檢定高壓電能表的多表位誤差計(jì)的設(shè)計(jì)

賴榮光

摘要：本文介紹了一種多表位電能誤差計(jì)的工作原理、軟硬件設(shè)計(jì)、誤差計(jì)算方法和實(shí)例，以標(biāo)準(zhǔn)表的脈沖輸出作為多表位誤差計(jì)的同源輸入，擴(kuò)展多表位檢表。應(yīng)用表明，該設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高，支持多個(gè)被檢表的并行檢定，提高生產(chǎn)效率，其精度滿足高壓電能表的整體檢定要求。

[關(guān)鍵詞]高壓電能表 整體校驗(yàn) 多表位 誤差計(jì)算

6～35kV直接接入式電能計(jì)量裝置技術(shù)路線有多種，如采用傳統(tǒng)電磁式電壓互感器、電流互感器、電能表組成的高壓電能計(jì)量箱，采用傳統(tǒng)電磁式電壓互感器和電流互感器小型化、二次側(cè)增加計(jì)量模塊組成的小型化高壓電能表，或者采用電子式電流互感器、電阻/電容分壓以及計(jì)量模塊集成的一體化直接接入式高壓電能表，本質(zhì)上都是將三相電壓、電流輸入到此類高壓計(jì)量裝置，經(jīng)過降壓處理，實(shí)現(xiàn)電氣量測(cè)量、電能計(jì)量和需量計(jì)算。2017年3月1日開始執(zhí)行《GB/T32856-2016高壓電能表通用技術(shù)要求》，近幾年來(lái)逐漸發(fā)展成熟的一體化高壓電能表（由裝入同一殼體內(nèi)的高壓電流電壓傳感器、高壓供電單元、電能計(jì)量單元、通信單元等組成）一直缺少電力行業(yè)的檢定規(guī)程，但隨著高壓取電、整體計(jì)量和無(wú)線通信等一二次融合技術(shù)大量地應(yīng)用于配電網(wǎng)的同期線損考核、高壓計(jì)量和高壓防竊電，相關(guān)的國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程即將出臺(tái)。

國(guó)內(nèi)目前有多個(gè)廠家已經(jīng)研制成功高壓電能表整體誤差檢定裝置，包括三相電能標(biāo)準(zhǔn)表、三相程控功率源、高壓升壓器及其電壓互感器、高壓升流器及其電流互感器，以及安裝有檢表軟件的主控電腦。檢定裝置通過整體校驗(yàn)法既可以檢定傳統(tǒng)高壓電能計(jì)量箱，也可以檢定一體化高壓電能表。另外，一體化高壓電能表將電能計(jì)量單元與傳感器統(tǒng)一設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)計(jì)量連接方式，把高壓、大電流通過傳感器直接處理成可連接至計(jì)量模塊的信號(hào)，減少了電壓、電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換次數(shù)，降低了傳感器輸出容量，適合將這種技術(shù)方案的電能表作為一個(gè)整體進(jìn)行計(jì)量檢定。整體法校準(zhǔn)高壓電能計(jì)量裝置具有直接、快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，是配網(wǎng)中高壓電能計(jì)量裝置量值傳遞方式的發(fā)展方向。

本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種以并行方式同時(shí)檢定多臺(tái)被檢高壓電能表的多表位誤差計(jì)，基于標(biāo)準(zhǔn)表法計(jì)算誤差，因標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表處于同步狀態(tài)，對(duì)電源穩(wěn)定性要求大為放寬，只需要保證高壓電壓與電流互感器的精度。將高壓電能表檢定裝置的標(biāo)準(zhǔn)表的脈沖輸出接口連接此誤差計(jì)的脈沖輸入接口，由功率源輸出相同的電壓、電流經(jīng)過高壓升壓器和高壓升流器，再經(jīng)過高壓電壓互感器、高壓電流互感器反饋至標(biāo)準(zhǔn)表，多個(gè)被檢表處于同一負(fù)荷條件，誤差計(jì)接收多個(gè)被檢表的電能脈沖，實(shí)時(shí)計(jì)算電能誤差。誤差計(jì)將標(biāo)準(zhǔn)表作為脈沖輸入基準(zhǔn)源，同時(shí)接收多個(gè)被檢表的脈沖輸入，兩者進(jìn)行比對(duì)，則可計(jì)算出多個(gè)被檢表的電能誤差。各個(gè)表位電能誤差在液晶顯示屏上直觀顯示，檢表軟件將定時(shí)抄讀當(dāng)前被檢表的誤差值在電腦上顯示并存儲(chǔ)。

