便攜式電能表智能檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

摘 要：電能表是測(cè)量電能消耗的基本工具，對(duì)電費(fèi)計(jì)量和能源管理效率具有重要影響，因此電能表檢測(cè)儀的作用十分關(guān)鍵。隨著國(guó)內(nèi)集中檢定方式的轉(zhuǎn)變，現(xiàn)場(chǎng)無法直接再次確認(rèn)電能表的性能。為此，本文設(shè)計(jì)了一款便攜式電能表智能檢測(cè)儀，對(duì)其硬件和軟件進(jìn)行了分析。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了本文設(shè)計(jì)的有效性。

關(guān)鍵詞：電能表；檢測(cè)儀；主控芯片

中圖分類號(hào)：TM 933" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

電能表作為電力系統(tǒng)中測(cè)量電能消耗的基本工具，其準(zhǔn)確性直接關(guān)系到電費(fèi)計(jì)量的準(zhǔn)確性和能源管理的效率，因此，保證電能表的性能穩(wěn)定且測(cè)量準(zhǔn)確至關(guān)重要。電能表檢測(cè)儀作為一種精密儀器，用于檢測(cè)和校準(zhǔn)電能表的性能，在電能表性能校準(zhǔn)方面發(fā)揮著重要作用。隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，電能表檢測(cè)儀的技術(shù)也在不斷進(jìn)步，以滿足更高的精度要求和多樣化的功能需求。

國(guó)內(nèi)電力企業(yè)采用集中檢定方式，提高了計(jì)量設(shè)備的檢定效率，但基層供電單位的電能表檢定檢測(cè)能力卻有所降低。由于計(jì)量設(shè)備通常需要長(zhǎng)距離運(yùn)輸和長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)，運(yùn)維人員在現(xiàn)場(chǎng)安裝電能表的過程中，需要確認(rèn)電能表的計(jì)量性能、通信功能等是否完好。但是，基層人員缺乏便攜式的檢測(cè)工具，無法在安裝現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電能表進(jìn)行檢測(cè)[1]。

基于此，本文設(shè)計(jì)了一款便攜式電能表智能檢測(cè)儀（專利號(hào)為2022230677317），使基層人員能夠在安裝現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電能表進(jìn)行檢測(cè)。這款便攜式檢測(cè)儀為電能表的校準(zhǔn)、檢測(cè)和維護(hù)提供了快速、準(zhǔn)確和便捷的解決方案，可以輕易攜帶至不同的工作場(chǎng)所進(jìn)行電能表檢測(cè)工作。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

便攜式電能表智能檢測(cè)儀的系統(tǒng)主要由電源模塊、開關(guān)電路模塊、控制單元模塊和負(fù)載模塊等4個(gè)部分組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。其中，控制單元模塊是系統(tǒng)的核心，其包括處理器單元、通信單元、顯示單元、標(biāo)準(zhǔn)表單元和數(shù)據(jù)采集單元，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、通信以及人機(jī)交互操作。電源模塊則為控制單元、負(fù)載等其他模塊提供所需的電源。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要包括控制器、電源模塊、通信模塊、顯示模塊和負(fù)荷模塊等。核心處理器單元可以采用單片機(jī)[2-3]，例如STM32作為主控芯片。為提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兼容性和響應(yīng)性，本文選擇性能、可靠性高以及功耗低的STM32F103C8T6作為主控芯片，如圖2所示。

2.1 電源模塊

電源模塊是整個(gè)系統(tǒng)的能源供應(yīng)中心，其原理如圖3所示。電源模塊的作用是為控制單元、開關(guān)電路、負(fù)載模塊以及其他電子組件提供穩(wěn)定電源。一般來說，電源模塊采用高效的開關(guān)電源技術(shù)，使電源小型化、輕量化，保證電源穩(wěn)定、可靠。在一些高級(jí)的便攜式電能表智能檢測(cè)儀中，電源模塊還包括電池管理系統(tǒng)，以支持長(zhǎng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控電池狀態(tài)。

2.2 開關(guān)電路模塊

開關(guān)電路模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是控制電能表在檢測(cè)過程中的電流和電壓切換。這個(gè)模塊通常包括精密的繼電器或電子開關(guān)，能夠根據(jù)控制單元的指令快速、準(zhǔn)確地切換負(fù)載，模擬不同的用電環(huán)境，以測(cè)試電能表在各種工作狀態(tài)中的性能。開關(guān)電路需要響應(yīng)時(shí)間短，可靠性高，以保證檢測(cè)過程的精確性和可重復(fù)性。

2.3 控制單元模塊

控制單元模塊是整個(gè)便攜式電能表智能檢測(cè)儀的核心，其集成了多個(gè)關(guān)鍵的子單元，電源原理如圖3所示。處理器單元是系統(tǒng)的核心，其作用是協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作，執(zhí)行檢測(cè)算法，處理數(shù)據(jù)采集單元傳來的數(shù)據(jù)，提出相應(yīng)的控制決策。便攜式電能表智能檢測(cè)儀采用性能高的微控制器或嵌入式系統(tǒng)，以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)操作。

