多功能物联网智能电能表检测装置的研发

刘 茵 刘超逸 檀亚凤 张文彧 李英葵

一、引言

电能计量已向物联网、智能方向发展。物联网智能电能表主要是指电能表除了具备传统电能表的计量功能之外，还具备物联网组网模块。较为典型的物联网智能电能表应用蓝牙通信功能，使电能表可以作为一个数据通道或数据中转站与外界进行数据交互，对电能表周围环境实况或其他传感器中数据进行采集上传，实现一定范围内的数据互联互通，形成基于电能计量的物联网智慧业务应用场景。目前，电能表现场多功能检测装置采用有线连接的RS485通信方式和脉冲辅助端子硬连线的方式，无法测试无弱电端子的物联网智能电能表。物联网智能电能表现场检测装置的空白导致无法对物联网智能电能表进行现场检测，使得现场计量监督管理工作无法进行，造成工作盲区和运行隐患。

笔者研发一种基于蓝牙通信协议的物联网智能电能表检测装置，既可以在实验室测试也可进行现场校验，填补目前物联网智能电能表蓝牙通信功能无法检测的不足，确保物联网智能电能表符合技术规范规定的使用要求，全线性运行精准、稳定、可靠，同时实现测试数据记录、展示及导出，达到计量管理的规范化、自动化和可视化。

二、研发目的与内容

通过研发一种基于蓝牙通信协议的物联网智能电能表检测装置，整合现场校验仪及蓝牙测试功能，保留传统的485 通信等接口，增加蓝牙测量模块，实现对多种不同通信方式的电能进行通信测试，实现光电、脉冲、蓝牙等模式下的计量检测。该装置既可对传统电能表进行现场校验，又可对新型物联网智能电表开展测试，填补物联网智能电能表现场检测技术的空白。

三、结构设计及原理说明

物联网智能电能表主要由计量芯、管理芯、LED 及蓝牙模块组成，物联网智能电能表检测装置由光电头、蓝牙/脉冲转换器以及现场校验仪组成，结构设计图如图1。检测装置采用7 寸工业级TFT 宽彩屏，触摸加按键操作，支持中文输入功能；具有两路脉冲输入，可同时检测常数、工作方式及脉冲个数完全不同的两路被检脉冲；可测量互感器低压变比和线路谐波分量；内置蓝牙模块，带USB 接口、RS232 接口，可上传、拷贝检测数据。

图1 检测装置结构设计图

研发的检测装置采用高精度ADC 对电能表的电压电流信号进行采样，同时现场校验仪使用精密DDS 信号源经电压、电流功放放大后，可向电能表提供稳定的功率信号，实现电能表计量比对检测。

研发的检测装置原理如图2所示，通过电压—电压变换器及电流—电压变换器将现场电能表所连接的电压电流等信号比例变换为适合数据采集与处理模块能接受的小信号并送入数据采集与处理模块进行AD 转换，实现模拟信号数字化；通过DSP 按照交流采样算法高速计算获得电压、电流、相位、频率、功率（电能是功率对时间的累积，由于现有晶振技术非常容易达到量级，时间对电能测量的影响可以忽略）等电学参量，同时根据功率输出电能脉冲信号供校准使用；数据采集与处理模块通过对AD 转换采样数据的高速实时计算处理，进行谐波分析。同时对检测装置获得的电流电压相位等电参量进行分析，判别电能表的接线情况。电能误差检测与处理模块接收被试电能表的电能脉冲信号（包括老式机械电能表的人工模拟信号、光电采样信号）进行电能误差计算，获取在不同工况下电能表的计量误差；工作电源为整机提供高质量供电电源，采用从交流输入电压信号取电及内置高性能电池供电相结合方式；通信检测模块具有采用蓝牙、RS485、红外通信、载波通信等通信方式的硬件接入能力，依据DL/T645 协议等相关电能表通信协议对电能表通信方面重要关键的一些功能进行检查的能力。

图2 检测装置原理图

研发的检测装置的蓝牙主要工作有两种模式：脉冲跟随检定模式和BLE 通信模式。

当工作在脉冲跟随检定模式时，物联网智能电能表蓝牙模块处于接收状态，检测装置的蓝牙/脉冲接收器也处于接收状态。物联网智能电能表计量芯的有功脉冲及多功能脉冲输入至表内的蓝牙模块I/O 上，每一次电平翻转都触发蓝牙模块产生一个外部中断，此时蓝牙模块进入发送状态，开启脉冲传输窗口，将脉冲数据用无线射频信号发送出去，并切换回接收状态准备接收ACK 应答信号。检测装置的蓝牙模块接收到无线脉冲数据后，将无线脉冲数据还原成电脉冲信号，经电平转换后输入到现场校验仪的I/O，以完成检定。时序如图3 所示。

图3 脉冲跟随检定时序图

当工作在BLE 通信模式时，物联网智能电能表的蓝牙模块作为从机，发起广播，等待主机进行连接；检测装置的蓝牙/脉冲转换器作为主机，扫描广播信息，请求连接从机。流程如图4 所示。当主机与从机进行连接时，需要执行蓝牙服务发现过程，完整地执行蓝牙通信建立流程，便可执行DL/T698.45 以及DL/T645 协议通信。

