王 祥,姜文輝,姚元其,周焱磊,王林軍,任蘇文,朱云飛,柯時(shí)峰

(浙江涵普電力科技有限公司,浙江 海鹽 314300)

0 引言

智能電能表是電網(wǎng)企業(yè)智能化建設(shè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)備[1-3]。傳統(tǒng)電能表檢定主要依據(jù)JJG 596—2012《電子式交流電能表》等檢定規(guī)程的相關(guān)技術(shù)要求，檢定項(xiàng)目主要包括準(zhǔn)確度試驗(yàn)、電氣絕緣及電磁兼容試驗(yàn)、通信規(guī)約及功能檢測試驗(yàn)等[4]。新一代智能電能表參照最新的IR46國際標(biāo)準(zhǔn)以及新頒布的相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)GB_T 17215.211—2021《電測量設(shè)備(交流)通用要求、試驗(yàn)和試驗(yàn)條件 第11部分：測量設(shè)備》進(jìn)行調(diào)整[5-7]。但是新標(biāo)準(zhǔn)與以往執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異，例如在術(shù)語定義、諧波試驗(yàn)、起動試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)、負(fù)載電流快速變化試驗(yàn)、初始誤差試驗(yàn)、軟件測試方案等方面出現(xiàn)了新的變化和要求[8]。傳統(tǒng)的電能表檢定系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足新一代智能電能表的計(jì)量檢定要求，因此需要研制新型高精度多功能電能表檢定系統(tǒng)[9-12]。

本文提出了一種智能電能表檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用線性功率放大器，電流輸出最小檔位為1 mA，并且可以輸出0～63次諧波，用于IR46規(guī)定的方波、尖頂波等特殊波形試驗(yàn)以及高次諧波掃頻試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)電能表的精度提高至0.01級，并增加諧波(包括諧波正向、諧波反向)電能測量功能。通過對檢定系統(tǒng)各模塊硬件、軟件以及測試方案等方面的改進(jìn)和測試項(xiàng)目的添加，該系統(tǒng)可以滿足基于IR46國際標(biāo)準(zhǔn)的智能電能表檢定要求。

1 檢定系統(tǒng)構(gòu)成

智能電能表檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能電能表檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

智能電能表檢定系統(tǒng)主要由程控信號源、功率放大器、標(biāo)準(zhǔn)電能表、誤差計(jì)算器、計(jì)算機(jī)和試驗(yàn)流程軟件等模塊組成。程控信號源通過雙通道16位數(shù)字/模擬(digital-to-analog,D/A)電路可輸出6路0～5 V的模擬小信號，輸出精度可達(dá)千萬分之一。這6路輸出信號用于控制功率放大器產(chǎn)生滿足試驗(yàn)波形要求的三相試驗(yàn)電壓和電流。功率放大器具有電壓功放和電流功放，通過采用線性功率放大器及負(fù)載電壓跟隨技術(shù)，降低了失真度和功率管的損耗，同時(shí)提高了輸出容量。電壓功放輸出容量為1 000 VA，電流功放輸出容量為2 500 VA，最大支持60個(gè)表位同時(shí)檢定(即圖1中N=60)。0.01級標(biāo)準(zhǔn)電能表通過快速傅里葉變換(fust Fourier transformation,FFT)算法分析0～63次諧波幅值和初相角，并能計(jì)算諧波電能誤差，滿足各種諧波試驗(yàn)要求。誤差計(jì)算器采用32位ARM處理器，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)有功電能、無功電能、秒脈沖誤差的計(jì)算。此外，系統(tǒng)還配備了光電頭采樣、藍(lán)牙脈沖接口，滿足新一代智能電能表的檢定要求。

2 檢定系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 程控信號源

程控信號源原理如圖2所示。

圖2 程控信號源原理圖

程控信號源采用雙STM32F407芯片作為主控：一片處理人機(jī)界面；另一片處理6路波形信號發(fā)生及反饋修正。復(fù)雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device,CPLD)芯片產(chǎn)生0～90 kHz的邏輯控制方波信號，向含有雙通道D/A芯片的6路調(diào)理電路輸出相應(yīng)的波形控制數(shù)據(jù)序列，產(chǎn)生0～5 V的三相電壓和電流波形控制模擬小信號Us和Is。

