孫志杰 宋 楠 宋雨虹 魯觀娜 張姣姣

(華北電網(wǎng)有限公司計(jì)量中心1，北京 100045;華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司2，北京 100045;華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院3，河北 保定 071003)

0 引言

近些年先進(jìn)的電子信息技術(shù)應(yīng)用到電能表中，采用帶預(yù)付費(fèi)功能的CPU卡電能表開始在計(jì)量結(jié)算領(lǐng)域推廣使用。由于電能表本身增加了額外的物理介質(zhì)，即CPU卡和讀寫卡設(shè)備，系統(tǒng)的復(fù)雜度增加;同時(shí)，卡上信息關(guān)聯(lián)著貿(mào)易結(jié)算的信息，貿(mào)易結(jié)算信息一旦受到攻擊，將使卡表的用戶方或是卡表的提供方受到經(jīng)濟(jì)上的直接損失。為確保電表的各種電量交易數(shù)據(jù)能夠和電網(wǎng)公司的營銷系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的信息交換，需要對(duì)CPU卡表特有的預(yù)付費(fèi)功能進(jìn)行專門的檢驗(yàn)和測(cè)試。

常規(guī)的電能表校驗(yàn)裝置通常只考慮對(duì)電能表的計(jì)量準(zhǔn)確性進(jìn)行考核，而對(duì)于貿(mào)易結(jié)算方面的數(shù)據(jù)交換部分功能和電量控制功能沒有進(jìn)行測(cè)試和考核，所以使用以前的電能表檢測(cè)裝置只能檢測(cè)CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表的部分功能［1－3］。因此，我們研制了一套預(yù)付費(fèi)電能表功能檢測(cè)裝置。該裝置可以自動(dòng)完成對(duì)CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表所有功能的測(cè)試，包括一般性的計(jì)量準(zhǔn)確性測(cè)試和用于交易結(jié)算的CPU卡功能測(cè)試等，從而大大減少了檢測(cè)人員的工作量，提高了檢測(cè)效率和一致性。

1 裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)主要包括檢測(cè)軟件、程控功率電源、標(biāo)準(zhǔn)電能表、CPU卡發(fā)卡系統(tǒng)、CPU卡插卡模擬系統(tǒng)和繼電器狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)等六大系統(tǒng)。檢測(cè)軟件是控制校驗(yàn)工作流程和協(xié)調(diào)控制各部分工作的主控軟件。程控功率電源為電能表提供一定的負(fù)載功率，可以模擬電能表實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的各種狀態(tài)，為電能表的性能指標(biāo)檢測(cè)提供必要的參照環(huán)境。標(biāo)準(zhǔn)電能表作為被檢表的計(jì)量參考標(biāo)準(zhǔn)，通過和標(biāo)準(zhǔn)電能表的能量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表的計(jì)量誤差。CPU卡發(fā)卡系統(tǒng)是用來生成各種CPU功能卡的設(shè)備，是從CPU卡上讀取電能表內(nèi)部信息的必要設(shè)備。CPU卡插卡模擬系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表自動(dòng)檢測(cè)所必需的設(shè)備，CPU卡插卡模擬系統(tǒng)通過接收軟件命令，可以對(duì)指定的CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表實(shí)行類似于人工插卡的動(dòng)作過程，從而省略了人工需要頻繁插卡的操作。繼電器狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)是用來檢測(cè)CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表的繼電器控制信號(hào)是否正常的專用檢測(cè)系統(tǒng)。為滿足各種電能表不同種類的繼電器控制方式，繼電器狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置了多種不同的信號(hào)檢測(cè)方式，如內(nèi)置繼電器開合檢測(cè)電路、外置繼電器開關(guān)量驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電路、外置繼電器有源驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電路等方式。

檢測(cè)軟件運(yùn)行在主控計(jì)算機(jī)上，其根據(jù)被檢電能表的電壓、電流量程、脈沖常數(shù)、表號(hào)、通信協(xié)議信息等進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表功能自動(dòng)檢測(cè)示意圖如圖1所示。

圖1 預(yù)付費(fèi)電能表功能自動(dòng)檢測(cè)示意圖Fig.1 Schematic of automatic functional detection for prepayment

