韓圓勛，鄭 凡，錢曉耀，周韶園

（1.中國計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，杭州 310018；2.浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，杭州 310018）

電能表溫度影響系列試驗(yàn)是電能表型式評價(jià)中的重要試驗(yàn)，被測電能表需放置在恒溫恒濕的環(huán)境下，在高中低不同溫度下進(jìn)行誤差測試，考察電能表經(jīng)受環(huán)境溫度影響的抗干擾能力[1]。

目前電能中心配備的高低溫箱和電能表校驗(yàn)裝置無法自動(dòng)配合，人員需要在各設(shè)備之間來回操作，人為監(jiān)測試驗(yàn)過程，手工記錄測試數(shù)據(jù)，試驗(yàn)效率低、自動(dòng)化程度不高。根據(jù)JJF1245-2010系列型式評價(jià)大綱規(guī)定[2-5]，每個(gè)溫度測試點(diǎn)需穩(wěn)定2 h后再進(jìn)行誤差測試，另外高低溫箱升降溫度、人工接線和校驗(yàn)都需要一定時(shí)間，每完成一個(gè)批次的電能表溫度影響系列試驗(yàn)需要耗時(shí)10 h左右，但除了測試電能表誤差的時(shí)間，大部分時(shí)間都在等待溫度穩(wěn)定，而不需要人為干預(yù)。因此，電能表型式評價(jià)溫度影響系列試驗(yàn)自動(dòng)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，是為使兩臺設(shè)備協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程自動(dòng)化，減少人工干預(yù)，提高工作效率。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)

被測電能表的溫度影響系列試驗(yàn)是通過將測得的基本誤差平均溫度系數(shù)和時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差的溫度系數(shù)與JJF型式評價(jià)大綱相對應(yīng)的誤差限值相比較，以判斷是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)JJF1245.1-2010，JJF1245.3-2010，JJF1245.5-2010，JJF 1245.6-2010型式評價(jià)大綱中規(guī)定的試驗(yàn)方法，電能表溫度影響的基本誤差試驗(yàn)應(yīng)覆蓋電能表的使用溫度范圍。對于戶內(nèi)用儀表，溫度范圍為-10℃～45℃，對于戶外用儀表，溫度范圍為-25℃～55℃。

試驗(yàn)時(shí)需將溫度范圍按照20℃溫度間隔進(jìn)行劃分。對于每一個(gè)溫度間隔，分別將高低溫箱溫度設(shè)置為間隔上限溫度Tu和下限溫度Tl，儀表放置于高低溫箱直至溫度穩(wěn)定（通常在每一溫度點(diǎn)保持2 h以上），按下列負(fù)載點(diǎn)測試儀表誤差：

平均溫度系數(shù)可通過式（1）計(jì)算得出：

式中：Tu和Tl分別為某一溫度間隔的上限溫度和下限溫度；eu和el為該上限溫度和下限溫度的誤差值[3-4]。

對于時(shí)鐘計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度隨溫度變化影響的試驗(yàn)方法，首先在參比溫度20℃下通以參比電壓（不需參比電流）測量儀表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差，之后將電能表置于高低溫試驗(yàn)箱中，分別在45℃和-10℃的溫度環(huán)境下保持2 h后通以參比電壓測量電能表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差。每個(gè)溫度測試點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行5次測量，每次測量時(shí)間為1 min，之后計(jì)算誤差平均值。最后按式（2）計(jì)算電能表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差的溫度系數(shù)。

式中：e1和e0為在試驗(yàn)溫度下和參比溫度下的電能表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差；t1和t0是指試驗(yàn)溫度和參比溫度[5]。

1.2 系統(tǒng)框架

電能表型式評價(jià)溫度影響系列試驗(yàn)自動(dòng)測試系統(tǒng)的總體框架包括計(jì)算機(jī)，校驗(yàn)裝置（智能電能表測試標(biāo)準(zhǔn)源）、高低溫箱三大部分。利用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言C#編寫上位機(jī)軟件，通過RS232串口與設(shè)備間進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對高低溫箱和校驗(yàn)裝置的統(tǒng)一控制，達(dá)到全面自動(dòng)測試的效果。系統(tǒng)主要功能是協(xié)同控制兩臺設(shè)備同步工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制溫度和自動(dòng)測試的功能，確保符合標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)方法的要求。