2.2 功率放大器

功率放大器通常采用脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)和線性功率放大兩種方式。PWM功率放大器帶載能力強(qiáng)，但諧波輸出、波形失真度和穩(wěn)定度等指標(biāo)較差。線性功率放大器波形失真度和穩(wěn)定度等指標(biāo)比較好，但存在工作效率低和輸出容量小的情況，通常負(fù)載能力在1 000 VA以下。本文的功率放大器采用線性功率放大器。通過采用線性功率放大器及負(fù)載電壓跟隨技術(shù)，降低了失真度和功率管的損耗，同時(shí)提高了輸出容量，實(shí)現(xiàn)了多表位的同時(shí)檢表。線性功率放大器原理如圖3所示。

圖3 線性功率放大器原理圖

前置放大電路接收來自程控信號源的波形控制模擬小信號Us和Is，經(jīng)信號放大后驅(qū)動功率管向多擋位升流器/升壓器供電。多擋位升流器/升壓器輸出試驗(yàn)電壓U和試驗(yàn)電流I，大功率開關(guān)電源作為功率放大器電源。信號反饋電路主要用于調(diào)整前置放大電路的放大增益。前置放大電路采用二級運(yùn)放電路。由于電流功率放大器檔位較多，采用一檔增益在使用過程中容易發(fā)生震蕩，因此在第二級運(yùn)放采用可編程電阻器X9221及外部精密電阻構(gòu)成T型反饋網(wǎng)絡(luò)。這樣可以實(shí)現(xiàn)非常寬的放大倍數(shù)調(diào)節(jié)，再通過程序?qū)懭朊總€(gè)檔位的固定增益，保證放大器在每個(gè)量程都能可靠運(yùn)行。管壓降檢測電路檢測功率管管壓降并反饋至開關(guān)電源。開關(guān)電源調(diào)節(jié)供電電壓，使功率管管壓降保持不變，從而減少功率管發(fā)熱。采用管壓降調(diào)節(jié)方法可將電流功率放大器容量提升到2 500 VA。

電流功率放大器多檔位升流器量程切換電路如圖4所示。

圖4 電流功率放大器多檔位升流器量程切換電路

為了滿足IR46標(biāo)準(zhǔn)中起動電流0.3 mA的要求，電流功率放大器最小量程檔位為1 mA，并采用電流互感器反饋取樣。電流功率放大器1 mA、5 mA、10 mA檔位受電流互感器體積限制，采用改變電流互感器二次側(cè)取樣電阻來實(shí)現(xiàn)小電流檔位。

2.3 高等級三相標(biāo)準(zhǔn)電能表

三相標(biāo)準(zhǔn)電能表原理如圖5 所示。

圖5 三相標(biāo)準(zhǔn)電能表原理圖

三相標(biāo)準(zhǔn)電能表主要由三相電壓取樣電路、三相電流取樣電路、信號隔離電路、微處理器計(jì)量部分、微處理器人機(jī)界面部分等組成。6路模擬信號獨(dú)立采樣并電氣隔離。電流取樣回路采用電流互感器取樣，并使用有源補(bǔ)償零磁通技術(shù)提高測量精度。模數(shù)轉(zhuǎn)換采用18位高速A/D芯片，模擬電路與數(shù)字電路之間采用磁隔離電氣絕緣，并且采用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)消除模擬電路的非線性及溫漂誤差，從而實(shí)現(xiàn)輸入電壓30～600 V和輸入電流0.01～120 A范圍內(nèi)0.01%的測量準(zhǔn)確度。

為滿足IR46標(biāo)準(zhǔn)諧波、方頂波及尖頂波等試驗(yàn)波形下的測試要求，高等級三相標(biāo)準(zhǔn)電能表除了具有傳統(tǒng)電能計(jì)量功能外，還需具備諧波測量與分析的功能。標(biāo)準(zhǔn)電能表選用32位ARM高速處理器，通過傅里葉分析和計(jì)算得到各通道信號波形的基波及各次諧波分量。ARM高速處理器內(nèi)置的浮點(diǎn)運(yùn)算單元大大縮短了傅里葉分析諧波時(shí)的信號處理及計(jì)算時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)表通過RS-232通信設(shè)置，可方便地將全波功率、基波功率、諧波正向功率、諧波反向功率和諧波功率轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖。電能脈沖通過標(biāo)準(zhǔn)表脈沖輸出電路輸出，作為被檢電能表的檢定標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 誤差計(jì)算器

