滿足IR46的新一代智能電能表檢定系統研究

王 祥,姜文輝,姚元其,周焱磊,王林軍,任蘇文,朱云飛,柯時峰

(浙江涵普電力科技有限公司,浙江 海鹽 314300)

0 引言

智能電能表是電網企業智能化建設轉型發展的關鍵設備[1-3]。傳統電能表檢定主要依據JJG 596—2012《電子式交流電能表》等檢定規程的相關技術要求，檢定項目主要包括準確度試驗、電氣絕緣及電磁兼容試驗、通信規約及功能檢測試驗等[4]。新一代智能電能表參照最新的IR46國際標準以及新頒布的相應國家標準GB_T 17215.211—2021《電測量設備(交流)通用要求、試驗和試驗條件 第11部分：測量設備》進行調整[5-7]。但是新標準與以往執行的標準存在一定差異，例如在術語定義、諧波試驗、起動試驗、耐久性試驗、負載電流快速變化試驗、初始誤差試驗、軟件測試方案等方面出現了新的變化和要求[8]。傳統的電能表檢定系統已經不能滿足新一代智能電能表的計量檢定要求，因此需要研制新型高精度多功能電能表檢定系統[9-12]。

本文提出了一種智能電能表檢定系統。該系統采用線性功率放大器，電流輸出最小檔位為1 mA，并且可以輸出0～63次諧波，用于IR46規定的方波、尖頂波等特殊波形試驗以及高次諧波掃頻試驗。標準電能表的精度提高至0.01級，并增加諧波(包括諧波正向、諧波反向)電能測量功能。通過對檢定系統各模塊硬件、軟件以及測試方案等方面的改進和測試項目的添加，該系統可以滿足基于IR46國際標準的智能電能表檢定要求。

1 檢定系統構成

智能電能表檢定系統結構如圖1所示。

圖1 智能電能表檢定系統結構框圖

智能電能表檢定系統主要由程控信號源、功率放大器、標準電能表、誤差計算器、計算機和試驗流程軟件等模塊組成。程控信號源通過雙通道16位數字/模擬(digital-to-analog,D/A)電路可輸出6路0～5 V的模擬小信號，輸出精度可達千萬分之一。這6路輸出信號用于控制功率放大器產生滿足試驗波形要求的三相試驗電壓和電流。功率放大器具有電壓功放和電流功放，通過采用線性功率放大器及負載電壓跟隨技術，降低了失真度和功率管的損耗，同時提高了輸出容量。電壓功放輸出容量為1 000 VA，電流功放輸出容量為2 500 VA，最大支持60個表位同時檢定(即圖1中N=60)。0.01級標準電能表通過快速傅里葉變換(fust Fourier transformation,FFT)算法分析0～63次諧波幅值和初相角，并能計算諧波電能誤差，滿足各種諧波試驗要求。誤差計算器采用32位ARM處理器，可同時實現有功電能、無功電能、秒脈沖誤差的計算。此外，系統還配備了光電頭采樣、藍牙脈沖接口，滿足新一代智能電能表的檢定要求。

2 檢定系統模塊設計

2.1 程控信號源

程控信號源原理如圖2所示。

圖2 程控信號源原理圖

程控信號源采用雙STM32F407芯片作為主控：一片處理人機界面；另一片處理6路波形信號發生及反饋修正。復雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device,CPLD)芯片產生0～90 kHz的邏輯控制方波信號，向含有雙通道D/A芯片的6路調理電路輸出相應的波形控制數據序列，產生0～5 V的三相電壓和電流波形控制模擬小信號Us和Is。

2.2 功率放大器

功率放大器通常采用脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)和線性功率放大兩種方式。PWM功率放大器帶載能力強，但諧波輸出、波形失真度和穩定度等指標較差。線性功率放大器波形失真度和穩定度等指標比較好，但存在工作效率低和輸出容量小的情況，通常負載能力在1 000 VA以下。本文的功率放大器采用線性功率放大器。通過采用線性功率放大器及負載電壓跟隨技術，降低了失真度和功率管的損耗，同時提高了輸出容量，實現了多表位的同時檢表。線性功率放大器原理如圖3所示。

