便携式电能表智能检测仪的设计

2025-02-02黄冬梅

中国新技术新产品 2025年2期

摘要：电能表是测量电能消耗的基本工具，对电费计量和能源管理效率具有重要影响，因此电能表检测仪的作用十分关键。随着国内集中检定方式的转变，现场无法直接再次确认电能表的性能。为此，本文设计了一款便携式电能表智能检测仪，对其硬件和软件进行了分析。通过试验验证，证明了本文设计的有效性。

关键词：电能表；检测仪；主控芯片

中图分类号：TM 933" " " " " " " 文献标志码：A

电能表作为电力系统中测量电能消耗的基本工具，其准确性直接关系到电费计量的准确性和能源管理的效率，因此，保证电能表的性能稳定且测量准确至关重要。电能表检测仪作为一种精密仪器，用于检测和校准电能表的性能，在电能表性能校准方面发挥着重要作用。随着智能技术的不断发展，电能表检测仪的技术也在不断进步，以满足更高的精度要求和多样化的功能需求。

国内电力企业采用集中检定方式，提高了计量设备的检定效率，但基层供电单位的电能表检定检测能力却有所降低。由于计量设备通常需要长距离运输和长时间存储，运维人员在现场安装电能表的过程中，需要确认电能表的计量性能、通信功能等是否完好。但是，基层人员缺乏便携式的检测工具，无法在安装现场对电能表进行检测[1]。

基于此，本文设计了一款便携式电能表智能检测仪（专利号为2022230677317），使基层人员能够在安装现场对电能表进行检测。这款便携式检测仪为电能表的校准、检测和维护提供了快速、准确和便捷的解决方案，可以轻易携带至不同的工作场所进行电能表检测工作。

1 系统总体构架

便携式电能表智能检测仪的系统主要由电源模块、开关电路模块、控制单元模块和负载模块等4个部分组成，其系统架构如图1所示。其中，控制单元模块是系统的核心，其包括处理器单元、通信单元、显示单元、标准表单元和数据采集单元，主要负责系统的数据采集、通信以及人机交互操作。电源模块则为控制单元、负载等其他模块提供所需的电源。

2 硬件设计

硬件部分主要包括控制器、电源模块、通信模块、显示模块和负荷模块等。核心处理器单元可以采用单片机[2-3]，例如STM32作为主控芯片。为提高系统设计的兼容性和响应性，本文选择性能、可靠性高以及功耗低的STM32F103C8T6作为主控芯片，如图2所示。

2.1 电源模块

电源模块是整个系统的能源供应中心，其原理如图3所示。电源模块的作用是为控制单元、开关电路、负载模块以及其他电子组件提供稳定电源。一般来说，电源模块采用高效的开关电源技术，使电源小型化、轻量化，保证电源稳定、可靠。在一些高级的便携式电能表智能检测仪中，电源模块还包括电池管理系统，以支持长时间现场作业，并实时监控电池状态。

2.2 开关电路模块

开关电路模块是系统的重要组成部分，其作用是控制电能表在检测过程中的电流和电压切换。这个模块通常包括精密的继电器或电子开关，能够根据控制单元的指令快速、准确地切换负载，模拟不同的用电环境，以测试电能表在各种工作状态中的性能。开关电路需要响应时间短，可靠性高，以保证检测过程的精确性和可重复性。

2.3 控制单元模块

控制单元模块是整个便携式电能表智能检测仪的核心，其集成了多个关键的子单元，电源原理如图3所示。处理器单元是系统的核心，其作用是协调各个模块的工作，执行检测算法，处理数据采集单元传来的数据，提出相应的控制决策。便携式电能表智能检测仪采用性能高的微控制器或嵌入式系统，以进行复杂的数据处理和实时操作。

通信单元的作用是使便携式电能表智能检测仪与外部设备进行数据交换，可能与上位机、手持终端或云平台的无线或有线连接。通信协议包括RS-232、RS-485、以太网、Wi-Fi、蓝牙或4G/5G等。

