智能電能表需量自動(dòng)化檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：2022年電科院針對(duì)電能表需量功能提出了更高規(guī)格要求，而現(xiàn)階段的需量檢測(cè)工作大多停留在人工檢測(cè)階段，效率低，耗時(shí)長(zhǎng)。為提高檢測(cè)效率、節(jié)省時(shí)間成本，針對(duì)其自動(dòng)化檢測(cè)方法展開(kāi)研究，從需量的功能測(cè)試需求入手設(shè)計(jì)需量自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，利用自動(dòng)化軟件替代人工，通過(guò)電能表檢定裝置進(jìn)行電能表的精準(zhǔn)控源操作，完成與電能表的數(shù)據(jù)交互，通過(guò)執(zhí)行結(jié)果與預(yù)期結(jié)果的比較實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的判斷。通過(guò)驗(yàn)證，該自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)能夠節(jié)省大量檢測(cè)時(shí)間，且隨著測(cè)試表計(jì)數(shù)量的增加，與傳統(tǒng)人工測(cè)試相比，該系統(tǒng)效益也相應(yīng)大幅提升。目前該需量自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)已初步達(dá)到設(shè)計(jì)目的，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的人機(jī)交互，降低了測(cè)試時(shí)間成本、提高了檢測(cè)效率。

關(guān)鍵詞：智能電能表；控源操作；滑差時(shí)間；需量自動(dòng)化檢測(cè)；RS 485；STM32F207

中圖分類(lèi)號(hào)：TP332.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）08-000-07

0 引 言

隨著電力事業(yè)的高速發(fā)展，智能電能表成為智能電網(wǎng)建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)備，對(duì)于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化具有重要支撐作用[1]，這也使得智能電表的功能相較于以往有了大幅擴(kuò)展，其中需量計(jì)量是電能計(jì)量的一個(gè)重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，電能表能否準(zhǔn)確進(jìn)行需量計(jì)量直接關(guān)系到國(guó)家電網(wǎng)和客戶(hù)的經(jīng)濟(jì)利益。2022年之前對(duì)于需量計(jì)量的計(jì)算并沒(méi)有明確的規(guī)定，各廠(chǎng)家大多采用功率法測(cè)量或者電能法測(cè)量，需量測(cè)試工作只能依靠各電表廠(chǎng)家的測(cè)試人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工測(cè)試[2]。

根據(jù)電科院發(fā)布的《關(guān)于電能表需量、開(kāi)表蓋事件等功能的補(bǔ)充說(shuō)明》，自2022年第一批次起，智能電能表及智能物聯(lián)電能表需量的測(cè)量必須采用電能法測(cè)量，對(duì)于需量的功能也進(jìn)行了規(guī)范具體的要求。需量功能的復(fù)雜性對(duì)智能電表的檢測(cè)過(guò)程提出了更高的要求，為了確保電能表需量功能的正常運(yùn)行，需要進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有的測(cè)試方法[3]。目前對(duì)于智能電能表的需量功能檢測(cè)大多還是傳統(tǒng)的人工檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，效率低，且依賴(lài)于檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)，可靠性不足[4]。本文擬設(shè)計(jì)一種智能電能表自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使得檢測(cè)人員能夠根據(jù)具體要求進(jìn)行需量檢測(cè)方案的配置，并進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試，大幅提高了檢測(cè)效率[5-6]。

1 需求分析

需量即規(guī)定周期內(nèi)的平均功率，2022年前計(jì)算需量大多采用功率法，現(xiàn)在電科院規(guī)定電能表使用電能法計(jì)量需量，即通過(guò)需量周期內(nèi)的電能量來(lái)計(jì)算需量。兩者可以通過(guò)需量周期內(nèi)功率的變化進(jìn)行有效的測(cè)試區(qū)分，例如需量周期為15 min，某用戶(hù)電表前10 min正向有功功率為60 kW，后

5 min功率為0，總電量10 kW·h，使用功率法計(jì)算周期內(nèi)需量為40 kW，使用電能量法計(jì)算周期內(nèi)需量為60 kW。由上述描述可知，檢測(cè)人員可以通過(guò)嚴(yán)格控制電能表的電壓、電流以及通電時(shí)間，達(dá)到需量功能測(cè)試的目的。

