基于数字功放的拆回电能表分拣装置

刘含露 朱文波 林绿浩

（国网湖北省电力有限公司咸宁供电公司 湖北省咸宁市 437100）

对于拆回电能表的分拣工作，目前主要依靠基层人员人工手动来实现，人工通电、手动读取并抄录止码信息、查看存储或计量故障等信息并进行分拣结果记录。人工手动拆回电能表的分拣方式存在错检误检率无法保障、效率低、分拣环境杂乱无章等问题。针对人工分拣存在的问题，本文提出一种自动智能化分拣方式，采取分拣装置自动通电、电能表智能检测、检测结果智能记录等流程，实现拆回电能表能够高效、准确、可靠的分拣工作。

1 硬件设计

1.1 系统硬件设计

系统硬件结构如图1 所示，扫码枪实现电能表信息读取以及录入。数字功放系统提供待检电能表电源，并与电能表进行交互完成电能表基本功能检测。通过载波测试系统完成电能表载波通信功能的检测，红外抄表系统完成电能表红外通信功能的检测。图像识别系统通过拍摄完成电能表止码录码、外观等检测。从各个不同的维度完成电能表的检测分拣工作，最终输出电能表分拣结果。

1.2 数字功放系统设计

数字功放系统主要针对拆回电能表基本功能进行检测，包括电压电流量程、日计时误差、计量误差等[1]。数字功放系统硬件原理框图如图2 所示。

1.2.1 功率源系统设计

功率源系统主要输出全量程电压电流，实现电能表基本功能检测，其工作流程：当上位机下发输出电压电流命令后，信号源进过内部处理输出，提供一个sin 波给功率源系统，功率源系统中的前置PWM 电压、电流放大电路板内部的三角波发生电路产均生一个三角波，sin 波以及三角波两种波形比较产生一个PWM 波，此PWM 波通过功率源内部电路处理分成4 路PWM 波，经过调制解调电路以及滤波放大电路产生sin 波，再进过升压器或者升流器输出电压电流[2]。不同档位的电压电流输出配合馈网系统通过升压器以及升流器来进行控制输出，其输出精度受标准表以及补偿电路控制，准确度等级不低于0.1 级[3]。

1.2.2 馈网系统设计

馈网系统设计主要为了电能表供电切挡的实现，兼容全量程输出。CUP 控制单元采用PIC 系列单片机，控制电压电流的切挡功能，电压、电流均采用隔离光耦驱动MOS 管，进而控制继电器的开闭切换，实现切挡。

1.2.3 信号源设计

信号源主要为功率源系统提供一个sin 波，与其内部发生的三角波进行对比产生PWM 波，最终实现功率输出。信号源工作原理主要是通过单片机XC6SLX45-2FGG484I 控制DAC8812ICPWR 芯片完成DAC 输出，经过波形表换实现sin 波的输出。需要注意的是在DAC 输出时需要提供两个DAC 电压基准。

1.2.4 时钟源设计

时钟源系统提供输出500K 信号，用于检测电能表日计时误差。系统电源由总电源220V 提供，经过开关电源转换实现直流供电15V，经过几路DC-DC 电源电路分别给不同的芯片电路提供供电。系统内部使用晶体振荡器，输出标准的5VTTL 电平，晶振频率准确度＜±30ppb/25℃，通过双四位十进制计数器的应用保证准确性，通过双MOS 控制电路，实现500K 信号的输出，通过与表位单元系统连接，经过串口服务器传输，最后通过RJ45 接口由交换机与上位机软件系统进行交互，实现功能。

1.2.5 标准表设计

标准表系统主要实现计量误差功能检测、电能表供电功能检测。供电主要由LTM4622Y 电源芯片以及几路DC-DC 电路实现，内部通过XC6SLX45 型号的FPGA、MX25L12835FM2I-10G 的数据存储FLASH、电压回路A/D 转换电路、电压回路A/D 转换电路、CT补偿电路提供标准电压电流、计量信息，用于检测拆回电能表的供电以及计量误差等信息。

1.2.6 通信单元设计

硬件系统交互主要通过CAN 总线通信或者RS-485 通信，分别为CAN 通信电路以及485 通信电路。

1.3 载波测试系统设计

1.3.1 宽带载波测试工装设计

宽带载波测试工装主要针对安装HPLC 载波模块的电能表进行通信功能检测，实现互联互通，通过上行通过RS232 串口与交换机进行连接，下行直接连接待测电能表取电端子，其工作硬件原理框图如图3 所示。

