基于電能表的單點校正檢測算法研究

陳培余， 金恩曼， 李 雨

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學，浙江 溫州 325016）

0 引言

隨著電力智能化等技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)字化電能表廣泛應用于企業(yè)單位和普通居民家庭[1-2]。 其計量準確性和可靠性涉及供電、用電等多方面的經(jīng)濟利益，在出廠入網(wǎng)運行前必須進行計量誤差校準以確保其品質(zhì)。 由于電能表在校準前，存在初始誤差，這個誤差影響電能表在智能電網(wǎng)中計量的準確性[3]。 因此，對電能表進行計量誤差校準是生產(chǎn)中的關鍵步驟[4]。

目前國內(nèi)智能電能表誤差校準的方法主要有： 誤差校準法和功率校準法。誤差校準法[5]主要通過讀取多個脈沖個數(shù)累計電能來比較標準表和被測表之間存在的誤差，讀取相對誤差耗時較長。 功率校準法[6]校表前需在臺體上設置額定電壓、額定電流，選擇單相有功計量模式。校表流程可大致分為3 步。 第一步： 當功率因素為1.0下， 上位機系統(tǒng)通過485 通信獲取當前電流和電壓的有效值，利用上位機系統(tǒng)與額定電壓、額定電流進行比較得出電壓、電流的相對誤差值，算得的相對誤差值利用比差寄存器公式來校正電壓、電流有效值。 第二步：在上位機系統(tǒng)中填入臺體顯示的誤差值， 下發(fā)命令校正全波有功能量比差。 第三步： 將臺體上功率因數(shù)參數(shù)重新設置為0.5L，在上位機系統(tǒng)中填入臺體顯示的誤差值，下發(fā)命令校正角差。 功率校準法中對電壓電流有效值、功率比差和角差的校正需要工人在校表過程中對臺體功率因數(shù)進行分步設置，利用上位機對誤差進行補償計算，這種電能表校準方法在實際電能表批量生產(chǎn)中效率偏低。 針對電能表在批量生產(chǎn)時存在校表效率不高的問題， 本文基于功率校表的理論基礎上， 通過單片機自身軟件直接計算誤差，操作上利用按鍵開關一鍵啟動的方式進行單點校正，避免采用電能表與上位機軟件之間針對誤差補償值計算導致的頻繁通信，簡化電能表計量誤差檢測的操作流程，提高校表的效率。

1 單點校表的原理

單點校表計量誤差檢測主要是校準電能累計能量的誤差，除了校準額定電壓和額定電流以及額定功率外，還需要校準電壓和電流之間的相位差， 故電能表誤差校準主要是校正電壓電流有效值比差、功率比差和角差。為了提高校準的效率，臺體功率因數(shù)設置為0.5L 時，向臺體通100%額定電流Ib和100%額定電壓Un，采取軟件實現(xiàn)整個校正流程。

為了使電能表在低功率因數(shù)下，也能保持計量精度，故單點校表時首先需要進行角差校正。 功率因數(shù)為0.5L下，讀取有功功率秒平均值寄存器的值，并通過功率比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為E1，讀取視在功率秒平均值寄存器的值，并通過功率比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為S1，通過式（1）計算得出功率的相對誤差值為e：

角差校正的公式為：

式中：e—功率的相對誤差值，N—寫入角差校正寄存器的值，帶符號。f 的值是電能計量時鐘頻率（Hz）；如果N為正值，表示需要延時電流，所以在符號位寫入“0”；如果N 為負值，表示需要延時電壓，所以在符號位寫入“1”。

電壓、 電流有效值及功率的所有比差寄存器校正公式為：

式中：S—寫入比差寄存器的值， 二進制補碼形式；S1—未校正前的原始比差值， 即從比差寄存器中讀取的原始值，在做單點校正時設置為0；e—進行功率比差校正時，e—功率的相對誤差值， 進行電壓有效值校正時，e—式（3）計算得到的誤差值，進行電流有效值校正時，e—式（4）計算得到的誤差值。

功率比差校正時，功率因數(shù)為0.5L 下，讀取有功功率秒平均值寄存器的值，并通過功率比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為E1，程序中將標準功率的值固定為E2，E2的值為額定功率的一半。利用式（4）算得功率的相對誤差值為e。根據(jù)式（3），計算S，填入功率比差寄存器完成比差校正。

電能表電壓有效值的校正方法： 程序中設定固定的額定電壓值Un，讀取電壓有效值秒平均值寄存器的值，并通過電壓比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為U1，利用式（5）計算電壓的相對誤差值為e，把計算得到的誤差值代入式（3）算得電壓有效值比差校正值， 并將該值寫入全波電壓有效值比差寄存器。

電能表電流有效值的校正方法： 程序中設定固定的額定電流IB，讀取電流有效值秒平均值寄存器的值，并通過電流比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為I1，利用式（6）計算電流的相對誤差值為e，把計算得到的誤差值代入式（3）算得電流有效值比差值，并將該值寫入全波電流有效值比差寄存器。

