數(shù)字式多功能標(biāo)準(zhǔn)裝置自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的應(yīng)用

馬莉 常婧 吳楊 霍耀佳 張暉

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院 寧夏回族自治區(qū)銀川市 750011）

當(dāng)前數(shù)字萬用表和三相交直流計量裝置在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，在使用次數(shù)過多、工作年限較長的情況下，計量設(shè)備的測量精度可能會出現(xiàn)變化，因此需要定期對計量裝置進(jìn)行檢定。當(dāng)前檢定方法中對計量裝置的校準(zhǔn)的操作復(fù)雜，在檢定過程中需要進(jìn)行不間斷變化量程，頻繁進(jìn)行切換輸出電壓和電源等操作，同時存在一定的安全隱患。

近年來對電力計量裝置檢定和校準(zhǔn)研究中，國內(nèi)研究中文獻(xiàn)方法中設(shè)計出一種全自動化檢定平臺，基于三點(diǎn)一線的指針式儀表讀數(shù)識別方法，實(shí)現(xiàn)了檢定過程電力儀表讀數(shù)的自動識別。但只能針對單一類型的儀表進(jìn)行檢測，同時存在各方面的限制，通用性較差。文獻(xiàn)方法中設(shè)計出指針式儀表的自動檢定系統(tǒng)，采用了CCD相機(jī)完成圖像采集，并結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)對設(shè)備圖像信息進(jìn)行處理。但這種方法只能針對特定型號的電力設(shè)備進(jìn)行檢定，并且設(shè)備維護(hù)困難。國外研究中文獻(xiàn)方法中提出了一種儀表讀數(shù)識別系統(tǒng)，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)傳輸，并通過圖像處理和識別方法獲取到電力儀表的讀數(shù)數(shù)據(jù)。但系統(tǒng)的自動化程度較低，無法自動計算儀表讀數(shù)的誤差數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)的擴(kuò)展性較差。

1 數(shù)字式多功能標(biāo)準(zhǔn)裝置自動校準(zhǔn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

該研究設(shè)計了一套新型的數(shù)字式多功能標(biāo)準(zhǔn)裝置的自動化校準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)中計量裝置的檢定和校準(zhǔn)，支持的自動校準(zhǔn)的計量裝置包括了數(shù)字多用表、多功能三相電測量儀表、交流采樣變送器校驗(yàn)裝置，校準(zhǔn)的參數(shù)包括交/直流電壓、交/直流電流、電阻、有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)、相位等。系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的測試項(xiàng)目，生成不同的測試方案，完成系統(tǒng)測試通路的自動化選擇控制，和測試設(shè)備的參數(shù)設(shè)置控制。系統(tǒng)對進(jìn)行校準(zhǔn)的不同型號的電力儀表的示數(shù)進(jìn)行精確地讀取，同時實(shí)時反饋狀態(tài)信息、檢定項(xiàng)目以及運(yùn)行的時間等指標(biāo)，并對校準(zhǔn)指標(biāo)進(jìn)行判定，自動生成被測計量裝置的校準(zhǔn)文檔。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)軟件設(shè)計開發(fā)采用模塊化設(shè)計思想，具體包括檢定模塊、方案模塊、控制模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、讀數(shù)識別模塊六個模塊。在裝置校準(zhǔn)過程中，主控計算機(jī)通過通訊模塊與系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)源、光學(xué)相機(jī)、光照設(shè)備和控制器等進(jìn)行交互，通訊模塊包括了RS232、TCP/IP、Wi-Fi等通信方式，通過通訊模塊對系統(tǒng)的校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)備，通過控制模塊完成對檢定平臺中切換板的控制。檢定模塊中采用了射頻識別技術(shù)，通過掃描被測裝置的電子標(biāo)簽自動讀取該設(shè)備的基本信息，并與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接。方案模塊用來生成對應(yīng)的校準(zhǔn)方案，在文檔中創(chuàng)建計量裝置檢定信息，然后利用程序?qū)⑽臋n的值自動存入到了數(shù)據(jù)庫的對應(yīng)表中。