通过载波芯片TC9202 TCS091.+TCS091 对于信号的处理实现信号的发送与接收功能。载波芯片TC9202 TCS091.+TCS091 接口为串行UART 口，而交换机接口为RS-232、RS-485 标准串口通信接口，故中间需要RS-232 接口电路，通过SP3232EEN-L/TR 芯片实现电平转换。

具体工作原理为：当上位机发出通信功能检测命令时，交换机通过RJ45 接口完成命令的转发通信，经由232 接口电路完成电平转换到载波芯片端口为TTL电平信号，载波芯片完成D/A信号处理，通过发送电路使用发送PA 放大芯片进行信号放大、载波耦合电路耦合到电能表接线端子，与电能表进行交互，读取相应的抄读数据，抄读信结果通过接收滤波电路滤除异频干扰信号，保留同频信号，将信号传输到载波芯片TC9202 TCS091.+ TCS091，载波芯片实现A/D 信号处理，仍通过232 接口电路实现电平转换，通过交换机最终反馈给上位机软件系统，实现测试功能。

1.3.2 窄带载波测试工装设计

窄带载波测试工装，检测对象为安装窄带载波模块的电能表，其硬件原理参考宽带载波测试工装设计。

使用载波芯片TCS081F 实现载波信号的发送接收处理，接收信号时，耦合信号经过滤波接收电路后，信号解调电路使用TC6003A 芯片进行信号的解调，然后再通过载波芯片TCS081F 处理，使用SP3232EEN-L/TR 芯片实现电平转换，完成整个通信功能的检测。

2 软件设计

上位机软件系统基于C++builder 开发环境，使用C++语言进行编写，其中图像识别功能基于OpenCV 库开发，在完成系统开发后，首先在实验室搭建实际环境进行调试运行，能够正常调试运行后，在现场实际进行测试检测，能够满足现场电能表分拣工作的需求，以止码录码检测为例，其软件系统工作流程如图1 所示。

当需要进行止码录码功能检测时，上位机根据需求选择配置的检测方案，优先默认选择载波方式进行通信检测，与待测电能表进行通信，通信后的结果反馈到上位机系统，通信成功则进行下一步工作，系统完成止码录码工作，连续通信失败则检测判断电能表载波通信功能异常，重新选择红外检测方式进行检测，检测结果反馈上位机，如果成功和进行下一步止码录码工作，连续失败则判断电能表红外功能异常，重新选择拍摄检测方式，使用高精度摄像头进行拍照完成止码信息的录入，软件工作流程框图如图4 所示。

上位机软件界面采用任务灵活配置，将所有包含的检测命令项均通过代码实现，建立一个完整的检测命令库，将单一检测项均规整添加进去，对于需要的检测项，可通过新建检测方案来实现，方案包含检测项灵活配置，并存档保留，重复应用性好。

另外拍摄检测方式不单单是进行电表信息拍照，上传存储到系统，还包括对拍摄结果的图像识别功能，识别结果可以在系统中存储与拍摄结果进行对比留档，进一步提升检测的可靠性。

3 结论

本文对拆回电能表分拣装置进行了研究，采用数字功放原理，经过一系列硬件集成、配合实现拆回电能表分拣功能。在进行功能检测时功放系统使用PWM 前置放大电路、电压电流功放电路、IGBT 放大电路能够实时提供全量程供电以及电源切换，而配合时钟源、信号源、标准表系统能够准确日计时误差检测、计量存储信息等功能检测，准确高效的实现电能表功能检测，完成分拣功能。

分拣装置经过实际使用，非常适用于拆回电能表的分拣检测，对于拆回电能表支持645协议、698协议，对于一些外观、计量、时钟、存储问题均能实现检测，且设备轻便灵活，易于移动，操作简单，实用性、可靠性、安全性均能满足大范围推广。

4 总结

文中主要论述了整个数字功放系统的实现以及组成模块，配合载波测试系统、红外抄表测试系统、图像识别系统完成拆回电能表的分拣工作，能够实现日计时误差、计量误差、通信功能检测，达到预期目标要求，且通过自动化分拣手段大大较少了人工成本，提高了分拣准确度，以及可靠性、安全性也得到保证。