電壓電流有效值寄存器值的公式為：

式中：V—輸入信號有效值；G—當前增益；K—系數(shù)。

功率有效值寄存器值的公式為：

式中：V1—電流通道輸入信號；V2—電壓通道輸入信號；G1—電流通道模擬增益；G2—電壓通道模擬增益；K1為系數(shù)。

電壓、電流、功率秒平均值寄存器的值是從ADC 采集獲得的，這個寄存器的數(shù)值非常大。與故用戶需要通過一定的比例系數(shù)獲得比較直觀的電壓、電流、功率值。 比例系數(shù)的公式為：

式中：M1—通過輸入信號有效值、當前增益、系數(shù)K這三個因素計算得到電壓有效值或電流有效值或功率寄存器的值；M2—額定電壓或額定電流或額定功率的值。

2 單點校表流程及算法

選取杭州萬高SOC 芯片V9821S 作為電能表計量的核心芯片。 基于單相電能表單回路計量介紹計量誤差的單點校正方法，這種校表方式無需上位機進行通信操作，只需啟動按鍵即可校表。 選用電能表規(guī)格為：額定電流Ib為5A，最大電流Imax為60A，額定電壓Un為220V，脈沖常量為1200imP/kWh。 校表時， 臺體的功率因數(shù)設置為0.5L，選擇單相有功計量模式。 以電流通道I1為例，說明單點校表的整個流程。

步驟一：單點校正前，需要把角差寄存器PhcCtrl1，功率比差寄存器SCP，電流比差寄存器SCI1，電壓比差寄存器SCU 都寫0。

步驟二：延時約3s，等待功率穩(wěn)定。

步驟三：通過讀取有功功率秒平均值寄存器DATAP和視在功率秒平均值寄存器DATAAP1 的值，寄存器的值通過功率比例系數(shù)轉(zhuǎn)化，根據(jù)式（1）和式（2），計算N 并寫入角差寄存器PhcCtrl1，完成角差校正。

步驟四：角差校正完成后再次延時約3s，等待功率穩(wěn)定。 讀取有功功率秒平均值寄存器DATAP，寄存器的值通過功率比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為有功功率， 標準功率值等于額定功率值的一半，設定為550W，根據(jù)式（4）和式（3），計算S 并寫入功率比差寄存器SCP 完成比差校正。

步驟五：讀取電壓有效值秒平均值寄存器的值，并通過電壓比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓有效值， 程序中寫入臺體實際的電壓有效值為220V，根據(jù)式（5）和式（3）完成電壓比差校正。

步驟六：讀取電流有效值秒平均值寄存器的值，并通過電流比例系數(shù)轉(zhuǎn)化為電流有效值， 程序中寫入臺體實際的電流有效值為5A，根據(jù)式（6）和式（3）完成電流比差校正。

具體的工作流程如圖1 所示。

4 實驗結(jié)果與分析

圖1 單點校表的流程Fig.1 The process of single-point meter calibration

為了驗證上述方法及算法的有效性， 本文采取功率校正法和單點校正法對電能表進行計量基本誤差試驗[7]。 選用電表規(guī)格：220V，額定電流：5A， 最大電流：60A， 脈沖常數(shù)：1200imp/kWh。 測試環(huán)境溫度：25℃，濕度：85%，精度等級：1.0。 在不同功率因數(shù)和電流值下對電能表計量誤差值記錄5 次取平均值，實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1、表2 所示。

功率校正法和單點校正法對電能表的誤差校準后， 通過對比發(fā)現(xiàn)兩種方法校正的電能表誤差精度都符合國家對1 級表誤差精度1%以內(nèi)的要求。 功率校正法，需要工人在功率因數(shù)為1.0 和0.5L，分別從臺體讀取誤差， 然后由上位機計算下發(fā)命令校， 一只表的校準時間在40s 左右， 校表效率比較低。 單點校準法，臺體只需要在功率因數(shù)為0.5L 時設置一次，通過硬件電路中的按鍵啟動校表，采用軟件實現(xiàn)自動化校正， 相比功率校正法， 簡化了校表人工操作的步驟，一只表的校表時間在10S 左右，相比功率校正法效率提高了3 倍。

表1 功率校正法的校正結(jié)果Tab.1 The results of power calibration method

表2 單點校正法的校正結(jié)果Tab.2 The results of single- point calibration method

4 結(jié)束語

電能表的誤差校正是生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)， 本文針對企業(yè)生產(chǎn)過程中誤差檢測精度和效率方面的實際需求，進行了電能表計量誤差單點校正檢測算法的研究。 根據(jù)功率校正的原理，將臺體功率因素設置為0.5L 時，電能表通過自身內(nèi)部軟件實現(xiàn)角差、功率比差、電壓比差和電流比差進行校正。最后的實驗結(jié)果表明，本文所提出的誤差校正方法及算法能準確校正電能表的計量誤差， 且簡化了校正流程，有效提高電能表計量誤差校準的效率，保證了企業(yè)生產(chǎn)電能表的效率。