圖3 線性功率放大器原理圖

前置放大電路接收來自程控信號源的波形控制模擬小信號Us和Is，經信號放大后驅動功率管向多擋位升流器/升壓器供電。多擋位升流器/升壓器輸出試驗電壓U和試驗電流I，大功率開關電源作為功率放大器電源。信號反饋電路主要用于調整前置放大電路的放大增益。前置放大電路采用二級運放電路。由于電流功率放大器檔位較多，采用一檔增益在使用過程中容易發生震蕩，因此在第二級運放采用可編程電阻器X9221及外部精密電阻構成T型反饋網絡。這樣可以實現非常寬的放大倍數調節，再通過程序寫入每個檔位的固定增益，保證放大器在每個量程都能可靠運行。管壓降檢測電路檢測功率管管壓降并反饋至開關電源。開關電源調節供電電壓，使功率管管壓降保持不變，從而減少功率管發熱。采用管壓降調節方法可將電流功率放大器容量提升到2 500 VA。

電流功率放大器多檔位升流器量程切換電路如圖4所示。

圖4 電流功率放大器多檔位升流器量程切換電路

為了滿足IR46標準中起動電流0.3 mA的要求，電流功率放大器最小量程檔位為1 mA，并采用電流互感器反饋取樣。電流功率放大器1 mA、5 mA、10 mA檔位受電流互感器體積限制，采用改變電流互感器二次側取樣電阻來實現小電流檔位。

2.3 高等級三相標準電能表

三相標準電能表原理如圖5 所示。

圖5 三相標準電能表原理圖

三相標準電能表主要由三相電壓取樣電路、三相電流取樣電路、信號隔離電路、微處理器計量部分、微處理器人機界面部分等組成。6路模擬信號獨立采樣并電氣隔離。電流取樣回路采用電流互感器取樣，并使用有源補償零磁通技術提高測量精度。模數轉換采用18位高速A/D芯片，模擬電路與數字電路之間采用磁隔離電氣絕緣，并且采用數字補償技術消除模擬電路的非線性及溫漂誤差，從而實現輸入電壓30～600 V和輸入電流0.01～120 A范圍內0.01%的測量準確度。

為滿足IR46標準諧波、方頂波及尖頂波等試驗波形下的測試要求，高等級三相標準電能表除了具有傳統電能計量功能外，還需具備諧波測量與分析的功能。標準電能表選用32位ARM高速處理器，通過傅里葉分析和計算得到各通道信號波形的基波及各次諧波分量。ARM高速處理器內置的浮點運算單元大大縮短了傅里葉分析諧波時的信號處理及計算時間。標準表通過RS-232通信設置，可方便地將全波功率、基波功率、諧波正向功率、諧波反向功率和諧波功率轉化為標準電能脈沖。電能脈沖通過標準表脈沖輸出電路輸出，作為被檢電能表的檢定標準。

2.4 誤差計算器

誤差計算器采用32位ARM高速處理器芯片。該芯片具有強大的計算能力和豐富的外設接口。誤差計算器包含3路獨立的脈沖計算模塊、3路高速RS-485通道模塊、溫度測量模塊、電流開路檢測模塊、標準高頻脈沖輸入模塊、用于智能物聯表檢定的藍牙脈沖和輔助針脈沖切換模塊。誤差計算器可同時進行有功誤差試驗、無功誤差試驗和時鐘誤差試驗，大幅提升測試效率，還可對被測表表位電壓短路、電流開路進行檢測及報警定位，節省了試驗時的故障排查時間。

誤差計算器原理框架如圖6所示。

圖6 誤差計算器原理框架圖

2.5 軟件系統及試驗流程設計

軟件系統采用面向對象的設計方法，將需要控制的模塊設計為不同的類，主要包括標準電能表類、程控信號源類、誤差計算器類、被檢表類、檢驗方案類、控制單元類和控制狀態類。標準電能表類具有設置量程及讀取測量值等功能。程控信號源類具有控制電量輸出功能。誤差計算器類具有脈沖計數及誤差計算等功能。被檢表類具有記錄被檢表相線、標稱電壓、最小電流、轉折電流、最大電流、等級及電能常數等參數的功能。檢驗方案類記錄所要進行的檢驗項目。控制狀態類在檢驗過程中記錄運行狀態并可以標記就緒、開始、停止及進度等狀態信息。檢驗方案包括多個檢驗項目。每個檢驗項目由若干個檢驗點組成。每個檢驗點包含若干個檢驗參數。檢驗參數定義了檢驗點需要的試驗電壓和電流值、測試方法和判定條件。可以根據需要設置多個不同的檢驗方案，但每次檢驗只能選定其中一個方案。為了實施具體的檢驗項目，每個檢驗項目都設計為獨立控件，如起動試驗控件、初始固有誤差控件等。這些控件具有相同的公共屬性和對外功能接口，包括檢驗裝置類屬性和開始測試、暫停測試、停止測試、事件上報公共接口等。

