汪司珂，郭雨，陳俊，龐博，夏天

(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司計(jì)量中心，武漢 430080； 2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，武漢 430077)

0 引 言

關(guān)口電能表作為關(guān)鍵的電能貿(mào)易結(jié)算設(shè)備，大量運(yùn)行在各發(fā)電、用電、配電企業(yè)[1]。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多年的累計(jì)安裝，關(guān)口電能表的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)規(guī)模，并且每年新裝、換裝、周檢數(shù)量逐年上升，對(duì)關(guān)口表的高效率檢測(cè)的需求日益凸現(xiàn)。由于關(guān)口電能表總體種類多、單批次數(shù)量少，使用普通電能表校準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢定，必須先將其分類，同一類型的表才能掛在一起檢測(cè)，經(jīng)常出現(xiàn)一批次只能檢測(cè)1只或2只關(guān)口電能表。這種檢測(cè)方法效率低下，浪費(fèi)大量人力和時(shí)間。為解決上述問(wèn)題，提高關(guān)口電能表檢測(cè)的效率，服務(wù)于日趨紛雜的關(guān)口電能表用戶檢測(cè)需求，使得關(guān)口電能表檢測(cè)及時(shí)、高效，本論文提出了開展基于多線程技術(shù)的關(guān)口電能表智能化檢測(cè)方法研究。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)三相電能表檢定裝置主要由PC機(jī)電能表檢定軟件平臺(tái)、多路串口服務(wù)器、大功率程控功率源、三相多功能標(biāo)準(zhǔn)電能表、精密時(shí)基源、GPS控制器、1:1高準(zhǔn)確度電流互感器、誤差計(jì)算及顯示單元等主要部分組成。主要針對(duì)單一接線方式、單一電壓電流規(guī)格的三相表進(jìn)行集中檢定[2]。

檢定工作原理是：檢定軟件平臺(tái)對(duì)所檢批次被檢表錄入?yún)?shù)，并設(shè)定相應(yīng)檢定結(jié)果判別門限，然后啟動(dòng)檢定流程；通過(guò)以太網(wǎng)與多路串口服務(wù)器的總線通訊傳輸數(shù)據(jù)，多路RS485串口控制功率源升源，輸出設(shè)定點(diǎn)的電壓、電流值；在標(biāo)準(zhǔn)表與被試表接收到電壓、電流信號(hào)后，分別將標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖跟各表位的被檢電能脈沖傳到所在表位誤差計(jì)算單元，計(jì)算并顯示相應(yīng)表位的電能誤差[3]；同時(shí)誤差計(jì)算單元通過(guò)RS485把誤差計(jì)算結(jié)果通過(guò)多路服務(wù)器上報(bào)檢定軟件平臺(tái)，通過(guò)比較預(yù)先設(shè)定的門限判別參數(shù)，確定檢定結(jié)果是否合格[4-5]，從而完成所在點(diǎn)電能誤差檢定的整個(gè)流程。

傳統(tǒng)三相表檢定裝置中等電位CT采用1：1設(shè)計(jì)，即電流回路為串聯(lián)形式，回路中有一塊電能表出現(xiàn)故障，電流回路形成開路，檢定的每表位電流必須具有同一性[6]。三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表的標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖在接線方式唯一的條件下，輸出的電能脈沖也是唯一的，且誤差計(jì)算及顯示單元不具備三相四線電能脈沖與三相三線電能脈沖互相轉(zhuǎn)換的功能，在任意時(shí)刻只能接收同一種接線方式的電能脈沖進(jìn)行誤差計(jì)算[7]。因此，傳統(tǒng)三相表檢定裝置在面對(duì)不同規(guī)格的關(guān)口電能表進(jìn)行集中同步檢定這種需求，顯然是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

為此，針對(duì)傳統(tǒng)三相表檢定裝置的這種應(yīng)用局限性，本課題提出了全新的解決方案—基于多線程技術(shù)的關(guān)口電能表檢定裝置，其原理框圖如圖1。