自動(dòng)控制溫度要求能自動(dòng)控制高低溫箱的溫度設(shè)置以及保持某點(diǎn)溫度的時(shí)間。通過上位機(jī)軟件自動(dòng)控制高低溫箱設(shè)定符合型式評價(jià)大綱要求中的溫度測試點(diǎn)，對于每一個(gè)溫度測試點(diǎn)在自動(dòng)設(shè)定完成后，保持在恒溫狀態(tài)2 h左右，恒溫時(shí)間到達(dá)后，上位機(jī)軟件緊接著控制電能表校驗(yàn)裝置自動(dòng)進(jìn)行誤差測試，誤差測試包括電能表在不同負(fù)載點(diǎn)下的基本誤差測試和時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差測試。測試完畢后，上位機(jī)軟件自動(dòng)計(jì)算電能表在不同溫度點(diǎn)和負(fù)載點(diǎn)下測得誤差的溫度系數(shù)和時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差的溫度系數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度系數(shù)限值相比較自動(dòng)判斷是否合格。最后保存測試結(jié)果及誤差的原始數(shù)據(jù)以便日后導(dǎo)出數(shù)據(jù)編寫電能表型式評價(jià)報(bào)告。整個(gè)測試過程是在人為不干預(yù)的狀態(tài)下完成的，保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，大大優(yōu)于以往的人工方式。

圖1 測試系統(tǒng)總體框架Fig.1 Overall framework of test system

針對上述要求，設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：①高低溫箱能準(zhǔn)確地控溫和恒溫；②校驗(yàn)裝置對電能表準(zhǔn)確地誤差測試。測試系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2 硬件方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的高低溫箱和電能表校驗(yàn)設(shè)備只能分別單獨(dú)控制的一個(gè)重要原因就是高低溫箱沒有預(yù)留RS232串口及相應(yīng)的通訊協(xié)議與上位機(jī)通信，因此無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化協(xié)同控制。

目前最有效的解決方案就是購置帶有外部通信接口的高低溫箱及電能表校驗(yàn)裝置，并要求設(shè)備制造商提供設(shè)備與計(jì)算機(jī)間的通訊協(xié)議，如包含命令格式、操作步驟、數(shù)據(jù)編碼信息，或直接提供DLL（動(dòng)態(tài)鏈接庫）、OCX（控件）或程序集以及使用文檔?，F(xiàn)已采用偉思富奇環(huán)境試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的C7-340型環(huán)境試驗(yàn)箱以及嘉興瑞科電力儀表有限公司生產(chǎn)的IS32型三相電能表校驗(yàn)裝置作為測試設(shè)備。電氣連接如圖2所示。

圖2 電氣連接圖Fig.2 Electrical connection diagram

電能表校驗(yàn)裝置與被測電能表的電氣連接是通過把安置在高低溫箱中的被測電能表測試所需的電壓、電流、脈沖信號線和多功能信號線（用來測時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差）通過集線端子連接到電能表校驗(yàn)裝置上實(shí)現(xiàn)的。目的是增加試驗(yàn)結(jié)果的可信度和試驗(yàn)操作的規(guī)范性。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)工具

1）Visual Studio 2013 C#集成開發(fā)環(huán)境

2）Access 2003 數(shù)據(jù)庫

3）AccessPort串口通訊工具

3.2 框架設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)工程中采用了分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，即表現(xiàn)層（UI）、業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）、通信協(xié)議層（DAL）以及數(shù)據(jù)庫的方式實(shí)現(xiàn)“高內(nèi)聚，低耦合”的設(shè)計(jì)思想，便于測試調(diào)試及后續(xù)功能的擴(kuò)展。

