陳培余， 金恩曼， 李 雨

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)，浙江 溫州 325016）

0 引言

隨著電力智能化等技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)字化電能表廣泛應(yīng)用于企業(yè)單位和普通居民家庭[1-2]。 其計(jì)量準(zhǔn)確性和可靠性涉及供電、用電等多方面的經(jīng)濟(jì)利益，在出廠入網(wǎng)運(yùn)行前必須進(jìn)行計(jì)量誤差校準(zhǔn)以確保其品質(zhì)。 由于電能表在校準(zhǔn)前，存在初始誤差，這個(gè)誤差影響電能表在智能電網(wǎng)中計(jì)量的準(zhǔn)確性[3]。 因此，對(duì)電能表進(jìn)行計(jì)量誤差校準(zhǔn)是生產(chǎn)中的關(guān)鍵步驟[4]。

目前國(guó)內(nèi)智能電能表誤差校準(zhǔn)的方法主要有： 誤差校準(zhǔn)法和功率校準(zhǔn)法。誤差校準(zhǔn)法[5]主要通過(guò)讀取多個(gè)脈沖個(gè)數(shù)累計(jì)電能來(lái)比較標(biāo)準(zhǔn)表和被測(cè)表之間存在的誤差，讀取相對(duì)誤差耗時(shí)較長(zhǎng)。 功率校準(zhǔn)法[6]校表前需在臺(tái)體上設(shè)置額定電壓、額定電流，選擇單相有功計(jì)量模式。校表流程可大致分為3 步。 第一步： 當(dāng)功率因素為1.0下， 上位機(jī)系統(tǒng)通過(guò)485 通信獲取當(dāng)前電流和電壓的有效值，利用上位機(jī)系統(tǒng)與額定電壓、額定電流進(jìn)行比較得出電壓、電流的相對(duì)誤差值，算得的相對(duì)誤差值利用比差寄存器公式來(lái)校正電壓、電流有效值。 第二步：在上位機(jī)系統(tǒng)中填入臺(tái)體顯示的誤差值， 下發(fā)命令校正全波有功能量比差。 第三步： 將臺(tái)體上功率因數(shù)參數(shù)重新設(shè)置為0.5L，在上位機(jī)系統(tǒng)中填入臺(tái)體顯示的誤差值，下發(fā)命令校正角差。 功率校準(zhǔn)法中對(duì)電壓電流有效值、功率比差和角差的校正需要工人在校表過(guò)程中對(duì)臺(tái)體功率因數(shù)進(jìn)行分步設(shè)置，利用上位機(jī)對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，這種電能表校準(zhǔn)方法在實(shí)際電能表批量生產(chǎn)中效率偏低。 針對(duì)電能表在批量生產(chǎn)時(shí)存在校表效率不高的問(wèn)題， 本文基于功率校表的理論基礎(chǔ)上， 通過(guò)單片機(jī)自身軟件直接計(jì)算誤差，操作上利用按鍵開(kāi)關(guān)一鍵啟動(dòng)的方式進(jìn)行單點(diǎn)校正，避免采用電能表與上位機(jī)軟件之間針對(duì)誤差補(bǔ)償值計(jì)算導(dǎo)致的頻繁通信，簡(jiǎn)化電能表計(jì)量誤差檢測(cè)的操作流程，提高校表的效率。

1 單點(diǎn)校表的原理

單點(diǎn)校表計(jì)量誤差檢測(cè)主要是校準(zhǔn)電能累計(jì)能量的誤差，除了校準(zhǔn)額定電壓和額定電流以及額定功率外，還需要校準(zhǔn)電壓和電流之間的相位差， 故電能表誤差校準(zhǔn)主要是校正電壓電流有效值比差、功率比差和角差。為了提高校準(zhǔn)的效率，臺(tái)體功率因數(shù)設(shè)置為0.5L 時(shí)，向臺(tái)體通100%額定電流Ib和100%額定電壓Un，采取軟件實(shí)現(xiàn)整個(gè)校正流程。

