基于電能表標準裝置監測儀技術研究與應用

王 昕，何 傲，左黎斌，賀艷平，趙 楠

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基于電能表標準裝置監測儀技術研究與應用

王 昕1,2，何 傲1,2，左黎斌1,2，賀艷平4，趙 楠1,3

（1. 云南電網有限責任公司電力科學研究院；云南 昆明 650217；2. 南方電網電能計量重點實驗室，云南 昆明 650217； 3. 昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明 650000；4. 廣州市格寧電氣有限公司，廣東 廣州 510000）

裝置監測儀主要用于對電能表校驗裝置、電能表流水檢測裝置現場實時監測，采集電壓、電流、相位、功率等電學參量，并對裝置進行實時電能誤差監測，并將監測數據實時上傳主站系統，以監測評估裝置的運行狀態，保證電能計量的準確性。裝置監測主要是監測其運行過程的穩定性，重點考核關鍵指標在運行過程中的變化情況，以對超出控制范圍的情況能及時發現并處理。作為監測裝置，不能改變、影響被監測對象正常工作狀態，不能明顯增加被監測對象負擔，安裝方便，使用簡單。另外作為監測裝置，其自身應具有良好的短、長期穩定性及可靠性，較快的開機熱穩定性。

校驗裝置；穩定性；誤差監測

0 引言

通過體系的研究及系統開發，實現電能計量設備準確性、可靠性、有效性的管控，形成一套完整、閉環的區域電能計量準確性和質量保證體系，通過系統研究為電能計量設備采購、管理提供技術支持和可靠依據，有效提高電網公司電能計量工作的效率和質量。

1 總體方案及設計思路

1.1 設計思路

根據項目的總體需求及裝置監測技術特點，依據《JJG597-2005交流電能表檢定裝置檢定規程》、《JJG 596-2012電子式電能表》、《JJG 1085-2013標準電能表檢定規程》、《GB/T11150-2001電能表校驗裝置》[1-3]等有關國家標準、規程、規范，結合“高精度電學參量標準族群的研究與建設”項目成果，主要基于“一種高精度組合式多功能校準儀”、“通過有源阻抗的矢量電壓[4]合成來消除互感器測量誤差的方法”兩項專利技術及項目采用交流信號非整周期采樣技術、間隙補償算法，加工工藝等技術，研究開發適合于本項目的裝置監測儀。

為滿足不同等級裝置監測的需要，采用模塊化設計方法，將儀器按電壓電流變換器、數據采集與處理、工作電源、通訊控制等模塊分別設計，根據需要簡單組合。通過選用不同等級、不同數量的變換器構成適合各種等級的裝置監測儀。

1.2 總體方案

裝置監測儀整體原理如圖1所示。裝置監測儀通過電壓-電壓變換器及電流-電壓變換器將裝置輸出的電壓電流等信號比例變換為標準的4 V信號送入數據采集與處理模塊進行AD轉換，實現模擬信號數字化，并經非整周期采樣技術算法獲得電壓、電流、相位、功率等電學參量，同時根據功率輸出電能脈沖信號；電能誤差計算模塊同步接收該脈沖信號及裝置輸出的脈沖信號進行電能誤差計算，根據設置的監測需求本地指示裝置實時狀態；工作電源為整機提供高質量供電電源；網絡通訊模塊將監測數據實時上傳給主站，從而實現遠程監測。

1.3 主要功能及指標、功能模塊

根據電能表校驗裝置的行業現狀及未來的發展以級項目總體要求，本次開發設計針對0.1~0.05級的電能表校驗裝置，各組件單元的設計需要滿足以下總體技術指標：

（1）電參量及電能誤差檢測達0.05級；

（2）裝置輸出電壓、電流、相位、功率等電參量實時測量；

（3）根據裝置配置信息自動識別裝置電能常數狀態，自動調整測試參數實現裝置電能誤差實時檢測；

（4）根據裝置配置信息自動識別其測量狀態；

（5）自動識別采集數據的有效性；

（6）監測數據通過網絡實時上傳；

（7）本地指示裝置當前工況電能誤差及是否超出控制范圍；

圖1 裝置監測儀整體原理框圖

根據圖1的裝置整體原理框圖，綜合分析技術指標和功能需求，將裝置監測儀分為電壓變換器、電流變換器、數據采集與處理、電能誤差計算及狀態指示、數據遠傳控制器、工作電源六大模塊，并將其主要技術指標及功能要求列于表1。