1 多表位誤差計(jì)硬件方案

1.1 高壓電能表檢定系統(tǒng)的組成

10kV高壓電能表檢定系統(tǒng)主要由高壓電能表檢定裝置及其檢表軟件組成，如圖1。本文論述的檢定裝置包括三相電能標(biāo)準(zhǔn)表CL311V5、三相程控功率源CL303、10kV高壓升壓器及其電壓互感器、10kV高壓升流器及其電流互感器、多表位誤差計(jì)，檢表軟件運(yùn)行在安裝有Windows系統(tǒng)的主控電腦（PC機(jī)），通過三元件法升壓與反饋、二元件法升流與反饋，控制輸出最大電壓10kV、最大電流600A及不同功率因數(shù)。

由檢表軟件通過RS232串口、無(wú)線模塊向標(biāo)準(zhǔn)表、功率源、被檢表發(fā)送與接收控制功率源、設(shè)置參數(shù)、抄讀瞬時(shí)量和電能誤差等命令，支持各種設(shè)備的通信協(xié)議，完成被檢表在合相、分相時(shí)各個(gè)不同負(fù)載電流、功率因數(shù)的整體誤差檢定。

1.2 多表位誤差計(jì)的硬件設(shè)計(jì)

多表位誤差計(jì)包括機(jī)箱、主控模塊、8個(gè)誤差計(jì)算模塊、電源模塊、液晶顯示屏、多無(wú)線脈沖輸入、1路標(biāo)準(zhǔn)表脈沖輸入、本地?zé)o線通信等，工作電源為220VAC。主控模塊與多個(gè)誤差計(jì)算模塊統(tǒng)一采用處理器STM32F103和本地?zé)o線模塊A7139，內(nèi)部通過SPI總線連接，硬件結(jié)構(gòu)組成框圖參見圖2。

本地?zé)o線選擇微功率短距離無(wú)線通信技術(shù)以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，被檢高壓電能表以無(wú)線脈沖的形式發(fā)出電能脈沖信號(hào)，誤差計(jì)算模塊接收到無(wú)線脈沖輸出命令后，計(jì)算脈沖起止時(shí)間和脈沖個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)與常規(guī)低壓電能表相同形式的標(biāo)準(zhǔn)表法進(jìn)行校表、檢表，獲得整體電能計(jì)量的準(zhǔn)確度。此種高電壓分相計(jì)量電能脈沖輸出實(shí)現(xiàn)技術(shù)，可在慢速通信方式下輸出滿足精度要求的電能脈沖，從而大幅降低設(shè)備的生產(chǎn)成本和設(shè)計(jì)難度，避免高壓工作環(huán)境下要求較高的絕緣水平和較大的安全距離，有利于無(wú)線脈沖方式校表。

2 多表位誤差計(jì)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

多表位誤差計(jì)完成相關(guān)參數(shù)配置、通信處理、誤差計(jì)算和顯示，電能誤差計(jì)算流程詳見圖3。

各處理器運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT一Thread，主控模塊以分布式架構(gòu)與各個(gè)誤差計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，滿足多任務(wù)設(shè)計(jì)、任務(wù)調(diào)度、實(shí)時(shí)中斷、內(nèi)存管理等應(yīng)用。手動(dòng)檢表時(shí)，操作人員通過觸摸屏設(shè)置誤差計(jì)和被檢表的相關(guān)通信參數(shù)、計(jì)量參數(shù);自動(dòng)檢表時(shí)，由檢表軟件自動(dòng)完成參數(shù)校驗(yàn)與配置。