為了使電能表在低功率因數(shù)下，也能保持計(jì)量精度，故單點(diǎn)校表時(shí)首先需要進(jìn)行角差校正。 功率因數(shù)為0.5L下，讀取有功功率秒平均值寄存器的值，并通過(guò)功率比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為E1，讀取視在功率秒平均值寄存器的值，并通過(guò)功率比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為S1，通過(guò)式（1）計(jì)算得出功率的相對(duì)誤差值為e：

角差校正的公式為：

式中：e—功率的相對(duì)誤差值，N—寫入角差校正寄存器的值，帶符號(hào)。f 的值是電能計(jì)量時(shí)鐘頻率（Hz）；如果N為正值，表示需要延時(shí)電流，所以在符號(hào)位寫入“0”；如果N 為負(fù)值，表示需要延時(shí)電壓，所以在符號(hào)位寫入“1”。

電壓、 電流有效值及功率的所有比差寄存器校正公式為：

式中：S—寫入比差寄存器的值， 二進(jìn)制補(bǔ)碼形式；S1—未校正前的原始比差值， 即從比差寄存器中讀取的原始值，在做單點(diǎn)校正時(shí)設(shè)置為0；e—進(jìn)行功率比差校正時(shí)，e—功率的相對(duì)誤差值， 進(jìn)行電壓有效值校正時(shí)，e—式（3）計(jì)算得到的誤差值，進(jìn)行電流有效值校正時(shí)，e—式（4）計(jì)算得到的誤差值。

功率比差校正時(shí)，功率因數(shù)為0.5L 下，讀取有功功率秒平均值寄存器的值，并通過(guò)功率比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為E1，程序中將標(biāo)準(zhǔn)功率的值固定為E2，E2的值為額定功率的一半。利用式（4）算得功率的相對(duì)誤差值為e。根據(jù)式（3），計(jì)算S，填入功率比差寄存器完成比差校正。

電能表電壓有效值的校正方法： 程序中設(shè)定固定的額定電壓值Un，讀取電壓有效值秒平均值寄存器的值，并通過(guò)電壓比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為U1，利用式（5）計(jì)算電壓的相對(duì)誤差值為e，把計(jì)算得到的誤差值代入式（3）算得電壓有效值比差校正值， 并將該值寫入全波電壓有效值比差寄存器。

電能表電流有效值的校正方法： 程序中設(shè)定固定的額定電流IB，讀取電流有效值秒平均值寄存器的值，并通過(guò)電流比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為I1，利用式（6）計(jì)算電流的相對(duì)誤差值為e，把計(jì)算得到的誤差值代入式（3）算得電流有效值比差值，并將該值寫入全波電流有效值比差寄存器。

電壓電流有效值寄存器值的公式為：

式中：V—輸入信號(hào)有效值；G—當(dāng)前增益；K—系數(shù)。

功率有效值寄存器值的公式為：

式中：V1—電流通道輸入信號(hào)；V2—電壓通道輸入信號(hào)；G1—電流通道模擬增益；G2—電壓通道模擬增益；K1為系數(shù)。

電壓、電流、功率秒平均值寄存器的值是從ADC 采集獲得的，這個(gè)寄存器的數(shù)值非常大。與故用戶需要通過(guò)一定的比例系數(shù)獲得比較直觀的電壓、電流、功率值。 比例系數(shù)的公式為：

式中：M1—通過(guò)輸入信號(hào)有效值、當(dāng)前增益、系數(shù)K這三個(gè)因素計(jì)算得到電壓有效值或電流有效值或功率寄存器的值；M2—額定電壓或額定電流或額定功率的值。

2 單點(diǎn)校表流程及算法

選取杭州萬(wàn)高SOC 芯片V9821S 作為電能表計(jì)量的核心芯片。 基于單相電能表單回路計(jì)量介紹計(jì)量誤差的單點(diǎn)校正方法，這種校表方式無(wú)需上位機(jī)進(jìn)行通信操作，只需啟動(dòng)按鍵即可校表。 選用電能表規(guī)格為：額定電流Ib為5A，最大電流Imax為60A，額定電壓Un為220V，脈沖常量為1200imP/kWh。 校表時(shí)， 臺(tái)體的功率因數(shù)設(shè)置為0.5L，選擇單相有功計(jì)量模式。 以電流通道I1為例，說(shuō)明單點(diǎn)校表的整個(gè)流程。