表現(xiàn)層即為測試系統(tǒng)的人機(jī)操作界面，是以C#中Winform的形式實(shí)現(xiàn)，遵循以人為本的原則，界面美觀大方、控件布局合理、分工明了、便于操作。業(yè)務(wù)邏輯層是核心，是表現(xiàn)層和通訊協(xié)議層、數(shù)據(jù)庫的中轉(zhuǎn)站。表現(xiàn)層的功能模塊控件發(fā)出對應(yīng)控制命令，如控制高低溫箱設(shè)定溫度、校驗(yàn)設(shè)備檢定誤差等，業(yè)務(wù)邏輯層通過通訊協(xié)議層將控制命令轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的操作命令，并通過RS232串行通訊發(fā)送給高低溫箱或校驗(yàn)設(shè)備實(shí)施操作。業(yè)務(wù)邏輯還與測試方案設(shè)計(jì)及全自動(dòng)測試流程有關(guān)。通訊協(xié)議層是上位機(jī)控制設(shè)備的通訊渠道，高低溫箱和電能表檢驗(yàn)裝置都有各自獨(dú)立的通訊協(xié)議，可以由任何需要的模塊進(jìn)行調(diào)用。數(shù)據(jù)庫用來存儲溫度影響下基本誤差值、時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差值及相對應(yīng)計(jì)算出的溫度系數(shù)，以及系統(tǒng)運(yùn)行所必須的配置參數(shù)。整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件框架Fig.3 Software frame diagram

3.2.1 測試流程

打開軟件后，根據(jù)被測電能表銘牌上的規(guī)格參數(shù)對電能表檢驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)初始化設(shè)置，其中包括參比電壓、參比電流、脈沖常數(shù)、相線類型等信息。初始化完成后，選擇測試方案。測試方案為一個(gè)獨(dú)立的Winform界面，便于設(shè)計(jì)測試方案，其中包括設(shè)定溫度、恒溫時(shí)間、不同負(fù)載點(diǎn)下測試基本誤差的參數(shù)以及測試時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差的參數(shù)等各個(gè)子模塊，對于方案的選擇和設(shè)計(jì)有很大的靈活性，測試方案最后以樹狀圖的形式展現(xiàn)在界面上，每一個(gè)樹節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)測試點(diǎn)。測試方案完成后，開始自動(dòng)測試，依次操作每一個(gè)樹節(jié)點(diǎn)，完成對應(yīng)的設(shè)備控制。每測得一個(gè)溫度點(diǎn)下的誤差都將及時(shí)保存到對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，直到4個(gè)溫度點(diǎn)全部測試完畢。最后，在一個(gè)獨(dú)立的界面中填寫被測電能表的出廠信息，以便日后識別是哪個(gè)電能表的測試誤差，然后以XML數(shù)據(jù)形式導(dǎo)出誤差數(shù)據(jù)。整個(gè)測試流程如圖4所示。

圖4 測試流程Fig.4 Test flow chart

3.2.2 串行通訊設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)與高低溫箱和電能表校驗(yàn)設(shè)備之間進(jìn)行串行通信是本測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。計(jì)算機(jī)不僅要發(fā)送相應(yīng)指令控制高低溫箱和電能表校驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作，還要通過測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控高低溫箱的溫度變化以及電能表校驗(yàn)設(shè)備輸出的電參數(shù)（電壓、電流、相線、功率因數(shù)等），并將這些參數(shù)信息顯示在計(jì)算機(jī)界面上。此外，除主線程外，自動(dòng)測試過程是處在單獨(dú)線程A中，監(jiān)控兩臺設(shè)備是處在單獨(dú)線程B中，這將牽扯到多線程串行通信的問題，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度[6-7]。

