智能電能表底層計量研究

曹鴻飛

（嘉峪關(guān)市產(chǎn)品質(zhì)量計量和特種設(shè)備檢驗檢測中心，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

隨著新的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、電能測量技術(shù)和技術(shù)水平的提高，對儀表的功能需求越來越高，其使用范圍也越來越廣，其測量精度和可靠性直接關(guān)系到國家的用電安全和社會經(jīng)濟效益，電能表作為貿(mào)易結(jié)算的終端，已從簡單抄表功能向著系統(tǒng)化、多功能和智能化不斷深入發(fā)展。由于電力儀表技術(shù)水平的提高，其功能也越來越完善，但其基礎(chǔ)設(shè)施的電力測量與資料安全仍是其核心內(nèi)容，其最主要的需求仍是可靠、準(zhǔn)確和安全，因此在電力儀表的研制中，是電力測量與資料安全的關(guān)鍵技術(shù)。

1 軟件特點分析

智能電能表是由各種電子部件組成的，它的工作原理是采集電網(wǎng)的電壓和電流，然后由電能儀的芯片進(jìn)行采集。在這種情況下，有關(guān)人員還要把采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成與電力成比例的脈沖，最終由微處理器完成，并以電力形式顯示出來。在實施智能化電能表的同時，還應(yīng)具備更多的功能。智能化電能表機在實際使用時，既可以存儲、加工，又可以進(jìn)行自動化監(jiān)控，還可以進(jìn)行信息資源的分享。該技術(shù)在實際運用中，既能提高供電公司的效益，又能適應(yīng)用戶的各種需要，進(jìn)而達(dá)到供電公司全面覆蓋的目的。在進(jìn)行設(shè)備使用時，也可以進(jìn)行相關(guān)的計量、成本的管理、事件的記錄等。在智能電能表的研制中，采用了一種特殊的電路結(jié)構(gòu)。所以，這種裝置不但可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的通信，可以連接網(wǎng)絡(luò)，還可以用軟件來進(jìn)行特定的操作。該裝置在實際使用中表現(xiàn)出了較好的性能，運行起來也更簡單，同時，也大大降低了能源消耗。測量時精度提高，降低了儀器使用時的錯誤。該裝置的容量也較大。智能電能計量存儲功能，顯示功能，脈沖功能，費率和周期，編程設(shè)置，事件記錄，通信功能。電功率計量與儲存的主要特點是：具有實時檢測電壓、電流、有功、無功、頻率、功率因數(shù)等電氣性能指標(biāo)；可實現(xiàn)有功無功、組合累加計量、全計量、四象限無功、失壓斷相計量、最大需量計量、預(yù)付費和收費程序設(shè)定以上資料的儲存。在電子工業(yè)中，現(xiàn)代的電子綜合技術(shù)已被全面發(fā)展，為了實現(xiàn)一體化、智能化的一體化，智能電能表結(jié)合了電子技術(shù)，利用了電子計量的工作方式，具有高精度、多參數(shù)測量、靈敏計量、超強交互、智能分析等優(yōu)勢。盡管電能表的功能越來越多，但是，從測量的角度來看，它最基本的要求就是要達(dá)到電力測量的性能，同時，也要保證資料的完整性，避免信息的混亂和遺失。所以，在滿足電能計量基礎(chǔ)要求的前提下，必須注重確保計量精度和數(shù)據(jù)的可用性。

2 硬件架構(gòu)分析

本實用新型的智能化電能表按其功能可劃分成8 個部分，其中的主要硬件部分見圖1。中央控制模塊是電能計量儀表的中樞，它負(fù)責(zé)傳輸和接受各類數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲、顯示、通訊、控制等工作，并對各個模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理；供電模組為儀表的各個部件供電，保證儀表各個組件的工作性能；測量模塊利用電能表頭采集電壓、電流、功率等實時信息，然后進(jìn)行模擬、數(shù)字處理、參數(shù)存儲、通訊交流與CPU 聯(lián)通；顯示與控制部分分別負(fù)責(zé)顯示各種資料、信息、人機交互及負(fù)載的功能；該模塊實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)運行、費率控制和計時控制等控制；存儲功能：對電量數(shù)據(jù)、事件記錄、信息指令等進(jìn)行永久性存儲；通信功能模塊可以完成電力儀表與外界的通信，其中包含RS485、紅外、無線、載波等多種通信手段；監(jiān)控系統(tǒng)可以對CPU 的工作狀況進(jìn)行即時的監(jiān)測，并在CPU 的運行過程中迫使CPU 恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)。本文主要是對電能表的測量模塊進(jìn)行分析，并給出了相應(yīng)的測控方案和測控方案，該測控系統(tǒng)的工作過程是：通過測量儀器的前端的電壓、電流采集線路所獲取的實時信號通過A/D 變換器進(jìn)行模擬，然后通過A/D 變換將其輸出到測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存貯，從而實現(xiàn)與 CPU 組件之間的數(shù)據(jù)信息的交流。

