一种同步测试有功无功电能误差的三相电能表检定装置

黄金娟，王 祥

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.浙江涵普电力科技有限公司，浙江 海盐 314300）

一种同步测试有功无功电能误差的三相电能表检定装置

黄金娟1，王 祥2

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.浙江涵普电力科技有限公司，浙江 海盐 314300）

结合国家电网公司省级计量中心智能电能表检定工作的要求，介绍了一种全新的三相电能表检定装置。该装置主要由ARM信号源、电压电流功率放大器、三相标准电能表、ARM单元控制板等模块组成，具备同步测试有功无功电能误差的功能，从而减少三相智能电能表有功无功电能误差的检定时间，有效提高检定效率。该装置对电能表生产厂家和各级计量检定机构有很好的应用价值。

检定装置；电能误差；同步测试

0 引言

随着国家智能电网建设的稳步推进，智能电能表得到了全面推广应用。三相智能电能表具备有功和无功电能计量等多项功能，为供、用电双方的电价结算提供了技术保障。按照国家法定计量管理要求，智能电能表必须经实验室检定合格后方可安装使用。由于三相智能电能表检定点多，采用传统检定装置分别检定有功、无功电能计量误差耗时较长，单批次的检定时间长达2 h以上。本文介绍一种新型三相电能表检定装置，实现了有功和无功电能误差的同步检定，明显缩短了单批次三相电能表的检定时间，有效提高了检定效率，同时也更加符合现场运行时有功无功电能同步计量的需求。

1 设计方案

本装置主要由ARM信号源、电压电流功率放大器、三相标准电能表、ARM单元控制板等模块组成。装置挂表架采用铝合金结构，单元压接背板采用高强度塑料板，辅助针表托，各部件独立设计，可独立拆装、便于维护。同时可与自动化检定输送单元有机集成应用，实现电能表自动化检定流水线。整个装置原理框图如图1所示。

2 装置硬件构成及工作原理

2.1 ARM信号源

目前各个装置生产厂家对信号源的设计不尽相同，波形数字合成技术大多采用将计算好的波形数据存入ARM芯片中，然后通过寻址计数轮流将波形数据输入到D/A转换器产生6路波形，这种方式不仅硬件设计繁琐，而且6路信号也不是同时输出，存在时延。

本装置信号源采用32位ARM处理器作为核心控制器，升源速度快，10 s内可完成输出并保证输出准确、稳定。采用双ARM（STM32F207）系统设计，分别负责人机界面和波形发生。ARM芯片内部资源丰富，主频达到120 MHz。本装置波形数字合成技术采用外部中断方式，波形数据直接存入ARM芯片FLASH中，以1个周波720点为例，ARM芯片产生1个36 kHz的方波信号，将此信号接入ARM外部中断管脚，通过外部中断将计算好的6路波形数据输入D/A转换器产生6路波形，因为主频高，指令周期短（纳秒级），6路模拟信号几乎不存在时延。同时人机界面采用ARM系统，数据处理快，通过高速485方式（38400波特率）与PC机和误差仪进行数据交互，可大大缩短升源时间和检定效率。波形发生原理如图2所示。

2.2 电压电流功率放大器

图1 检定装置原理

图2 波形发生原理

采用D类放大器，具有功放输出容量大、体积小、输出效率高、发热量低、负载特性好、可靠性高等优点。

2.3 三相标准电能表

三相标准电能表的电压、电流分别采用电阻分压和电流互感器取样，每相模拟电路独立设计，可减少相间干扰；内置程控运算放大器，可保证A/D在宽范围信号输入情况下的高转换分辨率，从而提高A/D的转换精度；采用带恒温槽电压基准，温度系数小于1 ppm，在电压30～500 V输入范围和电流0.01～100 A输入范围内，电能误差可控制在0.02%以内。每个表位脉冲采样接口具有高压隔离电路，可防止高压误接入损坏误差计算器，能兼容不同的脉冲输入电压，并对输入的采样脉冲具有整形功能；每个表位可按照规程要求，对经互感器接入式电能表的启动、潜动、基本误差、标准偏差、24 h变差等检定项目进行全自动检验。为提高装置检定效率，标准表设计了有功无功电能脉冲同时输出功能，可实现对被测电能表有功无功电能误差的同步检定，经验证，采用此方式可比常规检定方式快10%～20%。

2.4 ARM单元控制板

ARM单元控制板是整个装置的核心部分，主控芯片采用ST公司的32位ARM芯片STM32F-103VBT6。该芯片主频为72 MHz，内部资源丰富，自带128k字节FLASH和20k字节SRAM，有多达9个通信接口和7个定时器，每个定时器有4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道。利用该ARM芯片内部资源丰富、管脚功能可灵活配置的特点，设计了集电能误差计算、时钟误差计算、开路检测、温度检测、电流短接控制、对被检表通信等多功能于一身的单元控制板。原理框图如图3所示。

