多功能物聯(lián)網(wǎng)智能電能表檢測(cè)裝置的研發(fā)

劉 茵 劉超逸 檀亞鳳 張文彧 李英葵

一、引言

電能計(jì)量已向物聯(lián)網(wǎng)、智能方向發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)智能電能表主要是指電能表除了具備傳統(tǒng)電能表的計(jì)量功能之外，還具備物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)模塊。較為典型的物聯(lián)網(wǎng)智能電能表應(yīng)用藍(lán)牙通信功能，使電能表可以作為一個(gè)數(shù)據(jù)通道或數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，對(duì)電能表周圍環(huán)境實(shí)況或其他傳感器中數(shù)據(jù)進(jìn)行采集上傳，實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，形成基于電能計(jì)量的物聯(lián)網(wǎng)智慧業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景。目前，電能表現(xiàn)場(chǎng)多功能檢測(cè)裝置采用有線連接的RS485通信方式和脈沖輔助端子硬連線的方式，無(wú)法測(cè)試無(wú)弱電端子的物聯(lián)網(wǎng)智能電能表。物聯(lián)網(wǎng)智能電能表現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置的空白導(dǎo)致無(wú)法對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能電能表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，使得現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量監(jiān)督管理工作無(wú)法進(jìn)行，造成工作盲區(qū)和運(yùn)行隱患。

筆者研發(fā)一種基于藍(lán)牙通信協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)智能電能表檢測(cè)裝置，既可以在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試也可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，填補(bǔ)目前物聯(lián)網(wǎng)智能電能表藍(lán)牙通信功能無(wú)法檢測(cè)的不足，確保物聯(lián)網(wǎng)智能電能表符合技術(shù)規(guī)范規(guī)定的使用要求，全線性運(yùn)行精準(zhǔn)、穩(wěn)定、可靠，同時(shí)實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄、展示及導(dǎo)出，達(dá)到計(jì)量管理的規(guī)范化、自動(dòng)化和可視化。

二、研發(fā)目的與內(nèi)容

通過(guò)研發(fā)一種基于藍(lán)牙通信協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)智能電能表檢測(cè)裝置，整合現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀及藍(lán)牙測(cè)試功能，保留傳統(tǒng)的485 通信等接口，增加藍(lán)牙測(cè)量模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種不同通信方式的電能進(jìn)行通信測(cè)試，實(shí)現(xiàn)光電、脈沖、藍(lán)牙等模式下的計(jì)量檢測(cè)。該裝置既可對(duì)傳統(tǒng)電能表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，又可對(duì)新型物聯(lián)網(wǎng)智能電表開(kāi)展測(cè)試，填補(bǔ)物聯(lián)網(wǎng)智能電能表現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)的空白。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理說(shuō)明

物聯(lián)網(wǎng)智能電能表主要由計(jì)量芯、管理芯、LED 及藍(lán)牙模塊組成，物聯(lián)網(wǎng)智能電能表檢測(cè)裝置由光電頭、藍(lán)牙/脈沖轉(zhuǎn)換器以及現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀組成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1。檢測(cè)裝置采用7 寸工業(yè)級(jí)TFT 寬彩屏，觸摸加按鍵操作，支持中文輸入功能；具有兩路脈沖輸入，可同時(shí)檢測(cè)常數(shù)、工作方式及脈沖個(gè)數(shù)完全不同的兩路被檢脈沖；可測(cè)量互感器低壓變比和線路諧波分量；內(nèi)置藍(lán)牙模塊，帶USB 接口、RS232 接口，可上傳、拷貝檢測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

研發(fā)的檢測(cè)裝置采用高精度ADC 對(duì)電能表的電壓電流信號(hào)進(jìn)行采樣，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀使用精密DDS 信號(hào)源經(jīng)電壓、電流功放放大后，可向電能表提供穩(wěn)定的功率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電能表計(jì)量比對(duì)檢測(cè)。

