预付费电能表功能检测装置的研制

孙志杰 宋 楠 宋雨虹 鲁观娜 张姣姣

(华北电网有限公司计量中心1，北京 100045;华北电力科学研究院有限责任公司2，北京 100045;华北电力大学电气与电子工程学院3，河北 保定 071003)

0 引言

近些年先进的电子信息技术应用到电能表中，采用带预付费功能的CPU卡电能表开始在计量结算领域推广使用。由于电能表本身增加了额外的物理介质，即CPU卡和读写卡设备，系统的复杂度增加;同时，卡上信息关联着贸易结算的信息，贸易结算信息一旦受到攻击，将使卡表的用户方或是卡表的提供方受到经济上的直接损失。为确保电表的各种电量交易数据能够和电网公司的营销系统进行准确无误的信息交换，需要对CPU卡表特有的预付费功能进行专门的检验和测试。

常规的电能表校验装置通常只考虑对电能表的计量准确性进行考核，而对于贸易结算方面的数据交换部分功能和电量控制功能没有进行测试和考核，所以使用以前的电能表检测装置只能检测CPU卡预付费电能表的部分功能［1－3］。因此，我们研制了一套预付费电能表功能检测装置。该装置可以自动完成对CPU卡预付费电能表所有功能的测试，包括一般性的计量准确性测试和用于交易结算的CPU卡功能测试等，从而大大减少了检测人员的工作量，提高了检测效率和一致性。

1 装置总体结构设计

自动检测装置的结构主要包括检测软件、程控功率电源、标准电能表、CPU卡发卡系统、CPU卡插卡模拟系统和继电器状态检测系统等六大系统。检测软件是控制校验工作流程和协调控制各部分工作的主控软件。程控功率电源为电能表提供一定的负载功率，可以模拟电能表实际运行时出现的各种状态，为电能表的性能指标检测提供必要的参照环境。标准电能表作为被检表的计量参考标准，通过和标准电能表的能量数据进行比较，得出CPU卡预付费电能表的计量误差。CPU卡发卡系统是用来生成各种CPU功能卡的设备，是从CPU卡上读取电能表内部信息的必要设备。CPU卡插卡模拟系统是为实现CPU卡预付费电能表自动检测所必需的设备，CPU卡插卡模拟系统通过接收软件命令，可以对指定的CPU卡预付费电能表实行类似于人工插卡的动作过程，从而省略了人工需要频繁插卡的操作。继电器状态检测系统是用来检测CPU卡预付费电能表的继电器控制信号是否正常的专用检测系统。为满足各种电能表不同种类的继电器控制方式，继电器状态检测系统设置了多种不同的信号检测方式，如内置继电器开合检测电路、外置继电器开关量驱动检测电路、外置继电器有源驱动检测电路等方式。

检测软件运行在主控计算机上，其根据被检电能表的电压、电流量程、脉冲常数、表号、通信协议信息等进行参数设置。CPU卡预付费电能表功能自动检测示意图如图1所示。

图1 预付费电能表功能自动检测示意图Fig.1 Schematic of automatic functional detection for prepayment

试验开始时，控制装置的程控功率源输出指定幅值和相位的信号，并施加在被检电能表上。测试软件控制CPU发卡器对发卡器中的卡片执行写卡操作，然后通过插卡动作模拟器执行对预付费电能表的插卡动作，状态灯和继电器检测模块检测插卡后指示灯的明灭和继电器的输出端子的信号。主控计算机通过电能表RS-485通信总线抄读电能表的电量、事件信息，同时返读CPU卡发卡器中的CPU卡返写的信息。检测软件对两路信息进行比对和判断，从而得出检测结果。

预付费功能自动检测装置以数字接口标准电能表作为系统的电能工作标准，采用分离式的控制系统和挂表架，由主控计算机控制整个检验的工作流程，标准电能表可以方便地从整个装置上拆卸。此分离式控制系统有利于对标准电能表进行检定，同时也可以适应更多试验场合的需要。

