曹鴻飛

（嘉峪關(guān)市產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)量和特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)中心，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

隨著新的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、電能測(cè)量技術(shù)和技術(shù)水平的提高，對(duì)儀表的功能需求越來越高，其使用范圍也越來越廣，其測(cè)量精度和可靠性直接關(guān)系到國(guó)家的用電安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，電能表作為貿(mào)易結(jié)算的終端，已從簡(jiǎn)單抄表功能向著系統(tǒng)化、多功能和智能化不斷深入發(fā)展。由于電力儀表技術(shù)水平的提高，其功能也越來越完善，但其基礎(chǔ)設(shè)施的電力測(cè)量與資料安全仍是其核心內(nèi)容，其最主要的需求仍是可靠、準(zhǔn)確和安全，因此在電力儀表的研制中，是電力測(cè)量與資料安全的關(guān)鍵技術(shù)。

1 軟件特點(diǎn)分析

智能電能表是由各種電子部件組成的，它的工作原理是采集電網(wǎng)的電壓和電流，然后由電能儀的芯片進(jìn)行采集。在這種情況下，有關(guān)人員還要把采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成與電力成比例的脈沖，最終由微處理器完成，并以電力形式顯示出來。在實(shí)施智能化電能表的同時(shí)，還應(yīng)具備更多的功能。智能化電能表機(jī)在實(shí)際使用時(shí)，既可以存儲(chǔ)、加工，又可以進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控，還可以進(jìn)行信息資源的分享。該技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用中，既能提高供電公司的效益，又能適應(yīng)用戶的各種需要，進(jìn)而達(dá)到供電公司全面覆蓋的目的。在進(jìn)行設(shè)備使用時(shí)，也可以進(jìn)行相關(guān)的計(jì)量、成本的管理、事件的記錄等。在智能電能表的研制中，采用了一種特殊的電路結(jié)構(gòu)。所以，這種裝置不但可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的通信，可以連接網(wǎng)絡(luò)，還可以用軟件來進(jìn)行特定的操作。該裝置在實(shí)際使用中表現(xiàn)出了較好的性能，運(yùn)行起來也更簡(jiǎn)單，同時(shí)，也大大降低了能源消耗。測(cè)量時(shí)精度提高，降低了儀器使用時(shí)的錯(cuò)誤。該裝置的容量也較大。智能電能計(jì)量存儲(chǔ)功能，顯示功能，脈沖功能，費(fèi)率和周期，編程設(shè)置，事件記錄，通信功能。電功率計(jì)量與儲(chǔ)存的主要特點(diǎn)是：具有實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓、電流、有功、無功、頻率、功率因數(shù)等電氣性能指標(biāo)；可實(shí)現(xiàn)有功無功、組合累加計(jì)量、全計(jì)量、四象限無功、失壓斷相計(jì)量、最大需量計(jì)量、預(yù)付費(fèi)和收費(fèi)程序設(shè)定以上資料的儲(chǔ)存。在電子工業(yè)中，現(xiàn)代的電子綜合技術(shù)已被全面發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)一體化、智能化的一體化，智能電能表結(jié)合了電子技術(shù)，利用了電子計(jì)量的工作方式，具有高精度、多參數(shù)測(cè)量、靈敏計(jì)量、超強(qiáng)交互、智能分析等優(yōu)勢(shì)。盡管電能表的功能越來越多，但是，從測(cè)量的角度來看，它最基本的要求就是要達(dá)到電力測(cè)量的性能，同時(shí)，也要保證資料的完整性，避免信息的混亂和遺失。所以，在滿足電能計(jì)量基礎(chǔ)要求的前提下，必須注重確保計(jì)量精度和數(shù)據(jù)的可用性。

