区域和省级计量中心电能表标准装置准确性远方检测及状态监测技术研究*

沈　鑫，曹　敏，李仕林，王　昕，刘清蝉（云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明650217）

区域和省级计量中心电能表标准装置准确性远方检测及状态监测技术研究*

沈鑫，曹敏*，李仕林，王昕，刘清蝉
（云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明650217）

随着区域电网和省级电网电能计量中心实验能力控制和管理的要求不断提高，电能计量准确性保证管控愈发重要。针对目前国内电网公司各级供电局计量中心还未实现对电能表标准装置的准确性和运行状态实时掌控、对于标准装置的工作中的偏移、运行效率以及故障情况不能及时发现的问题而提出的，分别运用在线监测装置、远端集控系统软件，实现对电能表标准装置准确性的监测和对电能表标准装置运行情况的实时远端监控。

电能计量；远方检测；标准装置；状态监测；数据分析

随着区域电网和省级电网各供电局计量中心的建立和发展，各级电能计量中心实验能力控制和管理的要求不断提高，电能计量准确性保证管控愈发重要。为了保证电能计量准确性，并解决现有电能表标准装置管控缺乏实时在线监测的问题，有必要对电能表标准装置准确性的远方检测及状态监测技术进行研究，实现区域内乃至全省范围内的电能计量检测、检定、试验能力的全面管控和评价。电能表标准装置准确性远方检测及状态监测技术的研究及监测平台的建立，可有效实现区域电网和省级电网各级计量中心实施实时状态监测，改变现有电能标准装置定期送检及维护现状及不足，促进国内电网电能计量管控水平。

目前国内电网公司各级供电局计量中心电能表标准装置的检定按JJG 597-2005《交流电能表检定装置检定规程》进行定期检定和定期维护，还未实现对电能表标准装置的准确性和运行状态实时掌控，对于标准装置的工作中的偏移不能及时发现。国外对电能表标准装置准确性远方检测及状态监测有一定的现实需求及理论研究，但并未实施电能表标准装置的准确性远方检测及状态监测，因此，为了保证电能标准装置的准确可靠和在线的管控，有必要开展电能表标准装置准确性远方检测及状态监测技术研究。

1　系统设计及结构

如图1所示，系统整体结构主要由电能表标准检定装置、标准电能表、0.05级监测装置、0.01级比较仪、汇总保存及现场显示服务器、远方监测平台组成。

系统的主要技术难度和重点包括以下4方面：

（1）对电能表标准装置准确性远方检测及状态监测技术的技术难点进行分析研究；

（2）完成0.05级监测系统及装置和0.01级电能基准装置开发；

（3）实现电能表标准装置准确性远方检测及状态监测平台搭建；

（4）试点实现省级计量中心电能表标准装置准确性远方检测及状态监测改造，并实现该计量中心电能表标准装置的计量检测、检定、试验能力全面管控。

图1　整体系统运行框图

1.10.05级监测系统及装置的结构

0.05级监测系统由电压电流采样单元、三相合并单元组成，通过对校验台的输出信号进行测量并对校验台的标准表电能脉冲进行记录，以及后方服务器的集中数据分析处理，实现实时在线对电能表标准装置的准确性进行监测。

图2　监测系统运行原理

1.1.1电压采样方式

前端采用精密仪用电压互感器，将480V电压直接转换成便于数据采集模块的A/D采集4V电压，该电压互感器采用无源的双级电压互感器设计，有较高的输入阻抗，在并接于电能表校验装置输出上时基本不增加装置的负载，U/U变换器采用模块化设计，便于上一层的量值传递。

图3　监测装置电压采样方式原理

通过18bit高分辨率以及超高的过采样率保证监测系统能够迅速、精确地测量各种信号。

对这种采样方式进行了如下测试：使用双通道交直流比较仪对两组信号进行比对，通道1在测试中切换前端电压互感器的比例使得在分别输入480V、240V、120V、60V信号时，电压互感器二次输出总能保证4V信号输出；通道2则在测试过程中不切换电压互感器的比例，电压互感器二次输出在4.0V～0.4V之间；两通道的电压互感器一次端并接后分别输入相同的480V、240V、120V、60V信号，通过交直流比较仪记录计算结果。