通信單元的作用是使便攜式電能表智能檢測(cè)儀與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可能與上位機(jī)、手持終端或云平臺(tái)的無線或有線連接。通信協(xié)議包括RS-232、RS-485、以太網(wǎng)、Wi-Fi、藍(lán)牙或4G/5G等。

顯示單元為用戶提供直觀的操作界面，顯示在檢測(cè)過程中各種參數(shù)和狀態(tài)的信息。本文采用LCD液晶顯示屏，其圖形界面分辨率高，用戶操作體驗(yàn)良好。

標(biāo)準(zhǔn)表單元的作用是提供精確電能測(cè)量的基準(zhǔn)，校準(zhǔn)和驗(yàn)證被測(cè)電能表的準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)采集單元的作用是收集來自被測(cè)電能表和系統(tǒng)內(nèi)部的各類數(shù)據(jù)，例如電壓、電流、功率和頻率等。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由處理器單元進(jìn)一步分析和處理。

2.4 負(fù)載模塊

負(fù)載模塊是模擬實(shí)際用電環(huán)境的組件，其包括可變電阻、電感和電容等負(fù)載元件。控制單元發(fā)出指令，負(fù)載模塊能夠模擬不同的負(fù)載特性，例如純電阻性負(fù)載、感性負(fù)載或容性負(fù)載以及其組合。便攜式電能表智能檢測(cè)儀能夠全面測(cè)試電能表在各種負(fù)載條件下的性能。

3 軟件設(shè)計(jì)

便攜式電能表智能檢測(cè)儀主程序采集現(xiàn)場(chǎng)的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，根據(jù)誤差范圍判斷是否滿足要求。如果不滿足，那么復(fù)檢一次，再次判斷。主程序流程如圖4所示。其中，誤差分析程序采用內(nèi)置加Rife-Vincent（I）窗插值算法插值算法流程[4]，如圖5所示。將電壓、電流互感器采集的電壓或電流信號(hào)模擬量進(jìn)行加窗，截?cái)嗖糠謹(jǐn)?shù)據(jù)作為來源，并進(jìn)行離散化處理。在離散化后，快速地對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到信號(hào)的離散頻譜。分析離散頻譜，尋找相應(yīng)的諧波峰值最大的譜線k1，利用緊鄰峰值譜線頻點(diǎn)的6條譜線進(jìn)行加權(quán)、偏差計(jì)算。

假設(shè)第n次諧波k0點(diǎn)附近幅值最大譜線k1和次最大譜線k2的幅值含量最大，并且k2=k1+1，其外圍4條譜線的標(biāo)記為k3、k4、k5和k6，滿足k5lt;k3lt;k1≤k0≤k2lt;k4lt;k6[6]。6條譜線如圖6所示，虛線k0為第n次諧波的實(shí)際位置，計(jì)算的譜線與實(shí)際位置有偏差。設(shè)6條譜線的幅值分別為y1、y2、y3、y4、y5和y6，相應(yīng)權(quán)重分別設(shè)為6、6、2、2、1和1。在大多數(shù)情況下采樣信號(hào)都是非同步進(jìn)行的，因此k0不會(huì)落在整數(shù)點(diǎn)中，最大譜線k1與次最大譜線k2的偏差為[0，1]。根據(jù)k0與最大譜線k1之間的偏移量a以及譜線幅值計(jì)算諧波幅值的修正公式，在數(shù)據(jù)檢測(cè)過程中能夠真實(shí)反映被檢測(cè)的信息量。根據(jù)修正的公式計(jì)算并采集檢測(cè)數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)

為檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的便攜式電能表智能檢測(cè)儀的有效性，在完成硬件搭建后，分別測(cè)試便攜式檢測(cè)儀和標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀。試驗(yàn)用信號(hào)發(fā)生器生成的標(biāo)準(zhǔn)方波為信號(hào)源，頻率為50 Hz，幅值為2 V，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)波形如圖7所示。

分別使用標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀和便攜式檢測(cè)儀分析該信號(hào)，以13次以內(nèi)諧波為分析對(duì)象，得到的檢測(cè)結(jié)果見表1。絕對(duì)誤差表示便攜式檢測(cè)儀與標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀的絕對(duì)誤差。

由表1可知，便攜式檢測(cè)儀與標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀符合檢測(cè)精度＜5%的要求，都能夠反映測(cè)量結(jié)果。

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)便攜式檢測(cè)儀的有效性，本文對(duì)復(fù)雜信號(hào)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[6]，復(fù)制信號(hào)見表2。

分別用標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀和便攜式檢測(cè)儀分析21次諧波的幅值，分析結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，便攜式檢測(cè)儀的檢測(cè)精度滿足誤差小于5%的要求，與標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀之間的誤差很小，這為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供了極大便利。通過對(duì)簡(jiǎn)單信號(hào)和復(fù)雜信號(hào)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明便攜式檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)效果較好。

5 結(jié)語

本文從硬件和軟件角度介紹了一款便攜式電能表智能檢測(cè)儀，利用仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了檢測(cè)儀的有效性。未來便攜式電能表智能檢測(cè)儀會(huì)集成更多智能功能，例如人工智能算法、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析等。這些技術(shù)的融合將進(jìn)一步提升檢測(cè)儀的性能，使電能表檢測(cè)和管理更加自動(dòng)化、智能化。

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