研發(fā)的檢測(cè)裝置原理如圖2所示，通過(guò)電壓—電壓變換器及電流—電壓變換器將現(xiàn)場(chǎng)電能表所連接的電壓電流等信號(hào)比例變換為適合數(shù)據(jù)采集與處理模塊能接受的小信號(hào)并送入數(shù)據(jù)采集與處理模塊進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)數(shù)字化；通過(guò)DSP 按照交流采樣算法高速計(jì)算獲得電壓、電流、相位、頻率、功率（電能是功率對(duì)時(shí)間的累積，由于現(xiàn)有晶振技術(shù)非常容易達(dá)到量級(jí)，時(shí)間對(duì)電能測(cè)量的影響可以忽略）等電學(xué)參量，同時(shí)根據(jù)功率輸出電能脈沖信號(hào)供校準(zhǔn)使用；數(shù)據(jù)采集與處理模塊通過(guò)對(duì)AD 轉(zhuǎn)換采樣數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)計(jì)算處理，進(jìn)行諧波分析。同時(shí)對(duì)檢測(cè)裝置獲得的電流電壓相位等電參量進(jìn)行分析，判別電能表的接線情況。電能誤差檢測(cè)與處理模塊接收被試電能表的電能脈沖信號(hào)（包括老式機(jī)械電能表的人工模擬信號(hào)、光電采樣信號(hào)）進(jìn)行電能誤差計(jì)算，獲取在不同工況下電能表的計(jì)量誤差；工作電源為整機(jī)提供高質(zhì)量供電電源，采用從交流輸入電壓信號(hào)取電及內(nèi)置高性能電池供電相結(jié)合方式；通信檢測(cè)模塊具有采用藍(lán)牙、RS485、紅外通信、載波通信等通信方式的硬件接入能力，依據(jù)DL/T645 協(xié)議等相關(guān)電能表通信協(xié)議對(duì)電能表通信方面重要關(guān)鍵的一些功能進(jìn)行檢查的能力。

圖2 檢測(cè)裝置原理圖

研發(fā)的檢測(cè)裝置的藍(lán)牙主要工作有兩種模式：脈沖跟隨檢定模式和BLE 通信模式。

當(dāng)工作在脈沖跟隨檢定模式時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)智能電能表藍(lán)牙模塊處于接收狀態(tài)，檢測(cè)裝置的藍(lán)牙/脈沖接收器也處于接收狀態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)智能電能表計(jì)量芯的有功脈沖及多功能脈沖輸入至表內(nèi)的藍(lán)牙模塊I/O 上，每一次電平翻轉(zhuǎn)都觸發(fā)藍(lán)牙模塊產(chǎn)生一個(gè)外部中斷，此時(shí)藍(lán)牙模塊進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，開(kāi)啟脈沖傳輸窗口，將脈沖數(shù)據(jù)用無(wú)線射頻信號(hào)發(fā)送出去，并切換回接收狀態(tài)準(zhǔn)備接收ACK 應(yīng)答信號(hào)。檢測(cè)裝置的藍(lán)牙模塊接收到無(wú)線脈沖數(shù)據(jù)后，將無(wú)線脈沖數(shù)據(jù)還原成電脈沖信號(hào)，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后輸入到現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的I/O，以完成檢定。時(shí)序如圖3 所示。

圖3 脈沖跟隨檢定時(shí)序圖

當(dāng)工作在BLE 通信模式時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)智能電能表的藍(lán)牙模塊作為從機(jī)，發(fā)起廣播，等待主機(jī)進(jìn)行連接；檢測(cè)裝置的藍(lán)牙/脈沖轉(zhuǎn)換器作為主機(jī)，掃描廣播信息，請(qǐng)求連接從機(jī)。流程如圖4 所示。當(dāng)主機(jī)與從機(jī)進(jìn)行連接時(shí)，需要執(zhí)行藍(lán)牙服務(wù)發(fā)現(xiàn)過(guò)程，完整地執(zhí)行藍(lán)牙通信建立流程，便可執(zhí)行DL/T698.45 以及DL/T645 協(xié)議通信。