數(shù)據(jù)處理模塊中使用了DACluster數(shù)據(jù)分析組件和數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型，能夠產(chǎn)生目標(biāo)信息與映射關(guān)系的數(shù)據(jù)集，并且附帶了各項(xiàng)各項(xiàng)校準(zhǔn)指標(biāo)的結(jié)果集，能夠在很多的任務(wù)要進(jìn)行計算的情況，對資源進(jìn)行限制，控制系統(tǒng)計算任務(wù)的最大并發(fā)量，并進(jìn)行延時錯峰運(yùn)行?；跈z測數(shù)據(jù)計算被測裝置的計量誤差，自動判斷計量裝置是否合格，可要求用戶要求定制各種格式的證書或校準(zhǔn)報告。讀數(shù)識別模塊用來獲取被測裝置的示數(shù)信息，對相機(jī)采集到的儀表示數(shù)圖像進(jìn)行圖像處理，并將得到的儀表示數(shù)信息傳輸?shù)较到y(tǒng)數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析，得到被測裝置的校準(zhǔn)和檢定結(jié)果。

1.2 自動校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件設(shè)計

該研究在檢定系統(tǒng)中硬件平臺中設(shè)計出切換板，用于檢定不同量程時自動切換標(biāo)準(zhǔn)源的量程。系統(tǒng)中檢定裝置與計算機(jī)進(jìn)行通訊實(shí)時反饋信號，控制電動執(zhí)行器以及氣動執(zhí)行器的動作。切換板的連接示意圖如圖2所示。

圖2：切換板的連接示意圖

圖2中輸出端的接線端子與標(biāo)準(zhǔn)源的量程對應(yīng)，前四個端子與數(shù)字式裝置量程輸入端連接。檢定裝置中選用STM32F407ZGT6 芯片作為控制單元，內(nèi)部包含了3個12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個DMA控制器、16 位/32 位的定時器和串口調(diào)試接口，外部接口包括了USB、RS232、RS422、PCI等類型，可通過軟件功能配置為多種模式，同時I/O具有復(fù)用功能。檢定裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3：檢定裝置的硬件結(jié)構(gòu)

圖3中電源模塊中采用了LM2576HVSX-ADJ直流降壓芯片和LD1117DT33CTR低壓差穩(wěn)壓器，通過壓降芯片將直流12V降為直流5V，再經(jīng)過穩(wěn)壓器輸出3.3V，使電源模塊滿足裝置其他模塊的電壓需求。通信模塊中使用了PROFIBUS通信芯片，具有串行處理器接口和同步總線模式，通過物理接口單元將異步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。主控計算機(jī)發(fā)出IO量信號與檢定裝置進(jìn)行通訊，對控制板內(nèi)部開關(guān)的通道進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)工作模式的轉(zhuǎn)換?？刂瓢鍍?nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4：控制板內(nèi)部結(jié)構(gòu)

檢定裝置的數(shù)據(jù)通道與控制板的輸入輸出接口對應(yīng)連接，每個IO量控制內(nèi)部對應(yīng)的繼電器。控制板的六個輸入量程端子與標(biāo)準(zhǔn)源的輸出端對應(yīng)，連接標(biāo)準(zhǔn)源與鑒定裝置，控制板的工作狀態(tài)接口與數(shù)字式電力儀表的對應(yīng)量程接口連接，通過控制板能夠檢定到計量裝置的所有量程，從而避免了在檢定過程中進(jìn)行手動切換。

1.3 基于模態(tài)分解和門控循環(huán)單元的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型

被檢定裝置的計量誤差具有較大的不確定性和隨機(jī)性，影響了模型的校準(zhǔn)精度，簡單的數(shù)據(jù)處理方式很難提取深層的數(shù)據(jù)特征。該研究對具有隨機(jī)性以及非平穩(wěn)性的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分解，被分解為具有不同模態(tài)的分量，分別輸入到門控循環(huán)單元中，通過特征學(xué)習(xí)得到模型最終的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并加入不確定性度量方法，被檢定的計量設(shè)備的原始數(shù)據(jù)的不確定性度量，優(yōu)化數(shù)據(jù)特征提取模塊的參數(shù)。數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5：數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)