2 检测装置的设计及实现

结合CPU卡预付费电能表技术规范的具体要求，预付费功能自动检测装置的研制分为下述几部分内容:①适用于自动检测装置的CPU卡发卡系统的研制;②CPU卡插卡模拟系统的研制;③继电器状态检测系统的研制;④监测用光电头的设计;⑤挂表架各表位带隔离电流互感器(current transformer，CT)，断电续流功能的实现。

2.1 CPU卡发卡系统

CPU卡发卡系统由计算机软件和相应的发卡硬件平台组成。发卡系统主要负责发出包含有特定功能信息的CPU卡片，以作为信息传递的媒介，电能表通过读取包含有特定功能信息的CPU卡片的信息，做出相应的动作反应;同时，电能表返写卡的信息也存储在CPU卡中。

2.2 CPU卡插卡模拟系统

CPU卡插卡模拟系统主要是实现软件控制模拟手工插卡的动作过程。其实现过程描述如下:电脑通过通信口向插卡模拟器发送指定命令，插卡模拟器的控制MCU接收到计算机发送的插入卡命令后，控制内部的步进电机向前转动，待插卡模拟器上的卡舌顶开CPU卡表内部簧片触点后，停止步进电机向前转动，电能表此时感知到有卡片插入，开始对插入的卡片进行信息交换。相反，当插卡模拟器的控制MCU接收到计算机发送的卡片退出命令时，控制MCU将控制电机向后转动，插卡模拟器上的卡舌离开CPU卡表内部簧片触点，电能表还原到无卡插入状态。

2.3 继电器状态检测系统

继电器状态检测系统的主要功能是让软件完成继电器的各种状态信号自动采集，不再需要人工的信息录入过程。其实现过程描述如下:继电器状态测试系统通过电流互感器对流过电能表的电流进行感应，如果电能表内部的继电器吸合，则外部施加的电流可以从电能表内部流过，电流互感器上可以感应到电流的存在。该感应信号经过滤波整形后作为继电器的吸合信号传递到计算机软件中，软件根据该信号状态可以判断出继电器实际处于吸合或断开状态［4－7］。继电器状态检测系统的工作原理如图2所示。

图2 继电器状态检测系统工作原理图Fig.2 Operational principle of relay state detection system

2.4 光电检测系统

光电检测系统通过光敏元件检测继电器的状态指示灯信号，并能够将状态指示信号转换为计算机可以读取的数字信号。在检测装置上，为了实现对电能表的输出指示状态进行检测，在每个表位上设计安装了光电采样器，以实现对指示灯状态的检测［8－10］。

光电检测系统的工作原理如图3所示。电能表发出报警、跳闸等状态信号，经脉冲整形电路滤除脉冲上的毛刺信号、LED状态转换为电平信号后，由单片机进行采集，然后通过RS-232通信转换电路连接到PC机串行口上，使PC机成功收集到电能表的状态信息。

图3 光电检测系统工作原理图Fig.3 Operational principle of photoelectric detection system

2.5 断电续流功能

在常规的电能表检测装置中，各电能表的电流回路是串联在同一电流回路上的，任何一只电能表的内置继电器开路，都会导致功率源电流回路的开路，从而引起功率源的保护动作。

断电续流功能工作原理如图4所示。

图4 断电续流功能工作原理图Fig.4 Operational principle of power wheeling function

在进行继电器跳闸功能测试时，如果按照常规电能表检测装置的接线方法，则由于测试过程中经常出现电能表内部电流继电器开路的情况，导致继电器跳闸功能检测不能正常进行。为避免由于电能表内置继电器跳闸引起功率源的保护，装置采用每个表位可以独立提供电流的测试用互感器。该互感器针对继电器跳闸测试的特殊情况，在电能表内置继电器跳闸时，保证功率源的电流回路能够续流，避免功率源的保护。

功率源的电流回路通过电流隔离互感器的一次侧构成回路，电能表的工作电流由每个电流隔离互感器的二次侧提供。当电能表的内置继电器跳闸时，功率源的电流输出回路依旧处于闭合状态，所以功率源的电流依然可以输出。采用这样的设计，可以对内置继电器卡表的跳闸功能进行连续测试。在实际的线路设计中，由于电流互感器(CT)的二次开路，对功率源来说，增大了负载。为了不让负载超过功率源的最大输出功率，需对每个CT的一次电流回路上的电流旁路继电器进行保护。当检测到某个CT的二次侧开路时(一次侧有电流而二次侧无电流的现象)，检测电路会控制该表位的一次侧电流旁路继电器闭合，将该CT的工作电流旁路掉，从而减少功率源的输出负载，避免功率源的输出过载。