显示单元为用户提供直观的操作界面，显示在检测过程中各种参数和状态的信息。本文采用LCD液晶显示屏，其图形界面分辨率高，用户操作体验良好。

标准表单元的作用是提供精确电能测量的基准，校准和验证被测电能表的准确性。

数据采集单元的作用是收集来自被测电能表和系统内部的各类数据，例如电压、电流、功率和频率等。这些数据经过模数转换后，由处理器单元进一步分析和处理。

2.4 负载模块

负载模块是模拟实际用电环境的组件，其包括可变电阻、电感和电容等负载元件。控制单元发出指令，负载模块能够模拟不同的负载特性，例如纯电阻性负载、感性负载或容性负载以及其组合。便携式电能表智能检测仪能够全面测试电能表在各种负载条件下的性能。

3 软件设计

便携式电能表智能检测仪主程序采集现场的电压、电流数据进行误差分析，根据误差范围判断是否满足要求。如果不满足，那么复检一次，再次判断。主程序流程如图4所示。其中，误差分析程序采用内置加Rife-Vincent（I）窗插值算法插值算法流程[4]，如图5所示。将电压、电流互感器采集的电压或电流信号模拟量进行加窗，截断部分数据作为来源，并进行离散化处理。在离散化后，快速地对信号进行傅里叶变换，得到信号的离散频谱。分析离散频谱，寻找相应的谐波峰值最大的谱线k1，利用紧邻峰值谱线频点的6条谱线进行加权、偏差计算。

假设第n次谐波k0点附近幅值最大谱线k1和次最大谱线k2的幅值含量最大，并且k2=k1+1，其外围4条谱线的标记为k3、k4、k5和k6，满足k5lt;k3lt;k1≤k0≤k2lt;k4lt;k6[6]。6条谱线如图6所示，虚线k0为第n次谐波的实际位置，计算的谱线与实际位置有偏差。设6条谱线的幅值分别为y1、y2、y3、y4、y5和y6，相应权重分别设为6、6、2、2、1和1。在大多数情况下采样信号都是非同步进行的，因此k0不会落在整数点中，最大谱线k1与次最大谱线k2的偏差为[0，1]。根据k0与最大谱线k1之间的偏移量a以及谱线幅值计算谐波幅值的修正公式，在数据检测过程中能够真实反映被检测的信息量。根据修正的公式计算并采集检测数据。

4 系统试验

为检验本文设计的便携式电能表智能检测仪的有效性，在完成硬件搭建后，分别测试便携式检测仪和标准检测仪。试验用信号发生器生成的标准方波为信号源，频率为50 Hz，幅值为2 V，标准信号波形如图7所示。

分别使用标准检测仪和便携式检测仪分析该信号，以13次以内谐波为分析对象，得到的检测结果见表1。绝对误差表示便携式检测仪与标准检测仪的绝对误差。

由表1可知，便携式检测仪与标准检测仪符合检测精度＜5%的要求，都能够反映测量结果。

为了进一步检验便携式检测仪的有效性，本文对复杂信号进行分析，数据来自文献[6]，复制信号见表2。

分别用标准检测仪和便携式检测仪分析21次谐波的幅值，分析结果如图8所示。

由图8可知，便携式检测仪的检测精度满足误差小于5%的要求，与标准检测仪之间的误差很小，这为现场检测提供了极大便利。通过对简单信号和复杂信号进行仿真分析，结果表明便携式检测仪的设计效果较好。

5 结语

本文从硬件和软件角度介绍了一款便携式电能表智能检测仪，利用仿真试验验证了检测仪的有效性。未来便携式电能表智能检测仪会集成更多智能功能，例如人工智能算法、物联网技术和大数据分析等。这些技术的融合将进一步提升检测仪的性能，使电能表检测和管理更加自动化、智能化。

参考文献

[1]黄冬梅，张晋轩.一种便携式电能表智能检测仪：CN219417714U[P].2023-07-25.

[2]何义赟，单永梅，陈义林，等.基于单片机的三相电能表错接线自动检测方法研究[J].自动化应用，2024，65（15）：213-214，218.