基于多線程技術的關口電能表檢測系統的研究*

汪司珂，郭雨，陳俊，龐博，夏天

(1.國網湖北省電力有限公司計量中心，武漢 430080； 2.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，武漢 430077)

0 引 言

關口電能表作為關鍵的電能貿易結算設備，大量運行在各發電、用電、配電企業[1]。經過現場多年的累計安裝，關口電能表的數量已經達到了相當規模，并且每年新裝、換裝、周檢數量逐年上升，對關口表的高效率檢測的需求日益凸現。由于關口電能表總體種類多、單批次數量少，使用普通電能表校準裝置進行檢定，必須先將其分類，同一類型的表才能掛在一起檢測，經常出現一批次只能檢測1只或2只關口電能表。這種檢測方法效率低下，浪費大量人力和時間。為解決上述問題，提高關口電能表檢測的效率，服務于日趨紛雜的關口電能表用戶檢測需求，使得關口電能表檢測及時、高效，本論文提出了開展基于多線程技術的關口電能表智能化檢測方法研究。

1 系統總體設計

傳統三相電能表檢定裝置主要由PC機電能表檢定軟件平臺、多路串口服務器、大功率程控功率源、三相多功能標準電能表、精密時基源、GPS控制器、1:1高準確度電流互感器、誤差計算及顯示單元等主要部分組成。主要針對單一接線方式、單一電壓電流規格的三相表進行集中檢定[2]。

檢定工作原理是：檢定軟件平臺對所檢批次被檢表錄入參數，并設定相應檢定結果判別門限，然后啟動檢定流程；通過以太網與多路串口服務器的總線通訊傳輸數據，多路RS485串口控制功率源升源，輸出設定點的電壓、電流值；在標準表與被試表接收到電壓、電流信號后，分別將標準電能脈沖跟各表位的被檢電能脈沖傳到所在表位誤差計算單元，計算并顯示相應表位的電能誤差[3]；同時誤差計算單元通過RS485把誤差計算結果通過多路服務器上報檢定軟件平臺，通過比較預先設定的門限判別參數，確定檢定結果是否合格[4-5]，從而完成所在點電能誤差檢定的整個流程。

傳統三相表檢定裝置中等電位CT采用1：1設計，即電流回路為串聯形式，回路中有一塊電能表出現故障，電流回路形成開路，檢定的每表位電流必須具有同一性[6]。三相多功能標準表的標準電能脈沖在接線方式唯一的條件下，輸出的電能脈沖也是唯一的，且誤差計算及顯示單元不具備三相四線電能脈沖與三相三線電能脈沖互相轉換的功能，在任意時刻只能接收同一種接線方式的電能脈沖進行誤差計算[7]。因此，傳統三相表檢定裝置在面對不同規格的關口電能表進行集中同步檢定這種需求，顯然是無法實現的。

為此，針對傳統三相表檢定裝置的這種應用局限性，本課題提出了全新的解決方案—基于多線程技術的關口電能表檢定裝置，其原理框圖如圖1。

圖1 基于多線程技術的關口電能表檢定裝置原理框圖

該系統方案，在傳統三相表檢定裝置的設計上，重新設計了以下幾個單元：

(1)電流平衡單元

本系統設計中，為實現三相四線接線方式與三相三線接線方式在PF=1.0條件下電流平衡，在圖2中，需滿足：

(1)

在圖2三相四線有功向量圖中，電流關系滿足式(1)條件下，圖2與圖3三相三線有功的向量圖是等效的，即三相四線有功功率等于三相三線有功功率。

圖2 三相四線有功分元件向量圖

圖3 三相三線有功分元件向量圖

為計算方便，假定Ua=Ub=Uc=U；三相電壓之間角度為120°。

ΣP3P4W=UaIa+UbIb+UcIc= 3UI

(2)

(3)

為滿足式(1)條件，改進型方案中采用如下的電流合成技術，其合成原理如圖4。

圖4 電流合成原理圖

圖4中，電流平衡單元由磁芯T1、T2、繞組N1、N2、N3、N4、N5及補償電路A組成。A相和B相電流分別從圖示中繞組N1、N2輸入，合成C相電流從N3繞組輸出。T2為檢測磁芯，N5為零磁通檢測繞組，N4為補償繞組。

工作原理說明：整個平衡單元由T1磁芯、T2磁芯、N1、N2、N3、N4、N5繞組及補償電路A構成。穩態情況下，T1磁芯工作在近乎零磁通狀態，N5繞組為檢測繞組，輸入阻抗為高阻，幾乎不損耗磁勢，N5繞組兩端檢測信號反應原副邊磁通誤差，即勵磁磁勢大小。T2磁芯作為電流變壓器工作，傳輸功率，N4繞組為補償繞組，提供勵磁磁動勢。如果誤差允許范圍，通過N5檢測繞組將信號經過高增益放大等處理提供N4補償電流，讓N4繞組幾乎完全承擔提供T2磁芯勵磁任務，則原副邊電流可實現高準確度轉換。