圖1 基于多線程技術(shù)的關(guān)口電能表檢定裝置原理框圖

該系統(tǒng)方案，在傳統(tǒng)三相表檢定裝置的設(shè)計(jì)上，重新設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)單元：

(1)電流平衡單元

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)三相四線接線方式與三相三線接線方式在PF=1.0條件下電流平衡，在圖2中，需滿足：

(1)

在圖2三相四線有功向量圖中，電流關(guān)系滿足式(1)條件下，圖2與圖3三相三線有功的向量圖是等效的，即三相四線有功功率等于三相三線有功功率。

圖2 三相四線有功分元件向量圖

圖3 三相三線有功分元件向量圖

為計(jì)算方便，假定Ua=Ub=Uc=U；三相電壓之間角度為120°。

ΣP3P4W=UaIa+UbIb+UcIc= 3UI

(2)

(3)

為滿足式(1)條件，改進(jìn)型方案中采用如下的電流合成技術(shù)，其合成原理如圖4。

圖4 電流合成原理圖

圖4中，電流平衡單元由磁芯T1、T2、繞組N1、N2、N3、N4、N5及補(bǔ)償電路A組成。A相和B相電流分別從圖示中繞組N1、N2輸入，合成C相電流從N3繞組輸出。T2為檢測(cè)磁芯，N5為零磁通檢測(cè)繞組，N4為補(bǔ)償繞組。

工作原理說(shuō)明：整個(gè)平衡單元由T1磁芯、T2磁芯、N1、N2、N3、N4、N5繞組及補(bǔ)償電路A構(gòu)成。穩(wěn)態(tài)情況下，T1磁芯工作在近乎零磁通狀態(tài)，N5繞組為檢測(cè)繞組，輸入阻抗為高阻，幾乎不損耗磁勢(shì)，N5繞組兩端檢測(cè)信號(hào)反應(yīng)原副邊磁通誤差，即勵(lì)磁磁勢(shì)大小。T2磁芯作為電流變壓器工作，傳輸功率，N4繞組為補(bǔ)償繞組，提供勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。如果誤差允許范圍，通過(guò)N5檢測(cè)繞組將信號(hào)經(jīng)過(guò)高增益放大等處理提供N4補(bǔ)償電流，讓N4繞組幾乎完全承擔(dān)提供T2磁芯勵(lì)磁任務(wù)，則原副邊電流可實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度轉(zhuǎn)換。

(2)接線方式自動(dòng)識(shí)別單元

根據(jù)三相三線接線及三相四線接線方式的差異，系統(tǒng)重新進(jìn)行了接線單元識(shí)別，接線方式自動(dòng)識(shí)別單元原理框圖如圖5。

圖5 接線方式自動(dòng)識(shí)別單元原理框圖

該原理框圖由主控單元、模擬信號(hào)發(fā)生單元、三相三線或三相四線電能表以及檢測(cè)判別單元等部分組成。首先，由主控單元下發(fā)信號(hào)生成指令，通知模擬信號(hào)發(fā)生單元分別在Ua與Un,，Ub與Un，Uc與Un間施加電壓信號(hào)；通過(guò)檢測(cè)判別單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)Ua，Ub，Uc信號(hào)線上的電流信號(hào)變化，可以判別出是三相三線關(guān)口表，還是三相四線關(guān)口表或是其它種類的電表及接線錯(cuò)誤提示。如果是三相三線關(guān)口表，根據(jù)其內(nèi)部構(gòu)造，Un端子為空，Ua，Ub，Uc信號(hào)線與Un之間為開路，施加電壓時(shí)，檢測(cè)判別單元檢測(cè)不到電流；如果是三相四線關(guān)口表，Ua，Ub，Uc信號(hào)線與Un存在阻抗，施加電壓時(shí)，檢測(cè)判別單元可以監(jiān)測(cè)到電流變化。從而實(shí)現(xiàn)接線方式的自動(dòng)識(shí)別判斷[8]。