與需量相關(guān)的概念有最大需量、需量周期、滑差時(shí)間等。完整的需量功能測(cè)試涉及時(shí)鐘調(diào)整、時(shí)段轉(zhuǎn)換、需量周期變更、功率潮流方向轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)空間等，這就要求檢測(cè)系統(tǒng)能夠與電表通信以便設(shè)置表內(nèi)參數(shù)，獲取表內(nèi)數(shù)據(jù)。此外，考慮到不同地區(qū)或者不同批次的電能表需量功能要求可能存在部分差異，且不同檢測(cè)人員對(duì)同一功能要求的測(cè)試方法也存在不同，因此檢測(cè)方案應(yīng)靈活多變，易于測(cè)試人員創(chuàng)建、修改，以滿(mǎn)足不同場(chǎng)景需求。針對(duì)上述內(nèi)容做出以下需求分析：

（1）電能表控源：實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表電壓、電流、相位角以及通電時(shí)間的高度控制；

（2）電能表通信：實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)軟件與電能表的通信控制；

（3）測(cè)試方案簡(jiǎn)易化：應(yīng)盡可能降低檢測(cè)人員學(xué)習(xí)操作自動(dòng)檢測(cè)軟件的成本，測(cè)試方案應(yīng)易于檢測(cè)人員創(chuàng)建、修改和調(diào)整；

（4）數(shù)據(jù)分析：測(cè)試軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表返回?cái)?shù)據(jù)的比較與判斷。

2 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)原理及構(gòu)成

2.1 基本原理

電能表需量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)基本原理如圖1所示，主要由電能表檢定裝置、自動(dòng)檢測(cè)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)組成。電能表檢定裝置主要負(fù)責(zé)對(duì)電能表的控源，并通過(guò)RS 485與電能表建立下行通信，通過(guò)串口線(xiàn)與自動(dòng)檢測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)上行通信。自動(dòng)檢測(cè)軟件是系統(tǒng)的核心，需要進(jìn)行電能表檢定裝置的控制，如電能表數(shù)據(jù)協(xié)議的解析，電能表檢測(cè)方案的建立、管理、執(zhí)行；數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)檢測(cè)方案數(shù)據(jù)。

2.2 電能表檢定裝置原理概述

電能表檢定裝置可采用涵普電力科技有限公司出品的PTC-8320電能表三相檢測(cè)臺(tái)，原理如圖2所示，實(shí)物如圖3所示。它由一體化的數(shù)字合成信號(hào)源，高穩(wěn)定度的功率源，過(guò)載自動(dòng)保護(hù)電路以及電流、電壓輸出變換電路和多功能標(biāo)準(zhǔn)電能表，分布式誤差計(jì)算器等組成[7]。信號(hào)源采用國(guó)際先進(jìn)的STM32F207高速處理芯片，信號(hào)源產(chǎn)生的三相電壓和電流信號(hào)，分別通過(guò)各自的反饋補(bǔ)償調(diào)整電路送到電壓功放和電流功放進(jìn)行功率放大。電壓信號(hào)經(jīng)電壓輸出變壓器升壓后送到被校表和標(biāo)準(zhǔn)電能表。電流信號(hào)通過(guò)升流變壓器升流后由裝置的電流輸出端子輸出，串接各被校表電流線(xiàn)圈后回到升流器。輸出電壓、電流信號(hào)經(jīng)電流、電壓反饋采樣互感器采樣，反饋回補(bǔ)償調(diào)整電路[8]。校驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)保證了電壓、電流、相位精度、調(diào)節(jié)細(xì)度和穩(wěn)定性，可以滿(mǎn)足需量功能測(cè)試時(shí)對(duì)電能表的精確控源操作要求。

2.3 自動(dòng)檢測(cè)軟件

自動(dòng)檢測(cè)軟件是測(cè)試系統(tǒng)的核心，通過(guò)電能表698.45協(xié)議發(fā)送、接收和解析數(shù)據(jù)，完成與電能表的通信，通過(guò)檢定裝置動(dòng)態(tài)庫(kù)接口的處理完成對(duì)檢定裝置各相位電壓、電流以及相位角的控制工作等，其應(yīng)用界面如圖4所示。軟件最主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互，為了方便方案的配置與執(zhí)行，本項(xiàng)目軟件將方案的配置設(shè)置為四個(gè)級(jí)別，如圖5所示，從上往下依次為：測(cè)試方案、功能類(lèi)別、功能項(xiàng)目、測(cè)試單項(xiàng)。

測(cè)試方案級(jí)別最高，也是整個(gè)需量功能的完整測(cè)試，可以滿(mǎn)足不同地區(qū)不同要求的需量測(cè)試功能，比如地區(qū)1需量測(cè)試，地區(qū)2需量測(cè)試。

