基于智能电能表通信接口带载能力测试电路的设计与研究

石振刚，徐建云，张 琳，王鸿玺，李 涵，李 翀，任 鹏

(国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)



基于智能电能表通信接口带载能力测试电路的设计与研究

石振刚，徐建云，张 琳，王鸿玺，李 涵，李 翀，任 鹏

(国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)

针对智能电能表通信接口带载能力测试存在的问题，提出了智能电能表通信接口不同测试功能的电路设计方案，分别对智能电能表通信接口带载能力测试电路和智能电能表通信模块电源电压幅值、输出电流测量电路进行详细的分析，并对两种电路的优缺点进行比较分析，通过试验论证了这2种不同功能测试电路的可行性。

智能电能表；通信接口；带载能力；测试

近几年，随着电子技术的快速发展，智能电网建设速度加快，智能电能表(简称“电能表”)成为智能电网建设重要的组成部分在国内外得到了大力的推广和应用，国家电网公司也在逐步完善用电信息采集系统[1]。用电信息采集系统由主站、采集终端及电能表等组成，由于系统规模大，国内各终端厂家通信模块、通信协议均由厂家自行开发，各设备之间相互独立运行，电能表与通信单元一一对应，因此电能表的供电电源质量和电源驱动能力必须进行定制和优化处理。

1 电能表通信接口带载能力测试现状

目前，电能表的通信方式主要有低压电力线载波通信和微功率无线通信，每一种通信方式均有相应的通信模块，电能表配置有通信接口与通信模块进行数据交互，为保证通信模块可靠工作，必须保证电能表通信接口具备一定的带载能力，并且在带载下不产生强干扰影响通信模块的通信效果，因此必须对电能表的电源输出和带载能力进行测量，包括电源输出电压、输出电流、输出纹波的测量[2]。针对纹波测试，主流设计选用灵敏度较高的示波器，如选用TS2212A程控示波器，因其具有20 MHz BW设置，能够满足纹波测试要求，利用计算机USB接口读取示波器峰值电压，并进行图形显示，给出数值与图形的结合数据，从而判断纹波测试结果。但这种方法每次仅测试一个表位的信号，如何对多表位进行测试仍是目前面临的主要问题。

电能表能否正确、及时应答终端发出的通信帧关系到其通信性能的高低。在电能表检测高效率性能的要求下，应使电能表的通信可靠性测试解决方案满足批量测试要求，以下就电能表通信接口带载能力测试及多个电能表同步测试进行了研究。

2 电能表通信接口带载能力测试电路设计方案

2.1 电能表通信模块电源纹波测试电路设计方案

该方案在逐渐提高通信接口负载的情况下，利用AD采样电路测量电压保持电路输出纹波、负载电流值等参数，并将测量结果送到单片机的ADC进行模数转换，自动判断最终测试结果。如图1所示，该电路针对测量电能表通信模块电源电压幅值、输出电流而设计，也称为电压型峰值保持电路。以正峰值保持电路为例：其主要由电压放大器U10A、峰值检测器二极管D6、保持电容C30和电压缓冲器U11A组成。该电路能够替代示波器测量直流电源的纹波峰峰值，并将测量结果送到单片机的ADC进行模数转换，换算出最终的测试结果。

图1 电能表通信模块电源纹波测试电路

其中，D5为反向保护二极管，R18泄放电阻。电压放大器对U9A送出的电压(Vin)和U11输出电压(Vout)之间的电压差进行放大，输出为电压信号。若Vout小于Vin，则电压放大器输出的电压信号通过二极管D6对电容C30充电；若Vout大于Vin，二极管截止，电容上的电压保持不变。U11A对C30的电压进行缓冲,以避免U11A负输入端对C30的吸收泄放。缓冲放大器的输出一直保持Vin的正峰值。D5在Vout大于Vin时,对U10A提供反馈通路,以稳定U10A工作。负峰值保持电路与正峰值保持电路工作原理相同,仅二极管方向相反，保持输出为负峰值电压。在图1中，U9B为加法器，将正峰值和负峰值相加，输出信号(WB12AD)给单片机的AD通道测量。该电路可以测量纹波的峰峰值，还可对多表位并行测量。电能表的12 V DC电源由U12IN接入测量电路，C40、C41、C42将直流电压中的纹波分量检出，通过U9A的运算放大器，将纹波幅度放大100倍。U10A和U11A组成了正峰值保持电路，U10B和U11B组成了负峰值保持电路。

2.2 电能表通信模块电源电压幅值、输出电流测量电路设计方案

该方案可以测量电能表在带载的情况下电压输出和电流输出(如图2所示)，也可测量通信模块工作时的静态或动态直流功耗。U12IN标号处电路连接被测电能表通信模块接口12 V供电端子,U12OUT通过切换继电器连接被测通信模块12 V供电端子。电压的幅值由R31、R32、R33的分压电阻实现。U12AD标号处的电压为2 V，将该信号接入单片机的AD通道进行测量，电源回路的电流测量通过U15实现。其中，INA225AIDGK为可编程增益、电压输出、双向、零漂移电流分流监视器。可使用2个增益选择端子(GS0和GS1)来选择4个离散增益级，以设定25 V/V，50 V/V，100 V/V和200 V/V的增益。低偏移、零偏移架构，连同精准增益值，可实现分流上最大压降低至满量程10 mV时的电流感测，同时在整个工作温度范围内保持极高测量精度。