圖1 電能表硬件模塊框圖

3 電能計量策略

測量系統(tǒng)中的軟件設(shè)計思想，主要是對電壓、電流進(jìn)行實時采集和有效數(shù)值的求解；瞬時和視在能量的估算；有源、無功、有源、有源的變換等?；谟嬃康幕驹瓌t，在進(jìn)行了時間域離散化的過程中，對電力計量的方案進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃，包括數(shù)據(jù)采集、有效值計算和計量功能三大方面的內(nèi)容。首先，CPU 讀取和寫入特定的測量晶片，采集電壓、電流、功率、功率因素、相位等，并對其進(jìn)行A/D 變換；其次，用實測的電壓和電流的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值與取樣時的參考數(shù)值相乘，得出一個有效的數(shù)值；最后通過一組有功、無功、各費率、總電量等具體的數(shù)據(jù)，通過CPU 和內(nèi)存模塊進(jìn)行顯示和存貯。在智能化儀表的使用中，必須對儀表的測量線路進(jìn)行合理的規(guī)劃，選用高質(zhì)量的元件，以便使儀表的使用得到充分的發(fā)揮。為了降低測量的錯誤，需要對測量系統(tǒng)的工作進(jìn)行綜合的控制。在進(jìn)行資料收集時，應(yīng)選擇具有較高的準(zhǔn)確率和較高的穩(wěn)固性的材料。在選擇電池的過程中，需要從品牌、口碑等方面進(jìn)行有效的檢測，并實施取樣檢驗，確保電池的品質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)。在使用前，在智能電量表的儀表終端配備了一個備用的電源，這樣即使在斷電后，它也可以精確地測量。同時，需要使用的主要是鋰離子，并配備了散熱器。另外，還需要提高員工的職業(yè)素質(zhì)，通過相關(guān)的訓(xùn)練來提高他們的工作能力，提高他們的測量精度。智能電能表包含多個功能組件，并與特定的電路板結(jié)合，需要對其進(jìn)行合理的設(shè)計和完善，以保證在斷電時能夠高效地提供電力。在完成了安裝工作后，應(yīng)該進(jìn)行斷電和測量，保證在斷電的情況下，還能夠保持良好的測量精度。另外，需要配備對應(yīng)的絕緣設(shè)備，以提高測量精度，并能提高工作壽命。由于選用的晶片，會對器件的效能產(chǎn)生很大的影響。所以，在挑選晶片時，要根據(jù)晶片的精確度，以及精確的控制，以確保在使用時，能夠讓所有的工作，都能夠精確地執(zhí)行。在實施智能化電能表時，廠商要不斷地改進(jìn)生產(chǎn)工藝，推動工作規(guī)范化，同時，也要通過使用自動化技術(shù)來減少產(chǎn)品的錯誤。廠家在實施制造時，要不斷地改進(jìn)自己的工藝，用超聲波進(jìn)行清潔，并定時進(jìn)行換料。也可以進(jìn)一步改進(jìn)噴霧工藝，在經(jīng)過高溫干燥后，對裝置進(jìn)行防腐處理。在噴灑時，工人應(yīng)保證防火涂料的厚度均一。在選用合適的涂料時，應(yīng)選用質(zhì)量較高的涂料，以防止制品在潮濕時發(fā)生損壞。廠家在制造裝備時，也要不斷地改進(jìn)產(chǎn)品的老化工藝，以保證產(chǎn)品在使用期間的穩(wěn)定性，從而為企業(yè)的計量工作提供有力的支撐。

4 數(shù)據(jù)容錯策略

一般將資料儲存于EPROM 位址，然后設(shè)定檢測碼，以累積運算相加的方法進(jìn)行檢定，然而透過對資料檢定的深度剖析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)斷電后迅速復(fù)原，或者多次斷電時，電度計的CPU 及計量器無法進(jìn)行正常的、完全的資訊交換，從而造成設(shè)定的參數(shù)檢定出現(xiàn)異常，最后造成資料失真或遺失。所以，EPROM 中的資料，只有一個，沒有任何的備份，即使有，也是有一定的誤差，而且沒有任何證據(jù)可以彌補，只能讀取或者刪除，這樣做，根本不可能保護(hù)電力系統(tǒng)的安全性。通常，電度計都裝有一個內(nèi)置的電池組來保持內(nèi)存中的資料不會流失。在充電時，首先將RAM 的累積檢查和與已儲存的累積檢查代碼進(jìn)行比較，并將其與反代碼的數(shù)值進(jìn)行比較，若兩者均相同，就認(rèn)為該資料是可信的，否則，就必須從EEPEOM 中讀取資料進(jìn)行檢查。為了提高電力系統(tǒng)的容錯性，同時考慮讀取數(shù)據(jù)的時間，避免讀取數(shù)據(jù)的處理會影響系統(tǒng)的正常工作。將兩個位址的電力資料存于兩位，另一位儲存上次的資料，輪流儲存，當(dāng)資料出現(xiàn)差錯時，可以對兩位位址的價值進(jìn)行分析，若兩位資料相同，請選擇其中一位，若有兩位資料相差1，以更大的資料為準(zhǔn)。

