基于智能電能表通信接口帶載能力測試電路的設計與研究

石振剛，徐建云，張 琳，王鴻璽，李 涵，李 翀，任 鵬

(國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021)

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基于智能電能表通信接口帶載能力測試電路的設計與研究

石振剛，徐建云，張 琳，王鴻璽，李 涵，李 翀，任 鵬

(國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021)

針對智能電能表通信接口帶載能力測試存在的問題，提出了智能電能表通信接口不同測試功能的電路設計方案，分別對智能電能表通信接口帶載能力測試電路和智能電能表通信模塊電源電壓幅值、輸出電流測量電路進行詳細的分析，并對兩種電路的優缺點進行比較分析，通過試驗論證了這2種不同功能測試電路的可行性。

智能電能表；通信接口；帶載能力；測試

近幾年，隨著電子技術的快速發展，智能電網建設速度加快，智能電能表(簡稱“電能表”)成為智能電網建設重要的組成部分在國內外得到了大力的推廣和應用，國家電網公司也在逐步完善用電信息采集系統[1]。用電信息采集系統由主站、采集終端及電能表等組成，由于系統規模大，國內各終端廠家通信模塊、通信協議均由廠家自行開發，各設備之間相互獨立運行，電能表與通信單元一一對應，因此電能表的供電電源質量和電源驅動能力必須進行定制和優化處理。

1 電能表通信接口帶載能力測試現狀

目前，電能表的通信方式主要有低壓電力線載波通信和微功率無線通信，每一種通信方式均有相應的通信模塊，電能表配置有通信接口與通信模塊進行數據交互，為保證通信模塊可靠工作，必須保證電能表通信接口具備一定的帶載能力，并且在帶載下不產生強干擾影響通信模塊的通信效果，因此必須對電能表的電源輸出和帶載能力進行測量，包括電源輸出電壓、輸出電流、輸出紋波的測量[2]。針對紋波測試，主流設計選用靈敏度較高的示波器，如選用TS2212A程控示波器，因其具有20 MHz BW設置，能夠滿足紋波測試要求，利用計算機USB接口讀取示波器峰值電壓，并進行圖形顯示，給出數值與圖形的結合數據，從而判斷紋波測試結果。但這種方法每次僅測試一個表位的信號，如何對多表位進行測試仍是目前面臨的主要問題。

電能表能否正確、及時應答終端發出的通信幀關系到其通信性能的高低。在電能表檢測高效率性能的要求下，應使電能表的通信可靠性測試解決方案滿足批量測試要求，以下就電能表通信接口帶載能力測試及多個電能表同步測試進行了研究。

2 電能表通信接口帶載能力測試電路設計方案

2.1 電能表通信模塊電源紋波測試電路設計方案

該方案在逐漸提高通信接口負載的情況下，利用AD采樣電路測量電壓保持電路輸出紋波、負載電流值等參數，并將測量結果送到單片機的ADC進行模數轉換，自動判斷最終測試結果。如圖1所示，該電路針對測量電能表通信模塊電源電壓幅值、輸出電流而設計，也稱為電壓型峰值保持電路。以正峰值保持電路為例：其主要由電壓放大器U10A、峰值檢測器二極管D6、保持電容C30和電壓緩沖器U11A組成。該電路能夠替代示波器測量直流電源的紋波峰峰值，并將測量結果送到單片機的ADC進行模數轉換，換算出最終的測試結果。

圖1 電能表通信模塊電源紋波測試電路

其中，D5為反向保護二極管，R18泄放電阻。電壓放大器對U9A送出的電壓(Vin)和U11輸出電壓(Vout)之間的電壓差進行放大，輸出為電壓信號。若Vout小于Vin，則電壓放大器輸出的電壓信號通過二極管D6對電容C30充電；若Vout大于Vin，二極管截止，電容上的電壓保持不變。U11A對C30的電壓進行緩沖,以避免U11A負輸入端對C30的吸收泄放。緩沖放大器的輸出一直保持Vin的正峰值。D5在Vout大于Vin時,對U10A提供反饋通路,以穩定U10A工作。負峰值保持電路與正峰值保持電路工作原理相同,僅二極管方向相反，保持輸出為負峰值電壓。在圖1中，U9B為加法器，將正峰值和負峰值相加，輸出信號(WB12AD)給單片機的AD通道測量。該電路可以測量紋波的峰峰值，還可對多表位并行測量。電能表的12 V DC電源由U12IN接入測量電路，C40、C41、C42將直流電壓中的紋波分量檢出，通過U9A的運算放大器，將紋波幅度放大100倍。U10A和U11A組成了正峰值保持電路，U10B和U11B組成了負峰值保持電路。