图2 电能表通信模块电源电压幅值、输出电流测量电路

在图2中，SI9926是NMOS耗尽型场效应管，工作在开关状态。当C_30R信号为高电平时，Q2A的漏极和源极导通。使30 Ω、2 W的电阻接入12 V电源回路，用于三相电能表的通信模块电源带载能力测试。当C_96R信号为高电平时，Q2B的漏极和源极导通，96 Ω、2 W的电阻接入12 V电源回路，用于单相电能表的通信模块电源带载能力测试。

Q1、U12A和R43R50构成可编程负载,用于进行规程之外的拓展试验,R37和R38为保护电阻,分析时可视为R37开路,R38短路。R43和R50为并联扩功率,并联电阻值为5 Ω。利用单片机DA输出给U12A正输入端加给定电压(如1 V),根据运放虚短原理,其2脚也应为1 V,即R50R43两端为1 V,其内电流为200 mA,R40、Q1和R50R43中电流为200 mA。改变U12A正输入端电压即可等比例改变负载电流,达到程控负载的效果。

测量电能表带载能力时(以单相电能表为例)将C_96R信号置高,将96 Ω的负载电阻接入12 V回路中，通过R42电阻的电流为125 mA，R42电阻压降为25 mV，INA225AIDGK的增益设置为25 V/V，输出引脚第4脚的电压为0.625 V。单片机时机测试的电压值为0.63 V，换算成电流值为126 mA；同时用R33、R32R31分压测量12 V回路的电压值,用上节中的电流测量12 V回路中的纹波值,与标准值比较以判断试验结论。

3 试验结果与分析

3.1 电能表通信模块电源纹波测试电路的测试

将电路的测量结果和TektronixMSO 3054型号示波器的测量结果进行比对，验证纹波测量电路的准确性。使用一只国网规范的单相电能表，将通信模块的1、2引脚和电路中的U12IN连接，3、4引脚与电路中的地线连接，电能表加电后，从单片机中读出测量结果峰峰值为96 mV。对同一只电能表，将通信模块的1、2脚与示波器的探头连接，3、4引脚和示波器的地线连接，电能表加电后，示波器的测量结果如图3所示，两者的测量结果基本一致。

3.2 电能表通信模块电源电压幅值、输出电流测量电路的测试

将电路的测量结果和FLUKE 8845A数字万用表的测量结果进行比对，验证电压、电流测量电路的准确性。使用FLUKE 8845A数字万用表对U12IN点进行电压值测量，将8845A调至电流档，控制DA12输出电平使电流回路中电流值为120 mA。同样的测试条件下，从单片机得出的测量结果与FLUKE 8845A结果进行比对，2种方式测试差别很小。

图3 示波器测量结果波形

测量通信模块直流功耗时,将C_96R和C_30R置低,DA12输出0 V,关断所有假负载,通过继电器将被测通信模块12 V供电端子接入标号U12OUT处,分别在模块不通信时和通信时通过R42、U15测量通信模块消耗的电流,并与标准值比较以判断模块功耗是否超标。

4 结束语

通过对电能表通信接口带载能力测试电路的研究，提出了电能表通信模块电源纹波测试电路设计方案，以及电能表通信模块电源电压幅值、输出电流测量电路设计方案。电源纹波测试电路设计简单实用，测量准确，能同时对多个电能表的通信电源纹波进行测试；电压幅值、输出电流测量电路仅配合单片机就可以完成电压、电流测量功能，并且测量精度能够达到国标要求，与标准对比误差较小，说明2种功能测试电路的可行性，为电能表通信接口带载能力测试电路的设计提供了很好的借鉴。

[1] 林晓明, 肖 勇. 智能电网建设中加强电力需求侧管理研究[J]. 中国电力教育, 2011,10 (22):46-48

[2] 孙卫明, 赵 伟. 谐波和间谐波对全电能计量准确度的影响[J]. 电测与仪表，2011,48(49):49-52.

本文责任编辑：谷丽娜

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Shi Zhengang,Xu Jianyun,Zhang Lin,Wang Hongxi,Li Han,Li Chong,Ren Peng

(State Grid Hebei Electric Power Reseach Institute,Shijiazhuang 050021,China)

This paper proposes the necessity of measuring the loading capacity of the smart meter communication interface, and set forth the circuit design of the different testing capabilities of the smart meter communication interface in detail,analyzed and explained a circuit for measuring the power supply ripple of the smart meter communication module and a circuit for measuring the power supply voltage amplitude,output current of the smart meter communication module in detail, illustrated the advantages and disadvantages of these two circuits,and the feasibility of the two different functions of the test circuit has been demonstrated after the tested.

smart electricity meter;communication interface;loading capacity;test

2017-02-15

石振刚(1982-),男,工程师,主要从事电力计量方面工作。

TM932

B

1001-9898(2017)03-0014-03