預付費電能表功能檢測裝置的研制

孫志杰 宋 楠 宋雨虹 魯觀娜 張姣姣

(華北電網有限公司計量中心1，北京 100045;華北電力科學研究院有限責任公司2，北京 100045;華北電力大學電氣與電子工程學院3，河北 保定 071003)

0 引言

近些年先進的電子信息技術應用到電能表中，采用帶預付費功能的CPU卡電能表開始在計量結算領域推廣使用。由于電能表本身增加了額外的物理介質，即CPU卡和讀寫卡設備，系統的復雜度增加;同時，卡上信息關聯著貿易結算的信息，貿易結算信息一旦受到攻擊，將使卡表的用戶方或是卡表的提供方受到經濟上的直接損失。為確保電表的各種電量交易數據能夠和電網公司的營銷系統進行準確無誤的信息交換，需要對CPU卡表特有的預付費功能進行專門的檢驗和測試。

常規的電能表校驗裝置通常只考慮對電能表的計量準確性進行考核，而對于貿易結算方面的數據交換部分功能和電量控制功能沒有進行測試和考核，所以使用以前的電能表檢測裝置只能檢測CPU卡預付費電能表的部分功能［1－3］。因此，我們研制了一套預付費電能表功能檢測裝置。該裝置可以自動完成對CPU卡預付費電能表所有功能的測試，包括一般性的計量準確性測試和用于交易結算的CPU卡功能測試等，從而大大減少了檢測人員的工作量，提高了檢測效率和一致性。

1 裝置總體結構設計

自動檢測裝置的結構主要包括檢測軟件、程控功率電源、標準電能表、CPU卡發卡系統、CPU卡插卡模擬系統和繼電器狀態檢測系統等六大系統。檢測軟件是控制校驗工作流程和協調控制各部分工作的主控軟件。程控功率電源為電能表提供一定的負載功率，可以模擬電能表實際運行時出現的各種狀態，為電能表的性能指標檢測提供必要的參照環境。標準電能表作為被檢表的計量參考標準，通過和標準電能表的能量數據進行比較，得出CPU卡預付費電能表的計量誤差。CPU卡發卡系統是用來生成各種CPU功能卡的設備，是從CPU卡上讀取電能表內部信息的必要設備。CPU卡插卡模擬系統是為實現CPU卡預付費電能表自動檢測所必需的設備，CPU卡插卡模擬系統通過接收軟件命令，可以對指定的CPU卡預付費電能表實行類似于人工插卡的動作過程，從而省略了人工需要頻繁插卡的操作。繼電器狀態檢測系統是用來檢測CPU卡預付費電能表的繼電器控制信號是否正常的專用檢測系統。為滿足各種電能表不同種類的繼電器控制方式，繼電器狀態檢測系統設置了多種不同的信號檢測方式，如內置繼電器開合檢測電路、外置繼電器開關量驅動檢測電路、外置繼電器有源驅動檢測電路等方式。

檢測軟件運行在主控計算機上，其根據被檢電能表的電壓、電流量程、脈沖常數、表號、通信協議信息等進行參數設置。CPU卡預付費電能表功能自動檢測示意圖如圖1所示。

圖1 預付費電能表功能自動檢測示意圖Fig.1 Schematic of automatic functional detection for prepayment

試驗開始時，控制裝置的程控功率源輸出指定幅值和相位的信號，并施加在被檢電能表上。測試軟件控制CPU發卡器對發卡器中的卡片執行寫卡操作，然后通過插卡動作模擬器執行對預付費電能表的插卡動作，狀態燈和繼電器檢測模塊檢測插卡后指示燈的明滅和繼電器的輸出端子的信號。主控計算機通過電能表RS-485通信總線抄讀電能表的電量、事件信息，同時返讀CPU卡發卡器中的CPU卡返寫的信息。檢測軟件對兩路信息進行比對和判斷，從而得出檢測結果。

預付費功能自動檢測裝置以數字接口標準電能表作為系統的電能工作標準，采用分離式的控制系統和掛表架，由主控計算機控制整個檢驗的工作流程，標準電能表可以方便地從整個裝置上拆卸。此分離式控制系統有利于對標準電能表進行檢定，同時也可以適應更多試驗場合的需要。