圖4 藍(lán)牙建立通信流程圖

四、檢測(cè)接線及方法

三相四線低壓電能表經(jīng)鉗表接入檢測(cè)裝置接線時(shí)，將電壓線首端的插棒按顏色分別接到檢測(cè)裝置面板相應(yīng)的A、B、C、N 電壓端子上，電壓線末端的鱷魚(yú)夾分別接到被測(cè)表表尾的A、B、C、N 相電壓線上；再將各相的鉗形互感器插到有相應(yīng)標(biāo)號(hào)的接口上，然后用鉗形互感器卡住對(duì)應(yīng)相的電流線即可，如圖5 所示。打開(kāi)檢測(cè)裝置開(kāi)關(guān)，先按照被測(cè)電能表參數(shù)將“參數(shù)設(shè)置”屏中相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置正確，即可進(jìn)入相應(yīng)的界面進(jìn)行測(cè)試。

圖5 三相四線低壓電能表經(jīng)鉗表接入檢測(cè)裝置接線圖

三相三線高壓電能表經(jīng)鉗表接入檢測(cè)裝置接線時(shí)，將電壓線首端的黃、綠、紅插棒分別接到檢測(cè)裝置面板相應(yīng)的A、N、C 電壓端子上（即黃色插棒接到電壓端子UA上，綠色插棒接到電壓端子UN上，紅色插棒接到電壓端子UC上，UB端子不接線），電壓線末端的黃、綠、紅鱷魚(yú)夾按顏色分別接到被測(cè)表表尾的A、B、C 三相電壓線上；再將A、C 兩相的鉗形互感器插到有相應(yīng)標(biāo)號(hào)的接口上，然后用鉗形互感器卡住對(duì)應(yīng)相的電流線即可，如圖6 所示。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)電能表無(wú)負(fù)荷或負(fù)荷很小影響測(cè)量時(shí)，可以使用負(fù)載盒。

圖6 三相三線高壓電能表經(jīng)鉗表接入檢測(cè)裝置接線圖

檢測(cè)時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)智能電能表藍(lán)牙模塊作為從機(jī)進(jìn)行廣播，等待主機(jī)與之相連，一旦建立連接，主機(jī)和從機(jī)之間便可進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的透明傳輸，脈沖信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙的2.4G 無(wú)線信道編碼后發(fā)送出去。通信時(shí)，檢測(cè)裝置的藍(lán)牙/脈沖轉(zhuǎn)換器作為主機(jī)，能掃描接收電能表藍(lán)牙模塊的廣播信號(hào)，發(fā)起連接，進(jìn)行DL/T698.45、DL/T645 數(shù)據(jù)通信。檢定時(shí)，檢測(cè)裝置將2.4G 無(wú)線信號(hào)解碼還原成脈沖信號(hào)，進(jìn)行誤差檢定。具體步驟如下：（1）檢測(cè)裝置錄入待測(cè)電能表通信地址；（2）復(fù)位藍(lán)牙/脈沖轉(zhuǎn)換器；（3）點(diǎn)擊連接待檢電能表，與待檢電能表的藍(lán)牙模塊建立連接；（4）連接成功后，可進(jìn)行廣播校時(shí)、抄讀電量等通信測(cè)試；（5）設(shè)定脈沖類型，比如有功、無(wú)功、秒脈沖等，點(diǎn)擊進(jìn)入脈沖檢定模式；（6）檢測(cè)裝置根據(jù)藍(lán)牙/脈沖轉(zhuǎn)換器的脈沖信號(hào)進(jìn)行誤差檢定；（7）檢定完成后，退出脈沖檢定模式或復(fù)位藍(lán)牙/脈沖轉(zhuǎn)換器。

五、技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

（一）基于藍(lán)牙現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)

創(chuàng)新性整合現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀及藍(lán)牙測(cè)試功能，采用藍(lán)牙BLE5.0 版本，功率消耗極低。研發(fā)的檢測(cè)裝置可進(jìn)行藍(lán)牙脈沖輸出狀態(tài)計(jì)量檢測(cè)、藍(lán)牙通信功能檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場(chǎng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能電能表檢測(cè)，填補(bǔ)了物聯(lián)網(wǎng)智能電能表現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)的空白，確保物聯(lián)網(wǎng)智能電能表符合技術(shù)規(guī)范的使用要求。

