智能电能表检定系统标准时钟共用方法研究

苏慧玲，王忠东，蔡奇新，宋瑞鹏，高雨翔

(1．国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 211100;2．国家电网公司电能计量重点实验室，江苏 南京 211100)

0 引言

智能电能表的使命是计量千家万户的用电量，为电力公司和电力用户间的贸易结算提供准确依据［1-3］。截止2017年，江苏全省范围内智能电能表的安装数量达3 800万台［4］。智能电能表的计量准确性关系到人们的切身利益［5］。智能电能表的时钟是用户分时电价费率时段切换的依据。时钟计时的准确与否直接关系到各分时电价用户用电量的计量。

目前，电能表自动化检定装置均配置1台高精度的标准时钟测试仪。在大规模智能电能表自动化检定中，每年标准时钟测试仪都必须拆下，以送检溯源［6-8］。顺利情况下，每周溯源40台。若有200台标准时钟测试仪，则需5周时间才能完成全部溯源，溯源工作量大、持续时间长。在溯源期间，至少40台检定装置停止工作，严重影响产能。运维人员拆装1台标准时钟测试仪，耗时约7 min，完成205台标准时钟测试仪的拆装工作需耗时24 h，运维工作量大［9-11］。因此，标准时钟测试仪的现有配置模式，一方面导致溯源工作量大，而且需要运维人员完成标准时钟测试仪的拆装，耗时耗力，增加了人力和物力的投入成本;另一方面，还会影响自动化检定装置的产能。

基于上述考虑，提出一种智能电能表检定装置系统的时钟共用技术，以减少大规模自动化检定装置中标准时钟测试仪的投入数量。同时，该技术可实现多余标准时钟测试仪的轮换或备用功能，在周检情况下保证自动化检定装置的正常生产，减少自动化检定运维人员的日常运维工作量，降低标准时钟测试仪的投入成本以及运维费用。

1 用于智能电能表检定系统的标准时钟测试仪

智能电能表检定系统主要由智能电能表标准装置构成。依据国家电能表检定规程，通过智能电能表标准装置完成智能电能表的强制性检定工作。标准时钟测试仪是智能电能表标准装置的主要配套设备，用于完成智能电能表时钟日计时误差的强制性检定。装置基本组成如图1所示。

图1 装置基本组成图Fig．1 Basic compositions diagram of device

由于标准时钟测试仪输出信号频率的偏高或偏低都不利于智能电能表时钟日计时误差的测量，因此，标准时钟测试仪的输出信号频率通常选用500 kHz。标准时钟测试仪是标准脉冲信号发生器，在其工作期间不间断发出标准脉冲信号。依据国家检定规程《JJG 180-2002电子测量仪器内石英晶体振荡器检定规程》的要求，标准时钟测试仪的输出信号准确度为2 ×10－7。

2 标准时钟测试仪共用设备的设计

基于资源共享理论思想，设计标准时钟测试仪共用设备，并采用多路二级驱动方法，提升标准时钟测试仪的带载能力。

2．1 标准时钟测试仪共享模型

“资源共享”的意义是互惠，即一种每个成员都拥有一些可以分享给其他成员的资源，并且每个成员都愿意和能够在其他成员需要时提供这些资源的伙伴关系［12］。

标准时钟测试仪共享就是通过提升其带载能力，实现在不同电能表标准装置之间标准时钟测试仪的共享。标准时钟测试仪共享模型如图2所示。

图2 标准时钟测试仪共享模型Fig．2 Sharing model of standard clock tester

图2中:Ci(i=1，2，…，N)为标准时钟测试仪i;Zi(i=1，2，…，N)为智能电能表标准装置i;N为标准时钟测试仪、智能电能表标准装置的数量。在现有模式下，标准时钟测试仪与智能电能表标准装置之间是一一对应的关系，不存在冗余，不具备相互之间的互备功能。在共享模式下，1台标准时钟测试仪可以为多台智能电能表标准装置提供标准脉冲信号。在标准时钟测试仪与现有模式配置规模相同的情况下，部分标准时钟测试仪处于备用状态，具备一定的冗余度。

2．2 基于资源共享理论的设计方法

在共享模式下，确保标准时钟测试仪输出频率信号的准确度、提升其带载能力是智能电能表检定系统标准时钟共用方法研究的关键。

2．2．1 基本思路

由于标准时钟测试仪输出信号的频率准确度要求较高，因此，如何改善标准时钟共用源输出信号的上升沿、下降沿，保证脉冲的输出频率，是标准时钟测试仪共用设备设计以及装置研发的关键问题。

在电路模块设计上，采用二级驱动方法，提高标准时钟测试仪的带载能力。在标准时钟测试仪信号分路输出之前，设计初级驱动模块，以保证后续电路正常工作。在信号分路传输中，由于需要进行长距离传输，负载阻抗增大。为避免信号衰弱，对每路信号采用多路二次驱动，以满足智能电能表时钟日计时误差的测试需求。

2．2．2 设计方案

基于资源共享理论，设计适用于电能表检定装置的标准时钟共用设备，将标准时钟测试仪的标准输出信号分成多路传送至多台电能表检定装置中。该方法只需一台标准时钟测试仪，即可实现多台检定装置标准时钟源的测试输出功能。