試驗(yàn)開始時(shí)，控制裝置的程控功率源輸出指定幅值和相位的信號(hào)，并施加在被檢電能表上。測(cè)試軟件控制CPU發(fā)卡器對(duì)發(fā)卡器中的卡片執(zhí)行寫卡操作，然后通過插卡動(dòng)作模擬器執(zhí)行對(duì)預(yù)付費(fèi)電能表的插卡動(dòng)作，狀態(tài)燈和繼電器檢測(cè)模塊檢測(cè)插卡后指示燈的明滅和繼電器的輸出端子的信號(hào)。主控計(jì)算機(jī)通過電能表RS-485通信總線抄讀電能表的電量、事件信息，同時(shí)返讀CPU卡發(fā)卡器中的CPU卡返寫的信息。檢測(cè)軟件對(duì)兩路信息進(jìn)行比對(duì)和判斷，從而得出檢測(cè)結(jié)果。

預(yù)付費(fèi)功能自動(dòng)檢測(cè)裝置以數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)電能表作為系統(tǒng)的電能工作標(biāo)準(zhǔn)，采用分離式的控制系統(tǒng)和掛表架，由主控計(jì)算機(jī)控制整個(gè)檢驗(yàn)的工作流程，標(biāo)準(zhǔn)電能表可以方便地從整個(gè)裝置上拆卸。此分離式控制系統(tǒng)有利于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電能表進(jìn)行檢定，同時(shí)也可以適應(yīng)更多試驗(yàn)場(chǎng)合的需要。

2 檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

結(jié)合CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表技術(shù)規(guī)范的具體要求，預(yù)付費(fèi)功能自動(dòng)檢測(cè)裝置的研制分為下述幾部分內(nèi)容:①適用于自動(dòng)檢測(cè)裝置的CPU卡發(fā)卡系統(tǒng)的研制;②CPU卡插卡模擬系統(tǒng)的研制;③繼電器狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的研制;④監(jiān)測(cè)用光電頭的設(shè)計(jì);⑤掛表架各表位帶隔離電流互感器(current transformer，CT)，斷電續(xù)流功能的實(shí)現(xiàn)。

2.1 CPU卡發(fā)卡系統(tǒng)

CPU卡發(fā)卡系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)軟件和相應(yīng)的發(fā)卡硬件平臺(tái)組成。發(fā)卡系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)發(fā)出包含有特定功能信息的CPU卡片，以作為信息傳遞的媒介，電能表通過讀取包含有特定功能信息的CPU卡片的信息，做出相應(yīng)的動(dòng)作反應(yīng);同時(shí)，電能表返寫卡的信息也存儲(chǔ)在CPU卡中。

2.2 CPU卡插卡模擬系統(tǒng)

CPU卡插卡模擬系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)軟件控制模擬手工插卡的動(dòng)作過程。其實(shí)現(xiàn)過程描述如下:電腦通過通信口向插卡模擬器發(fā)送指定命令，插卡模擬器的控制MCU接收到計(jì)算機(jī)發(fā)送的插入卡命令后，控制內(nèi)部的步進(jìn)電機(jī)向前轉(zhuǎn)動(dòng)，待插卡模擬器上的卡舌頂開CPU卡表內(nèi)部簧片觸點(diǎn)后，停止步進(jìn)電機(jī)向前轉(zhuǎn)動(dòng)，電能表此時(shí)感知到有卡片插入，開始對(duì)插入的卡片進(jìn)行信息交換。相反，當(dāng)插卡模擬器的控制MCU接收到計(jì)算機(jī)發(fā)送的卡片退出命令時(shí)，控制MCU將控制電機(jī)向后轉(zhuǎn)動(dòng)，插卡模擬器上的卡舌離開CPU卡表內(nèi)部簧片觸點(diǎn)，電能表還原到無卡插入狀態(tài)。

2.3 繼電器狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)

繼電器狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的主要功能是讓軟件完成繼電器的各種狀態(tài)信號(hào)自動(dòng)采集，不再需要人工的信息錄入過程。其實(shí)現(xiàn)過程描述如下:繼電器狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)通過電流互感器對(duì)流過電能表的電流進(jìn)行感應(yīng)，如果電能表內(nèi)部的繼電器吸合，則外部施加的電流可以從電能表內(nèi)部流過，電流互感器上可以感應(yīng)到電流的存在。該感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過濾波整形后作為繼電器的吸合信號(hào)傳遞到計(jì)算機(jī)軟件中，軟件根據(jù)該信號(hào)狀態(tài)可以判斷出繼電器實(shí)際處于吸合或斷開狀態(tài)［4－7］。繼電器狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 繼電器狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Operational principle of relay state detection system