2 檢測裝置的設計及實現

結合CPU卡預付費電能表技術規范的具體要求，預付費功能自動檢測裝置的研制分為下述幾部分內容:①適用于自動檢測裝置的CPU卡發卡系統的研制;②CPU卡插卡模擬系統的研制;③繼電器狀態檢測系統的研制;④監測用光電頭的設計;⑤掛表架各表位帶隔離電流互感器(current transformer，CT)，斷電續流功能的實現。

2.1 CPU卡發卡系統

CPU卡發卡系統由計算機軟件和相應的發卡硬件平臺組成。發卡系統主要負責發出包含有特定功能信息的CPU卡片，以作為信息傳遞的媒介，電能表通過讀取包含有特定功能信息的CPU卡片的信息，做出相應的動作反應;同時，電能表返寫卡的信息也存儲在CPU卡中。

2.2 CPU卡插卡模擬系統

CPU卡插卡模擬系統主要是實現軟件控制模擬手工插卡的動作過程。其實現過程描述如下:電腦通過通信口向插卡模擬器發送指定命令，插卡模擬器的控制MCU接收到計算機發送的插入卡命令后，控制內部的步進電機向前轉動，待插卡模擬器上的卡舌頂開CPU卡表內部簧片觸點后，停止步進電機向前轉動，電能表此時感知到有卡片插入，開始對插入的卡片進行信息交換。相反，當插卡模擬器的控制MCU接收到計算機發送的卡片退出命令時，控制MCU將控制電機向后轉動，插卡模擬器上的卡舌離開CPU卡表內部簧片觸點，電能表還原到無卡插入狀態。

2.3 繼電器狀態檢測系統

繼電器狀態檢測系統的主要功能是讓軟件完成繼電器的各種狀態信號自動采集，不再需要人工的信息錄入過程。其實現過程描述如下:繼電器狀態測試系統通過電流互感器對流過電能表的電流進行感應，如果電能表內部的繼電器吸合，則外部施加的電流可以從電能表內部流過，電流互感器上可以感應到電流的存在。該感應信號經過濾波整形后作為繼電器的吸合信號傳遞到計算機軟件中，軟件根據該信號狀態可以判斷出繼電器實際處于吸合或斷開狀態［4－7］。繼電器狀態檢測系統的工作原理如圖2所示。

圖2 繼電器狀態檢測系統工作原理圖Fig.2 Operational principle of relay state detection system

2.4 光電檢測系統

光電檢測系統通過光敏元件檢測繼電器的狀態指示燈信號，并能夠將狀態指示信號轉換為計算機可以讀取的數字信號。在檢測裝置上，為了實現對電能表的輸出指示狀態進行檢測，在每個表位上設計安裝了光電采樣器，以實現對指示燈狀態的檢測［8－10］。

光電檢測系統的工作原理如圖3所示。電能表發出報警、跳閘等狀態信號，經脈沖整形電路濾除脈沖上的毛刺信號、LED狀態轉換為電平信號后，由單片機進行采集，然后通過RS-232通信轉換電路連接到PC機串行口上，使PC機成功收集到電能表的狀態信息。

圖3 光電檢測系統工作原理圖Fig.3 Operational principle of photoelectric detection system

2.5 斷電續流功能

在常規的電能表檢測裝置中，各電能表的電流回路是串聯在同一電流回路上的，任何一只電能表的內置繼電器開路，都會導致功率源電流回路的開路，從而引起功率源的保護動作。

斷電續流功能工作原理如圖4所示。

圖4 斷電續流功能工作原理圖Fig.4 Operational principle of power wheeling function

在進行繼電器跳閘功能測試時，如果按照常規電能表檢測裝置的接線方法，則由于測試過程中經常出現電能表內部電流繼電器開路的情況，導致繼電器跳閘功能檢測不能正常進行。為避免由于電能表內置繼電器跳閘引起功率源的保護，裝置采用每個表位可以獨立提供電流的測試用互感器。該互感器針對繼電器跳閘測試的特殊情況，在電能表內置繼電器跳閘時，保證功率源的電流回路能夠續流，避免功率源的保護。

