0.1级便携式单相多功能电能表检测系统研制

2018-08-16 14:16杨春凤张绍旺付昆鹏李亚娟曾舒帆

中国测试 2018年7期

杨春凤，张绍旺，付昆鹏，李亚娟，曾舒帆，龚榕

(云南省计量测试技术研究院，云南昆明 650228)

0 引言

在当今节能降耗大环境的影响下，电能计量变得极为重要。在电能计量中，研究设备的能效方法、制定相关的检测标准、研制在线测试装置，是现在国内外电能检测研究的重点和热点[1]。在当前多功能电能现场计量领域中，国内市场上多功能标准表的种类有限，许卓等[2-4]研制了便携式电能检测装置，但多是针对部分应用领域设计的，不能同时具备几项指标，不适于普遍使用[5]。智能电能的发展及相关资料[6-7]中介绍了当前国内最具进代表性的现场检测系统，如深圳思达的型号为ST001D5的多功能电能表校验装置、深圳科陆电子的CL9305-1型及海盐电力的HY3000型产品等。这些产品虽功能齐全，但体积大、质量重、不易搬动，不利于现场环境下使用。国外计量动态[8]以及计量大事件[6]中提到，如ZERA公司、美国Fluke公司和Radian公司都研制出了高准确度等级、性能极优的满足本文所研究检测装置系统技术指标的此类产品设备，最具有代表性的是Radian公司的RD33多功能标准电能表。但这些国外产品售价高、容易损坏、修理费用高、修理周期长，不利于现场环境下使用。本文根据上述各系统装置不适用于现场的特点，研制了便携式单相多功能电能表检测系统。该检测系统测量准确、可靠，具有超强保护装置以及便携式的设计，更有利于现场各种环境下使用。

1 系统工作原理及其构成

电能是功率在时间上的积累，其表达式为

式中：p——功率，W；

t——时间，s。

传统电能计量采用瓦∙秒法[9]，但随着科技发展，当今电能检测中采用更可靠的秒脉冲智能控制技术。在该检测系统的设计中，采用智能芯片控制技术，主要由CPU控制输出谐波信号，该信号经过数字合成、D/A转换等一系列处理得到所需的电压、电流信号，将其输出给被检表。高准确度GPS时间或高稳定度恒温晶振提供秒脉冲信号，所有输出信号及测量结果由多功能检测模块来处理和实现。系统结构框图如图1所示。

2 系统总体设计方案

为使所研制的检测系统达到预期理想效果，满足图1的工作原理，需进行整体设计。技术指标是整个系统研制的中心方向，系统功能是整个系统能稳定运行的根本，因此在进行具体设计前必须确定系统的技术参数指标、功能模块。

2.1 系统技术指标设计

依据计量标准及国家对标准装置的有关规定和要求[10-11]，结合现场使用条件，通过分析评定后设计出所研制检测系统须满足下列技术指标：

1）准确度等级：0.1级；

图1 系统结构框图

2）输出范围：电流0～50 A，电压0～400 V；

3）测量范围：电流0～50 A，电压0～400 V；

4）谐波输出：2～21次谐波输出；

5）时钟标准：秒信号误差≤10 μs；

6）体积大小：仪器体积约为500 mm×20 mm×500 mm，质量约小于10 kg。

2.2 系统功能设计

所研制检测系统在满足上述技术指标的同时，为确保在设计、制作、使用和销售各环节的合理性，必须确定其功能。

一套完整的电能检测系统应该包括：有源输出、有显示仪表、误差检测处理功能，相对应的3个模块为：功率源、标准表、多功能检测模块。因此，该检测系统由独立的功率源、标准表、多功能检测模块相互协调一致构成。由于多功能检测的所有参数与时间有关，所以该模块中应设计有时间标准。本文将分别按不同功能模块进行分析研制。

3 具体硬件设计原理及技术方案

3.1 功率源的设计及技术方案

功率源的设计采用谐波输出信号的原理，输出的谐波信号采用数字波形合成技术。

基波的数学模型为

由式（2）可知，将基波的一个周期波形离散为3 600个数据，每个数据占一个字节，共占用3 600个存储单元。将相应谐波以2πN/3 600为参数离散，离散成3 600个数据点。然后将基波数据与谐波数据相叠加，得到新数据后送入RAM中供生成波形。

功率源需输出50Hz的工频信号，故将以3 600×50=180 kHz的扫描频率扫描RAM。然后将RAM输出8位的数字信号通过8位的D/A芯片DAC0832进行数模变换，得到量化的阶梯形正弦波输出。经低通/带通滤波器滤除高频分量后，经过前置放大和功放最终形成平滑的、具有一定驱动能力的信号。再通过变压器或电流发生器生成对应工频或有谐波叠加的电压、电流信号。设置、调节等数字化信息由CPU送到波形发生电路的对应部分以实现电源的控制，输出信号的幅值由D/A环节的基准电压Uref决定，通过D/A环节的基准电压Uref信号合并到波形发生电路的D/A变换器中后再一起进行放大处理。变频由信号脉冲发生器中的脉冲频率控制，相位由波形计数器中的清零时间间隔来调节。其功率源设计原理结构如图2所示。