测试结果数据如表1所示。可见，当减去两通道间的固定误差以及互感器的固定误差后，可以计算出两种电压采样方式的非线性差异小于0.01%，虽然电压互感器二次不调整增益使得测量不确定度在较低的输入信号时增大，但综合其整体准确度仍能满足其设计要求。

表1　监测装置电压采样模块线性度测试

1.1.2电流采样方式

测试结果数据如表1所示。可见，当减去两通道间的固定误差以及互感器的固定误差后，可以计算出两种电压采样方式的非线性差异小于0.01%，虽然电压互感器二次不调整增益使得测量不确定度在较低的输入信号时增大，但综合其整体准确度仍能满足其设计要求。

如图4所示，根据0.05级监测系统设计要求，即一方面要快速响应信号的变化，同时要不影响被监测电能表标准装置的运行。因此在电流采样方式上做了较大的创新，电流采样前端使用0.01级穿心式设计100 A/80mA双级电流互感器，互感器二次输出固定接入进口四端采样电阻，使其不增加、不改变运行中的校验装置电流回路的负载，从而保证既能快速响应信号的变化又能不影响被监测电能表标准装置的运行。

但这样的恒定负载方式往往会使得小电流时准确度下降较大，为此在四端采样电阻和补偿电路将电流转为电压后，通过可以高速切换增益、动态范围1 000∶1的程控增益仪用放大器对电压信号进行放大，使得输出信号在设计的100 A～1 A范围内维持在0.4 V～4.0 V之间，保证后面18 bit高速AD进行模数转换的准确性。

图5（a）、5（b）、5（c）、5（d）面是程控增益仪用放大器的增益切换特性分析

图4　监测装置电流采样方式原理

图5　电流量程切换速度测试

由图5中曲线可知，程控增益在1、10、100间切换时，由开始切换到输出准确度稳定在10×10-6以内，其所需的建立时间均在2μs以内，而监测装置中采样速率是100 ksample/s，也就是采样间隔是10μs，因此在100 A～1 A切换增益过程中有足够的建立时间使得信号可以达到器件的最佳准确度，并且完全不影响监测系统任意一个采样点的正常采样，从而保证监测系统的快速响应性和较高的准确度。

1.1.3电流采样电路设计

设计如图6所示，为了尽可能地在最佳的量程范围内对信号进行采样，以及适应负荷的变动，采用上图所示的采样系统对U/U、I/U变换输出的小电压信号进行采样。在电流采集模块中采用STM32 的CORTEX-M3系列高性能低功耗单片机对当前信号大小进行实时的监测。当采样点数据小于当前量程的8%时，通过增加仪用放大器的增益使放大器输出信号尽可能的接近18 bit ADC的量程，提高测量准确度；而当采样点数据超出当前量程的95%时，通过降低仪用放大器的增益使信号不超出量程范围，保证监测数据的准确性。

图6　采样电路原理

由于现在高分辨率高采样速度的SAR型ADC为了消除SAR型ADC内部开关电容对输入端产生的尖脉冲影响，以便提供更高的准确度都采用差分方式对信号进行采样，如图7所示。

图7中所示电路只能对0 V以上的信号进行采样，但I/U、U/U输出是±5，不能直接进行采样，需要使用适当的接口驱动电路对工业信号进行衰减、电平转换和差分转换，使其具有与ADC输入要求相匹配的正确幅度和共模电压。虽然可以利用电阻网络和双通道运放来设计适当的接口电路，但电阻的比率匹配误差和放大器之间的误差会形成最终输出端的误差。特别是在低功耗水平上，实现所需的输出相位匹配和建立时间可能非常困难。