根據功能模塊劃分及電路設計原則，簡化整機連線，提高可靠性，將數據采集與數據處理、電能誤差計算與狀態指示、數據遠傳控制器集成設計，整合為數據處理器。

2 模塊單元設計

2.1 數據采集與處理模塊設計

通過對裝置輸出電壓電流經比例變換后的標準輸入4 V信號的測量，獲得電壓、電流、相位、有功功率、無功功率、頻率等電學參量；根據輸入信號自動控制電壓、電流變換器二次檔位；輸出電能脈沖；根據測得的電壓電流信號配合被測試裝置信息識別裝置當前工作點及電能常數；自動獲取變換器校準參數并于測量中自動扣除變換器誤差；智能識別當前有功/無功、接線方式等狀態。

表1 裝置監測儀功能模塊技術指標及功能

Tab.1 Function and function of device monitor function module

2.2 電能誤差計算及狀態指示

電能誤差計算采用標準預置數法或瓦秒法[5-6]，通過對裝置輸出的電能脈沖及數據采集與處理模塊輸出的電能脈沖的同步計數從而獲得被監測對象實時電能誤差，采用高速CPLD與帶PCA陣列的單片機組成，并通過RS485與其他模塊交互信息。前端CPLD及配套電路主要用于高頻電能脈沖的整形緩沖和分頻處理。采用多色LED指示方式實時指示裝置當前工作點電能誤差是否在監測控制范圍內。其整體原理圖如圖2所示。

圖2 電能誤差計算及狀態指示模塊整體原理框圖

考慮遠程期間核查的需要，電能誤差計算器設計為雙通道，其中用于期間核查通道應根據系統使用需要臨時配置，使用完成后應關閉。

裝置監測儀能本地顯示近期監測信息，特別是異常/可能異常信息。

誤差計算方法：

由于 N0/C0=n/Cx

得： N0=n*C0/Cx ---稱為標準預置數

其中：C0—為標準電能常數（p/kW*h），Cx為被校表電能常數。

n為圈數（1到100）

電能誤差：Err=100% *(N0-Nx)/Nx

其中：Nx為當被校表為低頻脈沖周期內所采樣的高頻標準脈沖數。

圖3 誤差電路原理

2.3 裝置狀態識別及數據遠傳模塊

數據遠傳控制器模塊通過串口將數據采集與處理單元傳送過來的頻率、電壓、電流、有功、無功、相位、電能誤差等數據形成數據庫，進行數據識別判斷接線方式等操作。

2.4 硬件選擇

根據儀器功能需求，選擇廣州致遠電子有限公司基于MCIMX283/ MCIMX287處理器開發的EasyARM-i.MX28X數據處理平臺，如圖4。

圖4 EasyARM-i.MX28X數據處理平臺

該平臺硬件資源豐富，其擁有URAT、高速USB接口、100 M以太網、TFT液晶顯示控制單元、觸摸屏接口、SD卡擴展等，完全滿足儀器需要。軟件采用WINDOWS CE6.0為開發平臺，提供各種底層驅動程序。基于WINDOWS CE6.0的開發平臺，對于應用程序開發提供了便利。

該平臺主要用于配置裝置信息，并從數據采集與處理單元獲取的電參量信息根據裝置信息及JJG596-2012、JJG597-2005、JJG1085-2013等規程對電能表檢測的有關規定，自動識別裝置的工作輸出狀態，并根據識別結果通知數據采集與處理單元進行相關電能誤差檢測、狀態監測。并通過高速以太網將監測結果上傳給后臺主站系統。

2.5 識別算法

儀器與被監測裝置僅有電壓、電流、電能脈沖三信號連接，儀器需要根據輸入的電壓電流（含相位，功率）等信息自動識別裝置當前的輸出狀態，并根據這些狀態智能識別電能常數等特征量，從而計算有效的電能誤差檢測配置參數對裝置標準進行實時監測。

