基于FPGA技術(shù)的導(dǎo)軌式電能表檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉麗丹

福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建福州，350003

0 引言

本裝置依據(jù)《交流電能表檢定裝置檢定規(guī)程》（JJG 597—2005），采用FPGA技術(shù)將電路芯片由程控組成系統(tǒng)中的誤差計(jì)數(shù)電路，控制所需的I/O口，產(chǎn)生電壓、電流信號(hào)的數(shù)字控制電路等，設(shè)計(jì)一套導(dǎo)軌式電能表檢測(cè)裝置方案，滿足單相導(dǎo)軌式電能表的檢測(cè)需求，檢測(cè)項(xiàng)目符合《電子式交流電能表檢定規(guī)程》（JJG 596—2012）、《安裝式交流電能表型式評(píng)價(jià)大綱》（JJF 1245—2019）和《電測(cè)量設(shè)備（交流）》（GB/T 17215—2021）等系列標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)的計(jì)量要求，以及《多功能電能表通信規(guī)約》（DL/T 645—2017）中通信協(xié)議技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)、不同規(guī)格和不同接線方式的各類單相導(dǎo)軌式電能表的檢測(cè)[1]。

1 導(dǎo)軌式電能表工作原理

導(dǎo)軌式電能表是新一代微型智能電能表，按照接線方式分為直接接入式和經(jīng)互感器接入式，通常有單相制、三相三線制和三相四線制，是一種使用導(dǎo)軌安裝，由測(cè)量單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元、顯示單元等組成的電子式交流電能表，主要采用高質(zhì)量、專為電能表設(shè)計(jì)的專用元器件，應(yīng)用數(shù)字處理技術(shù)及SMT工藝，采用具有寬視角、高對(duì)比度的LCD顯示屏顯示。電能表工作原理如圖1所示，以專用計(jì)量芯片+MCU方式為例實(shí)現(xiàn)計(jì)量。計(jì)量單元中的電壓采樣時(shí)可采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)或電壓互感器方式，電阻分壓是指多個(gè)電阻串聯(lián)，將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓后再通過(guò)濾波電路送入電能計(jì)量芯片的電壓通道[2]。計(jì)量單元中的電流采樣是將電流經(jīng)錳銅分流器或電流互感器，即將大電流轉(zhuǎn)換為小電流，再通過(guò)濾波電路后轉(zhuǎn)換成合適的電壓信號(hào)送入電能計(jì)量芯片的電流通道，將電壓和電流經(jīng)過(guò)乘法器計(jì)算得到瞬時(shí)功率，通過(guò)P/f變換器將該功率轉(zhuǎn)換成脈沖，脈沖經(jīng)過(guò)累積計(jì)算電能。

圖1 導(dǎo)軌式電能表工作原理圖

目前市面上較少有專門(mén)用于導(dǎo)軌式檢測(cè)的裝置，大部分此類電表采用常規(guī)單三相電子式電能表檢定裝置開(kāi)展檢測(cè)工作，但存在以下問(wèn)題。（1）由于導(dǎo)軌式電能表與單相智能電能表端口電路接線方式存在較大差異，使用現(xiàn)有設(shè)備需人工進(jìn)行裝表、手工接線，線路繁雜，易接錯(cuò)，電流接線端子口徑不一致。（2）電路復(fù)雜，人工接線煩瑣易錯(cuò)，造成一次性檢測(cè)電表的數(shù)量較少，軟件的自動(dòng)化程度低，檢測(cè)完成后拆表煩瑣，檢測(cè)效率低，無(wú)法滿足檢測(cè)需求。（3）導(dǎo)軌式電能表無(wú)法與壁掛式的檢定臺(tái)體相匹配，容易造成設(shè)備損壞，甚至危及操作人員安全。本裝置依據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)、不同規(guī)格和不同接線方式的各類單相導(dǎo)軌式電能表的檢測(cè)。