由于關(guān)口表的種類特性決定了關(guān)口表的脈沖常數(shù)的種類是有限的。當(dāng)檢定裝置進(jìn)行電能試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)裝置的誤差計(jì)算單元，計(jì)算出被檢關(guān)口表的實(shí)際脈沖常數(shù)，應(yīng)用模糊搜索理論，可匹配已知種類關(guān)口表的脈沖常數(shù)，從而計(jì)算電能誤差。

(3)多回路負(fù)荷控制模塊

由于不同規(guī)格的關(guān)口電能表電流規(guī)格不一樣，及同一時(shí)刻標(biāo)準(zhǔn)電能表測(cè)量電流的唯一性，所以，在同步檢定過(guò)程中，需要將功率源輸出電流在不同表位適當(dāng)變換。同時(shí)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)表測(cè)量的是初級(jí)功率源輸出電流，所以為了保證整個(gè)檢定系統(tǒng)的誤差傳遞準(zhǔn)確性，以滿足相應(yīng)指標(biāo)要求，必須保證多量程CT的變換準(zhǔn)確度。

對(duì)于0.05級(jí)的臺(tái)體，多量程CT的比差控制優(yōu)于0.01%，角差控制優(yōu)于0.005度[9]。根據(jù)某公司關(guān)口電能表的電流規(guī)格0.3A(1.2)A、1.5A(6)A多量程CT需要設(shè)計(jì)2個(gè)量程輸出。多回路負(fù)荷控制技術(shù)采用多量程CT方式實(shí)現(xiàn)，其系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。

圖6 多回路負(fù)荷控制技術(shù)

該系統(tǒng)由T1磁芯、T2磁芯、Np、Ns1、Nsn、N1、N2、Na、Nb以及負(fù)荷切換單元組成。其中，T1為功率傳輸磁性，T2為零磁通檢測(cè)磁芯，Nb零磁通檢測(cè)繞組，Na為補(bǔ)償繞組。當(dāng)不同表位需求負(fù)荷不同時(shí)，上位機(jī)系統(tǒng)控制負(fù)荷切換單元切換至對(duì)應(yīng)負(fù)荷繞組Nsn輸出。其轉(zhuǎn)換誤差通過(guò)T2磁芯進(jìn)行零磁通檢測(cè)并由電子電路放大完成補(bǔ)償，具體實(shí)現(xiàn)原理見圖7。

如圖7所示，零磁通補(bǔ)償CT由T1磁芯及相應(yīng)繞組、T2磁芯及相應(yīng)繞組以及檢測(cè)單元、功放單元等組成。CT是既需要帶載功率，又需要保證電流變換準(zhǔn)確度的特殊電流互感器，因此在鐵芯選擇上，用了兩種不同規(guī)格的磁芯，一種是坡膜合金材質(zhì)，用于零磁通檢測(cè)；一種是硅鋼材質(zhì)，用于傳輸功率；二者采用串聯(lián)方式連接。電路結(jié)構(gòu)上，根據(jù)零磁通電流互感器工作原理，采用了電壓控制電流型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

其工作原理為：整個(gè)系統(tǒng)由T1磁芯、T2磁芯、N1、N2、N3、N4、N5、N6繞組及補(bǔ)償電路構(gòu)成。穩(wěn)態(tài)情況下，T1磁芯工作在近乎零磁通狀態(tài)，N5繞組為檢測(cè)繞組，幾乎不損耗磁勢(shì)，兩端檢測(cè)信號(hào)反應(yīng)原副邊磁通誤差，即勵(lì)磁磁勢(shì)大小。T2磁芯作為電流變壓器工作，傳輸功率，N6繞組為補(bǔ)償繞組，提供勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。如果誤差允許范圍，通過(guò)N5檢測(cè)繞組將信號(hào)經(jīng)過(guò)高增益放大等處理提供N6補(bǔ)償電流，讓N6繞組幾乎完全承擔(dān)提供T2磁芯勵(lì)磁任務(wù)，則原副邊電流可實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度轉(zhuǎn)換。