儀器主要分為裝置狀態識別及裝置監測數據有效識別兩大類，總體識別監測流程如圖5所示。

圖5 總體識別監測流程

儀器首先配置裝置信息作為狀態識別的基礎，如單/三相裝置、電壓電流檔位及電能常數表，根據數據采集與處理單元獲取的電參量數據信息，首先根據電壓電流幅值及相位和功率等信息識別出裝置當前的輸出方式，即4Wa、4Wr、3Wa、3Wr、2P、2Q等，確定裝置當前檢測表接線方式及功率/電能（有功、無功），根據電壓電流檔位及電能常數表確定裝置當前輸出電能常數，根據電能常數結合相關規程確定有效可用電能誤差檢測時間（必須在裝置更換負載點前獲取2~3個有效電能誤差數據），并據此計算出電能誤差檢測相關參數有電能誤差計算器單元進行電能誤差檢測。經過有效數據識別后將監測結果本地顯示并上傳后臺主站系統，同時保存一定時間范圍的監測記錄供本地查詢分析使用。

在監測過程中，必須首先判斷裝置處于穩定輸出檢測狀態，從而剔除儀器監測過程中產生的大量無效數據（如源升降過程中的電參量數據、電能誤差數據），保證后臺主站系統獲取實時有效監測信息，防止海量數據上傳主站系統，從而造成無法真正有效分析管理監測數據。

2.6 軟件功能的設計

本系統主要分為六個模塊共同組成實時測量數據的監測模塊，實現連續不間斷的測量數據讀入并記錄在系統中。

實時測量數據的分析模塊，檢查電能檢測裝置的當前工作狀態，根據當前的狀態起動誤差分析 模塊。

實時誤差計算分析模塊，被起動后根據當前的裝置的狀態計算合適的誤差檢測參數進行計算誤差數據并實時計算與分析電能檢測裝置的誤差變化情況，并將誤差結果存儲在本地存儲內存中。如果當前誤差有較大的偏差時需要重新校正計算誤差參數并重啟誤差計算分板模塊。

聯網模塊，實現將本地存儲的誤差結果發送到后臺WEB服務器，并與WEB服務器的進行時鐘的同步，計算本地與服務器的時鐘誤差并更新本地時鐘。

本地數據的回看模埠，對實現記錄后的誤差數據進行回看分析，根據當前的存儲情況與設定參數將部分已經過時的數據進行刪除。

用戶操作界面模塊，實現實時顯示電能檢測 裝置的工作狀態，工作誤差?；乜礆v史的誤差記錄數據。

2.7 軟件模塊結構設計

各功能模塊的設計是基于完全并行工作的原則設計的，即各功能模塊的都是一個獨立工作者，并不受其它模塊的工作而影響其自身的工作。但各個模塊是通過有效的同步機制進行相互協調工作。整體的系統結構圖如下。

圖6 整體的系統結構圖

圖7 系統調度與各模塊間協調工作流程

3 電能表標準裝置監測儀的應用

某供電局一臺三相電能表檢定裝置，共有16個表位，其中表位1、表位3、表位5、表位11因壓接有問題未投入使用。本臺體準確度等級：0.05級，電壓參數為3′（57.7~380）V，電流參數為3′（0.1~100）A。電能表檢定臺體上掛接的被檢電能表為DTSK1341-Z型三相四線電子式費控電能表，參數為：3′220/380 V，3′1（10）A，有功：6400 imp/kWh，無功：6400 imp/kvarh。本次檢定條件為：正向無功，3′220 V，3′1（10）A，6400 imp/kvarh。將三電能表標準裝置監測儀接入這臺三相電能表標準裝置，接入原理圖如圖8所示。

即把三相電能檢定裝置的功率源輸出的電壓并入電能表標準裝置監測儀的電壓端子，電流串入能表標準裝置監測儀的電流端子。脈沖取三相電能表檢定裝置標準表的高頻脈沖fH。取同一個功率源、同一個脈沖數據保證參數的可比性。

