趙波 李博 馬宇明 鄧凌翔/江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

智能電能表溫度影響試驗(yàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

趙波 李博 馬宇明 鄧凌翔/江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

針對(duì)智能電能表環(huán)境試驗(yàn)中的溫度影響試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研究。分析了該項(xiàng)目自動(dòng)測(cè)試的必要性，提出了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，分別介紹了自動(dòng)控溫子系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量子系統(tǒng)、自動(dòng)報(bào)警子系統(tǒng)這三個(gè)子系統(tǒng)的主要技術(shù)。應(yīng)用證明，該系統(tǒng)能提高工作效率，降低差錯(cuò)率。

智能電能表；溫度影響試驗(yàn)；自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

0 引言

電能表作為國(guó)家列入重點(diǎn)管理目錄的計(jì)量器具，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣影響到人身及財(cái)產(chǎn)安全和貿(mào)易結(jié)算雙方的經(jīng)濟(jì)利益。以江蘇為例，江蘇省是智能電能表的生產(chǎn)大省，本地某計(jì)量測(cè)試中心智能電能表型式評(píng)價(jià)檢驗(yàn)批次年均達(dá)到180批次以上。前期調(diào)研結(jié)果表明，我國(guó)各大國(guó)家電能表檢驗(yàn)中心的檢驗(yàn)業(yè)務(wù)量每年以一定幅度遞增，智能電能表型式評(píng)價(jià)和其他檢驗(yàn)任務(wù)均比較飽滿，設(shè)備使用率高、人員忙碌。目前單臺(tái)儀器的自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用已經(jīng)普及，但是不同儀器之間還無(wú)法自動(dòng)配合，一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目中所需的多臺(tái)儀器設(shè)備之間的配合與控制都采用的是人工方式，人員需要在儀器之間來(lái)回調(diào)試、手工記錄，試驗(yàn)效率低，自動(dòng)化程度不高。JJF 1245-2010系列標(biāo)準(zhǔn)[1～3]規(guī)定，在每個(gè)溫度點(diǎn)需穩(wěn)定2 h后再進(jìn)行誤差測(cè)試，加上恒溫恒濕室的升降溫度時(shí)間，以及人工接線和校驗(yàn)時(shí)間，每完成一個(gè)批次智能電能表的溫度影響試驗(yàn)需要約4 h。

智能電能表溫度影響試驗(yàn)都是按照傳統(tǒng)人工方式進(jìn)行，對(duì)于每年上百個(gè)批次試驗(yàn)數(shù)量來(lái)說(shuō)，人工試驗(yàn)方法處于工作緊張和難以應(yīng)付的局面。智能電能表溫度影響試驗(yàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[4]的研發(fā)與應(yīng)用，使此試驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)化，以減少人工干預(yù)，提高工作效率。

1 系統(tǒng)概述

智能電能表溫度影響試驗(yàn)作為電能表型式評(píng)價(jià)中的一項(xiàng)重要試驗(yàn)，其目的是在環(huán)境溫度變化的情況下，確認(rèn)被測(cè)智能電能表誤差的變化量是否大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。按照規(guī)定，電能表需放置在恒溫恒濕室中，在-10 ℃、10 ℃、13 ℃、33 ℃、25 ℃、45 ℃共6個(gè)溫度點(diǎn)下測(cè)試其電能誤差。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)總體框架

如圖1所示，智能電能表溫度影響試驗(yàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)總體框架包括計(jì)算機(jī)、智能電能表測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)源、恒溫恒濕室及其自動(dòng)控制裝置，以及智能電能表自動(dòng)切換裝置。

智能電能表溫度影響試驗(yàn)需長(zhǎng)時(shí)間在恒溫恒濕室中進(jìn)行。在環(huán)境溫度從-10～45 ℃變化的情況下，需要檢驗(yàn)裝置能否在此環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。為了滿足以上要求，對(duì)檢驗(yàn)裝置采用分體式設(shè)計(jì)，即標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試源與智能電能表測(cè)試架彼此分離。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試源放置在恒溫恒濕室外，使其工作在室溫環(huán)境中，確?？煞€(wěn)定工作。測(cè)試架與被測(cè)智能電能表放置在恒溫恒濕室中進(jìn)行試驗(yàn)。為了提高測(cè)試架的工作可靠性，測(cè)試架上只設(shè)置測(cè)試表托、電壓接線柱和輔助信號(hào)連接線，把被測(cè)智能電能表測(cè)試所需的電壓、電流和脈沖信號(hào)線通過(guò)集線端子連接到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試源上。