2 裝置主要工作原理

如圖2所示，裝置主要由高穩(wěn)定性的單相程控源、高精度單相標(biāo)準(zhǔn)表、隔離電壓互感器、控制電路、多表位表架、誤差處理系統(tǒng)（電能誤差計(jì)算器）、通信適配器、計(jì)算機(jī)檢測(cè)軟件等部分組成。通過(guò)計(jì)算機(jī)檢測(cè)軟件或者鍵盤(pán)控制單相程控源可輸出任意單相電壓、電流、相位等電參數(shù)，通過(guò)誤差計(jì)算單元采集標(biāo)準(zhǔn)表的功率電能脈沖，同時(shí)誤差計(jì)算單元采集被校表脈沖，利用電能比較法算出誤差，經(jīng)控制中心送入計(jì)算機(jī)處理并顯示，并將結(jié)果顯示在相應(yīng)表位的誤差顯示窗口。表架采用全新的壓接技術(shù)匹配主流的35mm導(dǎo)軌接口，實(shí)現(xiàn)便攜式安裝，避免繁瑣的線路連接和安全隱患。系統(tǒng)檢測(cè)軟件采用C語(yǔ)言或VB編程語(yǔ)言等進(jìn)行開(kāi)發(fā)，根據(jù)導(dǎo)軌式電能表檢測(cè)項(xiàng)目要求，設(shè)計(jì)外觀檢查、啟動(dòng)試驗(yàn)、潛動(dòng)試驗(yàn)、基本誤差試驗(yàn)、走字試驗(yàn)等各種項(xiàng)目檢測(cè)方案，保存原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果給予判斷，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)和檢測(cè)結(jié)果，并可對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢以及導(dǎo)出。

圖2 導(dǎo)軌表檢測(cè)裝置原理圖

3 裝置主要技術(shù)指標(biāo)

裝置采用分體式設(shè)計(jì)，電源機(jī)柜主要包含工作電源電路、單相程控源、高精度標(biāo)準(zhǔn)電能表、監(jiān)控儀表，臺(tái)架主要包含掛表架、脈沖采集及誤差計(jì)算單元，以及時(shí)鐘基準(zhǔn)、通信線路等，安裝簡(jiǎn)單便捷，同時(shí)采用大屏幕液晶顯示器，操作智能化程度高。其技術(shù)參數(shù)主要為裝置精度等級(jí)：0.1級(jí)；標(biāo)準(zhǔn)表精度等級(jí)：0.1級(jí)；標(biāo)準(zhǔn)互感器精度等級(jí)：0.01級(jí)；校表數(shù)量：3表位；監(jiān)視儀表電壓、電流及功率準(zhǔn)確度：0.5級(jí)；電壓、電流波形失真度：≤0.5%；電壓輸出范圍：0～264V；電流輸出范圍：0～80A。

4 裝置測(cè)試項(xiàng)目

依據(jù)導(dǎo)軌式電能表相關(guān)技術(shù)要求，可開(kāi)展電流、電壓、功率因數(shù)等電參數(shù)測(cè)量，采用光脈沖或者電脈沖進(jìn)行有功電量或無(wú)功電量的誤差檢定或者校準(zhǔn)，起動(dòng)試驗(yàn)、潛動(dòng)試驗(yàn)均具有手動(dòng)和自動(dòng)檢定功能。通過(guò)配置測(cè)試軟件，能控制裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)各種導(dǎo)軌電能表的自動(dòng)測(cè)試，并將檢定結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，給出試驗(yàn)結(jié)論，并可隨時(shí)從數(shù)據(jù)中查詢。