2 硬件架構(gòu)分析

本實(shí)用新型的智能化電能表按其功能可劃分成8 個(gè)部分，其中的主要硬件部分見圖1。中央控制模塊是電能計(jì)量?jī)x表的中樞，它負(fù)責(zé)傳輸和接受各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、顯示、通訊、控制等工作，并對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理；供電模組為儀表的各個(gè)部件供電，保證儀表各個(gè)組件的工作性能；測(cè)量模塊利用電能表頭采集電壓、電流、功率等實(shí)時(shí)信息，然后進(jìn)行模擬、數(shù)字處理、參數(shù)存儲(chǔ)、通訊交流與CPU 聯(lián)通；顯示與控制部分分別負(fù)責(zé)顯示各種資料、信息、人機(jī)交互及負(fù)載的功能；該模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)行、費(fèi)率控制和計(jì)時(shí)控制等控制；存儲(chǔ)功能：對(duì)電量數(shù)據(jù)、事件記錄、信息指令等進(jìn)行永久性存儲(chǔ)；通信功能模塊可以完成電力儀表與外界的通信，其中包含RS485、紅外、無線、載波等多種通信手段；監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)CPU 的工作狀況進(jìn)行即時(shí)的監(jiān)測(cè)，并在CPU 的運(yùn)行過程中迫使CPU 恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)。本文主要是對(duì)電能表的測(cè)量模塊進(jìn)行分析，并給出了相應(yīng)的測(cè)控方案和測(cè)控方案，該測(cè)控系統(tǒng)的工作過程是：通過測(cè)量?jī)x器的前端的電壓、電流采集線路所獲取的實(shí)時(shí)信號(hào)通過A/D 變換器進(jìn)行模擬，然后通過A/D 變換將其輸出到測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存貯，從而實(shí)現(xiàn)與 CPU 組件之間的數(shù)據(jù)信息的交流。

圖1 電能表硬件模塊框圖

3 電能計(jì)量策略

測(cè)量系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)思想，主要是對(duì)電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和有效數(shù)值的求解；瞬時(shí)和視在能量的估算；有源、無功、有源、有源的變換等?；谟?jì)量的基本原則，在進(jìn)行了時(shí)間域離散化的過程中，對(duì)電力計(jì)量的方案進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃，包括數(shù)據(jù)采集、有效值計(jì)算和計(jì)量功能三大方面的內(nèi)容。首先，CPU 讀取和寫入特定的測(cè)量晶片，采集電壓、電流、功率、功率因素、相位等，并對(duì)其進(jìn)行A/D 變換；其次，用實(shí)測(cè)的電壓和電流的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值與取樣時(shí)的參考數(shù)值相乘，得出一個(gè)有效的數(shù)值；最后通過一組有功、無功、各費(fèi)率、總電量等具體的數(shù)據(jù)，通過CPU 和內(nèi)存模塊進(jìn)行顯示和存貯。在智能化儀表的使用中，必須對(duì)儀表的測(cè)量線路進(jìn)行合理的規(guī)劃，選用高質(zhì)量的元件，以便使儀表的使用得到充分的發(fā)揮。為了降低測(cè)量的錯(cuò)誤，需要對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的工作進(jìn)行綜合的控制。在進(jìn)行資料收集時(shí)，應(yīng)選擇具有較高的準(zhǔn)確率和較高的穩(wěn)固性的材料。在選擇電池的過程中，需要從品牌、口碑等方面進(jìn)行有效的檢測(cè)，并實(shí)施取樣檢驗(yàn)，確保電池的品質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)。在使用前，在智能電量表的儀表終端配備了一個(gè)備用的電源，這樣即使在斷電后，它也可以精確地測(cè)量。同時(shí)，需要使用的主要是鋰離子，并配備了散熱器。另外，還需要提高員工的職業(yè)素質(zhì)，通過相關(guān)的訓(xùn)練來提高他們的工作能力，提高他們的測(cè)量精度。智能電能表包含多個(gè)功能組件，并與特定的電路板結(jié)合，需要對(duì)其進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和完善，以保證在斷電時(shí)能夠高效地提供電力。在完成了安裝工作后，應(yīng)該進(jìn)行斷電和測(cè)量，保證在斷電的情況下，還能夠保持良好的測(cè)量精度。另外，需要配備對(duì)應(yīng)的絕緣設(shè)備，以提高測(cè)量精度，并能提高工作壽命。由于選用的晶片，會(huì)對(duì)器件的效能產(chǎn)生很大的影響。所以，在挑選晶片時(shí)，要根據(jù)晶片的精確度，以及精確的控制，以確保在使用時(shí)，能夠讓所有的工作，都能夠精確地執(zhí)行。在實(shí)施智能化電能表時(shí)，廠商要不斷地改進(jìn)生產(chǎn)工藝，推動(dòng)工作規(guī)范化，同時(shí)，也要通過使用自動(dòng)化技術(shù)來減少產(chǎn)品的錯(cuò)誤。廠家在實(shí)施制造時(shí)，要不斷地改進(jìn)自己的工藝，用超聲波進(jìn)行清潔，并定時(shí)進(jìn)行換料。也可以進(jìn)一步改進(jìn)噴霧工藝，在經(jīng)過高溫干燥后，對(duì)裝置進(jìn)行防腐處理。在噴灑時(shí)，工人應(yīng)保證防火涂料的厚度均一。在選用合適的涂料時(shí)，應(yīng)選用質(zhì)量較高的涂料，以防止制品在潮濕時(shí)發(fā)生損壞。廠家在制造裝備時(shí)，也要不斷地改進(jìn)產(chǎn)品的老化工藝，以保證產(chǎn)品在使用期間的穩(wěn)定性，從而為企業(yè)的計(jì)量工作提供有力的支撐。