功率源的電流回路通過電流隔離互感器的一次側構成回路，電能表的工作電流由每個電流隔離互感器的二次側提供。當電能表的內置繼電器跳閘時，功率源的電流輸出回路依舊處于閉合狀態，所以功率源的電流依然可以輸出。采用這樣的設計，可以對內置繼電器卡表的跳閘功能進行連續測試。在實際的線路設計中，由于電流互感器(CT)的二次開路，對功率源來說，增大了負載。為了不讓負載超過功率源的最大輸出功率，需對每個CT的一次電流回路上的電流旁路繼電器進行保護。當檢測到某個CT的二次側開路時(一次側有電流而二次側無電流的現象)，檢測電路會控制該表位的一次側電流旁路繼電器閉合，將該CT的工作電流旁路掉，從而減少功率源的輸出負載，避免功率源的輸出過載。

3 檢測軟件的設計與實現

檢測軟件為使用預付費電能表功能檢測裝置的人機接口軟件，主要功能是:設置數字式信號源參數，控制數字式信號源的工作;設置數字式標準表的參數，控制數字式標準表的工作模式;設置誤差處理器的參數并讀取計算的誤差值;抄讀被測表的參數;抄讀繼電器狀態測試系統的測量數據;控制CPU卡插卡模擬器進行正常動作;控制CPU卡發卡系統進行發卡。

3.1 軟件設計

軟件分為表現層、邏輯層和數據訪問層三大塊，如圖5所示。

圖5 功能檢測軟件框圖Fig.5 Block diagram of the functional detection software

表現層負責處理用戶操作請求和信息顯示，包括用戶的輸入控制、用戶的操作請求、信息顯示。

邏輯層主要包括裝置測試和系統管理兩個部分，它是本軟件的核心。裝置測試指的是設置校驗裝置的狀態和檢測參數，并獲得被檢表的檢測結果。設備操作以一次交互(發送命令、接收響應)為單位。協議模塊封裝了各個設備的通信協議，設備交互模塊則封裝了與各個設備的交互過程。系統管理包括用戶管理、系統配置、方案和測試點配置以及對檢測結果的操作等。流程模塊是將一個或者多個設備交互與方案操作進行組裝，從而完成一個完整的業務。基礎函數庫包含了一些各個模塊可能用到的比較常用的功能函數。

數據訪問層包括與數據庫和串口的接口。數據訪問層采用Access數據庫，通過C#的ADO組件實現對數據庫的操作;采用API函數實現對串口的驅動，并封裝為串口類。

3.2 軟件功能實現

依據預付費電能表功能檢測作業指導書，編制預付費功能檢測方案;對被試電能表的電壓、電流、脈沖常數、繼電器類型等參數進行設置后，選定檢測方案。可以選擇自動檢測模式，從第一個試驗項目開始依次對電能表功能進行檢測，直到試驗最后一項停止;也可以根據需要選擇部分測試項。檢測過程中若需要人工檢查、確認的信息，則系統會彈出對話框，提示操作員進行檢查、確認。

軟件實現的功能有:①軟件根據確認情況判斷該項目是否合格;②可以以非自動檢測模式，從任意一項試驗開始單步進行測試，該項試驗完畢，則停止;③具有發卡功能，通過模擬發卡器，可以發行各種工具卡，對被試預付費電能表的卡功能進行手工檢測，并能夠讀取電能表往卡片中返寫的信息;④軟件的數據管理功能能夠實現對檢測結果的保存，可以按照設計的原始記錄和檢測報告格式，進行自動打印。

4 結束語

本裝置發揮模塊化、插件化、分布式設計的優勢，實現了對預付費電能表計量功能、結算數據交換功能、電量控制功能的全面自動化檢測，大大減少了檢測人員的工作量，提高了檢測效率，對確保CPU卡預付費電能表的穩定、可靠運行做出了積極貢獻。同時，也為其他規范的智能預付費電能表相關技術的研究奠定了基礎。

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［3］國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 14598.1-2002電氣繼電器的觸點功能［S］.北京:中國標準出版社，2006.

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