2.2 無(wú)線通信處理

多表位誤差計(jì)的主控模塊、誤差計(jì)算模塊各自連接一個(gè)無(wú)線模塊，由于采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，各個(gè)通信模塊工作于不同的信道（最大32信道，可設(shè)），避免無(wú)線通信干擾。主控模塊用于接收與應(yīng)答檢表軟件對(duì)誤差計(jì)的參數(shù)配置，如每個(gè)被檢表的無(wú)線信道、脈沖接收地址、電表常數(shù)等。誤差計(jì)算模塊只接收被檢表在本無(wú)線信道下傳輸?shù)臒o(wú)線脈沖報(bào)文，每接收到1個(gè)包含糾錯(cuò)與校驗(yàn)的報(bào)文，則表示被檢表輸出1個(gè)脈沖，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的相關(guān)參數(shù)計(jì)算出電能誤差。

2.3 誤差計(jì)算方法

多表位誤差計(jì)的電能誤差計(jì)算原理和方法如下：

假定檢定裝置的高壓電壓互感器的電壓變比為PT，高壓電流互感器的電流變比為CT，高壓脈沖常數(shù)為HC;每個(gè)表位被檢表的電壓變比為PT，、電流變比為CT;和高壓側(cè)脈沖常數(shù)為HC。

（1）檢表軟件根據(jù)PT，CT，和HC，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)應(yīng)的低壓脈沖常數(shù)LC，并將LC，下發(fā)到標(biāo)準(zhǔn)表，標(biāo)準(zhǔn)表根據(jù)LC，產(chǎn)生的電能脈沖作為電能脈沖。

（2）檢表軟件將標(biāo)準(zhǔn)表參數(shù)（PT，CT，和HC，），以及各個(gè)表位被檢表參數(shù)（PT、CT;和HC）同步下發(fā)到多表位誤差計(jì)的主控模塊。

（3）多表位誤差計(jì)的主控模塊將標(biāo)準(zhǔn)表參數(shù)和各表位被檢表參數(shù)分發(fā)至各個(gè)誤差計(jì)算模塊。

（4）各個(gè)誤差計(jì)算模塊根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表參數(shù)和被檢表參數(shù)，計(jì)算出被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表的低壓側(cè)脈沖常數(shù)比例R，該比例表示每當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)表輸出1個(gè)電能脈沖，則理論上被檢表需要輸出R;個(gè)電能脈沖。

（5）誤差計(jì)算模塊收到標(biāo)準(zhǔn)表的基準(zhǔn)電

能脈沖，則記錄當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)表前脈沖的發(fā)生時(shí)刻T。若標(biāo)準(zhǔn)表起始脈沖時(shí)刻Tp的值為0，則.rl

To=Tg，標(biāo)準(zhǔn)表脈沖個(gè)數(shù)N，=0;否則標(biāo)準(zhǔn)表脈沖個(gè)數(shù)N，增加1，并計(jì)算平均脈沖時(shí)間Tpo

（6）誤差計(jì)算模塊收到各表位被檢表的電能脈沖，則記錄當(dāng)被檢表前脈沖的發(fā)生時(shí)刻Ti。若標(biāo)準(zhǔn)表起始脈沖時(shí)刻To的值為0，則To=Tn，標(biāo)準(zhǔn)表脈沖個(gè)數(shù)N;=0;否則標(biāo)準(zhǔn)表脈沖個(gè)數(shù)N;增加1，計(jì)算平均脈沖時(shí)間T，根據(jù)T;和R;計(jì)算出被檢表對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)表低壓脈沖常數(shù)LC，時(shí)的平均脈沖時(shí)間T。