圖5中通過模態(tài)分解得到多個個固有模態(tài)函數(shù)，分解得到的高頻分量表示數(shù)據(jù)中受隨機(jī)因素影響較大的部分，再以多通道的形式分別輸入到門控循環(huán)單元的參考數(shù)據(jù)特征提取模塊中。數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型中被檢定裝置的校準(zhǔn)參數(shù)包括了括交/直流電壓、交/直流電流、電阻、有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)等，進(jìn)行的歸一化處理可表示為：

式（1）中max(e)、min(e)表示模型中輸入的設(shè)備校準(zhǔn)數(shù)據(jù)最大值、最小值，t表示校準(zhǔn)時間，通過公式（1）模型對輸入的裝置校準(zhǔn)信息進(jìn)行預(yù)處理。模型在衡量校準(zhǔn)信息中各因素之間的線性相關(guān)關(guān)系，并對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)估計，相關(guān)性系數(shù)可表示為：

式（3）中Y表示校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的模態(tài)分量，X、y表示輸入的各項(xiàng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)樣本，F(xiàn)表示映射函數(shù)，δ表示固有模態(tài)系數(shù)，w、o表示模型的最優(yōu)參數(shù)值，通過公式（3）對經(jīng)過預(yù)處理的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分解。在檢定過程中，電流測量裝置測量的幅值誤差與時間參數(shù)誤差可表示為：

式（4）中F表示被檢定電流測量裝置的標(biāo)稱刻度因數(shù)，F(xiàn)表示被檢定電流測量裝置的實(shí)測刻度因數(shù)，T表示被檢定電流測量裝置測得的時間參數(shù)，T表示標(biāo)準(zhǔn)測量裝置測得的時間參數(shù)，通過公式（4）計算出測量誤差。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的不確定度可表示為：

2 實(shí)驗(yàn)測試

該研究進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試檢驗(yàn)系統(tǒng)和算法的有效性，在搭建完系統(tǒng)的硬件平臺并編寫好軟件之后，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中對系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合測試。實(shí)驗(yàn)計算機(jī)的處理器使用Intel kurui i5 12600KF，內(nèi)存使用HyperX Predator 5GB DDR4 3200，硬盤使用1000GB RD20。實(shí)驗(yàn)環(huán)境架構(gòu)如圖6所示。

圖6：實(shí)驗(yàn)環(huán)境架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境中計算機(jī)與檢定平臺中控制器、標(biāo)準(zhǔn)源等設(shè)備進(jìn)行連接，并連接電動執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)試的接口，標(biāo)準(zhǔn)源控按照系統(tǒng)設(shè)定程序?qū)z定儀表輸入對應(yīng)電壓值、電流值、電阻值。檢定平臺中各設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1：檢定平臺設(shè)備參數(shù)

從系統(tǒng)中存儲的電力儀表校準(zhǔn)信息中中抽取部分樣本作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集

在檢定過程中控制被檢定設(shè)備的量程線路，并對數(shù)字式儀表的示數(shù)進(jìn)行自動識別，選取文獻(xiàn)與文獻(xiàn)方法作為對比，稱之為方法1和方法2。實(shí)驗(yàn)過程中標(biāo)準(zhǔn)源的電壓輸出范圍為0~3000mv，各方法在檢定過程中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3中的各方法的計量數(shù)據(jù)可知，標(biāo)準(zhǔn)源的輸出電壓超過1500mv時，方法1和方法2的計量誤差逐漸增加，方法1得出的檢定校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的計量誤差最大為5.6mv，方法2的計量誤差最大為6.0mv，在檢定過程中儀表的讀數(shù)錯誤也會導(dǎo)致計量誤差的增加。該研究方法的計量誤差較小，標(biāo)準(zhǔn)源輸出電壓小于1000mv時，該研究方法的計量誤差為0，輸出電壓大于2000mv時計量誤差最大為0.5mv。對同一計量裝置進(jìn)行五組測試，每組實(shí)驗(yàn)時間為30s，計算出各方法的計量準(zhǔn)確率如圖7所示。