經(jīng)過研究和調(diào)試，我們采用AutoResetEvent來解決設(shè)備間串行通信的問題。AutoResetEvent允許線程通過發(fā)信號互相通信。通常當(dāng)線程需要獨(dú)占訪問資源時(shí)使用該類，線程通過調(diào)用AutoResetEvent上的WaitOne函數(shù)來等待信號。如果AutoResetEvent為非終止?fàn)顟B(tài)，則線程會被阻止，并等待當(dāng)前控制資源的線程通過調(diào)用Set函數(shù)來通知資源可用。AutoResetEvent將保持終止?fàn)顟B(tài)，直到一個(gè)正在等待的線程被釋放，然后自動(dòng)返回非終止?fàn)顟B(tài)。如果沒有任何線程在等待，則狀態(tài)將無限期地保持為終止?fàn)顟B(tài)。線程通訊流程如圖5所示。

在自動(dòng)測試過程中，程序處在自動(dòng)測試線程A中。當(dāng)需要檢定誤差時(shí)，首先阻止自動(dòng)測試線程A，計(jì)算機(jī)向電能表校驗(yàn)設(shè)備發(fā)送檢定誤差指令，然后等待AutoResetEvent類中的Set函數(shù)返回釋放線程A的消息，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無返回消息則檢定誤差指令發(fā)送失敗。

圖5 線程通訊流程Fig.5 Thread communication flow chart

對于監(jiān)控儀表線程B，此線程專門負(fù)責(zé)接收返回的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。首先發(fā)送監(jiān)控指令，然后會一直循環(huán)接收計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并將數(shù)據(jù)精準(zhǔn)地顯示在主界面的對應(yīng)位置上。

3.2.3 軟件功能設(shè)計(jì)

軟件采用ribbon風(fēng)格界面，按照功能劃分為多個(gè)區(qū)域，使用簡單易懂。與控制相關(guān)的內(nèi)容包括高低溫箱控制、電能表校驗(yàn)設(shè)備控制以及過程控制。其中，高低溫箱控制區(qū)塊用于單獨(dú)控制高低溫箱的所有功能，包括高低溫箱的起動(dòng)、停止、溫濕度設(shè)定、溫濕度監(jiān)測、溫度斜率設(shè)置、延時(shí)等；電能表校驗(yàn)設(shè)備區(qū)塊用于單獨(dú)控制電能表檢驗(yàn)裝置的功率源輸出、電壓電流功率因數(shù)等電參量的監(jiān)測、電能表誤差的測試。在實(shí)際使用中，這兩塊功能將在手動(dòng)測試、半自動(dòng)測試及調(diào)試時(shí)使用。全自動(dòng)控制時(shí)則采用過程控制的方式，該方式將根據(jù)預(yù)先編寫好的測試方案在特定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)控制溫度的升降和測試誤差，并實(shí)時(shí)記錄存儲，達(dá)到全自動(dòng)檢測的目的。

軟件設(shè)計(jì)了一套操作自由度很高的檢表方案編輯功能，用于應(yīng)對不同的檢測需求。這種設(shè)計(jì)方式將程序編寫的基本模塊和實(shí)際應(yīng)用時(shí)所需的“原子功能”作為對應(yīng)，將這類功能通過可視化的方式呈現(xiàn)，用戶可以通過簡單的操作自由組合形成新的功能。這種設(shè)計(jì)符合平臺式的設(shè)計(jì)理念，在定義了盡可能多的基礎(chǔ)功能元素之后，用戶可以按照自己的想法自由地排列組合，在該平臺的基礎(chǔ)上形成新的程序和軟件。形式上與組態(tài)王、易控之類工控軟件甚至是LabVIEW都有類似點(diǎn)，這種開發(fā)模式將有助于今后設(shè)計(jì)開發(fā)普遍適合于電專業(yè)測量甚至是通用的計(jì)量軟件平臺。系統(tǒng)測試方案設(shè)計(jì)模塊如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)測試方案設(shè)計(jì)模塊Fig.6 System test programme design module

