智能电能表底层计量研究

曹鸿飞

（嘉峪关市产品质量计量和特种设备检验检测中心，甘肃 嘉峪关 735100）

随着新的基础设施建设、电能测量技术和技术水平的提高，对仪表的功能需求越来越高，其使用范围也越来越广，其测量精度和可靠性直接关系到国家的用电安全和社会经济效益，电能表作为贸易结算的终端，已从简单抄表功能向着系统化、多功能和智能化不断深入发展。由于电力仪表技术水平的提高，其功能也越来越完善，但其基础设施的电力测量与资料安全仍是其核心内容，其最主要的需求仍是可靠、准确和安全，因此在电力仪表的研制中，是电力测量与资料安全的关键技术。

1 软件特点分析

智能电能表是由各种电子部件组成的，它的工作原理是采集电网的电压和电流，然后由电能仪的芯片进行采集。在这种情况下，有关人员还要把采集的数据转换成与电力成比例的脉冲，最终由微处理器完成，并以电力形式显示出来。在实施智能化电能表的同时，还应具备更多的功能。智能化电能表机在实际使用时，既可以存储、加工，又可以进行自动化监控，还可以进行信息资源的分享。该技术在实际运用中，既能提高供电公司的效益，又能适应用户的各种需要，进而达到供电公司全面覆盖的目的。在进行设备使用时，也可以进行相关的计量、成本的管理、事件的记录等。在智能电能表的研制中，采用了一种特殊的电路结构。所以，这种装置不但可以进行远距离的通信，可以连接网络，还可以用软件来进行特定的操作。该装置在实际使用中表现出了较好的性能，运行起来也更简单，同时，也大大降低了能源消耗。测量时精度提高，降低了仪器使用时的错误。该装置的容量也较大。智能电能计量存储功能，显示功能，脉冲功能，费率和周期，编程设置，事件记录，通信功能。电功率计量与储存的主要特点是：具有实时检测电压、电流、有功、无功、频率、功率因数等电气性能指标；可实现有功无功、组合累加计量、全计量、四象限无功、失压断相计量、最大需量计量、预付费和收费程序设定以上资料的储存。在电子工业中，现代的电子综合技术已被全面发展，为了实现一体化、智能化的一体化，智能电能表结合了电子技术，利用了电子计量的工作方式，具有高精度、多参数测量、灵敏计量、超强交互、智能分析等优势。尽管电能表的功能越来越多，但是，从测量的角度来看，它最基本的要求就是要达到电力测量的性能，同时，也要保证资料的完整性，避免信息的混乱和遗失。所以，在满足电能计量基础要求的前提下，必须注重确保计量精度和数据的可用性。

2 硬件架构分析

本实用新型的智能化电能表按其功能可划分成8 个部分，其中的主要硬件部分见图1。中央控制模块是电能计量仪表的中枢，它负责传输和接受各类数据，实现数据处理、存储、显示、通讯、控制等工作，并对各个模块进行统一管理；供电模组为仪表的各个部件供电，保证仪表各个组件的工作性能；测量模块利用电能表头采集电压、电流、功率等实时信息，然后进行模拟、数字处理、参数存储、通讯交流与CPU 联通；显示与控制部分分别负责显示各种资料、信息、人机交互及负载的功能；该模块实现了对数据运行、费率控制和计时控制等控制；存储功能：对电量数据、事件记录、信息指令等进行永久性存储；通信功能模块可以完成电力仪表与外界的通信，其中包含RS485、红外、无线、载波等多种通信手段；监控系统可以对CPU 的工作状况进行即时的监测，并在CPU 的运行过程中迫使CPU 恢复到原来的工作状态。本文主要是对电能表的测量模块进行分析，并给出了相应的测控方案和测控方案，该测控系统的工作过程是：通过测量仪器的前端的电压、电流采集线路所获取的实时信号通过A/D 变换器进行模拟，然后通过A/D 变换将其输出到测量系统的数据进行处理和存贮，从而实现与 CPU 组件之间的数据信息的交流。

图1 电能表硬件模块框图

3 电能计量策略

测量系统中的软件设计思想，主要是对电压、电流进行实时采集和有效数值的求解；瞬时和视在能量的估算；有源、无功、有源、有源的变换等。基于计量的基本原则，在进行了时间域离散化的过程中，对电力计量的方案进行了详细的规划，包括数据采集、有效值计算和计量功能三大方面的内容。首先，CPU 读取和写入特定的测量晶片，采集电压、电流、功率、功率因素、相位等，并对其进行A/D 变换；其次，用实测的电压和电流的标准数值与取样时的参考数值相乘，得出一个有效的数值；最后通过一组有功、无功、各费率、总电量等具体的数据，通过CPU 和内存模块进行显示和存贮。在智能化仪表的使用中，必须对仪表的测量线路进行合理的规划，选用高质量的元件，以便使仪表的使用得到充分的发挥。为了降低测量的错误，需要对测量系统的工作进行综合的控制。在进行资料收集时，应选择具有较高的准确率和较高的稳固性的材料。在选择电池的过程中，需要从品牌、口碑等方面进行有效的检测，并实施取样检验，确保电池的品质符合标准。在使用前，在智能电量表的仪表终端配备了一个备用的电源，这样即使在断电后，它也可以精确地测量。同时，需要使用的主要是锂离子，并配备了散热器。另外，还需要提高员工的职业素质，通过相关的训练来提高他们的工作能力，提高他们的测量精度。智能电能表包含多个功能组件，并与特定的电路板结合，需要对其进行合理的设计和完善，以保证在断电时能够高效地提供电力。在完成了安装工作后，应该进行断电和测量，保证在断电的情况下，还能够保持良好的测量精度。另外，需要配备对应的绝缘设备，以提高测量精度，并能提高工作寿命。由于选用的晶片，会对器件的效能产生很大的影响。所以，在挑选晶片时，要根据晶片的精确度，以及精确的控制，以确保在使用时，能够让所有的工作，都能够精确地执行。在实施智能化电能表时，厂商要不断地改进生产工艺，推动工作规范化，同时，也要通过使用自动化技术来减少产品的错误。厂家在实施制造时，要不断地改进自己的工艺，用超声波进行清洁，并定时进行换料。也可以进一步改进喷雾工艺，在经过高温干燥后，对装置进行防腐处理。在喷洒时，工人应保证防火涂料的厚度均一。在选用合适的涂料时，应选用质量较高的涂料，以防止制品在潮湿时发生损坏。厂家在制造装备时，也要不断地改进产品的老化工艺，以保证产品在使用期间的稳定性，从而为企业的计量工作提供有力的支撑。

