智能電能表需量自動化檢測方法的設計與實現(xiàn)

摘 要：2022年電科院針對電能表需量功能提出了更高規(guī)格要求，而現(xiàn)階段的需量檢測工作大多停留在人工檢測階段，效率低，耗時長。為提高檢測效率、節(jié)省時間成本，針對其自動化檢測方法展開研究，從需量的功能測試需求入手設計需量自動化檢測系統(tǒng)，利用自動化軟件替代人工，通過電能表檢定裝置進行電能表的精準控源操作，完成與電能表的數(shù)據(jù)交互，通過執(zhí)行結(jié)果與預期結(jié)果的比較實現(xiàn)對檢測結(jié)果的判斷。通過驗證，該自動化檢測系統(tǒng)能夠節(jié)省大量檢測時間，且隨著測試表計數(shù)量的增加，與傳統(tǒng)人工測試相比，該系統(tǒng)效益也相應大幅提升。目前該需量自動化檢測系統(tǒng)已初步達到設計目的，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的人機交互，降低了測試時間成本、提高了檢測效率。

關(guān)鍵詞：智能電能表；控源操作；滑差時間；需量自動化檢測；RS 485；STM32F207

中圖分類號：TP332.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）08-000-07

0 引 言

隨著電力事業(yè)的高速發(fā)展，智能電能表成為智能電網(wǎng)建設的重要基礎設備，對于實現(xiàn)電網(wǎng)信息化、自動化、互動化具有重要支撐作用[1]，這也使得智能電表的功能相較于以往有了大幅擴展，其中需量計量是電能計量的一個重要經(jīng)濟指標，電能表能否準確進行需量計量直接關(guān)系到國家電網(wǎng)和客戶的經(jīng)濟利益。2022年之前對于需量計量的計算并沒有明確的規(guī)定，各廠家大多采用功率法測量或者電能法測量，需量測試工作只能依靠各電表廠家的測試人員根據(jù)經(jīng)驗進行人工測試[2]。

根據(jù)電科院發(fā)布的《關(guān)于電能表需量、開表蓋事件等功能的補充說明》，自2022年第一批次起，智能電能表及智能物聯(lián)電能表需量的測量必須采用電能法測量，對于需量的功能也進行了規(guī)范具體的要求。需量功能的復雜性對智能電表的檢測過程提出了更高的要求，為了確保電能表需量功能的正常運行，需要進一步優(yōu)化現(xiàn)有的測試方法[3]。目前對于智能電能表的需量功能檢測大多還是傳統(tǒng)的人工檢測，檢測時間長，效率低，且依賴于檢測人員的經(jīng)驗，可靠性不足[4]。本文擬設計一種智能電能表自動檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)使得檢測人員能夠根據(jù)具體要求進行需量檢測方案的配置，并進行自動化測試，大幅提高了檢測效率[5-6]。

1 需求分析

需量即規(guī)定周期內(nèi)的平均功率，2022年前計算需量大多采用功率法，現(xiàn)在電科院規(guī)定電能表使用電能法計量需量，即通過需量周期內(nèi)的電能量來計算需量。兩者可以通過需量周期內(nèi)功率的變化進行有效的測試區(qū)分，例如需量周期為15 min，某用戶電表前10 min正向有功功率為60 kW，后

5 min功率為0，總電量10 kW·h，使用功率法計算周期內(nèi)需量為40 kW，使用電能量法計算周期內(nèi)需量為60 kW。由上述描述可知，檢測人員可以通過嚴格控制電能表的電壓、電流以及通電時間，達到需量功能測試的目的。

與需量相關(guān)的概念有最大需量、需量周期、滑差時間等。完整的需量功能測試涉及時鐘調(diào)整、時段轉(zhuǎn)換、需量周期變更、功率潮流方向轉(zhuǎn)換、存儲空間等，這就要求檢測系統(tǒng)能夠與電表通信以便設置表內(nèi)參數(shù)，獲取表內(nèi)數(shù)據(jù)。此外，考慮到不同地區(qū)或者不同批次的電能表需量功能要求可能存在部分差異，且不同檢測人員對同一功能要求的測試方法也存在不同，因此檢測方案應靈活多變，易于測試人員創(chuàng)建、修改，以滿足不同場景需求。針對上述內(nèi)容做出以下需求分析：