圖7：計量準(zhǔn)確率

表3：檢定校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該研究方法在同一標(biāo)準(zhǔn)源的情況下的數(shù)據(jù)計量正確率最高，并且能夠避免數(shù)據(jù)隨機(jī)性對計量精度的影響。其中方法1在第二組實(shí)驗(yàn)中的計量正確率最小為88.2%，在第四組實(shí)驗(yàn)中的計量正確率最大為97.2%。方法2整體的計量正確率不超過97%，其中正確率最小為89.2%，在第二組實(shí)驗(yàn)中的正確率最大為96.1%。

該研究方法的計量正確率都大于96%，其中在第三組實(shí)驗(yàn)中的計量正確率最小為98.2%，在第二組的正確率最大為99.9%，該研究方法能夠準(zhǔn)確計量和自動識別到儀表讀數(shù)信息，系統(tǒng)的校準(zhǔn)效果更加精確。

在數(shù)據(jù)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，利用MATLAB軟件編寫數(shù)據(jù)校準(zhǔn)算法程序，構(gòu)建數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型，原始數(shù)據(jù)為設(shè)備檢定過程中輸出的計量參數(shù)，加擾后的數(shù)據(jù)作為異常采樣數(shù)據(jù)，輸入的數(shù)據(jù)樣本最大為600，實(shí)驗(yàn)時間設(shè)定為400s，計算各方法數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的均方誤差，對比方法的誤差如圖8所示，該研究方法的誤差如圖9所示。

圖8：對比方法的誤差

圖9：該研究方法的誤差

圖8中方法1校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的均方誤差最大為0.5，樣本數(shù)量在0~200范圍內(nèi)時，實(shí)驗(yàn)時間超過300s時，方法1的均方誤差在0.3以上，樣本數(shù)量在300~600之間時，方法1的均方誤差小于0.2。方法2的均方誤差不超過0.45，實(shí)驗(yàn)時間超過200s后校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的均方誤差達(dá)到0.2以上。

由圖9可知，該研究方法的均方誤差最大為0.4，樣本數(shù)量在200個以上時，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的均方誤差較低到0.2以下，樣本數(shù)量在[300,500]區(qū)間內(nèi)時，實(shí)驗(yàn)時間小于100s，該研究方法的均方誤差不超過0.1，表示校準(zhǔn)后數(shù)據(jù)誤差得到有效降低，該研究方法能夠有效校準(zhǔn)數(shù)字式計量設(shè)備。

3 結(jié)論

該研究設(shè)計出數(shù)字式多功能標(biāo)準(zhǔn)裝置的自動化校準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)字多用表和三相計量裝置的檢定和校準(zhǔn)，并支持多種計量模式滿足多種類型計量裝置的檢定，對校準(zhǔn)結(jié)果自動判定，并自動化生成檢定設(shè)備的校準(zhǔn)文檔。數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型中通過模態(tài)分解的方法，將原始數(shù)據(jù)分解為不同模態(tài)的分量，再將各個分量分別輸入到門控循環(huán)單元中，在時間維度上進(jìn)行特征提取，并考慮到校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的不確定度，從校準(zhǔn)數(shù)據(jù)中讀取到的參考數(shù)據(jù)特征，通過特征學(xué)習(xí)輸出最終的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

該研究系統(tǒng)還有一些不足需要解決與研究，設(shè)計的檢定裝置計量精度還有待提高，在后續(xù)的研究中需要對硬件設(shè)計進(jìn)行更多的優(yōu)化，使系統(tǒng)兼容更多類型的電力計量裝置。