2.4 光電檢測(cè)系統(tǒng)

光電檢測(cè)系統(tǒng)通過光敏元件檢測(cè)繼電器的狀態(tài)指示燈信號(hào)，并能夠?qū)顟B(tài)指示信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以讀取的數(shù)字信號(hào)。在檢測(cè)裝置上，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表的輸出指示狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，在每個(gè)表位上設(shè)計(jì)安裝了光電采樣器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)指示燈狀態(tài)的檢測(cè)［8－10］。

光電檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。電能表發(fā)出報(bào)警、跳閘等狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)脈沖整形電路濾除脈沖上的毛刺信號(hào)、LED狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)后，由單片機(jī)進(jìn)行采集，然后通過RS-232通信轉(zhuǎn)換電路連接到PC機(jī)串行口上，使PC機(jī)成功收集到電能表的狀態(tài)信息。

圖3 光電檢測(cè)系統(tǒng)工作原理圖Fig.3 Operational principle of photoelectric detection system

2.5 斷電續(xù)流功能

在常規(guī)的電能表檢測(cè)裝置中，各電能表的電流回路是串聯(lián)在同一電流回路上的，任何一只電能表的內(nèi)置繼電器開路，都會(huì)導(dǎo)致功率源電流回路的開路，從而引起功率源的保護(hù)動(dòng)作。

斷電續(xù)流功能工作原理如圖4所示。

圖4 斷電續(xù)流功能工作原理圖Fig.4 Operational principle of power wheeling function

在進(jìn)行繼電器跳閘功能測(cè)試時(shí)，如果按照常規(guī)電能表檢測(cè)裝置的接線方法，則由于測(cè)試過程中經(jīng)常出現(xiàn)電能表內(nèi)部電流繼電器開路的情況，導(dǎo)致繼電器跳閘功能檢測(cè)不能正常進(jìn)行。為避免由于電能表內(nèi)置繼電器跳閘引起功率源的保護(hù)，裝置采用每個(gè)表位可以獨(dú)立提供電流的測(cè)試用互感器。該互感器針對(duì)繼電器跳閘測(cè)試的特殊情況，在電能表內(nèi)置繼電器跳閘時(shí)，保證功率源的電流回路能夠續(xù)流，避免功率源的保護(hù)。

功率源的電流回路通過電流隔離互感器的一次側(cè)構(gòu)成回路，電能表的工作電流由每個(gè)電流隔離互感器的二次側(cè)提供。當(dāng)電能表的內(nèi)置繼電器跳閘時(shí)，功率源的電流輸出回路依舊處于閉合狀態(tài)，所以功率源的電流依然可以輸出。采用這樣的設(shè)計(jì)，可以對(duì)內(nèi)置繼電器卡表的跳閘功能進(jìn)行連續(xù)測(cè)試。在實(shí)際的線路設(shè)計(jì)中，由于電流互感器(CT)的二次開路，對(duì)功率源來說，增大了負(fù)載。為了不讓負(fù)載超過功率源的最大輸出功率，需對(duì)每個(gè)CT的一次電流回路上的電流旁路繼電器進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)檢測(cè)到某個(gè)CT的二次側(cè)開路時(shí)(一次側(cè)有電流而二次側(cè)無電流的現(xiàn)象)，檢測(cè)電路會(huì)控制該表位的一次側(cè)電流旁路繼電器閉合，將該CT的工作電流旁路掉，從而減少功率源的輸出負(fù)載，避免功率源的輸出過載。

3 檢測(cè)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

檢測(cè)軟件為使用預(yù)付費(fèi)電能表功能檢測(cè)裝置的人機(jī)接口軟件，主要功能是:設(shè)置數(shù)字式信號(hào)源參數(shù)，控制數(shù)字式信號(hào)源的工作;設(shè)置數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)表的參數(shù)，控制數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)表的工作模式;設(shè)置誤差處理器的參數(shù)并讀取計(jì)算的誤差值;抄讀被測(cè)表的參數(shù);抄讀繼電器狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù);控制CPU卡插卡模擬器進(jìn)行正常動(dòng)作;控制CPU卡發(fā)卡系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)卡。

3.1 軟件設(shè)計(jì)