(2)接線方式自動識別單元

根據三相三線接線及三相四線接線方式的差異，系統重新進行了接線單元識別，接線方式自動識別單元原理框圖如圖5。

圖5 接線方式自動識別單元原理框圖

該原理框圖由主控單元、模擬信號發生單元、三相三線或三相四線電能表以及檢測判別單元等部分組成。首先，由主控單元下發信號生成指令，通知模擬信號發生單元分別在Ua與Un,，Ub與Un，Uc與Un間施加電壓信號；通過檢測判別單元實時監測Ua，Ub，Uc信號線上的電流信號變化，可以判別出是三相三線關口表，還是三相四線關口表或是其它種類的電表及接線錯誤提示。如果是三相三線關口表，根據其內部構造，Un端子為空，Ua，Ub，Uc信號線與Un之間為開路，施加電壓時，檢測判別單元檢測不到電流；如果是三相四線關口表，Ua，Ub，Uc信號線與Un存在阻抗，施加電壓時，檢測判別單元可以監測到電流變化。從而實現接線方式的自動識別判斷[8]。

由于關口表的種類特性決定了關口表的脈沖常數的種類是有限的。當檢定裝置進行電能試驗時，通過裝置的誤差計算單元，計算出被檢關口表的實際脈沖常數，應用模糊搜索理論，可匹配已知種類關口表的脈沖常數，從而計算電能誤差。

(3)多回路負荷控制模塊

由于不同規格的關口電能表電流規格不一樣，及同一時刻標準電能表測量電流的唯一性，所以，在同步檢定過程中，需要將功率源輸出電流在不同表位適當變換。同時，因為標準表測量的是初級功率源輸出電流，所以為了保證整個檢定系統的誤差傳遞準確性，以滿足相應指標要求，必須保證多量程CT的變換準確度。

對于0.05級的臺體，多量程CT的比差控制優于0.01%，角差控制優于0.005度[9]。根據某公司關口電能表的電流規格0.3A(1.2)A、1.5A(6)A多量程CT需要設計2個量程輸出。多回路負荷控制技術采用多量程CT方式實現，其系統原理框圖如圖6所示。

圖6 多回路負荷控制技術

該系統由T1磁芯、T2磁芯、Np、Ns1、Nsn、N1、N2、Na、Nb以及負荷切換單元組成。其中，T1為功率傳輸磁性，T2為零磁通檢測磁芯，Nb零磁通檢測繞組，Na為補償繞組。當不同表位需求負荷不同時，上位機系統控制負荷切換單元切換至對應負荷繞組Nsn輸出。其轉換誤差通過T2磁芯進行零磁通檢測并由電子電路放大完成補償，具體實現原理見圖7。

如圖7所示，零磁通補償CT由T1磁芯及相應繞組、T2磁芯及相應繞組以及檢測單元、功放單元等組成。CT是既需要帶載功率，又需要保證電流變換準確度的特殊電流互感器，因此在鐵芯選擇上，用了兩種不同規格的磁芯，一種是坡膜合金材質，用于零磁通檢測；一種是硅鋼材質，用于傳輸功率；二者采用串聯方式連接。電路結構上，根據零磁通電流互感器工作原理，采用了電壓控制電流型拓撲結構。

其工作原理為：整個系統由T1磁芯、T2磁芯、N1、N2、N3、N4、N5、N6繞組及補償電路構成。穩態情況下，T1磁芯工作在近乎零磁通狀態，N5繞組為檢測繞組，幾乎不損耗磁勢，兩端檢測信號反應原副邊磁通誤差，即勵磁磁勢大小。T2磁芯作為電流變壓器工作，傳輸功率，N6繞組為補償繞組，提供勵磁磁動勢。如果誤差允許范圍，通過N5檢測繞組將信號經過高增益放大等處理提供N6補償電流，讓N6繞組幾乎完全承擔提供T2磁芯勵磁任務，則原副邊電流可實現高準確度轉換。

圖7 零磁通CT補償原理框圖

以零磁通CT(1:1為例)指標驗算過程如下：最大負荷情況下，勵磁安匝計算和測試。

(6)

測試結果，額定負載45 VA，勵磁安匝2.7 AT；估算補償電流，按照測試結果，預留20%補償余量，總共需要補償勵磁安匝2.7 AT×1.2=3.24 AT。以補償繞組80T計算補償電流，I=3.24 AT/80 T=40 mA，繞組產生電壓V=0.45 V×80 T/10 T=3.6 V。