（二）集成多種測(cè)量模式為一體

研發(fā)的檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)光電、脈沖、藍(lán)牙等模式下的計(jì)量檢測(cè)，既可對(duì)傳統(tǒng)電能表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，又可對(duì)新型物聯(lián)網(wǎng)智能電能表進(jìn)行測(cè)試；保留傳統(tǒng)的485 通信等接口，增加藍(lán)牙測(cè)量模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種不同通信方式的電能表進(jìn)行通信測(cè)試，具備多場(chǎng)景應(yīng)用。同時(shí)，集成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源，現(xiàn)場(chǎng)可模擬實(shí)驗(yàn)室檢定電能表日計(jì)時(shí)誤差、走字誤差，為現(xiàn)場(chǎng)工作人員判斷電能表時(shí)鐘及電量累計(jì)的準(zhǔn)確性提供依據(jù)。

（三）高可靠性

研發(fā)的檢測(cè)裝置采用高精度采樣器件設(shè)計(jì)線性采集電路，能精準(zhǔn)、穩(wěn)定、可靠的全線性運(yùn)行，可記錄、顯示測(cè)試數(shù)據(jù)并可通過(guò)外接U 盤導(dǎo)出數(shù)據(jù)。增加功率源輸出功能，可提供穩(wěn)定功率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)外置功率源的情況下也能自帶負(fù)荷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量比對(duì)檢測(cè)。設(shè)計(jì)自校準(zhǔn)電路功能，可自動(dòng)調(diào)整檢測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)檢測(cè)裝置的示值加以修正，從而實(shí)現(xiàn)多功能物聯(lián)網(wǎng)智能電能表檢測(cè)裝置自校準(zhǔn)，確保檢測(cè)裝置測(cè)量值的長(zhǎng)期準(zhǔn)確性、可靠性。

六、成效應(yīng)用分析

（一）助力物聯(lián)網(wǎng)智能電能表推廣應(yīng)用，推進(jìn)檢測(cè)技術(shù)數(shù)字化發(fā)展

未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)智能電能表應(yīng)用的普及，將對(duì)用戶整體用電管理的方案設(shè)計(jì)有新突破，使數(shù)據(jù)采集的頻率極大提高，用電數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性、及時(shí)性、精細(xì)化得到了充分展現(xiàn)。多功能物聯(lián)網(wǎng)智能電能表檢測(cè)裝置是智能電表與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，以優(yōu)化、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的測(cè)量方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電能表、傳統(tǒng)電能表的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，保證電能表各項(xiàng)功能的可靠準(zhǔn)確、可溯源，為物聯(lián)網(wǎng)智能電能表擴(kuò)展功能的推廣應(yīng)用提供了基礎(chǔ)條件，為適應(yīng)計(jì)量檢測(cè)技術(shù)數(shù)字化發(fā)展提供有利支持。

（二）準(zhǔn)確判別電能表運(yùn)行情況，保證計(jì)量裝置穩(wěn)定可靠

研發(fā)的檢測(cè)裝置具備日計(jì)時(shí)誤差、走字誤差檢測(cè)、電量比對(duì)的功能，能對(duì)運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)智能電能表工況做有效、準(zhǔn)確的定性判別，保證物聯(lián)網(wǎng)智能電能表的運(yùn)行穩(wěn)定可靠。當(dāng)客戶提出驗(yàn)表申請(qǐng)，供電企業(yè)可直接使用研發(fā)裝置掛接在現(xiàn)場(chǎng)被驗(yàn)表旁，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)誤差測(cè)量及長(zhǎng)時(shí)間電量比對(duì)、日計(jì)時(shí)誤差檢測(cè)，無(wú)需裝拆表，精簡(jiǎn)中間處理環(huán)節(jié)，提高客戶滿意度。

七、結(jié)語(yǔ)

多功能物聯(lián)網(wǎng)智能電能表檢測(cè)裝置的研發(fā)解決了傳統(tǒng)檢測(cè)裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能測(cè)試和人工接線操作復(fù)雜，自動(dòng)化、智能化程度不高，以及接線易出錯(cuò)存在安全隱患等問(wèn)題，填補(bǔ)目前物聯(lián)網(wǎng)智能電能表無(wú)法檢測(cè)藍(lán)牙功能的不足，確保智能電能表符合技術(shù)規(guī)范規(guī)定使用要求，為供電企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供了新的一種可靠手段，實(shí)現(xiàn)計(jì)量管理的規(guī)范化、自動(dòng)化和可視化，具備一定的經(jīng)濟(jì)效益和管理效益。