誤差計(jì)算器采用32位ARM高速處理器芯片。該芯片具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和豐富的外設(shè)接口。誤差計(jì)算器包含3路獨(dú)立的脈沖計(jì)算模塊、3路高速RS-485通道模塊、溫度測量模塊、電流開路檢測模塊、標(biāo)準(zhǔn)高頻脈沖輸入模塊、用于智能物聯(lián)表檢定的藍(lán)牙脈沖和輔助針脈沖切換模塊。誤差計(jì)算器可同時(shí)進(jìn)行有功誤差試驗(yàn)、無功誤差試驗(yàn)和時(shí)鐘誤差試驗(yàn)，大幅提升測試效率，還可對被測表表位電壓短路、電流開路進(jìn)行檢測及報(bào)警定位，節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)的故障排查時(shí)間。

誤差計(jì)算器原理框架如圖6所示。

圖6 誤差計(jì)算器原理框架圖

2.5 軟件系統(tǒng)及試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，將需要控制的模塊設(shè)計(jì)為不同的類，主要包括標(biāo)準(zhǔn)電能表類、程控信號源類、誤差計(jì)算器類、被檢表類、檢驗(yàn)方案類、控制單元類和控制狀態(tài)類。標(biāo)準(zhǔn)電能表類具有設(shè)置量程及讀取測量值等功能。程控信號源類具有控制電量輸出功能。誤差計(jì)算器類具有脈沖計(jì)數(shù)及誤差計(jì)算等功能。被檢表類具有記錄被檢表相線、標(biāo)稱電壓、最小電流、轉(zhuǎn)折電流、最大電流、等級及電能常數(shù)等參數(shù)的功能。檢驗(yàn)方案類記錄所要進(jìn)行的檢驗(yàn)項(xiàng)目。控制狀態(tài)類在檢驗(yàn)過程中記錄運(yùn)行狀態(tài)并可以標(biāo)記就緒、開始、停止及進(jìn)度等狀態(tài)信息。檢驗(yàn)方案包括多個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目。每個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目由若干個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)組成。每個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)包含若干個(gè)檢驗(yàn)參數(shù)。檢驗(yàn)參數(shù)定義了檢驗(yàn)點(diǎn)需要的試驗(yàn)電壓和電流值、測試方法和判定條件?？梢愿鶕?jù)需要設(shè)置多個(gè)不同的檢驗(yàn)方案，但每次檢驗(yàn)只能選定其中一個(gè)方案。為了實(shí)施具體的檢驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目都設(shè)計(jì)為獨(dú)立控件，如起動試驗(yàn)控件、初始固有誤差控件等。這些控件具有相同的公共屬性和對外功能接口，包括檢驗(yàn)裝置類屬性和開始測試、暫停測試、停止測試、事件上報(bào)公共接口等。

檢驗(yàn)人員完成電能表參數(shù)設(shè)置和檢驗(yàn)方案選擇后，軟件進(jìn)行裝置初始化并導(dǎo)入檢驗(yàn)方案，然后根據(jù)檢驗(yàn)方案對各檢驗(yàn)項(xiàng)目依次進(jìn)行檢驗(yàn)。在此過程中，檢驗(yàn)人員可以干預(yù)檢驗(yàn)過程，隨時(shí)停止或重新開始檢驗(yàn)流程。

軟件主控流程如圖7所示。

圖7 軟件主控流程圖

所有的檢驗(yàn)項(xiàng)目都需要控制試驗(yàn)電壓和試驗(yàn)電流。當(dāng)根據(jù)理論值進(jìn)行控制時(shí)，不同負(fù)載會引起試驗(yàn)電壓和試驗(yàn)電流的輸出略有偏差。此時(shí)，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表測量值進(jìn)行調(diào)整，使每相的電壓、電流及相角輸出值都能達(dá)到理想值。試驗(yàn)電壓和電流的控制流程如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)電壓和電流的控制流程圖