因此采用差分放大器AD 8475执行衰减、电平转换和差分转换，无需任何外部元件。AD 8475是一款全差分衰减放大器，集成精密薄膜增益设置电阻，可提供精密衰减（0.4×或0.8×）、共模电平转换、单端差分转换及输入过压保护等功能。采用5 V单电源供电时，其功耗仅为15mW。其工作电路如图8所示。

由于系统中I/U、U/U的输出为±5V的输出，因此在电路中使用AD 8475的0.8×对输入信号进行衰减。

图7　SAR型ADC电路

图8　单端转差分电路

1.1.4监测装置采样传输控制电路设计

监测装置采样传输控制部分采用Altera公司的 Cyclone II系列的 EP2C20F256C8N，内嵌Nios II嵌入式处理器。而且，SOPC Builder还提供了标准的接口方式，以便用户将自己的外围电路做成Nios II软核可以添加的外设模块。这种设计方式，如图9所示，更加方便了各类系统的调试。

在Avalon总线下编写了AD采样通信逻辑单元，由于合并单元需要下发档位控制命令，同时也需要接收采样模块的数据，所以合并单元与采样模块之间需要双向通信。而为了增强系统的可靠性，通过通信时序的巧妙运用，实现用最少的光缆数目实现双向通信以及较高的采样同步准确性，系统中使用三根光纤连接一个采样模块。其时序如图10所示。

图9　监测装置采样传输控制原理

图10　混合通信控制时序

通过电压、电流采集模块中单片机对时序的控制，在AD的BUSY引脚变低时，通过单片机的IO对连接在AD采样控制引脚的混合控制信号拉低，从而将混叠在混合控制信号中FPGA端发送过来的通信数据分离出来。单片机发送的通信数据则通过与AD芯片连接成菊花链的方式，尾随在AD数据后一同发出，在FPGA端通过AD采样通信逻辑将AD数据和通信数据分开，并对通信数据进行整理和校验。由于是由硬件逻辑实现对通信数据的整理和校验，因此大大降低了对处理器的要求。该通信、控制方式在测试过程中实现通信和采样互不相干，达到预期的效果。

1.1.5监测装置安装方式

安装效果如图11所示，0.05级监测装置的三相合并单元（采样传输控制）安放在电能表标准装置的机柜顶端，单/三相电压电流采样单元固定在机柜内部，作为采集器与电能表标准装置中的标准表实行电压并接、电流串接，通过T型BNC将标准表的脉冲输出分成两路其中一路接到监测装置的脉冲输入端。监测装置端的光纤接口为SC接口，采用单模2芯光纤布线。安装完毕后对监测装置设定固定IP地址、电能表标准装置的编号以及输入对当前电能表标准装置的备注信息，然后监测装置便会将当前采集的信息发送到后台服务器。

图11　监测装置安装方式

1.2开发0.01级电能基准装置

1.2.1电能基准装置运行框图

本0.01级电能基准装置由电压电流采样单元、数据处理及误差显示单元组成。主要用于对0.05级监测系统的期间核查。0.01级电能基准装置是为了建立一个实验室的电能基准，因此内部的设计方式有别于0.05级监测装置。

图12　电能基准装置原理

1.2.2电能基准装置整体原理

电能基准内部的前端结构与监测装置类似，都是通过FPGA模块控制采集模块接收采集数据。但与监测装置不同，电能基准需要整机送上一级检定，所以需要在内部增加运算单元。经过研究决定使用低功耗工控机作为数据运算处理单元，同时通过电能基准的液晶屏显示，使得操作人员更直观地看到当前的状态、比对信息。液晶屏选取10.1 inch IPS 1 280像素×800像素高分辨率广视角液晶屏，使得信息显示更丰富。通过触摸屏的操作选取信息的观察方式，能更好地从各个角度分析当前状况。预留两个USB外部接口方便用户在现场对数据进行存储。

