檢定高壓電能表的多表位誤差計的設計

賴榮光

摘要：本文介紹了一種多表位電能誤差計的工作原理、軟硬件設計、誤差計算方法和實例，以標準表的脈沖輸出作為多表位誤差計的同源輸入，擴展多表位檢表。應用表明，該設計方案結構簡單、準確度高，支持多個被檢表的并行檢定，提高生產效率，其精度滿足高壓電能表的整體檢定要求。

[關鍵詞]高壓電能表 整體校驗 多表位 誤差計算

6～35kV直接接入式電能計量裝置技術路線有多種，如采用傳統電磁式電壓互感器、電流互感器、電能表組成的高壓電能計量箱，采用傳統電磁式電壓互感器和電流互感器小型化、二次側增加計量模塊組成的小型化高壓電能表，或者采用電子式電流互感器、電阻/電容分壓以及計量模塊集成的一體化直接接入式高壓電能表，本質上都是將三相電壓、電流輸入到此類高壓計量裝置，經過降壓處理，實現電氣量測量、電能計量和需量計算。2017年3月1日開始執行《GB/T32856-2016高壓電能表通用技術要求》，近幾年來逐漸發展成熟的一體化高壓電能表（由裝入同一殼體內的高壓電流電壓傳感器、高壓供電單元、電能計量單元、通信單元等組成）一直缺少電力行業的檢定規程，但隨著高壓取電、整體計量和無線通信等一二次融合技術大量地應用于配電網的同期線損考核、高壓計量和高壓防竊電，相關的國家計量檢定規程即將出臺。

國內目前有多個廠家已經研制成功高壓電能表整體誤差檢定裝置，包括三相電能標準表、三相程控功率源、高壓升壓器及其電壓互感器、高壓升流器及其電流互感器，以及安裝有檢表軟件的主控電腦。檢定裝置通過整體校驗法既可以檢定傳統高壓電能計量箱，也可以檢定一體化高壓電能表。另外，一體化高壓電能表將電能計量單元與傳感器統一設計，改變了傳統計量連接方式，把高壓、大電流通過傳感器直接處理成可連接至計量模塊的信號，減少了電壓、電流信號的轉換次數，降低了傳感器輸出容量，適合將這種技術方案的電能表作為一個整體進行計量檢定。整體法校準高壓電能計量裝置具有直接、快速、準確的優點，是配網中高壓電能計量裝置量值傳遞方式的發展方向。

本文設計與實現了一種以并行方式同時檢定多臺被檢高壓電能表的多表位誤差計，基于標準表法計算誤差，因標準表與被檢表處于同步狀態，對電源穩定性要求大為放寬，只需要保證高壓電壓與電流互感器的精度。將高壓電能表檢定裝置的標準表的脈沖輸出接口連接此誤差計的脈沖輸入接口，由功率源輸出相同的電壓、電流經過高壓升壓器和高壓升流器，再經過高壓電壓互感器、高壓電流互感器反饋至標準表，多個被檢表處于同一負荷條件，誤差計接收多個被檢表的電能脈沖，實時計算電能誤差。誤差計將標準表作為脈沖輸入基準源，同時接收多個被檢表的脈沖輸入，兩者進行比對，則可計算出多個被檢表的電能誤差。各個表位電能誤差在液晶顯示屏上直觀顯示，檢表軟件將定時抄讀當前被檢表的誤差值在電腦上顯示并存儲。

1 多表位誤差計硬件方案

1.1 高壓電能表檢定系統的組成

10kV高壓電能表檢定系統主要由高壓電能表檢定裝置及其檢表軟件組成，如圖1。本文論述的檢定裝置包括三相電能標準表CL311V5、三相程控功率源CL303、10kV高壓升壓器及其電壓互感器、10kV高壓升流器及其電流互感器、多表位誤差計，檢表軟件運行在安裝有Windows系統的主控電腦（PC機），通過三元件法升壓與反饋、二元件法升流與反饋，控制輸出最大電壓10kV、最大電流600A及不同功率因數。

由檢表軟件通過RS232串口、無線模塊向標準表、功率源、被檢表發送與接收控制功率源、設置參數、抄讀瞬時量和電能誤差等命令，支持各種設備的通信協議，完成被檢表在合相、分相時各個不同負載電流、功率因數的整體誤差檢定。

1.2 多表位誤差計的硬件設計

多表位誤差計包括機箱、主控模塊、8個誤差計算模塊、電源模塊、液晶顯示屏、多無線脈沖輸入、1路標準表脈沖輸入、本地無線通信等，工作電源為220VAC。主控模塊與多個誤差計算模塊統一采用處理器STM32F103和本地無線模塊A7139，內部通過SPI總線連接，硬件結構組成框圖參見圖2。

本地無線選擇微功率短距離無線通信技術以及點對點通信方式，被檢高壓電能表以無線脈沖的形式發出電能脈沖信號，誤差計算模塊接收到無線脈沖輸出命令后，計算脈沖起止時間和脈沖個數，實現與常規低壓電能表相同形式的標準表法進行校表、檢表，獲得整體電能計量的準確度。此種高電壓分相計量電能脈沖輸出實現技術，可在慢速通信方式下輸出滿足精度要求的電能脈沖，從而大幅降低設備的生產成本和設計難度，避免高壓工作環境下要求較高的絕緣水平和較大的安全距離，有利于無線脈沖方式校表。