圖8 電能表標準裝置監測儀接入原理圖

3.1 數據對比分析

把三相電能表檢定裝置在未接入監測儀和接入監測儀兩種情況下數據進行對比分析。

（1）在未接入監測儀的情況下，不同的功率因數和負載電流條件下，各表位的電能表誤差（%）如表2所示：

表2 未接入監測儀誤差數據

Tab.2 Is not connected to monitor error data

（2）在接入監測儀情況下，不同的功率因數和負載電流條件下，各表位的電能表誤差（%）如表3所示。

（3）在不同的功率因數和負載電流條件下，將電能表標準裝置監測儀監測的電能表檢定裝置誤差、功率因數、無功功率和標準電能表測得的功率因數、無功功率進行匯總分析，如表4所示。

表3 接入監測儀誤差

Tab.3 Access monitor error

表4 電能表標準裝置監測儀和三相標準電能表數據對比

Tab.4 Comparison of standard meter of energy meter and data of three-phase standard energy meter

從表1、表2的數據對比分析可以看出，在未接入監測儀的情況下，這臺三相電能表檢定裝置對12個表位的檢定數據都在誤差允許的范圍內，接入監測儀后有11個表位的誤差數據超差，只有第16表位的數據合格。但第16表位的數據在接入監測儀及不接入監測的情況下誤差數據都很小。再通過表3的數據可以看出監測儀和檢定臺體標準表的數據基本一致。綜上所述，可以分析出該電能表檢定裝置在檢定過程中電能表表位工作不正常。

3.2 電能表表位故障分析

三相電能表檢定裝置在檢表過程中（平衡負載：3×220 V，3×1（10）A），正常情況下電能表檢定裝置三相電流輸出端對地電壓應趨近于0 V。通過檢查設備，檢查過程如下。

未接入監測儀時，電能表檢定裝置三相電流輸出端對地電壓分別為UA：36 V、UB：39 V、UC：211 V。

接入監測儀時，由于裝置監測儀A、B、C相電流輸出端分別裝有接地電容，故檢定裝置電流輸出端對地電壓分別為UA：0.037 V、UB：0.051 V、UC：22 V~30 V。

三相電能表檢定裝置在負載電流為小電流時，1～15表位電能表上的A、B相電流值正常，而C相電流明顯偏大。如：負載電流0.1Ib時，則：1~15

表位電能表上的A、B相電流均為0.1 A，而C相電流為0.105 A；16表位電能表上的三相電流均為0.1 A。

依次拆下所有表位電壓線，在拆卸到第16表位C相電壓線時，發現C相電流低端對地電壓突然降到0.03 V，證明第16表位有故障。檢查16表位發現：C相電壓、電流端子間有一個溫度傳感器，此溫度傳感器將C相電壓和電流進行短接，造成電壓回路分流現象。最終導致檢定裝置檢出的誤差數據超差。

把溫度傳感器重新安裝復位后測試C相電流和檢定裝置對地電壓。負載電流為0.1Ib，運行中的12個表位電能表上的三相電流基本為0.1 A，檢定裝置電流輸出端對地電壓分別為UA：0.022 V、UB：0.026 V、UC：0.031 V，檢定裝置運行正常。

檢定裝置運行正常后誤差檢定數據如下表所示。

表5 正常運行誤差數據

Tab.5 Normal operating error data

從表4數據可以看出檢定裝置正常運行后其檢定電能表的誤差數據均在合格范圍內。

3.3 故障原因分析

經分析，三相電能表檢定裝置經互感器接入的各表位由于不帶隔離CT[5-7]，而被檢電能表則是通過電流采樣電阻、電壓采樣電阻轉換電流電壓。正常檢定時電壓與電流必須脫鉤（單個表位由于設有升壓器、升流器隔離沒有關系），否則由于多表位連接，會造成電流通過電壓回路分流現象，且當電流回路有接地電容后，通過電容的耦合作用，將引起更為復雜的相互影響情況，可能造成誤差進一步變大（實測接入帶有接地電容的檢測儀時電能表檢定誤差的確更大）。以C相電壓與C相電流短路為例，對回路異常進行分析。