4 數(shù)據(jù)容錯(cuò)策略

一般將資料儲(chǔ)存于EPROM 位址，然后設(shè)定檢測(cè)碼，以累積運(yùn)算相加的方法進(jìn)行檢定，然而透過對(duì)資料檢定的深度剖析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)斷電后迅速?gòu)?fù)原，或者多次斷電時(shí)，電度計(jì)的CPU 及計(jì)量器無法進(jìn)行正常的、完全的資訊交換，從而造成設(shè)定的參數(shù)檢定出現(xiàn)異常，最后造成資料失真或遺失。所以，EPROM 中的資料，只有一個(gè)，沒有任何的備份，即使有，也是有一定的誤差，而且沒有任何證據(jù)可以彌補(bǔ)，只能讀取或者刪除，這樣做，根本不可能保護(hù)電力系統(tǒng)的安全性。通常，電度計(jì)都裝有一個(gè)內(nèi)置的電池組來保持內(nèi)存中的資料不會(huì)流失。在充電時(shí)，首先將RAM 的累積檢查和與已儲(chǔ)存的累積檢查代碼進(jìn)行比較，并將其與反代碼的數(shù)值進(jìn)行比較，若兩者均相同，就認(rèn)為該資料是可信的，否則，就必須從EEPEOM 中讀取資料進(jìn)行檢查。為了提高電力系統(tǒng)的容錯(cuò)性，同時(shí)考慮讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間，避免讀取數(shù)據(jù)的處理會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。將兩個(gè)位址的電力資料存于兩位，另一位儲(chǔ)存上次的資料，輪流儲(chǔ)存，當(dāng)資料出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，可以對(duì)兩位位址的價(jià)值進(jìn)行分析，若兩位資料相同，請(qǐng)選擇其中一位，若有兩位資料相差1，以更大的資料為準(zhǔn)。

5 策略評(píng)測(cè)與改進(jìn)

根據(jù)上述流程，對(duì)所提出的方案進(jìn)行了驗(yàn)證，以檢驗(yàn)方案在電力儀表的穩(wěn)定與可靠度方面的功能，并根據(jù)上述流程進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)。白箱試驗(yàn)用于檢驗(yàn)每個(gè)內(nèi)部作業(yè)與政策過程的需求一致。在進(jìn)行檢測(cè)前，要保證用I2C 與智能型電能表EEPROM 讀取和寫入設(shè)備連接，然后用一個(gè)裝有EEPROM 讀取和寫入設(shè)備的電腦，用RS232 或者網(wǎng)絡(luò)連接到電能表EEPROM 讀取和寫入設(shè)備上，然后用RS232 或者聯(lián)網(wǎng)連接到電能表 EEPROM 中的數(shù)據(jù)和參數(shù)，檢測(cè)重寫和重寫之后的電量表讀寫情況，評(píng)估和修正在數(shù)據(jù)不正常的情況下的電量表的操作策略。黑箱試驗(yàn)可以驗(yàn)證所實(shí)施的每個(gè)已知的功能性和設(shè)計(jì)規(guī)范的需求。測(cè)試中的各項(xiàng)指標(biāo)必須涵蓋所有的正常與不尋常的情況，必須涵蓋所有的資料，并且要注意資料的線性度，要確保測(cè)試的超負(fù)荷、飽和等條件。利用電能表的檢定設(shè)備對(duì)電表的測(cè)量能力進(jìn)行檢驗(yàn)，主要有基本誤差測(cè)試、電量測(cè)試、最大需求測(cè)試、瞬時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)試、復(fù)費(fèi)率功能測(cè)試等。通過RS-485 讀取程序?qū)收线M(jìn)行仿真，對(duì)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行了配置，并對(duì)其進(jìn)行了校驗(yàn)。