图4 蓝牙建立通信流程图

四、检测接线及方法

三相四线低压电能表经钳表接入检测装置接线时，将电压线首端的插棒按颜色分别接到检测装置面板相应的A、B、C、N 电压端子上，电压线末端的鳄鱼夹分别接到被测表表尾的A、B、C、N 相电压线上；再将各相的钳形互感器插到有相应标号的接口上，然后用钳形互感器卡住对应相的电流线即可，如图5 所示。打开检测装置开关，先按照被测电能表参数将“参数设置”屏中相应的参数设置正确，即可进入相应的界面进行测试。

图5 三相四线低压电能表经钳表接入检测装置接线图

三相三线高压电能表经钳表接入检测装置接线时，将电压线首端的黄、绿、红插棒分别接到检测装置面板相应的A、N、C 电压端子上（即黄色插棒接到电压端子UA上，绿色插棒接到电压端子UN上，红色插棒接到电压端子UC上，UB端子不接线），电压线末端的黄、绿、红鳄鱼夹按颜色分别接到被测表表尾的A、B、C 三相电压线上；再将A、C 两相的钳形互感器插到有相应标号的接口上，然后用钳形互感器卡住对应相的电流线即可，如图6 所示。当现场电能表无负荷或负荷很小影响测量时，可以使用负载盒。

图6 三相三线高压电能表经钳表接入检测装置接线图

检测时，物联网智能电能表蓝牙模块作为从机进行广播，等待主机与之相连，一旦建立连接，主机和从机之间便可进行通信数据的透明传输，脉冲信号通过蓝牙的2.4G 无线信道编码后发送出去。通信时，检测装置的蓝牙/脉冲转换器作为主机，能扫描接收电能表蓝牙模块的广播信号，发起连接，进行DL/T698.45、DL/T645 数据通信。检定时，检测装置将2.4G 无线信号解码还原成脉冲信号，进行误差检定。具体步骤如下：（1）检测装置录入待测电能表通信地址；（2）复位蓝牙/脉冲转换器；（3）点击连接待检电能表，与待检电能表的蓝牙模块建立连接；（4）连接成功后，可进行广播校时、抄读电量等通信测试；（5）设定脉冲类型，比如有功、无功、秒脉冲等，点击进入脉冲检定模式；（6）检测装置根据蓝牙/脉冲转换器的脉冲信号进行误差检定；（7）检定完成后，退出脉冲检定模式或复位蓝牙/脉冲转换器。

五、技术创新点及优势

（一）基于蓝牙现场检测技术

创新性整合现场校验仪及蓝牙测试功能，采用蓝牙BLE5.0 版本，功率消耗极低。研发的检测装置可进行蓝牙脉冲输出状态计量检测、蓝牙通信功能检测，实现实验室、现场对物联网智能电能表检测，填补了物联网智能电能表现场检测技术的空白，确保物联网智能电能表符合技术规范的使用要求。

（二）集成多种测量模式为一体

研发的检测装置实现光电、脉冲、蓝牙等模式下的计量检测，既可对传统电能表进行现场校验，又可对新型物联网智能电能表进行测试；保留传统的485 通信等接口，增加蓝牙测量模块，实现对多种不同通信方式的电能表进行通信测试，具备多场景应用。同时，集成标准时钟源，现场可模拟实验室检定电能表日计时误差、走字误差，为现场工作人员判断电能表时钟及电量累计的准确性提供依据。

（三）高可靠性

研发的检测装置采用高精度采样器件设计线性采集电路，能精准、稳定、可靠的全线性运行，可记录、显示测试数据并可通过外接U 盘导出数据。增加功率源输出功能，可提供稳定功率信号，实现无外置功率源的情况下也能自带负荷进行现场计量比对检测。设计自校准电路功能，可自动调整检测数据并对检测装置的示值加以修正，从而实现多功能物联网智能电能表检测装置自校准，确保检测装置测量值的长期准确性、可靠性。

六、成效应用分析

（一）助力物联网智能电能表推广应用，推进检测技术数字化发展

未来物联网智能电能表应用的普及，将对用户整体用电管理的方案设计有新突破，使数据采集的频率极大提高，用电数据分析的准确性、及时性、精细化得到了充分展现。多功能物联网智能电能表检测装置是智能电表与物联网的结合，以优化、简单、准确的测量方式，实现对智能电能表、传统电能表的现场检测，保证电能表各项功能的可靠准确、可溯源，为物联网智能电能表扩展功能的推广应用提供了基础条件，为适应计量检测技术数字化发展提供有利支持。

（二）准确判别电能表运行情况，保证计量装置稳定可靠

研发的检测装置具备日计时误差、走字误差检测、电量比对的功能，能对运行的物联网智能电能表工况做有效、准确的定性判别，保证物联网智能电能表的运行稳定可靠。当客户提出验表申请，供电企业可直接使用研发装置挂接在现场被验表旁，进行现场误差测量及长时间电量比对、日计时误差检测，无需装拆表，精简中间处理环节，提高客户满意度。

七、结语

多功能物联网智能电能表检测装置的研发解决了传统检测装置无法实现蓝牙功能测试和人工接线操作复杂，自动化、智能化程度不高，以及接线易出错存在安全隐患等问题，填补目前物联网智能电能表无法检测蓝牙功能的不足，确保智能电能表符合技术规范规定使用要求，为供电企业的现场检测提供了新的一种可靠手段，实现计量管理的规范化、自动化和可视化，具备一定的经济效益和管理效益。