（7）當(dāng)N，和N;都不為0時(shí)，誤差計(jì)算

模塊會(huì)計(jì)算最近一次的誤差值Err，計(jì)算完畢則令To=Tn，N，=0，To=T;，N;=0，返到第（5）步，重新開始下一次誤差值計(jì)算。

3 應(yīng)用案例

運(yùn)行于Windows系統(tǒng)的檢表軟件基于.NET框架，使用C#編程語(yǔ)言開發(fā)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多表位電能表檢定裝置的通信控制，采用SerialPort類的DataReceived事件驅(qū)動(dòng)的方法設(shè)計(jì)，支持多串口驅(qū)動(dòng)、多設(shè)備通信規(guī)約和多線程，確保穩(wěn)定可靠地與功率源、標(biāo)準(zhǔn)表、電流切換控制器、被檢表等設(shè)備進(jìn)行有線或無(wú)線通信。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)表與多表位誤差計(jì)的檢表誤差對(duì)比

檢表時(shí)，誤差模式可選擇標(biāo)準(zhǔn)表或多表位誤差計(jì)，即由標(biāo)準(zhǔn)表本身計(jì)算電能誤差，或者由誤差計(jì)計(jì)算電能誤差。本文論述的被檢表主要技術(shù)參數(shù)為：三相三線，電壓3x10kV，電流100（400）A，有功電能0.5S級(jí)，無(wú)功電能2.0級(jí)。表1所示檢表數(shù)據(jù)為“合相，電壓10kV，電流100A，功率因數(shù)1.0”輸出時(shí)同一被檢表的有功電能誤差。對(duì)比結(jié)果表明，采用原有的標(biāo)準(zhǔn)表或者擴(kuò)展設(shè)計(jì)的誤差計(jì)在同一高壓電能表檢定系統(tǒng)中，由于存在無(wú)線傳輸?shù)难舆t及誤差計(jì)算的精度，兩者絕對(duì)偏差的平均值最大為0.01%，即十萬(wàn)分之一，完全滿足檢定電能精度為0.2S、0.5S、1.0級(jí)的高壓電能表。

3.2 多表位誤差計(jì)檢測(cè)多個(gè)被檢表

誤差模式選擇多表位誤差計(jì)，檢定裝置的功率源輸出“合相，電壓10kV”時(shí)，在不同負(fù)載電流和不同功率因數(shù)下，同時(shí)檢定4只高壓電能表的檢表誤差數(shù)據(jù)詳見表2。結(jié)果表明，誤差算法具有實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、抗干擾性，滿足多臺(tái)高壓電能表同時(shí)整體檢定的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

以標(biāo)準(zhǔn)表僅有的一路脈沖輸出，作為多表位誤差計(jì)的同步脈沖輸入源，可擴(kuò)展成多路誤差計(jì)算器，實(shí)現(xiàn)并行方式同時(shí)檢定多臺(tái)被檢高壓電能表，提升現(xiàn)有單表位檢定系統(tǒng)的檢定能力。在整個(gè)檢定系統(tǒng)中，采用無(wú)線通信設(shè)計(jì)被檢表的電能脈沖傳遞，比光纖通信安全、經(jīng)濟(jì)，但是對(duì)通信設(shè)計(jì)要求較高，通過以下方式提高無(wú)線通信的穩(wěn)定性和誤差計(jì)算的真實(shí)性。

（1）無(wú)線脈沖信道可配置。多表位誤差計(jì)與被檢表的無(wú)線信道由檢表軟件自動(dòng)設(shè)置，在同一信道下不會(huì)收到其它信道的通信報(bào)文，避免無(wú)線干擾;另外誤差計(jì)不需要判定接收到的脈沖來(lái)源于某個(gè)被檢表的通信地址，加快并發(fā)通信處理，提高電能誤差計(jì)算精度。

（2）如果無(wú)線脈沖傳輸時(shí)丟失某個(gè)脈沖，此時(shí)抄讀的誤差值小于-45%，必須在檢表軟件中忽略，以實(shí)際有效脈沖數(shù)計(jì)算檢表時(shí)的平均電能誤差值。

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