圖7 零磁通CT補(bǔ)償原理框圖

以零磁通CT(1:1為例)指標(biāo)驗(yàn)算過(guò)程如下：最大負(fù)荷情況下，勵(lì)磁安匝計(jì)算和測(cè)試。

(6)

測(cè)試結(jié)果，額定負(fù)載45 VA，勵(lì)磁安匝2.7 AT；估算補(bǔ)償電流，按照測(cè)試結(jié)果，預(yù)留20%補(bǔ)償余量，總共需要補(bǔ)償勵(lì)磁安匝2.7 AT×1.2=3.24 AT。以補(bǔ)償繞組80T計(jì)算補(bǔ)償電流，I=3.24 AT/80 T=40 mA，繞組產(chǎn)生電壓V=0.45 V×80 T/10 T=3.6 V。

計(jì)算取樣繞組電壓信號(hào)Us=Rs×I=40 mV(假設(shè)采樣電阻為1歐)，推算零磁通電流互感器勵(lì)磁電流。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，坡膜合金磁芯1 mAT在500 T線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為10 mV推算，40 mV電壓信號(hào)需要4 mAT激勵(lì)；按照零磁通電流互感器原邊繞組匝數(shù)2 T計(jì)算，勵(lì)磁電流為2 mA。零磁通電流互感器誤差計(jì)算，電流互感器轉(zhuǎn)換誤差e=2 mA/100 A=2×10-5計(jì)算結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

電路原理說(shuō)明:電路設(shè)計(jì)采用電壓控制電流的環(huán)路結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償電流采樣信號(hào)直接跟蹤誤差取樣信號(hào)，輸入采用RC低通濾波接入形式，有效防止高頻噪聲。輸出設(shè)有高頻和直流反饋環(huán)路，以提高輸出信噪比。同時(shí)在取樣信號(hào)輸入端加入一定量的電壓正反饋，在補(bǔ)償一定的情況下，減小誤差取樣信號(hào)，提高CT準(zhǔn)確度，補(bǔ)償電路如圖8。

2 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用多線程任務(wù)管理方式。相對(duì)于多線程任務(wù)而言，單線程是應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)程里只有一個(gè)線程，無(wú)論任務(wù)是否有關(guān)聯(lián)性，任何任務(wù)都必須按順序逐個(gè)執(zhí)行，前一個(gè)任務(wù)Message1完全正確執(zhí)行完畢后，才會(huì)處理Message2任務(wù)。

圖8 補(bǔ)償電路圖示意圖

圖9 多線程流程圖

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用多線程任務(wù)管理方式開發(fā)，可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，例如主線程在等待WebService服務(wù)Message1響應(yīng)的同時(shí)，還可以執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)任務(wù)Message2、Message3。在多任務(wù)執(zhí)行期間，主線程或用戶界面一直處于活動(dòng)狀態(tài)，能獨(dú)立進(jìn)行啟動(dòng)、停止任務(wù)；同時(shí)可以接收通知消息，響應(yīng)用戶的其他操作。Message4消息任務(wù)在執(zhí)行過(guò)程中通知主線程任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)和結(jié)果。圖9為多線程功能示意圖。

系統(tǒng)內(nèi)部封裝了ActionQueue任務(wù)隊(duì)列和TaskManager任務(wù)管理器。密封類ActionQueue是執(zhí)行一系列動(dòng)作線程的封裝，是控制多線程的基本單元。系統(tǒng)流程圖見圖10。