圖9為檢定裝置電壓電流回路正常連接關系圖[8-11]，在正常連接時，表位電流從功率源輸出后，經由電流連接線進入第一表位，經過表位的電流取樣元器件進入下一個表位，電流依次從第一表位到最后一個表位進行串聯，并通過最后一個表位的表位輸出端接入功率源的電流回流端，進而形成一個完整的電流回路，各表位的電流保持一致；同時電壓回路通過各表位并聯的方式，保證各個表位的電壓保持一致；在正常情況下，每個表位電壓電流參數能夠確保是一致，進而滿足測試過程種不同表位的測試參數一致性。

圖10為表位電壓和表位電流由于某種原因導致相互短路；線路連接如上所示。跟正常情況一樣，每個表位的電壓還是通過并聯的方式，保證表位的電壓一致；電流回路由于電壓回路短接，從上圖可以看出，電流回路除了原有的正?；芈芬酝?，通過電壓線路在每個表位形成了一個并聯的電流回路，該并聯的電流回路對原本經過電表電流采樣元器件的電流進行了分流，使得表位電流與實際的功率源輸出電流不一致，但是最后一個表位，由于后續沒有電壓線路分流，因此最后一個表位的電流跟功率源的電流輸出一致；在檢定裝置上表現出來的現象是只有最后一個表位的檢定過程是正常的，其他表位的檢定誤差均會出現不同程度的影響。

圖9 正常連接圖

圖10 異常連接圖

由于C相電壓與C相電流線短接，導致部分電流從電壓線上分流。在分流較小的情況下，引起標準電能表在特殊的角度下產生偏差（如90度，270度等），在這些角度偏差的情況下，導致無功出現較明顯的偏差；有功的偏差較小，不易看出。

4 結論

電能表標準裝置監測儀應用于單相、三相電能表檢定裝置中，對單相、三相電能表檢定裝置監測效果顯著。檢定裝置接入監測儀后，監測儀可以在檢定裝置檢定電能表過程中實時監測檢定裝置的運行情況及檢定過程中的誤差數據，并且可以將這些數據上傳至主站系統，通過數據分析我們可以發現很多電能表檢定裝置在運行過程中不宜發現的故障，為電能表檢定裝置的運行維護和誤差檢定數據的質量提供了有利的技術數據。

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Research and Application of Standard Device Monitor Based on Energy Meter

WANG Xin1,2, HE Ao1,2, ZUO Li-bin1,2, HE Yan-ping4, ZHAO Nan1,3

(1. Electric Power Research Institute, Yunnan Power Grid Limited Liability Corporation, Kunming 650217, Yunnan, China; 2. Key Laboratory of Energy Metering of Southern Power Grid, Kunming 650217, Yunnan, China; 3. Automation in Kunming University of Science and Technology, Kunming 650000, Yunnan, China; 4. Guangzhou Gening Electric Co., Ltd., Guangdong 510000, Guangzhou,China)

The device monitor is mainly used for on-site real-time monitoring of the electric energy meter verification device and the electric energy meter flow detection device, collecting electric parameters such as voltage, current, phase, and power, real-time electric energy error monitoring of the device, and uploading the monitoring data in real time. Station system to monitor the operating status of the evaluation device to ensure the accuracy of energy metering. The device monitoring is mainly to monitor the stability of its operation process, and focus on assessing the changes of key indicators during the operation process, so as to detect and deal with situations beyond the control range in a timely manner. As a monitoring device, the normal working state of the monitored object cannot be changed or affected, the burden of the monitored object cannot be significantly increased, and the installation is convenient and the use is simple. In addition, as a monitoring device, it should have a good short-term and long-term stability and reliability, and a quick boot thermal stability.

Calibration device; Stability; Error monitoring

TP393

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.08.025

王昕(1967-)，女，本科，高級工程師，從事電能計量研究；何傲(1989-)，男，本科，助理工程師，從事電能計量技術工作；左黎斌(1988-)，男，本科，工程師，從事計量運維工作。

趙楠(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向大數據、信息安全。

本文著錄格式：王昕，何傲，左黎斌，等. 基于電能表標準裝置監測儀技術研究與應用[J]. 軟件，2018，39（8）：122-130