（1）電能表控源：實現(xiàn)對電能表電壓、電流、相位角以及通電時間的高度控制；

（2）電能表通信：實現(xiàn)自動檢測軟件與電能表的通信控制；

（3）測試方案簡易化：應盡可能降低檢測人員學習操作自動檢測軟件的成本，測試方案應易于檢測人員創(chuàng)建、修改和調(diào)整；

（4）數(shù)據(jù)分析：測試軟件應實現(xiàn)對電能表返回數(shù)據(jù)的比較與判斷。

2 自動檢測系統(tǒng)原理及構(gòu)成

2.1 基本原理

電能表需量自動檢測系統(tǒng)基本原理如圖1所示，主要由電能表檢定裝置、自動檢測軟件、數(shù)據(jù)庫組成。電能表檢定裝置主要負責對電能表的控源，并通過RS 485與電能表建立下行通信，通過串口線與自動檢測軟件實現(xiàn)上行通信。自動檢測軟件是系統(tǒng)的核心，需要進行電能表檢定裝置的控制，如電能表數(shù)據(jù)協(xié)議的解析，電能表檢測方案的建立、管理、執(zhí)行；數(shù)據(jù)庫負責存儲檢測方案數(shù)據(jù)。

2.2 電能表檢定裝置原理概述

電能表檢定裝置可采用涵普電力科技有限公司出品的PTC-8320電能表三相檢測臺，原理如圖2所示，實物如圖3所示。它由一體化的數(shù)字合成信號源，高穩(wěn)定度的功率源，過載自動保護電路以及電流、電壓輸出變換電路和多功能標準電能表，分布式誤差計算器等組成[7]。信號源采用國際先進的STM32F207高速處理芯片，信號源產(chǎn)生的三相電壓和電流信號，分別通過各自的反饋補償調(diào)整電路送到電壓功放和電流功放進行功率放大。電壓信號經(jīng)電壓輸出變壓器升壓后送到被校表和標準電能表。電流信號通過升流變壓器升流后由裝置的電流輸出端子輸出，串接各被校表電流線圈后回到升流器。輸出電壓、電流信號經(jīng)電流、電壓反饋采樣互感器采樣，反饋回補償調(diào)整電路[8]。校驗裝置的設計保證了電壓、電流、相位精度、調(diào)節(jié)細度和穩(wěn)定性，可以滿足需量功能測試時對電能表的精確控源操作要求。

2.3 自動檢測軟件

自動檢測軟件是測試系統(tǒng)的核心，通過電能表698.45協(xié)議發(fā)送、接收和解析數(shù)據(jù)，完成與電能表的通信，通過檢定裝置動態(tài)庫接口的處理完成對檢定裝置各相位電壓、電流以及相位角的控制工作等，其應用界面如圖4所示。軟件最主要的設計任務是實現(xiàn)良好的人機交互，為了方便方案的配置與執(zhí)行，本項目軟件將方案的配置設置為四個級別，如圖5所示，從上往下依次為：測試方案、功能類別、功能項目、測試單項。

測試方案級別最高，也是整個需量功能的完整測試，可以滿足不同地區(qū)不同要求的需量測試功能，比如地區(qū)1需量測試，地區(qū)2需量測試。

功能類別是需量中具體的功能劃分，比如：時鐘調(diào)整對需量的影響等。

測試單項是最小的獨立測試項目，比如在時鐘調(diào)整對需量影響這一功能類別中可以存在向未來校時、向歷史校時、向未來跨分鐘校時等情況。

測試單項是最小執(zhí)行單元，針對的是具體的執(zhí)行步驟，可分為兩大類，一是對電能表檢定裝置的控制，比如控制電能表檢定裝置的初始化、電壓、電流輸出等；二是與電能表的通信，比如設置電能表最大需量周期、讀取電能表當前需量等。與電能表通信配置界面如圖6所示，配置界面完全參考698.45面向?qū)ο髤f(xié)議規(guī)范，列出所有接口類對象，且對每一對象均可進行請求讀取對象屬性（GET-Request）、請求設置對象屬性（SET-Request）和請求操作對象方法（ACTION-Request）等操作，配置人員只需了解698.45協(xié)議即可進行檢測方案的配置；對于讀取類的測試單項，可以對電能表返回數(shù)據(jù)進行定值比較或者范圍內(nèi)比較，且每個單項都可以在單項結(jié)束后選擇延時等待，以便控制電能表電壓、電流、通電時間和對表內(nèi)數(shù)據(jù)進行比較分析。

進行方案配置時首先應配置測試單項，每個測試單項子類配置后會置于測試單項這一大類中；然后選擇合適的測試單項子類進行排列組合，完成功能項目的配置，同樣地，功能類別由若干個功能項目組成，而完整的測試方案由若干功能類別組成。為了方便方案的修改，在功能項目中可以對其測試單項進行獨立修改而不影響測試單項大類中的子項。

方案配置完畢后即可執(zhí)行方案測試，方案執(zhí)行界面如

圖7所示。若測試單項執(zhí)行失敗或讀取到的表內(nèi)數(shù)據(jù)錯誤，不符合預設比較值，則單項報錯并繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。