功能類(lèi)別是需量中具體的功能劃分，比如：時(shí)鐘調(diào)整對(duì)需量的影響等。

測(cè)試單項(xiàng)是最小的獨(dú)立測(cè)試項(xiàng)目，比如在時(shí)鐘調(diào)整對(duì)需量影響這一功能類(lèi)別中可以存在向未來(lái)校時(shí)、向歷史校時(shí)、向未來(lái)跨分鐘校時(shí)等情況。

測(cè)試單項(xiàng)是最小執(zhí)行單元，針對(duì)的是具體的執(zhí)行步驟，可分為兩大類(lèi)，一是對(duì)電能表檢定裝置的控制，比如控制電能表檢定裝置的初始化、電壓、電流輸出等；二是與電能表的通信，比如設(shè)置電能表最大需量周期、讀取電能表當(dāng)前需量等。與電能表通信配置界面如圖6所示，配置界面完全參考698.45面向?qū)ο髤f(xié)議規(guī)范，列出所有接口類(lèi)對(duì)象，且對(duì)每一對(duì)象均可進(jìn)行請(qǐng)求讀取對(duì)象屬性（GET-Request）、請(qǐng)求設(shè)置對(duì)象屬性（SET-Request）和請(qǐng)求操作對(duì)象方法（ACTION-Request）等操作，配置人員只需了解698.45協(xié)議即可進(jìn)行檢測(cè)方案的配置；對(duì)于讀取類(lèi)的測(cè)試單項(xiàng)，可以對(duì)電能表返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行定值比較或者范圍內(nèi)比較，且每個(gè)單項(xiàng)都可以在單項(xiàng)結(jié)束后選擇延時(shí)等待，以便控制電能表電壓、電流、通電時(shí)間和對(duì)表內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

進(jìn)行方案配置時(shí)首先應(yīng)配置測(cè)試單項(xiàng)，每個(gè)測(cè)試單項(xiàng)子類(lèi)配置后會(huì)置于測(cè)試單項(xiàng)這一大類(lèi)中；然后選擇合適的測(cè)試單項(xiàng)子類(lèi)進(jìn)行排列組合，完成功能項(xiàng)目的配置，同樣地，功能類(lèi)別由若干個(gè)功能項(xiàng)目組成，而完整的測(cè)試方案由若干功能類(lèi)別組成。為了方便方案的修改，在功能項(xiàng)目中可以對(duì)其測(cè)試單項(xiàng)進(jìn)行獨(dú)立修改而不影響測(cè)試單項(xiàng)大類(lèi)中的子項(xiàng)。

方案配置完畢后即可執(zhí)行方案測(cè)試，方案執(zhí)行界面如

圖7所示。若測(cè)試單項(xiàng)執(zhí)行失敗或讀取到的表內(nèi)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，不符合預(yù)設(shè)比較值，則單項(xiàng)報(bào)錯(cuò)并繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。

3 自動(dòng)化測(cè)試方案及應(yīng)用效果

3.1 測(cè)試方案

國(guó)網(wǎng)對(duì)于需量功能的要求是最基本的要求，不同地區(qū)方案的表計(jì)對(duì)于需量功能的要求大多是延續(xù)國(guó)網(wǎng)的要求或者是在此基礎(chǔ)上額外提出其他特殊需求，此外，每一款表計(jì)都需要通過(guò)國(guó)網(wǎng)送檢才可進(jìn)行后續(xù)投標(biāo)，因此本項(xiàng)目針對(duì)國(guó)網(wǎng)有關(guān)需量功能的要求將需量的檢測(cè)分為七個(gè)功能大類(lèi)：需量測(cè)量方法的驗(yàn)證、當(dāng)前需量和需量緩存空間的驗(yàn)證、最大需量周期及滑差時(shí)間驗(yàn)證、最大需量連續(xù)性驗(yàn)證、需量重新計(jì)量驗(yàn)證、需量結(jié)算日凍結(jié)驗(yàn)證、校時(shí)對(duì)需量影響驗(yàn)證。通過(guò)以上測(cè)試即可滿(mǎn)足國(guó)網(wǎng)送檢的要求。自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)原理主要是模擬檢測(cè)人員對(duì)電表進(jìn)行控源和數(shù)據(jù)交互，通過(guò)執(zhí)行結(jié)果與預(yù)期結(jié)果的比較實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的判斷。流程如圖8～圖15所示。

3.2 應(yīng)用效果

進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試的主要目的是提升檢測(cè)效率，節(jié)省檢測(cè)時(shí)間。該系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)網(wǎng)送檢需量功能的測(cè)試，人工測(cè)試時(shí)長(zhǎng)和自動(dòng)化測(cè)試時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比可通過(guò)公式（1）進(jìn)行計(jì)算，得出自動(dòng)化測(cè)試相對(duì)于人工測(cè)試的收益率S：