图13　电能基准装置整体原理

1.2.3电压采样方式

0.01级电能基准装置的电压采样通道前端采用的精密仪用电压互感器可以通过小信号继电器在互感器二次进行400 V、200 V、100 V和50 V的量程切换，保证在上述档位输入满量程信号时，二次输出信号为4 V信号。后面的模数变换硬件部分与监测装置一致，采用高准确度高采样率A/D对互感器二次信号进行采集，为了进一步降低最终数据的不确定度，在电能基准装置中采用更高的采样率，通过更高的过采样率提高数据的准确度。采样模块使用了数字温度补偿技术，通过每一相温度的准确测量，分别对电压、电流进行补偿，最终使得整体温度系数维持在较低的水平。

图14　电能基准装置电压采样方式原理

1.2.4电流采样方式

0.01级电能基准装置的电流采样通道前端采用双级电流互感器，其一次回路有100 A、10 A、1 A 3个电流档位，通过一次继电器切换，使得二次回路电流在8mA～80mA范围。档位切换采用程控手动和自动换档方式，前者适合于送检时的稳态信号比对，后者适合于与0.05级监测装置并联运行对监测装置各个量程点的长期稳定性的核查。

图15　电能基准装置电流采样方式原理

1.2.5电能基准装置安装方式

安装效果如图16所示，0.01级电能基准装置通过仪表推车，放到需要进行期间核查的监测装置旁，与监测装置中的电压电流采样单元实行电压并接、电流串接，将监测装置的脉冲输出接到基准装置的脉冲输入端。基准装置端的光纤接口为SC接口，采用单模2芯光纤布线。0.01级电能基准装置是为了考核长期稳定性设计，因此电能基准装置应该与在各个电能表标准装置上的监测装置之间进行循环比对。

图16　电能基准装置安装方式

比对的方式可以分为2种：（1）在线比对；（2）常规比对。

在线比对也就是在电能表校表的过程中自动完成各个测试点的比对，其好处是能快速检验常用的测试点准确性，缺点是准确性要略差于常规标准表比对。而常规比对则是将0.05级监测装置从电能表标准装置上取下，与0.01级电能基准进行单独的比对，其比对的准确性会较高，但工序和耗时会较多。但上述2种方式都基本不影响电能表标准装置的正常校验工作，这是本系统的特色之一。

因此推荐首先在较短的时间内（优先1 d内）依次与多个监测装置进行并联工作，如果某台监测装置的误差超出误差带允许范围，则对该台监测装置进行常规比对，否则跳过常规比对步骤。这样即可最大限度的降低操作的复杂度，提高校表的质量和效率。

2　电能表标准装置准确性远方检测及状态监测软件设计

2.1电能基准装置安装方式

整体硬件连接方案如图17所示，0.01级基准装置和各个0.05级监测装置以及对应的电能表标准装置的PC机通过交换机与现场服务器连接。整体系统的软件架构如图18所示。

图17　整体系统装置测试、安装方式

图18　整体系统装置测试、安装方式

0.01级基准装置和各个0.05级监测装置均作为采样Socket服务端，服务器端的多通道运算客户端从采样服务端获取采样数据并计算出电压、电流、功率值，电能表标准装置的PC机中通过规约转换软件连接服务器端的状态监测软件和PC机中的校表软件进行通信，如图19所示。

图19　整体系统装置测试、安装方式

2.2系统开发平台

本系统选用Visual Studio.net2010的C#作为系统软件开发平台，如图20所示。

（1）校验软件PC-X为每套校验装置配套校验软件所运行的电脑，X表示校验装置序列号，排序为1到8，根据各厂家校验装置不同，校验软件也不相同，但都需要在校验运行中起到2种作用。

①担任其固有的职责，通过与校验装置通信，进行电能表各种功能的检测。

②作为客户端，应记录当前装置运行状态、软件测试功能项、测试负载点名称、各表位测试数据等信息，通过TCPSocket主动将数据发送到作为服务端的监控PC电脑上，其发送数据格式应符合“校验软件与监控通信协议”规约约定。