3 自動化測試方案及應用效果

3.1 測試方案

國網(wǎng)對于需量功能的要求是最基本的要求，不同地區(qū)方案的表計對于需量功能的要求大多是延續(xù)國網(wǎng)的要求或者是在此基礎上額外提出其他特殊需求，此外，每一款表計都需要通過國網(wǎng)送檢才可進行后續(xù)投標，因此本項目針對國網(wǎng)有關(guān)需量功能的要求將需量的檢測分為七個功能大類：需量測量方法的驗證、當前需量和需量緩存空間的驗證、最大需量周期及滑差時間驗證、最大需量連續(xù)性驗證、需量重新計量驗證、需量結(jié)算日凍結(jié)驗證、校時對需量影響驗證。通過以上測試即可滿足國網(wǎng)送檢的要求。自動化檢測系統(tǒng)原理主要是模擬檢測人員對電表進行控源和數(shù)據(jù)交互，通過執(zhí)行結(jié)果與預期結(jié)果的比較實現(xiàn)檢測結(jié)果的判斷。流程如圖8～圖15所示。

3.2 應用效果

進行自動化測試的主要目的是提升檢測效率，節(jié)省檢測時間。該系統(tǒng)已實現(xiàn)對國網(wǎng)送檢需量功能的測試，人工測試時長和自動化測試時長數(shù)據(jù)對比可通過公式（1）進行計算，得出自動化測試相對于人工測試的收益率S：

式中：Tr為人工測試時長；Tz為自動化測試時長[9]。

經(jīng)過理論分析和實際驗證，使用自動化檢測和人工檢測兩種方法對單款表計的單項進行相同要求的功能測試，其測試時長和收益率結(jié)果見表1。

對于單只表計的檢測，在理論情況下自動化測試需要446 min，人工檢測需要505 min，收益率僅為12%，看似收益不大，但實際上由于需量功能的檢測對于時間的要求極為嚴格，人工測試極易出現(xiàn)差錯而導致復測情況出現(xiàn)，因此即使是熟練的檢測人員對于上述需量功能的測試實際需要兩個工作日才能完成，而自動化測試則有效保證了數(shù)據(jù)的可靠性，理論時間即為實際時間。檢測往往是對多款樣品多只表計進行測試，而自動化測試的最大優(yōu)勢是可以同時對多只表計進行測試，最大化提高測試效率。多只表計的測試時長見表2。

隨著測試表計數(shù)量的增加，自動化測試的時間優(yōu)勢愈加明顯，收益率逐漸增大，極大地提高了檢測效率。

4 創(chuàng)新點和應用價值

隨著電科院《關(guān)于電能表需量、開表蓋事件等功能的補充說明》的發(fā)布，需量功能的測試變得更加繁瑣細致，但目前對于電能表需量的功能測試主要依賴于人工測試，耗時耗力，需量自動化測試代替了檢測人員的重復勞動，使得其從手工測試中解放出來，大幅提高了檢測效率、節(jié)約了檢測成本，且可有效避免測試中的人為錯誤，增強了需量測試的可靠性，提高了測試的質(zhì)量。

大多數(shù)自動化測試系統(tǒng)的測試項目以及測試方法固定，不能隨意增加刪減測試項目和步驟，因此難以適配各種特殊要求。本系統(tǒng)測試人員可根據(jù)自己的想法思路創(chuàng)建專屬的測試方案，滿足用戶需要。

自動化檢測系統(tǒng)的方案配置采用四級結(jié)構(gòu)，每一級方案步驟都可以重復調(diào)用進行組合排列，形成新的測試方案，極大地增強了方案的靈活性、通用性，方便檢測人員對方案的創(chuàng)建修改，避免同一項目重復配置，節(jié)省了大量時間[10]。

5 結(jié) 語

本文闡述的電能表需量自動檢測系統(tǒng)采用電能表檢定裝置作為控源設備，并使用698.45面向?qū)ο蟮挠秒娦畔?shù)據(jù)交換協(xié)議完成與電能表的通信，實現(xiàn)了檢測系統(tǒng)與檢定裝置和電能表的交互，使得本系統(tǒng)能夠完成對電能表的控源，以及表內(nèi)參數(shù)的設置與獲取等基本功能，配合系統(tǒng)內(nèi)的檢測方案可實現(xiàn)對電能表需量功能的自動化測試。本系統(tǒng)的實際應用可大幅降低需量測試的時間成本，解放人工勞動力，提高需量測試的效率，增強需量測試的可靠性。本系統(tǒng)經(jīng)過初步驗證已達到了設計的基本目的。

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