為了滿足測(cè)試環(huán)境的要求，測(cè)試架采用全鋁合金制作，連接螺絲采用不銹鋼材質(zhì)。測(cè)試表托和接線柱的外殼結(jié)緣殼全部采用阻燃性、電絕緣性、耐腐蝕性和耐磨性好的聚碳酸酯，抗氧化性優(yōu)良。測(cè)試采用雙面三層方式，每層10只智能電能表，共30只智能電能表，每次可對(duì)30只不同規(guī)格的單相和三相智能電能表進(jìn)行溫度影響試驗(yàn)。測(cè)試架上每10只表為一組，共分為三組測(cè)試單元，每組電壓、電流回路完全獨(dú)立。測(cè)試架上三組測(cè)試單元可通過(guò)裝置自動(dòng)切換。

2 軟硬件方案

自動(dòng)控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)分別通過(guò)9針的串行接口RS232-C與系統(tǒng)內(nèi)的各儀器設(shè)備連接，如圖2所示。測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)首先控制“自動(dòng)切換裝置”連接被測(cè)智能電能表，由計(jì)算機(jī)通過(guò)串行接口下發(fā)切換命令，在三組被測(cè)智能電能表中進(jìn)行切換；然后控制標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試源。根據(jù)被測(cè)智能電能表的電壓、電流規(guī)格輸出對(duì)應(yīng)的測(cè)試電壓和電流，可對(duì)智能電能表進(jìn)行有功誤差、時(shí)鐘誤差等性能測(cè)試。計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀取和保存測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖2 串口連接

軟硬件方案按照面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，包括三個(gè)子系統(tǒng)，分別為：面向恒溫恒濕室的自動(dòng)控溫子系統(tǒng)、面向智能電能表和智能電能表誤差檢驗(yàn)裝置的自動(dòng)測(cè)量子系統(tǒng)、面向測(cè)試人員的自動(dòng)警告子系統(tǒng)。下面分別介紹其主要技術(shù)。

2.1 自動(dòng)控溫子系統(tǒng)

恒溫恒濕室是自動(dòng)控溫子系統(tǒng)的主體，其本身具有溫度采集系統(tǒng)及串行接口輸出。自動(dòng)系統(tǒng)可以通過(guò)串行接口進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中。在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值進(jìn)行比較，判定當(dāng)前溫度是否符合測(cè)溫點(diǎn)的要求。在試驗(yàn)過(guò)程中如有采集溫度的異常情況出現(xiàn)，將重新進(jìn)行溫度的記錄，直到滿足溫度穩(wěn)定的條件再進(jìn)行試驗(yàn)。每一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)試驗(yàn)完成后，結(jié)果將自動(dòng)反饋給后臺(tái)軟件，軟件通過(guò)串行接口設(shè)置預(yù)置的下一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，繼續(xù)試驗(yàn)。

計(jì)算機(jī)通過(guò)串口報(bào)文直接對(duì)恒溫恒濕室進(jìn)行操作。首先向恒溫恒濕室發(fā)出設(shè)定溫度命令，然后系統(tǒng)開(kāi)始控溫，并輪詢恒溫恒濕室當(dāng)前溫度，以此判斷是否達(dá)到預(yù)期溫度。在本系統(tǒng)中，將恒溫恒濕室控制設(shè)計(jì)為一個(gè)獨(dú)立的恒溫模塊，系統(tǒng)通過(guò)特定接口來(lái)訪問(wèn)，而不需要具體了解底層的報(bào)文操作。如果需要支持其他恒溫恒濕室，無(wú)需修改系統(tǒng)的其他代碼，只需重新設(shè)計(jì)一個(gè)新的恒溫模塊就可以實(shí)現(xiàn)。恒溫模塊主要包含以下接口：?jiǎn)?dòng)控溫（即設(shè)定目標(biāo)溫度）、停止控溫、讀取當(dāng)前溫度、待機(jī)、關(guān)機(jī)。

2.2 自動(dòng)測(cè)量子系統(tǒng)

自動(dòng)測(cè)量子系統(tǒng)面向智能電能表和智能電能表誤差檢驗(yàn)裝置進(jìn)行控制。目前智能電能表校驗(yàn)裝置只能同時(shí)校驗(yàn)相同電流和電壓規(guī)格的智能電能表，對(duì)于規(guī)格不同的智能電能表，則必須重新拆裝后分批檢驗(yàn)。

圖3 電壓測(cè)試回路切換

圖4 電流測(cè)試回路切換

本系統(tǒng)以繼電器作為切換開(kāi)關(guān)研制了一種自動(dòng)切換裝置。圖3、圖4所示是電壓、電流自動(dòng)切換的裝置原理圖。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試源輸出的電壓、電流通過(guò)繼電器可以倒換，分別對(duì)應(yīng)測(cè)試架上的三組被檢智能電能表。根據(jù)測(cè)試方案，可以控制測(cè)試源的電壓、電流輸出，滿足不同規(guī)格智能電能表的測(cè)試。