在進(jìn)行諧波試驗(yàn)時(shí)，每相試驗(yàn)電壓和試驗(yàn)電流都可以設(shè)置9組諧波參數(shù)。每組參數(shù)包括諧波次數(shù)、諧波含量和諧波初相角，可以方便地疊加形成尖頂波、方頂波等特殊試驗(yàn)波形，控制特殊試驗(yàn)波形輸出時(shí)也會根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表測量值進(jìn)行調(diào)整。

3 檢定系統(tǒng)的性能測試

3.1 功率放大器性能測試

傳統(tǒng)電能表檢定系統(tǒng)功率放大器的功率輸出穩(wěn)定度一般在0.1%以內(nèi)，而在小電流時(shí)會在0.1%以上。本系統(tǒng)采用線性功率放大器。其性能測試輸出功率穩(wěn)定度測試結(jié)果如表1所示；電壓和電流輸出波形失真度測試結(jié)果如表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果來看，功率放大器的輸出穩(wěn)定度在0.01%以內(nèi)，小電流時(shí)可以達(dá)到0.02%，電壓和電流輸出波形失真度指標(biāo)優(yōu)異。

表1 輸出功率穩(wěn)定度測試結(jié)果

表2 電壓和電流輸出波形失真度測試結(jié)果

3.2 電能誤差測試

檢定系統(tǒng)采用0.01級三相標(biāo)準(zhǔn)電能表，同時(shí)增加了1 mA小電流檔位，以保證滿足IR46國際標(biāo)準(zhǔn)的最小起動電流0.3 mA時(shí)電能誤差的規(guī)定要求。表3所示為本系統(tǒng)起動電流條件下的電能誤差測試結(jié)果。

表3 起動電流條件下的電能誤差測試結(jié)果

表4所示為基本誤差測試結(jié)果。

表4 基本誤差測試結(jié)果

由表3、表4可知，測試符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 諧波測試

IR46國際標(biāo)準(zhǔn)中提出了5次諧波和特殊波形(尖頂波、方頂波、奇次諧波、次諧波)條件下電能表誤差影響試驗(yàn)的要求，與原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定存在較大的差異。本文檢定系統(tǒng)的程控信號源利用數(shù)字合成方式可生成0～63次任意信號波形，通過線性功率放大器輸出。方頂波試驗(yàn)波形和尖頂波試驗(yàn)波形分別如圖9和圖10所示。

圖9 方頂波試驗(yàn)波形

圖10 尖頂波試驗(yàn)波形

由圖9、圖10可知，試驗(yàn)中波形還原度高，諧波幅值及相位輸出準(zhǔn)確。此外，5次諧波條件下測試的電能誤差為-0.001 4%，方頂波條件下為-0.002 8%，尖頂波條件下為0.002 8%，奇次諧波條件下為-0.005 5%，次諧波條件下為0.002 4%。

表1～表4的測試數(shù)據(jù)以及5次諧波、方頂波、尖頂波、奇次諧波條件下的數(shù)據(jù)均由浙江省計(jì)量科學(xué)研究院測試所得。測試所用標(biāo)準(zhǔn)器具為0.01級標(biāo)準(zhǔn)電能表。從測試結(jié)果來看，常規(guī)量程下有功電能誤差控制在0.01%以內(nèi)，小電流條件下達(dá)到0.02%，輸出的諧波及特殊波形諧波分量與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)基本一致。因此，本檢定系統(tǒng)滿足新一代智能電能表的測試規(guī)范要求。此外，該檢定系統(tǒng)增加了藍(lán)牙、載波等新型通信方式，可同時(shí)輸入有功脈沖信號、無功脈沖信號和多功能脈沖信號，實(shí)現(xiàn)脈沖信號誤差同步測試，大幅度提升檢測效率。目前，該系統(tǒng)已在國內(nèi)多個(gè)電能表廠家和國網(wǎng)省級營銷服務(wù)中心使用。

4 結(jié)論

根據(jù)國際法制計(jì)量組織OIML的IR46國際建議設(shè)計(jì)的智能電能表對電能表檢定系統(tǒng)提出了新的要求。本文利用線性功率放大器電壓電流輸出失真度小、功率穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，通過構(gòu)建離散數(shù)據(jù)基礎(chǔ)序列及數(shù)字PID調(diào)節(jié)，保證了試驗(yàn)波形幅值相位輸出分辨率。測試結(jié)果表明，該檢定系統(tǒng)滿足新一代智能電能表的測試要求，為新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施提供了一種新的解決方案。