式中：Tr為人工測(cè)試時(shí)長(zhǎng)；Tz為自動(dòng)化測(cè)試時(shí)長(zhǎng)[9]。

經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)際驗(yàn)證，使用自動(dòng)化檢測(cè)和人工檢測(cè)兩種方法對(duì)單款表計(jì)的單項(xiàng)進(jìn)行相同要求的功能測(cè)試，其測(cè)試時(shí)長(zhǎng)和收益率結(jié)果見(jiàn)表1。

對(duì)于單只表計(jì)的檢測(cè)，在理論情況下自動(dòng)化測(cè)試需要446 min，人工檢測(cè)需要505 min，收益率僅為12%，看似收益不大，但實(shí)際上由于需量功能的檢測(cè)對(duì)于時(shí)間的要求極為嚴(yán)格，人工測(cè)試極易出現(xiàn)差錯(cuò)而導(dǎo)致復(fù)測(cè)情況出現(xiàn)，因此即使是熟練的檢測(cè)人員對(duì)于上述需量功能的測(cè)試實(shí)際需要兩個(gè)工作日才能完成，而自動(dòng)化測(cè)試則有效保證了數(shù)據(jù)的可靠性，理論時(shí)間即為實(shí)際時(shí)間。檢測(cè)往往是對(duì)多款樣品多只表計(jì)進(jìn)行測(cè)試，而自動(dòng)化測(cè)試的最大優(yōu)勢(shì)是可以同時(shí)對(duì)多只表計(jì)進(jìn)行測(cè)試，最大化提高測(cè)試效率。多只表計(jì)的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)見(jiàn)表2。

隨著測(cè)試表計(jì)數(shù)量的增加，自動(dòng)化測(cè)試的時(shí)間優(yōu)勢(shì)愈加明顯，收益率逐漸增大，極大地提高了檢測(cè)效率。

4 創(chuàng)新點(diǎn)和應(yīng)用價(jià)值

隨著電科院《關(guān)于電能表需量、開(kāi)表蓋事件等功能的補(bǔ)充說(shuō)明》的發(fā)布，需量功能的測(cè)試變得更加繁瑣細(xì)致，但目前對(duì)于電能表需量的功能測(cè)試主要依賴(lài)于人工測(cè)試，耗時(shí)耗力，需量自動(dòng)化測(cè)試代替了檢測(cè)人員的重復(fù)勞動(dòng)，使得其從手工測(cè)試中解放出來(lái)，大幅提高了檢測(cè)效率、節(jié)約了檢測(cè)成本，且可有效避免測(cè)試中的人為錯(cuò)誤，增強(qiáng)了需量測(cè)試的可靠性，提高了測(cè)試的質(zhì)量。

大多數(shù)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試項(xiàng)目以及測(cè)試方法固定，不能隨意增加刪減測(cè)試項(xiàng)目和步驟，因此難以適配各種特殊要求。本系統(tǒng)測(cè)試人員可根據(jù)自己的想法思路創(chuàng)建專(zhuān)屬的測(cè)試方案，滿(mǎn)足用戶(hù)需要。

自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的方案配置采用四級(jí)結(jié)構(gòu)，每一級(jí)方案步驟都可以重復(fù)調(diào)用進(jìn)行組合排列，形成新的測(cè)試方案，極大地增強(qiáng)了方案的靈活性、通用性，方便檢測(cè)人員對(duì)方案的創(chuàng)建修改，避免同一項(xiàng)目重復(fù)配置，節(jié)省了大量時(shí)間[10]。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述的電能表需量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)采用電能表檢定裝置作為控源設(shè)備，并使用698.45面向?qū)ο蟮挠秒娦畔?shù)據(jù)交換協(xié)議完成與電能表的通信，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)系統(tǒng)與檢定裝置和電能表的交互，使得本系統(tǒng)能夠完成對(duì)電能表的控源，以及表內(nèi)參數(shù)的設(shè)置與獲取等基本功能，配合系統(tǒng)內(nèi)的檢測(cè)方案可實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表需量功能的自動(dòng)化測(cè)試。本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用可大幅降低需量測(cè)試的時(shí)間成本，解放人工勞動(dòng)力，提高需量測(cè)試的效率，增強(qiáng)需量測(cè)試的可靠性。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)初步驗(yàn)證已達(dá)到了設(shè)計(jì)的基本目的。

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