3 检测软件的设计与实现

检测软件为使用预付费电能表功能检测装置的人机接口软件，主要功能是:设置数字式信号源参数，控制数字式信号源的工作;设置数字式标准表的参数，控制数字式标准表的工作模式;设置误差处理器的参数并读取计算的误差值;抄读被测表的参数;抄读继电器状态测试系统的测量数据;控制CPU卡插卡模拟器进行正常动作;控制CPU卡发卡系统进行发卡。

3.1 软件设计

软件分为表现层、逻辑层和数据访问层三大块，如图5所示。

图5 功能检测软件框图Fig.5 Block diagram of the functional detection software

表现层负责处理用户操作请求和信息显示，包括用户的输入控制、用户的操作请求、信息显示。

逻辑层主要包括装置测试和系统管理两个部分，它是本软件的核心。装置测试指的是设置校验装置的状态和检测参数，并获得被检表的检测结果。设备操作以一次交互(发送命令、接收响应)为单位。协议模块封装了各个设备的通信协议，设备交互模块则封装了与各个设备的交互过程。系统管理包括用户管理、系统配置、方案和测试点配置以及对检测结果的操作等。流程模块是将一个或者多个设备交互与方案操作进行组装，从而完成一个完整的业务。基础函数库包含了一些各个模块可能用到的比较常用的功能函数。

数据访问层包括与数据库和串口的接口。数据访问层采用Access数据库，通过C#的ADO组件实现对数据库的操作;采用API函数实现对串口的驱动，并封装为串口类。

3.2 软件功能实现

依据预付费电能表功能检测作业指导书，编制预付费功能检测方案;对被试电能表的电压、电流、脉冲常数、继电器类型等参数进行设置后，选定检测方案。可以选择自动检测模式，从第一个试验项目开始依次对电能表功能进行检测，直到试验最后一项停止;也可以根据需要选择部分测试项。检测过程中若需要人工检查、确认的信息，则系统会弹出对话框，提示操作员进行检查、确认。

软件实现的功能有:①软件根据确认情况判断该项目是否合格;②可以以非自动检测模式，从任意一项试验开始单步进行测试，该项试验完毕，则停止;③具有发卡功能，通过模拟发卡器，可以发行各种工具卡，对被试预付费电能表的卡功能进行手工检测，并能够读取电能表往卡片中返写的信息;④软件的数据管理功能能够实现对检测结果的保存，可以按照设计的原始记录和检测报告格式，进行自动打印。

4 结束语

本装置发挥模块化、插件化、分布式设计的优势，实现了对预付费电能表计量功能、结算数据交换功能、电量控制功能的全面自动化检测，大大减少了检测人员的工作量，提高了检测效率，对确保CPU卡预付费电能表的稳定、可靠运行做出了积极贡献。同时，也为其他规范的智能预付费电能表相关技术的研究奠定了基础。

［1］国家质量监督检验检疫总局.GB/T 10232-1994电气继电器第7部分:有或无机电继电器测试程序［S］.北京:中国标准出版社，2006.

［2］国家质量监督检验检疫总局.GB/T 2829-2002周期检查计数抽样程序及抽样表(适用于对过程稳定性的检验)［S］.北京:中国标准出版社，2006.

［3］国家质量监督检验检疫总局.GB/T 14598.1-2002电气继电器的触点功能［S］.北京:中国标准出版社，2006.

［4］王凯，李杏春，王占国.磁保持继电器在预付费电能表中的控制方案［J］.仪表技术与传感器，2008(12):75－77.

［5］阎健.电磁继电器和固态继电器在回收电路中的应用［J］.航天返回与遥感，2002(1):10－16.

［6］张明峰.PLC单片机入门与实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2004:20－100.

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［10］龚育才，高月辉，姜培刚.基于PCI-1714测试系统的设计与实现［J］.青岛理工大学学报:自然科学版，2007，28(5):75－78.