（2）监控PC：在此电脑上运行着“装置监控软件”，该软件运行中主要起到3个作用：

①作为服务端，通过TCPSocket实时监听客户端（各厂家电能表校验软件）所发出的装置运行状态、软件测试功能项、测试负载名称、各表位测试数据等信息，根据“校验软件与监控通信协议”规约，解析从客户端（各厂家电能表校验软件）接收到的装置校验运行状态及测试数据等信息。

②作为监视器，此功能为该软件的主要功能，把作为服务端职责的，从各校验软件接收到的装置运行状态、各表位测试数据等信息实时显示在监控显示器上，以方便使用者查看检测装置当前运行情况及检测数据。

③作为客户端，通过通信方式把作为服务端职责的，从各校验软件接收到的数据上传到用户终端服务器中，作为装置运行状况及测试数据的历史记录，永久保存，以便后期维护查看。

（3）终端服务器：为用户最终存储校验装置长期运行状况，及各表位检测数据的存储设备，该设备配有足够大的存储硬盘，以方便长期存储及历史数据查看比对。

图20　系统软件开发平台

3　电能表标准装置准确性远方检测及状态监测的应用

如图21所示，电能表误差曲线是通过数据采集系统将电能表检测数据传递给数据处理系统进行数据处理和归总在通过主站系统所绘制出来能够更直观的反应出了电能表的鉴定时间与鉴定误差值。

图21　电能表误差曲线

如图22所示，不仅仅是电能表的误差值还有标准装置的误差值；标准装置的误差值是通过监测PC装置所获取；标准装置与电能表的误差分析有助于直观的反应出标准装置的工作状态是否稳定以及在该状态下所检测出的电能表是否合格。

图22　标准装置和电能表误差曲线分析图

如图23所示某标准装置一定期间内所检测的电能表合格率以及不合格率的饼图展示起到一目了然的分析结果。

图23　电能表检测合格率饼图

4　结语

本文介绍了区域和省级各级计量中心电能表标准装置准确性远方检测及状态监测技术系统的结构特点和技术路线，针对目前国内电网公司各级供电局计量中心还未实现对电能表标准装置的准确性和运行状态实时掌控、对于标准装置的工作中的偏移、运行效率以及故障情况不能及时发现的问题而提出的，分别运用在线监测装置、远端集控系统软件，实现对电能表标准装置准确性的监测和对电能表标准装置运行情况的实时远端监控。

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沈鑫（1981-），男，云南人，云南电网有限责任公司电力科学研究院，博士研究生，高级工程师，昆明市第十三批学术和技术带头人，主要研究方向为是电能计量和智能电网技术，237555803.com。

曹敏（1961-），男，山东人，云南电网公司有限责任公司，教授级高级工程师，云南省科技带头人，云南省云岭产业领军人，云南电网一级技术专家，主要研究方向为是智能电网、设备监测与物联网技术；

Research on Accuracy Distance Detection and Condition Monitoring of Standard Meter Device for Regional and Provincial Measurement Center*

SHEN Xin，CAO Min*，LI Shilin，WANG Xin，LIU Qingchan
（Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China）

With the requirement of ability and management for regional and provincial power grid electricitymeasurement center increasing，the accuracy assurance of energymetering control becomes significantly important.At present，in view of domestic power grid companies and power supply bureau have yet to realized the running status and the accuracy of real-time control of standardmeter device formeasurement center，for the shiftand operational efficiency of standard device inwork，and the problem of faultcondition is not found in time，that respectively use of on-linemonitoring device，remote control system software to realize the accuracy of themonitoring and real-time remote the performance of the device for themeter device and standard device.

electricitymetering；distance detection；standard device；conditionmonitoring；data analysis

TM 764.1

A

1005-9490（2016）04-0968-10

项目来源：国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2011AA05A120）；云南省教育厅重大专项研究项目（2015Z014）

2015-08-16修改日期：2015-10-17

EEACC:818010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.041