計算取樣繞組電壓信號Us=Rs×I=40 mV(假設采樣電阻為1歐)，推算零磁通電流互感器勵磁電流。根據實驗結果，坡膜合金磁芯1 mAT在500 T線圈上產生的感應電動勢為10 mV推算，40 mV電壓信號需要4 mAT激勵；按照零磁通電流互感器原邊繞組匝數2 T計算，勵磁電流為2 mA。零磁通電流互感器誤差計算，電流互感器轉換誤差e=2 mA/100 A=2×10-5計算結果滿足指標要求。

電路原理說明:電路設計采用電壓控制電流的環路結構，補償電流采樣信號直接跟蹤誤差取樣信號，輸入采用RC低通濾波接入形式，有效防止高頻噪聲。輸出設有高頻和直流反饋環路，以提高輸出信噪比。同時在取樣信號輸入端加入一定量的電壓正反饋，在補償一定的情況下，減小誤差取樣信號，提高CT準確度，補償電路如圖8。

2 數據管理系統

數據管理系統采用多線程任務管理方式。相對于多線程任務而言，單線程是應用系統進程里只有一個線程，無論任務是否有關聯性，任何任務都必須按順序逐個執行，前一個任務Message1完全正確執行完畢后，才會處理Message2任務。

圖8 補償電路圖示意圖

圖9 多線程流程圖

數據管理系統采用多線程任務管理方式開發，可以同時執行多個任務，例如主線程在等待WebService服務Message1響應的同時，還可以執行數據庫任務Message2、Message3。在多任務執行期間，主線程或用戶界面一直處于活動狀態，能獨立進行啟動、停止任務；同時可以接收通知消息，響應用戶的其他操作。Message4消息任務在執行過程中通知主線程任務的執行狀態和結果。圖9為多線程功能示意圖。

系統內部封裝了ActionQueue任務隊列和TaskManager任務管理器。密封類ActionQueue是執行一系列動作線程的封裝，是控制多線程的基本單元。系統流程圖見圖10。

圖10 系統執行流程圖

主任務線程開始執行后，創建各子任務線程，子線程各自獨立運行，沒有先后順序，創建后即開始運行，子任務間不需要等待排隊，執行效率較高。子線程的運行狀態消息傳遞給主線程處理，主線程根據系統狀態調整和控制子線程。主線程的主要任務是接收各種消息輸入(子線程消息，用戶界面消息等)并控制其他任務，當子線程運行完畢時，可以直接將信息回傳至主線程并結束進程，系統可以將冗余的處理能力分配至新下發的線程重新開始。

3 系統驗證實例

為了驗證系統設計的功能是否能夠滿足實際使用的要求，本文將四種不同規格的電能表在多線程檢測裝置和常規裝置分別進行了試驗，并分別記錄了其典型試驗點(100 V/1 A)的誤差及測試所需時間。關口電能表選取某國外公司生產的紅相系列電能表，其電能誤差測量準確度為0.2S級[10]，有功電能脈沖及無功電能脈沖均為5 000 imp/kWh，由于目前電能表裝置對于不同規格電能表只能分開檢定，測試時間是在單塊電能表檢定全過程測量所得。

通過仿真系統，建立多線程檢定系統，由電能表標準裝置對各表位負荷值進行精確控制，同時輸出不同大小的電流及電壓值，并在系統中計算得出電能測量誤差以及測試時間。

從表1中數據可以得出，使用傳統裝置檢定4塊電能表總共需要時間20小時；而使用多線程裝置同時檢定該4塊電能表所需時間為最長的一塊電能表所需時間，即5.5小時。由于4塊電能表可以同時檢定，省去了在同一裝置上裝拆及接線的時間。

表1 關口表檢測耗時比對

比對兩臺裝置對4塊電能表電能測量誤差檢測結果，發現其誤差均在合格范圍內。檢測時間上，多線程裝置檢定效率提升約為72.5%。該結果證明多線程技術的優越性，測試結果滿足項目設計預期要求，實現了項目總體設計目標。

4 結束語

本文首先分析基于多線程技術的關口電能表檢測系統的必要性，并根據不同類型關口電能表進行同步檢定的特殊需求，分析對比傳統檢測裝置與多線程檢測系統的差異化特點。通過重點描述檢測系統中電流平衡單元、多量程負荷控制單元以及接線方式識別單元三個組成部分的實現方案，詳細闡述了通過多量程零磁通CT實現對不同負荷進行輸出控制以及電壓回路信號檢測實現接線方式識別的具體方法，同時通過多線程檢測軟件對檢測系統進行統一協作管理，最終達到可以同時對不同形式規格關口電能表進行檢定的功能。文章對終通過仿真實驗，對多線程系統的設計功能進行了驗證，證明了該系統對關口電能表檢測效率的提升有積極作用。