2 多表位誤差計軟件設計

2.1 主程序設計

多表位誤差計完成相關參數配置、通信處理、誤差計算和顯示，電能誤差計算流程詳見圖3。

各處理器運行嵌入式實時操作系統RT一Thread，主控模塊以分布式架構與各個誤差計算模塊實現數據交互，滿足多任務設計、任務調度、實時中斷、內存管理等應用。手動檢表時，操作人員通過觸摸屏設置誤差計和被檢表的相關通信參數、計量參數;自動檢表時，由檢表軟件自動完成參數校驗與配置。

2.2 無線通信處理

多表位誤差計的主控模塊、誤差計算模塊各自連接一個無線模塊，由于采用點對點通信，各個通信模塊工作于不同的信道（最大32信道，可設），避免無線通信干擾。主控模塊用于接收與應答檢表軟件對誤差計的參數配置，如每個被檢表的無線信道、脈沖接收地址、電表常數等。誤差計算模塊只接收被檢表在本無線信道下傳輸的無線脈沖報文，每接收到1個包含糾錯與校驗的報文，則表示被檢表輸出1個脈沖，根據標準表和被檢表的相關參數計算出電能誤差。

2.3 誤差計算方法

多表位誤差計的電能誤差計算原理和方法如下：

假定檢定裝置的高壓電壓互感器的電壓變比為PT，高壓電流互感器的電流變比為CT，高壓脈沖常數為HC;每個表位被檢表的電壓變比為PT，、電流變比為CT;和高壓側脈沖常數為HC。

（1）檢表軟件根據PT，CT，和HC，計算出標準表對應的低壓脈沖常數LC，并將LC，下發到標準表，標準表根據LC，產生的電能脈沖作為電能脈沖。

（2）檢表軟件將標準表參數（PT，CT，和HC，），以及各個表位被檢表參數（PT、CT;和HC）同步下發到多表位誤差計的主控模塊。

（3）多表位誤差計的主控模塊將標準表參數和各表位被檢表參數分發至各個誤差計算模塊。

（4）各個誤差計算模塊根據標準表參數和被檢表參數，計算出被檢表和標準表的低壓側脈沖常數比例R，該比例表示每當標準表輸出1個電能脈沖，則理論上被檢表需要輸出R;個電能脈沖。

（5）誤差計算模塊收到標準表的基準電

能脈沖，則記錄當標準表前脈沖的發生時刻T。若標準表起始脈沖時刻Tp的值為0，則.rl

To=Tg，標準表脈沖個數N，=0;否則標準表脈沖個數N，增加1，并計算平均脈沖時間Tpo

（6）誤差計算模塊收到各表位被檢表的電能脈沖，則記錄當被檢表前脈沖的發生時刻Ti。若標準表起始脈沖時刻To的值為0，則To=Tn，標準表脈沖個數N;=0;否則標準表脈沖個數N;增加1，計算平均脈沖時間T，根據T;和R;計算出被檢表對應標準表低壓脈沖常數LC，時的平均脈沖時間T。

（7）當N，和N;都不為0時，誤差計算

模塊會計算最近一次的誤差值Err，計算完畢則令To=Tn，N，=0，To=T;，N;=0，返到第（5）步，重新開始下一次誤差值計算。

3 應用案例

運行于Windows系統的檢表軟件基于.NET框架，使用C#編程語言開發，為了實現對多表位電能表檢定裝置的通信控制，采用SerialPort類的DataReceived事件驅動的方法設計，支持多串口驅動、多設備通信規約和多線程，確保穩定可靠地與功率源、標準表、電流切換控制器、被檢表等設備進行有線或無線通信。

3.1 標準表與多表位誤差計的檢表誤差對比

檢表時，誤差模式可選擇標準表或多表位誤差計，即由標準表本身計算電能誤差，或者由誤差計計算電能誤差。本文論述的被檢表主要技術參數為：三相三線，電壓3x10kV，電流100（400）A，有功電能0.5S級，無功電能2.0級。表1所示檢表數據為“合相，電壓10kV，電流100A，功率因數1.0”輸出時同一被檢表的有功電能誤差。對比結果表明，采用原有的標準表或者擴展設計的誤差計在同一高壓電能表檢定系統中，由于存在無線傳輸的延遲及誤差計算的精度，兩者絕對偏差的平均值最大為0.01%，即十萬分之一，完全滿足檢定電能精度為0.2S、0.5S、1.0級的高壓電能表。

3.2 多表位誤差計檢測多個被檢表

誤差模式選擇多表位誤差計，檢定裝置的功率源輸出“合相，電壓10kV”時，在不同負載電流和不同功率因數下，同時檢定4只高壓電能表的檢表誤差數據詳見表2。結果表明，誤差算法具有實時性、準確性、抗干擾性，滿足多臺高壓電能表同時整體檢定的需求。

4 結束語

以標準表僅有的一路脈沖輸出，作為多表位誤差計的同步脈沖輸入源，可擴展成多路誤差計算器，實現并行方式同時檢定多臺被檢高壓電能表，提升現有單表位檢定系統的檢定能力。在整個檢定系統中，采用無線通信設計被檢表的電能脈沖傳遞，比光纖通信安全、經濟，但是對通信設計要求較高，通過以下方式提高無線通信的穩定性和誤差計算的真實性。

（1）無線脈沖信道可配置。多表位誤差計與被檢表的無線信道由檢表軟件自動設置，在同一信道下不會收到其它信道的通信報文，避免無線干擾;另外誤差計不需要判定接收到的脈沖來源于某個被檢表的通信地址，加快并發通信處理，提高電能誤差計算精度。

（2）如果無線脈沖傳輸時丟失某個脈沖，此時抄讀的誤差值小于-45%，必須在檢表軟件中忽略，以實際有效脈沖數計算檢表時的平均電能誤差值。

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