5 裝置關(guān)鍵部件

5.1 單相程控源

單相程控源采用觸摸屏控制面板加按鍵，顯示信息量大，使用簡(jiǎn)單方便，用于產(chǎn)生高穩(wěn)定性的交流正弦電壓和電流信號(hào)，且輸出的頻率、相位及幅值在一定范圍內(nèi)可按需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用功率源和標(biāo)準(zhǔn)源及各表位的電壓并聯(lián)、電流串聯(lián)的方式，多塊表同時(shí)校驗(yàn)時(shí)，可將各塊表的電壓口路分別接入各自表位的電壓端子，電流回路串聯(lián)起來(lái)接入裝置，提供電壓值、電流值和相位值等，與單相多功能標(biāo)準(zhǔn)表配合使用，將功率源輸出的電壓、電流、功率、相位和頻率參數(shù)接入多功能標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果和誤差值在監(jiān)控儀表上直接顯示，以此監(jiān)視功率源的狀態(tài)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表電能值與被檢表電能值進(jìn)行比較計(jì)算電能誤差[3]。

5.2 標(biāo)準(zhǔn)電能表

標(biāo)準(zhǔn)電能表作為裝置的核心部件，主要用于電參數(shù)和電能誤差比較測(cè)量，采用采樣計(jì)算技術(shù)，將電壓和電流經(jīng)過(guò)高精度信號(hào)采樣電路和高精度、高速率轉(zhuǎn)換器，對(duì)電路中的電壓、電流的瞬時(shí)值進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，根據(jù)快速傅里葉變化和其他算法處理采集的數(shù)字信號(hào)，計(jì)算出電壓、電流、相位、相位差、有功功率、無(wú)功功率等參數(shù)，并計(jì)算出電壓、電流各諧波分量和失真率。標(biāo)準(zhǔn)表帶有軟件自適應(yīng)校準(zhǔn)，可以對(duì)誤差進(jìn)行校正。

5.3 誤差處理系統(tǒng)

電能誤差通常采用功率表法（也稱瓦秒法）或標(biāo)準(zhǔn)表法，其中瓦秒法主要是標(biāo)準(zhǔn)功率源輸出的恒定功率與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)器的時(shí)間進(jìn)行積分計(jì)算為實(shí)際的電能值，再與被檢電能表所累計(jì)的電能值相比較，可確定被檢電能表的誤差。而標(biāo)準(zhǔn)表法是將標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)得的電能值與被檢表測(cè)得的電能值進(jìn)行比較來(lái)確定被檢表的相對(duì)誤差，本裝置如圖3所示采用的是標(biāo)準(zhǔn)表法檢定電能表的電能誤差，采用高頻脈沖數(shù)預(yù)置法，在被檢電能表與標(biāo)準(zhǔn)表連續(xù)工作情況下，用被檢的電能表脈沖控制標(biāo)準(zhǔn)電能表的計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)算被檢電能表的相對(duì)誤差。

圖3 電能計(jì)量誤差檢測(cè)原理圖

在不同負(fù)載情況下，將接收到的被檢導(dǎo)軌表的電能脈沖所對(duì)應(yīng)的電能值與標(biāo)準(zhǔn)電能表的標(biāo)準(zhǔn)電能值進(jìn)行比較，通過(guò)計(jì)算得到被檢的導(dǎo)軌表在不同負(fù)載情況下的電能誤差值。采用電脈沖或者光脈沖進(jìn)行誤差測(cè)試，為避免外部接線錯(cuò)誤導(dǎo)致內(nèi)部線路損壞，在脈沖信號(hào)輸入端增加隔離模塊，再將信號(hào)送入誤差計(jì)算單元進(jìn)行處理。每個(gè)表位配置獨(dú)立的誤差處理器模塊，通過(guò)總線RS485通信方式將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偪刂颇K，實(shí)現(xiàn)各表位的誤差計(jì)算和誤差顯示。誤差計(jì)算公式如下：

式中：m——實(shí)測(cè)脈沖數(shù)；m0——算定（或預(yù)置）的脈沖數(shù)，按下式計(jì)算：

式中：N——被檢電能表脈沖數(shù)，C0——標(biāo)準(zhǔn)表的儀表常數(shù)，imp/kWh，K1、KU——標(biāo)準(zhǔn)表外接的電流電壓互感器變比。當(dāng)沒(méi)有外接電流、電壓互感器時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表外接的電流、電壓互感器變比K1和KU均為1。