图2 功率源设计原理结构图

3.2 标准表的设计及技术方案

标准表由信号输入A/D转换部分和装置硬件控制系统组成，运用DSP作为主要芯片来进行信号乘法累加及误差处理。信号输入A/D转换部分：模拟分压器与电流互感器通过输入控制电路输入电压、电流信号，经18位A/D转换输入到DSP处理器，其中基准电压电路为A/D提供参考电压，时序控制电路控制A/D采样频率。装置硬件控制系统部分：被测脉冲信号输入到DSP处理器中。被输入到DSP处理器中的被测信号与标准信号进行分析比较，通过编写好的算法实现所有分析功能，之后将运算结果发送至液晶显示以及上位机显示。为方便被检测，标准表还设计有频率合成、脉冲输出功能，所有硬件由DSP处理器控制。标准表的基本原理框图如图3所示。

图3 标准表的基本原理框图

3.3 多功能检测模块的设计及技术方案

多功能检测模块主要采用MCU来运作。MUC把CPU、计数器、存储器（RAM或ROM）以及I/O端口集成在一块芯片上。在有硬件电路回路的前提下，把需处理的数据、操作指令、计算方法以及步骤等按要求编写成程序，将其存放在MUC内部或外部的存储器中。在运行时自动连续地读取存储器中的数据，并且按操作指令进行执行。时间标准采用GPS高准确度时间标准为主标准，高稳定度恒温晶体振荡器时间为副标准[12]。时间双标准的设计既能保证时间的准确性，又能保证现场无GPS信号等各种环境下使用时的准确性、可靠性。

多功能检测模块采用轮询检测的技术方案。设定3块被检表的地址，选择需要检测的功能，通过检测程序选择所须检测功能并发送指令到每块被检表，指令发送成功与否将会有回馈处理，如果成功直接进入下一块，如果不成功，将有提示后进入下一块······，直到最后一块被检表。如果所有项目检测完，则提示完毕并结束检测；如果还需检测其他功能参数，又将回到第一块被检表，以轮询的方式对被检表进行检测。

多功能检测模块独立完成检测时，需制作一个分辨率为2×10–6的信号源。当MCU接收到多功能电能表给它发出的一个脉冲信号后，MUC就开启计数功能，计数停止到下一个脉冲信号发出时，由此，MCU便可测得所发两个连续脉冲间的时间差。多功能电能表除了能统计一个单位时段的电能误差、功率因素等参数外，还能对瞬时耗电的所有参数（如瞬时电压/电流幅值、相应频率、相位、功率因素、时间计量误差等）进行统计计量。所以有了时间差的计数便可得到检测时段投切、需量周期以及日计时误差等多功能参数，从而采用此方法可实现检测多功能电能表的功能。

4 系统测试验证及测试方案

为确保研制成果的可行性和可靠性，对所研制的检测系统进行测试，验证是否符合国家的相关技术规范要求[10-11]，满足研制前设计的技术参数及计量性能等。

4.1 测试方案

测试验证采用标准器具为2003三相多功能标准表、准确度等级为0.02级的电能标准表，以及辅助标准器RD33多功能标准表、CL317多功能标准表、6100B电能质量分析装置，采用直接测量方法，把被测试检测系统的读数值（测试值）与标准值进行直接比较，从而得到检测系统的误差范围。

4.2 测试验证与测试数据

根据相关的规范规程[10-11，13-15]及测量时全面覆盖校验仪的各参数，尽量覆盖各参数量程[4]的要求，需对所研制检测系统的各项指标（监视示值、有功功率、功率稳定度、失真度、电压谐波、电流谐波、秒脉冲）进行测试验证。本文采用分别对每个功能指标分析测试验证总结，最后以表格比对的方法对整个系统的所有功能指标与所设计的技术参数对比总结。按设计要求，其中功率示值误差、功率稳定度、时间准确度、监视示值的所有参数（电流、电压、功率、相位）显示误差考核均应小于0.1%，失真度应小于0.2%。按此要求分别对每个参数进行测试验证总结，其具体结果如表1～表9所示。

由表1～表9测量数据分析可得，有功功率误差、监视示值误差、模块功率稳定度小于0.1%，模块失真度小于0.2%；该系统可稳定输出2～21次电压、电流谐波；1PPS输出条件下，开机30 min频率准确度为1.0×10–6，本次测量结果不确定度为U=5.8×10–7，k=2。