5.1 采用無線抄表模式

在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的過程中，各種通訊技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于人們的生活和工作中，尤其是在電力系統(tǒng)方面，目前，智能電能計(jì)量已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。采用無線抄表技術(shù)，不但可以將資料卡片與智能型電能表相結(jié)合，更可以確保發(fā)送資料的正確性，并可進(jìn)行儲(chǔ)存。

5.2 采用遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表模式

根據(jù)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表的方式，可以采用以下方式實(shí)現(xiàn)：（1）采用專用的電線與智能型電能表相聯(lián)接；（2）利用功率載波的方式，確保電網(wǎng)的能量始終在一條主干路上，必須采用專門的線路，使電能的特性得到充分的利用。由轉(zhuǎn)接控制器進(jìn)行總線的聯(lián)接也能起到更大的作用，在這種情況下，有關(guān)的人可以把各個(gè)區(qū)域的電力中心系統(tǒng)接入可以接入的地方，從而進(jìn)行遠(yuǎn)距離的自動(dòng)化抄表工作。在實(shí)踐中，有關(guān)部門要把電網(wǎng)的高壓線路與電網(wǎng)的遠(yuǎn)距離抄表結(jié)合起來，既可以把電網(wǎng)的信息傳遞出去，又可以利用多種新技術(shù)進(jìn)行推廣。

5.3 電力計(jì)量自動(dòng)化

智能電能表的使用，使企業(yè)和客戶的溝通更加密切，利用抄表技術(shù)可以隨時(shí)了解客戶的動(dòng)態(tài)，從而促進(jìn)電能質(zhì)量的提升。在進(jìn)行電能測(cè)量時(shí)，通過數(shù)據(jù)采集、匯總和分析，通常使用的是遠(yuǎn)距離測(cè)量，從而減少了手工抄表帶來的錯(cuò)誤，有效地改善了電能的測(cè)量精度。另外，它還可以專門地分析每個(gè)變壓器的總能量，然后根據(jù)不同的需求進(jìn)行響應(yīng)，根據(jù)不同的參數(shù)設(shè)置，可以根據(jù)不同的需求調(diào)整不同的供電方式，從而有效地提升電能的利用率。在夏季、冬季等特殊的用水旺季，人們會(huì)大量地利用大功率的電器，智能水表可以通過增加電費(fèi)來控制用電量，同時(shí)也可以保障電網(wǎng)的穩(wěn)定供電。

6 結(jié)語

綜上所述，本文介紹了在電力測(cè)量與數(shù)據(jù)安全性的基礎(chǔ)上，從軟件開發(fā)的根源上保證了電力儀表的可靠性。本文所述的方法，不但可以用于電能表的設(shè)計(jì)與研制，而且對(duì)于其他行業(yè)同類產(chǎn)品的研發(fā)具有一定的借鑒意義。隨著智能化網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，對(duì)供電公司的經(jīng)營(yíng)管理也越來越重視。為了適應(yīng)智能化電網(wǎng)的高質(zhì)量管理需求，需要對(duì)其經(jīng)營(yíng)方式、經(jīng)營(yíng)內(nèi)容等進(jìn)行改革。許多電力公司都采取了“先抄后交”的辦法來進(jìn)行電費(fèi)的核算，這樣既增加了工作量，又造成了大量的資料遺失。同時(shí)，在進(jìn)行治理時(shí)，也不能對(duì)偷盜事件進(jìn)行徹底的防范。由于采用了智能化的測(cè)量手段，使得企業(yè)在進(jìn)行經(jīng)營(yíng)的同時(shí)，也可以滿足新時(shí)期的需求，從而大大地提升了企業(yè)的經(jīng)營(yíng)效率。