4 数据容错策略

一般将资料储存于EPROM 位址，然后设定检测码，以累积运算相加的方法进行检定，然而透过对资料检定的深度剖析，发现当断电后迅速复原，或者多次断电时，电度计的CPU 及计量器无法进行正常的、完全的资讯交换，从而造成设定的参数检定出现异常，最后造成资料失真或遗失。所以，EPROM 中的资料，只有一个，没有任何的备份，即使有，也是有一定的误差，而且没有任何证据可以弥补，只能读取或者删除，这样做，根本不可能保护电力系统的安全性。通常，电度计都装有一个内置的电池组来保持内存中的资料不会流失。在充电时，首先将RAM 的累积检查和与已储存的累积检查代码进行比较，并将其与反代码的数值进行比较，若两者均相同，就认为该资料是可信的，否则，就必须从EEPEOM 中读取资料进行检查。为了提高电力系统的容错性，同时考虑读取数据的时间，避免读取数据的处理会影响系统的正常工作。将两个位址的电力资料存于两位，另一位储存上次的资料，轮流储存，当资料出现差错时，可以对两位位址的价值进行分析，若两位资料相同，请选择其中一位，若有两位资料相差1，以更大的资料为准。

5 策略评测与改进

根据上述流程，对所提出的方案进行了验证，以检验方案在电力仪表的稳定与可靠度方面的功能，并根据上述流程进行了相应的试验。白箱试验用于检验每个内部作业与政策过程的需求一致。在进行检测前，要保证用I2C 与智能型电能表EEPROM 读取和写入设备连接，然后用一个装有EEPROM 读取和写入设备的电脑，用RS232 或者网络连接到电能表EEPROM 读取和写入设备上，然后用RS232 或者联网连接到电能表 EEPROM 中的数据和参数，检测重写和重写之后的电量表读写情况，评估和修正在数据不正常的情况下的电量表的操作策略。黑箱试验可以验证所实施的每个已知的功能性和设计规范的需求。测试中的各项指标必须涵盖所有的正常与不寻常的情况，必须涵盖所有的资料，并且要注意资料的线性度，要确保测试的超负荷、饱和等条件。利用电能表的检定设备对电表的测量能力进行检验，主要有基本误差测试、电量测试、最大需求测试、瞬时数据测试、复费率功能测试等。通过RS-485 读取程序对故障进行仿真，对发送和接收的数据进行了配置，并对其进行了校验。

5.1 采用无线抄表模式

在经济和社会发展的过程中，各种通讯技术已经被广泛地应用于人们的生活和工作中，尤其是在电力系统方面，目前，智能电能计量已经在各个行业中得到了广泛的应用。采用无线抄表技术，不但可以将资料卡片与智能型电能表相结合，更可以确保发送资料的正确性，并可进行储存。

5.2 采用远程自动抄表模式

根据远程自动抄表的方式，可以采用以下方式实现：（1）采用专用的电线与智能型电能表相联接；（2）利用功率载波的方式，确保电网的能量始终在一条主干路上，必须采用专门的线路，使电能的特性得到充分的利用。由转接控制器进行总线的联接也能起到更大的作用，在这种情况下，有关的人可以把各个区域的电力中心系统接入可以接入的地方，从而进行远距离的自动化抄表工作。在实践中，有关部门要把电网的高压线路与电网的远距离抄表结合起来，既可以把电网的信息传递出去，又可以利用多种新技术进行推广。

5.3 电力计量自动化

智能电能表的使用，使企业和客户的沟通更加密切，利用抄表技术可以随时了解客户的动态，从而促进电能质量的提升。在进行电能测量时，通过数据采集、汇总和分析，通常使用的是远距离测量，从而减少了手工抄表带来的错误，有效地改善了电能的测量精度。另外，它还可以专门地分析每个变压器的总能量，然后根据不同的需求进行响应，根据不同的参数设置，可以根据不同的需求调整不同的供电方式，从而有效地提升电能的利用率。在夏季、冬季等特殊的用水旺季，人们会大量地利用大功率的电器，智能水表可以通过增加电费来控制用电量，同时也可以保障电网的稳定供电。

6 结语

综上所述，本文介绍了在电力测量与数据安全性的基础上，从软件开发的根源上保证了电力仪表的可靠性。本文所述的方法，不但可以用于电能表的设计与研制，而且对于其他行业同类产品的研发具有一定的借鉴意义。随着智能化网络的迅速发展，对供电公司的经营管理也越来越重视。为了适应智能化电网的高质量管理需求，需要对其经营方式、经营内容等进行改革。许多电力公司都采取了“先抄后交”的办法来进行电费的核算，这样既增加了工作量，又造成了大量的资料遗失。同时，在进行治理时，也不能对偷盗事件进行彻底的防范。由于采用了智能化的测量手段，使得企业在进行经营的同时，也可以满足新时期的需求，从而大大地提升了企业的经营效率。