5.4 不確定度評(píng)定

按照《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》（JJF 1059.1—2012）國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范，對(duì)所檢測(cè)參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果應(yīng)進(jìn)行不確定度評(píng)定，評(píng)定方法按照A類和B類分別得到不確定度分量，再將分量合成為標(biāo)準(zhǔn)不確定度，直接計(jì)算出擴(kuò)展不確定度。本項(xiàng)目電能計(jì)量檢測(cè)不確定度分量主要來(lái)源是測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)引入的不確定度，測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度按照10次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量，計(jì)算出被測(cè)量估計(jì)值的A類不確定度，B類不確定度根據(jù)單相程控源經(jīng)上級(jí)傳遞合格，估算誤差半寬a，根據(jù)uB=a/k，得出B類不確定度，則合成不確定度為，取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度U=k·uC。通過(guò)上述探討，實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)軌式電能表的檢測(cè)，保證導(dǎo)軌式電能表的計(jì)量準(zhǔn)確，滿足了使用者對(duì)導(dǎo)軌式電能表的量值溯源需求。

5.5 裝置掛表架

由于常規(guī)單相校驗(yàn)裝置與單相導(dǎo)軌式電能表的接線端子不匹配，易出現(xiàn)接線錯(cuò)誤、接觸不良等問(wèn)題，出現(xiàn)問(wèn)題又需要逐一排查，效率低，無(wú)法滿足日常的檢測(cè)需要，同時(shí)存在安全隱患。本裝置采用分體式設(shè)計(jì)，掛表架采用鋁合金的材質(zhì)制成，臺(tái)面采用防護(hù)阻燃材料，搭載大電流短接線，具備3個(gè)表位，每個(gè)表位具備外接的電壓電流接線端，采用35mm軌道設(shè)計(jì)，厚度1mm，軌道表面進(jìn)行抗氧化處理，將導(dǎo)軌表固定在軌道上，正面使用透明絕緣蓋將導(dǎo)軌表固定在掛表架上，表托采用全頂針壓接式，接觸頭采用內(nèi)部實(shí)心結(jié)構(gòu)，內(nèi)外2層設(shè)計(jì)，外層固定，內(nèi)層通過(guò)按鈕可滑動(dòng)，按鈕拔出時(shí)內(nèi)層接觸頭彈出接觸主端子的接線端，實(shí)現(xiàn)電壓、電流端子的自動(dòng)接駁，按鈕按下時(shí)內(nèi)層接觸頭縮回，與主端子的接線端分離，通過(guò)對(duì)接線柱的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，專門(mén)適用于導(dǎo)軌式電能表的端子接線方案，只需一次壓接，提高工作效率，同時(shí)滿足不同電流規(guī)格導(dǎo)軌表測(cè)試需要[4]。

5.6 檢測(cè)軟件

建立導(dǎo)軌表專用檢測(cè)方案，自動(dòng)完成外觀檢查、起動(dòng)試驗(yàn)、潛動(dòng)試驗(yàn)、誤差試驗(yàn)、走字試驗(yàn)，以及電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率試驗(yàn)等檢測(cè)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌式電能表檢測(cè)自動(dòng)化。檢測(cè)軟件與傳統(tǒng)裝置相比可大大減少人為因素對(duì)電能表檢定結(jié)果的影響，提高檢定結(jié)果的一致性，同時(shí)提高了電能表檢定的工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了人力成本，實(shí)現(xiàn)了電能表檢定的信息化與數(shù)據(jù)化管理[5]。

6 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)導(dǎo)軌式電能表的工作原理和技術(shù)要求，分析了檢測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件、技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)軟件，開(kāi)發(fā)一套適用于單相導(dǎo)軌式電能表的檢測(cè)裝置方案，可以有效地提高檢測(cè)的效率，降低人工成本。