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

表1 誤差溫度系數(shù)（人工測試）Tab.1 Error temperature coefficient table（manual testing）

選擇一只質(zhì)量優(yōu)良、性能穩(wěn)定的三相四線費(fèi)控智能電能表作為實(shí)驗(yàn)對象。在-10℃～10℃、10℃～23℃、23℃～45℃的溫度區(qū)間，分別用人工測試方式與自動(dòng)測試方式測試電能表在不同負(fù)載點(diǎn)下的誤差和在參比電壓下的時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差，并分別計(jì)算出誤差溫度系數(shù)和時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差溫度系數(shù)。測試數(shù)據(jù)對比如表1~表3所示[8]。

從表1和表2中可以看出，同一只電能表在同樣的溫度區(qū)間中、2種測試方式下得出的溫度系數(shù)最大值存在微小的誤差（0.1%），可以忽略不計(jì)，而且試驗(yàn)結(jié)果都符合JJF型式評價(jià)大綱中的要求。從時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差溫度系數(shù)對比表中可以看出，同一只電能表在同樣的溫度區(qū)間中、2種測試方式下得出的溫度系數(shù)最大值相同，試驗(yàn)結(jié)果一致，而且試驗(yàn)結(jié)果都符合JJF型評大綱中的要求。

表2 誤差溫度系數(shù)（自動(dòng)測試）Tab.2 Error temperature coefficient table（automatic testing）

表3 時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差溫度系數(shù)對比Tab.3 Comparison of the temperature coefficient of the clock’s error

由此可以看出電能表型式評價(jià)溫度影響系列試驗(yàn)自動(dòng)測試系統(tǒng)的應(yīng)用完全能勝任溫度影響系列試驗(yàn)的工作，并且會大大縮短試驗(yàn)時(shí)間，試驗(yàn)過程不需要人為干預(yù)，杜絕人為隨意性和出錯(cuò)率，試驗(yàn)效率得到顯著提升。

5 結(jié)語

通過研讀JJF型式評價(jià)大綱中溫度影響系列試驗(yàn)的要求和細(xì)節(jié)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)對電能表校驗(yàn)設(shè)備和高低溫箱進(jìn)行協(xié)同控制并自動(dòng)測試誤差，提高了試驗(yàn)過程的嚴(yán)謹(jǐn)性和試驗(yàn)工作效率。電能表型式評價(jià)溫度影響系列試驗(yàn)自動(dòng)測試系統(tǒng)具有靈活設(shè)計(jì)測試方案、自動(dòng)運(yùn)行測試、查看試驗(yàn)結(jié)果、自動(dòng)導(dǎo)出數(shù)據(jù)、生成報(bào)表等功能，達(dá)到了高度自動(dòng)化和人性化的目標(biāo)。用自動(dòng)化測試代替之前的人工測試，減少了人工出錯(cuò)率，提高了工作效率。本測試系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到型式評價(jià)溫度影響系列試驗(yàn)中，效果良好，符合要達(dá)到的預(yù)期目標(biāo)，在國內(nèi)計(jì)量領(lǐng)域具有很大的推廣價(jià)值。

[1]趙波，李博，馬宇明，等.智能電能表溫度影響試驗(yàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].上海計(jì)量測試，2015（6）：2-4.

[2]JJF1245.1-2010安裝式電能表型式評價(jià)大綱通用要求[S].杭州：浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，2010.

[3]JJF1245.3-2010安裝式電能表型式評價(jià)大綱特殊要求 靜止式有功電能表（0.2S、0.5S、1和 2級）[S].杭州：浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，2010.

[4]JJF1245.5-2010安裝式電能表型式評價(jià)大綱特殊要求 靜止式無功電能表（2和3級）[S].杭州：浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，2010.

[5]JJF1245.6-2010安裝式電能表型式評價(jià)大綱特殊要求 功能類電能表[S].杭州：浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，2010.

[6]吳先亮，劉春生.基于多線程的串口通信軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].控制工程，2004，11（2）：171-174.

[7]姜拓，張劍平.基于C#的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測試，2009（9）：58-61.

[8]李博.電能表溫度影響試驗(yàn)自動(dòng)測試系統(tǒng)[J].計(jì)測技術(shù)，2014（2）：23-26.