檢測其他功能參數，又將回到第一塊被檢表，以輪詢的方式對被檢表進行檢測。

多功能檢測模塊獨立完成檢測時，需制作一個分辨率為2×10–6的信號源。當MCU接收到多功能電能表給它發出的一個脈沖信號后，MUC就開啟計數功能，計數停止到下一個脈沖信號發出時，由此，MCU便可測得所發兩個連續脈沖間的時間差。多功能電能表除了能統計一個單位時段的電能誤差、功率因素等參數外，還能對瞬時耗電的所有參數（如瞬時電壓/電流幅值、相應頻率、相位、功率因素、時間計量誤差等）進行統計計量。所以有了時間差的計數便可得到檢測時段投切、需量周期以及日計時誤差等多功能參數，從而采用此方法可實現檢測多功能電能表的功能。

4 系統測試驗證及測試方案

為確保研制成果的可行性和可靠性，對所研制的檢測系統進行測試，驗證是否符合國家的相關技術規范要求[10-11]，滿足研制前設計的技術參數及計量性能等。

4.1 測試方案

測試驗證采用標準器具為2003三相多功能標準表、準確度等級為0.02級的電能標準表，以及輔助標準器RD33多功能標準表、CL317多功能標準表、6100B電能質量分析裝置，采用直接測量方法，把被測試檢測系統的讀數值（測試值）與標準值進行直接比較，從而得到檢測系統的誤差范圍。

4.2 測試驗證與測試數據

根據相關的規范規程[10-11，13-15]及測量時全面覆蓋校驗儀的各參數，盡量覆蓋各參數量程[4]的要求，需對所研制檢測系統的各項指標（監視示值、有功功率、功率穩定度、失真度、電壓諧波、電流諧波、秒脈沖）進行測試驗證。本文采用分別對每個功能指標分析測試驗證總結，最后以表格比對的方法對整個系統的所有功能指標與所設計的技術參數對比總結。按設計要求，其中功率示值誤差、功率穩定度、時間準確度、監視示值的所有參數（電流、電壓、功率、相位）顯示誤差考核均應小于0.1%，失真度應小于0.2%。按此要求分別對每個參數進行測試驗證總結，其具體結果如表1～表9所示。

由表1～表9測量數據分析可得，有功功率誤差、監視示值誤差、模塊功率穩定度小于0.1%，模塊失真度小于0.2%；該系統可穩定輸出2～21次電壓、電流諧波；1PPS輸出條件下，開機30 min頻率準確度為1.0×10–6，本次測量結果不確定度為U=5.8×10–7，k=2。