图3 ARM误差仪原理

（1）误差计算功能。传统误差计算器受CPU本身资源所限，外部中断和计数器偏少，被测表有功无功脉冲、秒脉冲、标准电能脉冲和标准时钟脉冲通过外围切换电路再输入到CPU，这种设计方式不仅硬件复杂，而且有功无功电能误差和时钟误差只能轮流检定，无法同时进行。ARM单元控制板误差测试充分利用该ARM芯片资源丰富的特点，3路被测电能表脉冲信号和3路标准脉冲信号直接输入到ARM系统，可同时进行误差检定，3路误差值以轮显方式在误差仪上显示，上位机软件也可同时读取3路误差值，从而大幅提高检定效率。同步测试原理见图4。

图4 同步测试原理

目前，个别厂家生产的电能表脉冲输出频率不变，但其中一个沿（上升沿或下降沿）经常变化，如果CPU采用变化的这个沿进行触发采样，势必会造成每次检定的误差都不尽相同，为解决这个问题，ARM单元控制板可通过软件配置，外部中断源可选择下降沿触发、上升沿触发和电平触发，以满足不同电能表脉冲输出的误差测试需求。

（2）表托温度检测。在无人工干预的情况下，当被检电能表压接不可靠，大电流长时间运行时，表托因接触电阻偏大温升较快，易造成表托和电能表接线柱变形甚至烧坏，严重时还会出现火花。为避免此类情况发生，在ARM单元控制模块中设计了表托温度检测功能，将数字温度传感器安装在表托的电流柱中，ARM单元控制板通过I2C总线读取温度传感器的数据来实时监测电能表接线柱的温度，系统可自定义设置阀值（默认80℃），当接线柱温度超过阀值时，单元控制板控制磁保继电器短接该表位的电流回路，从而达到保护表托和被检电能表接线柱的目的。表托温度信息能被检定软件即时读取，方便检定人员了解整个系统的运行情况。

（3）自动短接功能。每个单元控制板还具有自动短接功能，能在电流开路时进行自动短接，也可由软件控制短接，保证在压接不可靠或不挂满表的情况下正常进行检定。

3 检定软件

3.1 总体功能概述

检定软件具有以下主要功能：接线检查、通信测试、启动、潜动、基本误差、标准偏差、日计时误差、需量示值误差、需量周期误差、时段投切误差、预置参数设置、预置参数检查、有功常数试验、远程费控试验、误差一致性、误差变差、负载电流升降变差等。其中，有功无功电能基本误差的测试可同时进行，从而减少检定时间，提高了检定效率。

3.2 有功无功同步测试的实现方式

检定装置误差仪具备多个脉冲通道同时输入的功能，由检定软件将有功、无功脉冲数和检定圈数发送至误差仪，待误差仪完成误差检定后，软件同时获取有功、无功误差数据并分别保存。

4 结语

经现场使用和测试验证，该装置测试数据和各项功能完全满足JJG 597-2005《交流电能表检定装置检定规程》、JJG 596-2012《电子式电能表检定规程》、DL/T 645-2007《多功能电能表通信规约》的相关要求。信号源采用32位ARM芯片，增强了系统的数据处理能力，缩短了源输出稳定时间，从而提高误差检定效率。单元控制板利用32位ARM芯片丰富的内部资源，实现了各种功能的高度集成，有功无功电能误差通道和多功能误差通道相互独立，实现了3路误差同时测试，大大缩短了三相智能电能表检定时间。装置充分利用D类放大器输出可靠、稳定性好、负载能力强等特点，并结合32位ARM芯片的应用，不仅单批次检定数量达到40表位，而且单批次的检定时间也大大缩短。经测试，1.0级三相四线智能电能表检定时间从139 min缩短为127 min，三相三线表检定时间从172 min缩短为160 min。目前，该装置已在多个电能表生产厂家和省级计量中心应用，按照三相电能表年检定量60万只测算，检定系统年运行时间可减少150 h，相当于检定能力提升了近9%，折算成设备投资可节约215万元，经济效益显著。

[1]JG 597-2005交流电能表检定装置检定规程[S].北京：中国标准出版社，2005.

[2]JJG 596-2012电子式电能表检定规程[S].北京：中国标准出版社，2012.

[3]廖义奎.STM32F207高性能网络型MCU嵌入式系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

（本文编辑：方明霞）

A Three-phase Energy Meter Calibration Device for synchronous Active/Reactive Energy Error Test

HUANG Jinjuan1，WANG Xiang2
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.Zhejiang Harpu Electric Technology Co.，Ltd.，Haiyan Zhejiang 314300，China）

Combined with requirements of provincial metering center of SGCC on smart meter calibration,the paper introduces a new three-phase meter calibration device，which comprises modules such as ARM signal source，voltage/current power amplifier，three-phase standard meter and ARM unit control board.The device can synchronously calibrate active and reactive energy error so as to reduce time for calibrating active and reactive energy error of three-phase smart energy meter and therefore to improve calibration efficiency.The device can be favorably applied in energy meter manufactures and metering calibration agencies at all levels.

calibration device；energy error；synchronous test

TM761

B

1007-1881（2015）08-0062-03

2015-06-04

黄金娟（1964），女，工程师，主要从事电能计量技术管理工作。