步驟一：?jiǎn)吸c(diǎn)校正前，需要把角差寄存器PhcCtrl1，功率比差寄存器SCP，電流比差寄存器SCI1，電壓比差寄存器SCU 都寫0。

步驟二：延時(shí)約3s，等待功率穩(wěn)定。

步驟三：通過(guò)讀取有功功率秒平均值寄存器DATAP和視在功率秒平均值寄存器DATAAP1 的值，寄存器的值通過(guò)功率比例系數(shù)轉(zhuǎn)化，根據(jù)式（1）和式（2），計(jì)算N 并寫入角差寄存器PhcCtrl1，完成角差校正。

步驟四：角差校正完成后再次延時(shí)約3s，等待功率穩(wěn)定。 讀取有功功率秒平均值寄存器DATAP，寄存器的值通過(guò)功率比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為有功功率， 標(biāo)準(zhǔn)功率值等于額定功率值的一半，設(shè)定為550W，根據(jù)式（4）和式（3），計(jì)算S 并寫入功率比差寄存器SCP 完成比差校正。

步驟五：讀取電壓有效值秒平均值寄存器的值，并通過(guò)電壓比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓有效值， 程序中寫入臺(tái)體實(shí)際的電壓有效值為220V，根據(jù)式（5）和式（3）完成電壓比差校正。

步驟六：讀取電流有效值秒平均值寄存器的值，并通過(guò)電流比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為電流有效值， 程序中寫入臺(tái)體實(shí)際的電流有效值為5A，根據(jù)式（6）和式（3）完成電流比差校正。

具體的工作流程如圖1 所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 單點(diǎn)校表的流程Fig.1 The process of single-point meter calibration

為了驗(yàn)證上述方法及算法的有效性， 本文采取功率校正法和單點(diǎn)校正法對(duì)電能表進(jìn)行計(jì)量基本誤差試驗(yàn)[7]。 選用電表規(guī)格：220V，額定電流：5A， 最大電流：60A， 脈沖常數(shù)：1200imp/kWh。 測(cè)試環(huán)境溫度：25℃，濕度：85%，精度等級(jí)：1.0。 在不同功率因數(shù)和電流值下對(duì)電能表計(jì)量誤差值記錄5 次取平均值，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1、表2 所示。

功率校正法和單點(diǎn)校正法對(duì)電能表的誤差校準(zhǔn)后， 通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩種方法校正的電能表誤差精度都符合國(guó)家對(duì)1 級(jí)表誤差精度1%以內(nèi)的要求。 功率校正法，需要工人在功率因數(shù)為1.0 和0.5L，分別從臺(tái)體讀取誤差， 然后由上位機(jī)計(jì)算下發(fā)命令校， 一只表的校準(zhǔn)時(shí)間在40s 左右， 校表效率比較低。 單點(diǎn)校準(zhǔn)法，臺(tái)體只需要在功率因數(shù)為0.5L 時(shí)設(shè)置一次，通過(guò)硬件電路中的按鍵啟動(dòng)校表，采用軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化校正， 相比功率校正法， 簡(jiǎn)化了校表人工操作的步驟，一只表的校表時(shí)間在10S 左右，相比功率校正法效率提高了3 倍。

表1 功率校正法的校正結(jié)果Tab.1 The results of power calibration method

表2 單點(diǎn)校正法的校正結(jié)果Tab.2 The results of single- point calibration method

4 結(jié)束語(yǔ)

電能表的誤差校正是生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)， 本文針對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中誤差檢測(cè)精度和效率方面的實(shí)際需求，進(jìn)行了電能表計(jì)量誤差單點(diǎn)校正檢測(cè)算法的研究。 根據(jù)功率校正的原理，將臺(tái)體功率因素設(shè)置為0.5L 時(shí)，電能表通過(guò)自身內(nèi)部軟件實(shí)現(xiàn)角差、功率比差、電壓比差和電流比差進(jìn)行校正。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的誤差校正方法及算法能準(zhǔn)確校正電能表的計(jì)量誤差， 且簡(jiǎn)化了校正流程，有效提高電能表計(jì)量誤差校準(zhǔn)的效率，保證了企業(yè)生產(chǎn)電能表的效率。