圖10 系統(tǒng)執(zhí)行流程圖

主任務(wù)線程開始執(zhí)行后，創(chuàng)建各子任務(wù)線程，子線程各自獨(dú)立運(yùn)行，沒有先后順序，創(chuàng)建后即開始運(yùn)行，子任務(wù)間不需要等待排隊(duì)，執(zhí)行效率較高。子線程的運(yùn)行狀態(tài)消息傳遞給主線程處理，主線程根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)整和控制子線程。主線程的主要任務(wù)是接收各種消息輸入(子線程消息，用戶界面消息等)并控制其他任務(wù)，當(dāng)子線程運(yùn)行完畢時(shí)，可以直接將信息回傳至主線程并結(jié)束進(jìn)程，系統(tǒng)可以將冗余的處理能力分配至新下發(fā)的線程重新開始。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)例

為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能是否能夠滿足實(shí)際使用的要求，本文將四種不同規(guī)格的電能表在多線程檢測(cè)裝置和常規(guī)裝置分別進(jìn)行了試驗(yàn)，并分別記錄了其典型試驗(yàn)點(diǎn)(100 V/1 A)的誤差及測(cè)試所需時(shí)間。關(guān)口電能表選取某國(guó)外公司生產(chǎn)的紅相系列電能表，其電能誤差測(cè)量準(zhǔn)確度為0.2S級(jí)[10]，有功電能脈沖及無(wú)功電能脈沖均為5 000 imp/kWh，由于目前電能表裝置對(duì)于不同規(guī)格電能表只能分開檢定，測(cè)試時(shí)間是在單塊電能表檢定全過(guò)程測(cè)量所得。

通過(guò)仿真系統(tǒng)，建立多線程檢定系統(tǒng)，由電能表標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)各表位負(fù)荷值進(jìn)行精確控制，同時(shí)輸出不同大小的電流及電壓值，并在系統(tǒng)中計(jì)算得出電能測(cè)量誤差以及測(cè)試時(shí)間。

從表1中數(shù)據(jù)可以得出，使用傳統(tǒng)裝置檢定4塊電能表總共需要時(shí)間20小時(shí)；而使用多線程裝置同時(shí)檢定該4塊電能表所需時(shí)間為最長(zhǎng)的一塊電能表所需時(shí)間，即5.5小時(shí)。由于4塊電能表可以同時(shí)檢定，省去了在同一裝置上裝拆及接線的時(shí)間。

表1 關(guān)口表檢測(cè)耗時(shí)比對(duì)

比對(duì)兩臺(tái)裝置對(duì)4塊電能表電能測(cè)量誤差檢測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其誤差均在合格范圍內(nèi)。檢測(cè)時(shí)間上，多線程裝置檢定效率提升約為72.5%。該結(jié)果證明多線程技術(shù)的優(yōu)越性，測(cè)試結(jié)果滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)預(yù)期要求，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析基于多線程技術(shù)的關(guān)口電能表檢測(cè)系統(tǒng)的必要性，并根據(jù)不同類型關(guān)口電能表進(jìn)行同步檢定的特殊需求，分析對(duì)比傳統(tǒng)檢測(cè)裝置與多線程檢測(cè)系統(tǒng)的差異化特點(diǎn)。通過(guò)重點(diǎn)描述檢測(cè)系統(tǒng)中電流平衡單元、多量程負(fù)荷控制單元以及接線方式識(shí)別單元三個(gè)組成部分的實(shí)現(xiàn)方案，詳細(xì)闡述了通過(guò)多量程零磁通CT實(shí)現(xiàn)對(duì)不同負(fù)荷進(jìn)行輸出控制以及電壓回路信號(hào)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)接線方式識(shí)別的具體方法，同時(shí)通過(guò)多線程檢測(cè)軟件對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)作管理，最終達(dá)到可以同時(shí)對(duì)不同形式規(guī)格關(guān)口電能表進(jìn)行檢定的功能。文章對(duì)終通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)多線程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)對(duì)關(guān)口電能表檢測(cè)效率的提升有積極作用。