便携式智能电能表功耗测量仪设计、校准与应用

赵 波，赵 敏，马宇明

（1. 江苏省计量科学研究院，南京 210046； 2. 南京航空航天大学自动化学院，南京 210016）

便携式智能电能表功耗测量仪设计、校准与应用

赵 波1，2，赵 敏2，马宇明1

（1. 江苏省计量科学研究院，南京 210046； 2. 南京航空航天大学自动化学院，南京 210016）

针对目前智能电能表功耗检测困难，设计了一种便携式功耗测量仪。分析了功耗测量仪的总体结构和关键技术，给出了仪器的校准数据及仪器应用方法。经实践证明，该功耗测量仪在测量精度和实用性上表现良好。

智能电能表；功耗测量；校准

1 背景

随着国家智能电网建设逐步推进，智能电能表的应用日益广泛，随之带来的质量问题也日渐凸显。其中智能电能表自身功耗测量是一个非常重要的性能试验项目。

智能电能表的功耗检测包括三项数据：电压线路视在功率、有功功率和电流线路视在功率。目前常用测量方法如下：①对电压线路进行功耗检测时，需在参比电压、参比电流、参比温度和参比频率下，测量电压线路的视在功率和有功功率。读取电压线路中瓦特表的示值P，即为电压线路的有功功率；读取数字式电压线路中电流表的示值I，计算其与参比电压的乘积为该电压线路的视在功率。②在对电流线路进行功耗检测时，需在参比电压、参比电流、参比温度和参比频率下，测量电流线路的视在功率。读取电流线路电压示值U，计算其与参比电流的乘积为该电流线路的视在功率。使用目前常用方法需要多台仪表分别测量，数据也需要人工计算才能得出结果，可操作性不强，并且使用仪表直接接入强电回路，存在一定的安全隐患。

2 仪器设计

为了解决以上问题，针对智能电能表的功耗测量相关标准[1]要求，项目组研制了一种专用仪器：便携式智能电能表功耗测量仪。其总体结构如图1所示，包括绝缘外壳、液晶显示器、电源、矩阵键盘、片上处理系统（SoC）、存储器和通讯模块。功耗测量仪为手持式便携设计，外壳为绝缘塑料，人工操作简单便捷，而且具有和上位计算机的接口。

在功率测量和测量自动化方面，市场上有多种功率测量芯片，本测量仪采用了某公司的71M6541F系统级芯片。该芯片为电能功率专用芯片，相当于一个嵌入式微机系统，是该公司的第四代高度集成SoC，包括：8501兼容MPU、带有数字补偿的低功耗实时时钟（RTC）、闪存存储器和LCD驱动器。71M6541F采用单转换器技术（Single Converter Technology），内置一路22位Σ-Δ ADC数字温度传感器、3路模拟输入、数字温度补偿、精密电压基准和32位计算引擎(CE)，只需少数外部元件可完成多种设计。

在测量数据采集方面，仪器通过TA1015-3交流互感器采集回路电压、电路数据，该互感器体积小、精度高、电压隔离能力强、安全可靠，且不需为测量仪提供额外电源供电。使用互感器采样，实现了强弱电隔离，提高了操作安全性。

在与上位计算机通讯时，采用PL2303芯片给电路供电以及和上位机通讯，PL2303 是Prolific 公司生产的一种高度集成的RS232-USB 接口转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB 功能接口直接连接的解决方案。该器件内置USB功能控制器、USB 收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART， 只需外接几只电容就可实现USB 信号与RS232 信号的转换。图3所示为USB接口电路，主要由三部分组成，分别是USB接头，USB供电和USB数据收发。USB接头提供USB的物理接口，通过USB线可与USB设备连接。整个USB转串口线不需要外接电源，直接使用USB供电即可，在本电路中，为了保证USB供电的电压质量，采用了电感隔离和滤波器电容。测量仪实物图见图2。

3 仪器校准

3.1 电压回路功耗

表1 电压回路测量校准数据（电压220V，功率因数cosΦ=1.0）

用便携式功率源输出mA级别的电流至仪器电压功耗测试回路和标准电能表COM 3000电流测量回路，电流选择30 mA、60 mA档。同时分别输出220 V、110 V、55 V电压至仪器电压功耗测试回路和标准电能表COM 3000电压测量回路。分别在功率因数1.0、0.5L状态下进行校准。以电压220V，功率因数cosΦ=1.0为例（见表1），最大误差+0.17%，符合误差小于千分之五的设计要求。

3.2 电流回路功耗

用Fluke 5520A多功能校验仪输出mV级电压至仪器电流功耗测试回路对测量仪进行校准。电流回路测量校准数据见表2，最大误差0.20%，符合误差小于千分之五的设计要求。

图1 便携式功耗测量仪总体结构

图2 便携式功耗测量仪实物图

4 仪器应用

智能电能表便携式功耗测量仪的接线如图3所示。该功耗测量仪有5条输入线，其中3条对应接入电压回路，2条接入电流回路，图中所示的是单相电能表接入方法，相似的，如果是三相四线电能表，则在每相对地回路分别测量，共需测量3次；如果是三相三线电能表，则在A、C相分别对B相进行测量，共需测量2次。

在测量完成后，通过USB线缆将功耗测量仪与计算机连接，通过图4所示的“电能表功耗数据采集系统”软件将测量仪中的数据上传到计算机。上传时需要配置与电能表功耗测量仪通信的串口号和串口通讯协议，最后通过选择不同的报表存储路径，用户可以把生成的报表保存在计算机硬盘上。

表2 电流回路测量校准数据

图3 测量仪连接示意图

图4 计算机软件界面

5 结束语

使用智能电能表便携式功耗测量仪可直接对单相、三相多规格电能表产品进行各个回路的功耗数据测量，安全性高，测量精度高，与原有多台仪表测试、人工计算数据的方法相比具有显著先进性。本智能电能表功耗测量仪经过多家电能计量实验室使用后，反馈效果良好。

[1] GB/T 17215.211-2006, 交流电测量设备通用要求、试验和实验条件第11部分：测量设备[S].

[2] 马宇明,赵波,陈道升,李博,等. 手持式电能表功耗检测仪[P]. 中国专利： ZL201320621613.8, 2014-04-16.

[3] 赵波,马宇明,李博. 智能电能表功耗测量系统软件设计[J]. 环境技术, 2015(1)： 40-42, 51.

赵波（1979.12-），男，江苏张家港人，江苏省计量科学研究院高级工程师，主要从事计量科技研究与管理工作。

Design, Calibration and Application of Portable Energy Consumption Instrument of Smart Meter

ZHAO Bo1,2, ZHAO Min2, Ma Yu-ming1
（1. Jiangsu Institute of Metrology, Nanjing 210046; 2. College of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016）

According to the problems in smart meter energy consumption measurement, the portable energy consumption instrument of smart meter is designed. This paper presents the construction and key technologies of the instrument, and introduces the calibration and application methods. Experiments show the instrument works well in measurement accuracy and efficiency.

smart meter; energy consumption measurement; calibration

TM<933.3 文献标识码:A class="emphasis_bold">933.3 文献标识码:A 文章编号:1004-7204（2015）03-0047-03933.3 文献标识码:A

1004-7204（2015）03-0047-03

A 文章编号:1004-7204（2015）03-0047-03