檢驗人員完成電能表參數設置和檢驗方案選擇后，軟件進行裝置初始化并導入檢驗方案，然后根據檢驗方案對各檢驗項目依次進行檢驗。在此過程中，檢驗人員可以干預檢驗過程，隨時停止或重新開始檢驗流程。

軟件主控流程如圖7所示。

圖7 軟件主控流程圖

所有的檢驗項目都需要控制試驗電壓和試驗電流。當根據理論值進行控制時，不同負載會引起試驗電壓和試驗電流的輸出略有偏差。此時，可根據標準表測量值進行調整，使每相的電壓、電流及相角輸出值都能達到理想值。試驗電壓和電流的控制流程如圖8所示。

圖8 試驗電壓和電流的控制流程圖

在進行諧波試驗時，每相試驗電壓和試驗電流都可以設置9組諧波參數。每組參數包括諧波次數、諧波含量和諧波初相角，可以方便地疊加形成尖頂波、方頂波等特殊試驗波形，控制特殊試驗波形輸出時也會根據標準表測量值進行調整。

3 檢定系統的性能測試

3.1 功率放大器性能測試

傳統電能表檢定系統功率放大器的功率輸出穩定度一般在0.1%以內，而在小電流時會在0.1%以上。本系統采用線性功率放大器。其性能測試輸出功率穩定度測試結果如表1所示；電壓和電流輸出波形失真度測試結果如表2所示。從試驗結果來看，功率放大器的輸出穩定度在0.01%以內，小電流時可以達到0.02%，電壓和電流輸出波形失真度指標優異。

表1 輸出功率穩定度測試結果

表2 電壓和電流輸出波形失真度測試結果

3.2 電能誤差測試

檢定系統采用0.01級三相標準電能表，同時增加了1 mA小電流檔位，以保證滿足IR46國際標準的最小起動電流0.3 mA時電能誤差的規定要求。表3所示為本系統起動電流條件下的電能誤差測試結果。

表3 起動電流條件下的電能誤差測試結果

表4所示為基本誤差測試結果。

表4 基本誤差測試結果

由表3、表4可知，測試符合標準要求。

3.3 諧波測試

IR46國際標準中提出了5次諧波和特殊波形(尖頂波、方頂波、奇次諧波、次諧波)條件下電能表誤差影響試驗的要求，與原標準規定存在較大的差異。本文檢定系統的程控信號源利用數字合成方式可生成0～63次任意信號波形，通過線性功率放大器輸出。方頂波試驗波形和尖頂波試驗波形分別如圖9和圖10所示。

圖9 方頂波試驗波形

圖10 尖頂波試驗波形

由圖9、圖10可知，試驗中波形還原度高，諧波幅值及相位輸出準確。此外，5次諧波條件下測試的電能誤差為-0.001 4%，方頂波條件下為-0.002 8%，尖頂波條件下為0.002 8%，奇次諧波條件下為-0.005 5%，次諧波條件下為0.002 4%。

表1～表4的測試數據以及5次諧波、方頂波、尖頂波、奇次諧波條件下的數據均由浙江省計量科學研究院測試所得。測試所用標準器具為0.01級標準電能表。從測試結果來看，常規量程下有功電能誤差控制在0.01%以內，小電流條件下達到0.02%，輸出的諧波及特殊波形諧波分量與標準數據基本一致。因此，本檢定系統滿足新一代智能電能表的測試規范要求。此外，該檢定系統增加了藍牙、載波等新型通信方式，可同時輸入有功脈沖信號、無功脈沖信號和多功能脈沖信號，實現脈沖信號誤差同步測試，大幅度提升檢測效率。目前，該系統已在國內多個電能表廠家和國網省級營銷服務中心使用。

4 結論

根據國際法制計量組織OIML的IR46國際建議設計的智能電能表對電能表檢定系統提出了新的要求。本文利用線性功率放大器電壓電流輸出失真度小、功率穩定等優點，通過構建離散數據基礎序列及數字PID調節，保證了試驗波形幅值相位輸出分辨率。測試結果表明，該檢定系統滿足新一代智能電能表的測試要求，為新標準的實施提供了一種新的解決方案。