智能電能表檢驗(yàn)裝置的控制通過(guò)串口進(jìn)行。與恒溫恒濕室控制方式不同的是，檢驗(yàn)裝置的控制相對(duì)比較獨(dú)立，只要將試驗(yàn)參數(shù)一次性傳入檢驗(yàn)裝置，等待試驗(yàn)結(jié)果即可，試驗(yàn)過(guò)程中不需要程序干預(yù)。在本系統(tǒng)中，檢驗(yàn)裝置模塊同樣設(shè)計(jì)為一個(gè)獨(dú)立的模塊。系統(tǒng)通過(guò)接口來(lái)訪問(wèn)，無(wú)需了解檢驗(yàn)裝置的底層操作。實(shí)際上，檢驗(yàn)裝置模塊需要再通過(guò)廠家提供的驅(qū)動(dòng)程序（OCX動(dòng)態(tài)庫(kù)）來(lái)完成對(duì)檢驗(yàn)裝置的控制。檢驗(yàn)裝置模塊主要包含以下接口：接通/關(guān)閉回路、基本誤差、日計(jì)時(shí)、快速降電壓電流、獲取當(dāng)前電壓電流、獨(dú)立控制電壓電流升降、終止試驗(yàn)。

2.3 自動(dòng)警告子系統(tǒng)

為了保證試驗(yàn)過(guò)程的安全性，需增加異常狀態(tài)的報(bào)警。主要采用聲光報(bào)警功能，在主站的后臺(tái)上位機(jī)安裝聲光報(bào)警設(shè)備。在溫度異?；蛘邷y(cè)量數(shù)據(jù)處于非正常狀態(tài)時(shí)，后臺(tái)輸出控制命令，控制設(shè)備的啟停。報(bào)警設(shè)備啟動(dòng)后，需手工干預(yù)才能復(fù)位重啟，同時(shí)后臺(tái)保存發(fā)生報(bào)警的記錄，供后期查詢分析。

3 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用

選用一只穩(wěn)定的智能電能表作為被測(cè)物，并選取-10～10 ℃，13～33 ℃，25～45 ℃這三個(gè)溫度范圍作為上限溫度和下限溫度，分別用人工測(cè)試方式與自動(dòng)測(cè)試方式測(cè)試智能電能表的誤差。測(cè)試結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 人工測(cè)試與自動(dòng)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，這三個(gè)溫度范圍對(duì)應(yīng)的溫度改變量均為20 ℃，同一只被測(cè)表在兩種測(cè)試方式下電能誤差隨溫度的改變量均為0. 002%/℃，試驗(yàn)結(jié)果一致。應(yīng)用該自動(dòng)測(cè)試方式較人工試驗(yàn)方式用時(shí)大大縮短，試驗(yàn)效率顯著增加。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)智能電能表溫度影響試驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的細(xì)致分析，運(yùn)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)智能電能表檢驗(yàn)裝置進(jìn)行優(yōu)化和試驗(yàn)程序設(shè)計(jì)，提高了溫度影響試驗(yàn)的工作效率。智能電能表溫度影響試驗(yàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有自動(dòng)測(cè)試、自動(dòng)運(yùn)行、異常情況自動(dòng)報(bào)警或中斷試驗(yàn)、自動(dòng)生成報(bào)表、自動(dòng)關(guān)機(jī)等功能，試驗(yàn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化和智能化。用自動(dòng)操作替代人工操作，減少人為隨意性和差錯(cuò)率；用設(shè)備值守替代人工值守，大幅降低了人工成本。通過(guò)兩家智能電能表生產(chǎn)企業(yè)的試運(yùn)行，使用效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，反響良好，值得在業(yè)界推廣應(yīng)用。

集中檢驗(yàn)裝置因?yàn)椴捎梅煮w式設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)源和表架之間連線很多，下一步可考慮使用專用接線接口，以減輕接線的工作量。

[1]全國(guó)電磁計(jì)量技術(shù)委員會(huì). JJF 1245.1－2010 [S]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2010.

[2]全國(guó)電磁計(jì)量技術(shù)委員會(huì). JJF 1245.3－2010 [S]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2010.

[3]全國(guó)電磁計(jì)量技術(shù)委員會(huì). JJF 1245.5－2010 [S]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2010.

[4]李博，鄧凌翔，馬宇明，等. 電能表溫度影響試驗(yàn)無(wú)人值守的檢驗(yàn)?zāi)Ｊ絒J]. 上海計(jì)量測(cè)試，2013，(6)：10-12.

Remote automatic test system design and application of smart meter temperature rise test

Zhao Bo, Li Bo, Ma Yuming, Deng Lingxiang
（Jiangsu Institute of Metrology）

According to the requirements of smart meter environmental tests, this paper presents a remote automatic test system design method of smart meter temperature rise. The necessity of the project is analyzed. The system configuration and software/hardware solutions are proposed, 3 automatic sub-systems are introduced separately, including temperature control, error measurement and alarm. The application cases indicate that this ATS system improves the test efficiency and reduces mistakes.

smart meter; temperature rise test; automatic test system (ATS)

國(guó)家質(zhì)檢總局技改技裝專項(xiàng)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013zjjg053）