5 策略評測與改進(jìn)

根據(jù)上述流程，對所提出的方案進(jìn)行了驗證，以檢驗方案在電力儀表的穩(wěn)定與可靠度方面的功能，并根據(jù)上述流程進(jìn)行了相應(yīng)的試驗。白箱試驗用于檢驗每個內(nèi)部作業(yè)與政策過程的需求一致。在進(jìn)行檢測前，要保證用I2C 與智能型電能表EEPROM 讀取和寫入設(shè)備連接，然后用一個裝有EEPROM 讀取和寫入設(shè)備的電腦，用RS232 或者網(wǎng)絡(luò)連接到電能表EEPROM 讀取和寫入設(shè)備上，然后用RS232 或者聯(lián)網(wǎng)連接到電能表 EEPROM 中的數(shù)據(jù)和參數(shù)，檢測重寫和重寫之后的電量表讀寫情況，評估和修正在數(shù)據(jù)不正常的情況下的電量表的操作策略。黑箱試驗可以驗證所實施的每個已知的功能性和設(shè)計規(guī)范的需求。測試中的各項指標(biāo)必須涵蓋所有的正常與不尋常的情況，必須涵蓋所有的資料，并且要注意資料的線性度，要確保測試的超負(fù)荷、飽和等條件。利用電能表的檢定設(shè)備對電表的測量能力進(jìn)行檢驗，主要有基本誤差測試、電量測試、最大需求測試、瞬時數(shù)據(jù)測試、復(fù)費率功能測試等。通過RS-485 讀取程序?qū)收线M(jìn)行仿真，對發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行了配置，并對其進(jìn)行了校驗。

5.1 采用無線抄表模式

在經(jīng)濟和社會發(fā)展的過程中，各種通訊技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于人們的生活和工作中，尤其是在電力系統(tǒng)方面，目前，智能電能計量已經(jīng)在各個行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。采用無線抄表技術(shù)，不但可以將資料卡片與智能型電能表相結(jié)合，更可以確保發(fā)送資料的正確性，并可進(jìn)行儲存。

5.2 采用遠(yuǎn)程自動抄表模式

根據(jù)遠(yuǎn)程自動抄表的方式，可以采用以下方式實現(xiàn)：（1）采用專用的電線與智能型電能表相聯(lián)接；（2）利用功率載波的方式，確保電網(wǎng)的能量始終在一條主干路上，必須采用專門的線路，使電能的特性得到充分的利用。由轉(zhuǎn)接控制器進(jìn)行總線的聯(lián)接也能起到更大的作用，在這種情況下，有關(guān)的人可以把各個區(qū)域的電力中心系統(tǒng)接入可以接入的地方，從而進(jìn)行遠(yuǎn)距離的自動化抄表工作。在實踐中，有關(guān)部門要把電網(wǎng)的高壓線路與電網(wǎng)的遠(yuǎn)距離抄表結(jié)合起來，既可以把電網(wǎng)的信息傳遞出去，又可以利用多種新技術(shù)進(jìn)行推廣。

5.3 電力計量自動化

智能電能表的使用，使企業(yè)和客戶的溝通更加密切，利用抄表技術(shù)可以隨時了解客戶的動態(tài)，從而促進(jìn)電能質(zhì)量的提升。在進(jìn)行電能測量時，通過數(shù)據(jù)采集、匯總和分析，通常使用的是遠(yuǎn)距離測量，從而減少了手工抄表帶來的錯誤，有效地改善了電能的測量精度。另外，它還可以專門地分析每個變壓器的總能量，然后根據(jù)不同的需求進(jìn)行響應(yīng)，根據(jù)不同的參數(shù)設(shè)置，可以根據(jù)不同的需求調(diào)整不同的供電方式，從而有效地提升電能的利用率。在夏季、冬季等特殊的用水旺季，人們會大量地利用大功率的電器，智能水表可以通過增加電費來控制用電量，同時也可以保障電網(wǎng)的穩(wěn)定供電。

6 結(jié)語

綜上所述，本文介紹了在電力測量與數(shù)據(jù)安全性的基礎(chǔ)上，從軟件開發(fā)的根源上保證了電力儀表的可靠性。本文所述的方法，不但可以用于電能表的設(shè)計與研制，而且對于其他行業(yè)同類產(chǎn)品的研發(fā)具有一定的借鑒意義。隨著智能化網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，對供電公司的經(jīng)營管理也越來越重視。為了適應(yīng)智能化電網(wǎng)的高質(zhì)量管理需求，需要對其經(jīng)營方式、經(jīng)營內(nèi)容等進(jìn)行改革。許多電力公司都采取了“先抄后交”的辦法來進(jìn)行電費的核算，這樣既增加了工作量，又造成了大量的資料遺失。同時，在進(jìn)行治理時，也不能對偷盜事件進(jìn)行徹底的防范。由于采用了智能化的測量手段，使得企業(yè)在進(jìn)行經(jīng)營的同時，也可以滿足新時期的需求，從而大大地提升了企業(yè)的經(jīng)營效率。