軟件分為表現(xiàn)層、邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層三大塊，如圖5所示。

圖5 功能檢測(cè)軟件框圖Fig.5 Block diagram of the functional detection software

表現(xiàn)層負(fù)責(zé)處理用戶操作請(qǐng)求和信息顯示，包括用戶的輸入控制、用戶的操作請(qǐng)求、信息顯示。

邏輯層主要包括裝置測(cè)試和系統(tǒng)管理兩個(gè)部分，它是本軟件的核心。裝置測(cè)試指的是設(shè)置校驗(yàn)裝置的狀態(tài)和檢測(cè)參數(shù)，并獲得被檢表的檢測(cè)結(jié)果。設(shè)備操作以一次交互(發(fā)送命令、接收響應(yīng))為單位。協(xié)議模塊封裝了各個(gè)設(shè)備的通信協(xié)議，設(shè)備交互模塊則封裝了與各個(gè)設(shè)備的交互過程。系統(tǒng)管理包括用戶管理、系統(tǒng)配置、方案和測(cè)試點(diǎn)配置以及對(duì)檢測(cè)結(jié)果的操作等。流程模塊是將一個(gè)或者多個(gè)設(shè)備交互與方案操作進(jìn)行組裝，從而完成一個(gè)完整的業(yè)務(wù)?；A(chǔ)函數(shù)庫包含了一些各個(gè)模塊可能用到的比較常用的功能函數(shù)。

數(shù)據(jù)訪問層包括與數(shù)據(jù)庫和串口的接口。數(shù)據(jù)訪問層采用Access數(shù)據(jù)庫，通過C#的ADO組件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作;采用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的驅(qū)動(dòng)，并封裝為串口類。

3.2 軟件功能實(shí)現(xiàn)

依據(jù)預(yù)付費(fèi)電能表功能檢測(cè)作業(yè)指導(dǎo)書，編制預(yù)付費(fèi)功能檢測(cè)方案;對(duì)被試電能表的電壓、電流、脈沖常數(shù)、繼電器類型等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后，選定檢測(cè)方案?？梢赃x擇自動(dòng)檢測(cè)模式，從第一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目開始依次對(duì)電能表功能進(jìn)行檢測(cè)，直到試驗(yàn)最后一項(xiàng)停止;也可以根據(jù)需要選擇部分測(cè)試項(xiàng)。檢測(cè)過程中若需要人工檢查、確認(rèn)的信息，則系統(tǒng)會(huì)彈出對(duì)話框，提示操作員進(jìn)行檢查、確認(rèn)。

軟件實(shí)現(xiàn)的功能有:①軟件根據(jù)確認(rèn)情況判斷該項(xiàng)目是否合格;②可以以非自動(dòng)檢測(cè)模式，從任意一項(xiàng)試驗(yàn)開始單步進(jìn)行測(cè)試，該項(xiàng)試驗(yàn)完畢，則停止;③具有發(fā)卡功能，通過模擬發(fā)卡器，可以發(fā)行各種工具卡，對(duì)被試預(yù)付費(fèi)電能表的卡功能進(jìn)行手工檢測(cè)，并能夠讀取電能表往卡片中返寫的信息;④軟件的數(shù)據(jù)管理功能能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的保存，可以按照設(shè)計(jì)的原始記錄和檢測(cè)報(bào)告格式，進(jìn)行自動(dòng)打印。

4 結(jié)束語

本裝置發(fā)揮模塊化、插件化、分布式設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)付費(fèi)電能表計(jì)量功能、結(jié)算數(shù)據(jù)交換功能、電量控制功能的全面自動(dòng)化檢測(cè)，大大減少了檢測(cè)人員的工作量，提高了檢測(cè)效率，對(duì)確保CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行做出了積極貢獻(xiàn)。同時(shí)，也為其他規(guī)范的智能預(yù)付費(fèi)電能表相關(guān)技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

［1］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 10232-1994電氣繼電器第7部分:有或無機(jī)電繼電器測(cè)試程序［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［2］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 2829-2002周期檢查計(jì)數(shù)抽樣程序及抽樣表(適用于對(duì)過程穩(wěn)定性的檢驗(yàn))［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［3］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 14598.1-2002電氣繼電器的觸點(diǎn)功能［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［4］王凱，李杏春，王占國.磁保持繼電器在預(yù)付費(fèi)電能表中的控制方案［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008(12):75－77.

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