标准时钟测试仪共用设备主要由标准时钟测试仪、时钟多路输出模块组成。时钟多路输出模块完成对标准时钟测试仪输出信号的分路输出，包括输入整形模块、初级驱动模块、光电隔离模块以及二次驱动电源模块。

标准时钟共用设备的电路设计如图3所示。

图3 电路设计示意图Fig．3 diagram of curcuit design

标准时钟测试仪的输出端与多路时钟输出模块的输入端相连接。其中，多路时钟输出模块设置有多路时钟输出信号。多路时钟输出模块包括整形滤波模块、初级驱动模块、多路光电隔离模块以及多路二级驱动模块。多路光电隔离模块、多路二级驱动模块的数量均与多路时钟输出模块的时钟输出信号的数量一致。整形滤波模块的输入端即为多路时钟输出模块的输入端，与标准时钟测试仪的输出端相连接。整形滤波模块的输出端与初级驱动模块的输入端相连接。初级驱动电路设置有多路输出，分别与对应路的光电隔离模块的输入端相连接。各光电隔离模块的输出端分别与对应分路的二级驱动模块的输入端相连接。分路二级驱动模块的输出端为多路时钟输出模块的多路输出端，用于输出多路时钟输出信号。每路时钟输出信号供一个智能电能表检定装置使用。

2．3 标准时钟测试仪共用设备

(1)性能指标

①准确度要求。标准时钟共用源的输出频率信号为500 kHz，准确度为2 ×10－7。

②外观尺寸要求。标准时钟共用设备轮廓外观尺寸为157 mm×62 mm×198 mm。

(2)共用设备

基于图3，研制标准时钟共用设备，主要包括输入/输出端子，用于标准时钟测试仪标准输出信号的接收，并将该信号进行分路输出至智能电能表检定标准装置中，代替装置中的标准时钟测试仪。

3 性能测试

本文分别采用不同方法，对研制设备的计量性能进行测试验证。首先，采用校准测试验证的方法，利用高精度石英晶体频率检定装置进行校准测试;其次，考虑实际应用场景，设计3种场景模式，分析对比测试结果的可行性、有效性。

3．1 校准测试验证

依据《JJG 180-2002电子测量仪器内石英晶体振荡器检定规程》，采用频率标准装置(高稳晶振频率准确度为5×10－9，晶振准确度为1×10－7)，对所研制设备进行校准测试。

为测量研制设备输出信号(500 kHz)传输距离的准确度，分别采用3 m、6 m传输线对其输出信号进行测试。研制设备校准测试结果如表1所示。

表1 校准测试结果Tab．1 Calibration test results

由表1可知，研制设备输出信号准确度满足2×10－7的要求。根据计量中心自动化检定区检定装置的布置，该研制设备可以实现至少2～3台检定装置的共用。

3．2 应用测试

(1)测试接线。

将标准时钟测试仪输出信号传输至所研制的设备，并将输出信号转换成n路信号，分别接至n台检定装置，达到多台检定装置共用标准时钟测试仪的目的。

(2)测试结果分析。

设计3种场景，对比分析研发成果的可行性及有效性。图4所示为不同情景下的测试输出结果。

①场景1:1台检定装置配置1台标准时钟测试仪，测试结果如图4(a)所示。

②场景2:3台检定装置配置1台标准时钟测试仪，测试结果如图4(b)所示。

③场景3:3台检定装置配置1台标准时钟测试仪和1台标准时钟共用设备，测试结果如图4(c)所示。

图4 测试输出结果Fig．4 Test output results

现有模式下，1台标准时钟测试仪带载1台检定装置，即如图4(a)所示的标准时钟测试仪输出信号波形。由图4(b)可知，场景2上升沿以及下降沿发生明显畸变。在共享模式(场景3)下，标准时钟测试仪带载能力明显提升。因此，研发成果能够有效提升标准时钟测试仪的带载能力，改变了单台检定装置必须配置1台标准时钟测试仪的模式，实现了标准时钟测试仪的最大化利用。

3．3 实际应用情况及分析

研发的标准时钟测试仪共用设备，假设成本价格为0．2万元，能够供2～3台电能表检定装置共用，满足不同检定装置的时钟日计时误差测试功能。该成果已在某省智能电能表自动化检定装置上成功地测试验证。

假设周送检溯源40台，标准时钟测试仪成本为0．7万元/台，得到实际验证分析结果如表2所示。其中，周使用次数是统计标准时钟测试仪在一周5个工作日期间完成时钟日计时误差测试的次数。

表2 实际验证分析结果Tab．2 Actual verification analysis results

在标准时钟测试仪设备成本投入方面，本文方法较现有模式降低了成本;在日常维护方面，与现有模式相比，本文方法便于维护，降低了人工维护工作量，维护成本低，同时最大化实现资源利用，实现了资产的集约再利用。

4 结束语

本文基于资源共享理论，提出了智能电能表检定系统标准时钟的共用方法，可供至少2～3台电能计量器具检定装置使用，适用于智能电能表标准装置有关电能表时钟模块的测试检定。测试分析结果验证了该共用方法的可行性以及有效性。该共用方法能够有效降低经济成本，节省运维人员人力，实现标准时钟测试仪的互备，减少设备溯源送检对产能的影响，达到资源的集约再利用的目的。