2.2 電能表通信模塊電源電壓幅值、輸出電流測量電路設計方案

該方案可以測量電能表在帶載的情況下電壓輸出和電流輸出(如圖2所示)，也可測量通信模塊工作時的靜態或動態直流功耗。U12IN標號處電路連接被測電能表通信模塊接口12 V供電端子,U12OUT通過切換繼電器連接被測通信模塊12 V供電端子。電壓的幅值由R31、R32、R33的分壓電阻實現。U12AD標號處的電壓為2 V，將該信號接入單片機的AD通道進行測量，電源回路的電流測量通過U15實現。其中，INA225AIDGK為可編程增益、電壓輸出、雙向、零漂移電流分流監視器。可使用2個增益選擇端子(GS0和GS1)來選擇4個離散增益級，以設定25 V/V，50 V/V，100 V/V和200 V/V的增益。低偏移、零偏移架構，連同精準增益值，可實現分流上最大壓降低至滿量程10 mV時的電流感測，同時在整個工作溫度范圍內保持極高測量精度。

圖2 電能表通信模塊電源電壓幅值、輸出電流測量電路

在圖2中，SI9926是NMOS耗盡型場效應管，工作在開關狀態。當C_30R信號為高電平時，Q2A的漏極和源極導通。使30 Ω、2 W的電阻接入12 V電源回路，用于三相電能表的通信模塊電源帶載能力測試。當C_96R信號為高電平時，Q2B的漏極和源極導通，96 Ω、2 W的電阻接入12 V電源回路，用于單相電能表的通信模塊電源帶載能力測試。

Q1、U12A和R43R50構成可編程負載,用于進行規程之外的拓展試驗,R37和R38為保護電阻,分析時可視為R37開路,R38短路。R43和R50為并聯擴功率,并聯電阻值為5 Ω。利用單片機DA輸出給U12A正輸入端加給定電壓(如1 V),根據運放虛短原理,其2腳也應為1 V,即R50R43兩端為1 V,其內電流為200 mA,R40、Q1和R50R43中電流為200 mA。改變U12A正輸入端電壓即可等比例改變負載電流,達到程控負載的效果。

測量電能表帶載能力時(以單相電能表為例)將C_96R信號置高,將96 Ω的負載電阻接入12 V回路中，通過R42電阻的電流為125 mA，R42電阻壓降為25 mV，INA225AIDGK的增益設置為25 V/V，輸出引腳第4腳的電壓為0.625 V。單片機時機測試的電壓值為0.63 V，換算成電流值為126 mA；同時用R33、R32R31分壓測量12 V回路的電壓值,用上節中的電流測量12 V回路中的紋波值,與標準值比較以判斷試驗結論。

3 試驗結果與分析

3.1 電能表通信模塊電源紋波測試電路的測試

將電路的測量結果和TektronixMSO 3054型號示波器的測量結果進行比對，驗證紋波測量電路的準確性。使用一只國網規范的單相電能表，將通信模塊的1、2引腳和電路中的U12IN連接，3、4引腳與電路中的地線連接，電能表加電后，從單片機中讀出測量結果峰峰值為96 mV。對同一只電能表，將通信模塊的1、2腳與示波器的探頭連接，3、4引腳和示波器的地線連接，電能表加電后，示波器的測量結果如圖3所示，兩者的測量結果基本一致。

3.2 電能表通信模塊電源電壓幅值、輸出電流測量電路的測試

將電路的測量結果和FLUKE 8845A數字萬用表的測量結果進行比對，驗證電壓、電流測量電路的準確性。使用FLUKE 8845A數字萬用表對U12IN點進行電壓值測量，將8845A調至電流檔，控制DA12輸出電平使電流回路中電流值為120 mA。同樣的測試條件下，從單片機得出的測量結果與FLUKE 8845A結果進行比對，2種方式測試差別很小。

圖3 示波器測量結果波形

測量通信模塊直流功耗時,將C_96R和C_30R置低,DA12輸出0 V,關斷所有假負載,通過繼電器將被測通信模塊12 V供電端子接入標號U12OUT處,分別在模塊不通信時和通信時通過R42、U15測量通信模塊消耗的電流,并與標準值比較以判斷模塊功耗是否超標。

4 結束語

通過對電能表通信接口帶載能力測試電路的研究，提出了電能表通信模塊電源紋波測試電路設計方案，以及電能表通信模塊電源電壓幅值、輸出電流測量電路設計方案。電源紋波測試電路設計簡單實用，測量準確，能同時對多個電能表的通信電源紋波進行測試；電壓幅值、輸出電流測量電路僅配合單片機就可以完成電壓、電流測量功能，并且測量精度能夠達到國標要求，與標準對比誤差較小，說明2種功能測試電路的可行性，為電能表通信接口帶載能力測試電路的設計提供了很好的借鑒。

[1] 林曉明, 肖 勇. 智能電網建設中加強電力需求側管理研究[J]. 中國電力教育, 2011,10 (22):46-48

[2] 孫衛明, 趙 偉. 諧波和間諧波對全電能計量準確度的影響[J]. 電測與儀表，2011,48(49):49-52.

本文責任編輯：谷麗娜

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smart electricity meter;communication interface;loading capacity;test

2017-02-15

石振剛(1982-),男,工程師,主要從事電力計量方面工作。

TM932

B

1001-9898(2017)03-0014-03