检定高压电能表的多表位误差计的设计

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摘要：本文介绍了一种多表位电能误差计的工作原理、软硬件设计、误差计算方法和实例，以标准表的脉冲输出作为多表位误差计的同源输入，扩展多表位检表。应用表明，该设计方案结构简单、准确度高，支持多个被检表的并行检定，提高生产效率，其精度满足高压电能表的整体检定要求。

[关键词]高压电能表 整体校验 多表位 误差计算

6～35kV直接接入式电能计量装置技术路线有多种，如采用传统电磁式电压互感器、电流互感器、电能表组成的高压电能计量箱，采用传统电磁式电压互感器和电流互感器小型化、二次侧增加计量模块组成的小型化高压电能表，或者采用电子式电流互感器、电阻/电容分压以及计量模块集成的一体化直接接入式高压电能表，本质上都是将三相电压、电流输入到此类高压计量装置，经过降压处理，实现电气量测量、电能计量和需量计算。2017年3月1日开始执行《GB/T32856-2016高压电能表通用技术要求》，近几年来逐渐发展成熟的一体化高压电能表（由装入同一壳体内的高压电流电压传感器、高压供电单元、电能计量单元、通信单元等组成）一直缺少电力行业的检定规程，但随着高压取电、整体计量和无线通信等一二次融合技术大量地应用于配电网的同期线损考核、高压计量和高压防窃电，相关的国家计量检定规程即将出台。

国内目前有多个厂家已经研制成功高压电能表整体误差检定装置，包括三相电能标准表、三相程控功率源、高压升压器及其电压互感器、高压升流器及其电流互感器，以及安装有检表软件的主控电脑。检定装置通过整体校验法既可以检定传统高压电能计量箱，也可以检定一体化高压电能表。另外，一体化高压电能表将电能计量单元与传感器统一设计，改变了传统计量连接方式，把高压、大电流通过传感器直接处理成可连接至计量模块的信号，减少了电压、电流信号的转换次数，降低了传感器输出容量，适合将这种技术方案的电能表作为一个整体进行计量检定。整体法校准高压电能计量装置具有直接、快速、准确的优点，是配网中高压电能计量装置量值传递方式的发展方向。

本文设计与实现了一种以并行方式同时检定多台被检高压电能表的多表位误差计，基于标准表法计算误差，因标准表与被检表处于同步状态，对电源稳定性要求大为放宽，只需要保证高压电压与电流互感器的精度。将高压电能表检定装置的标准表的脉冲输出接口连接此误差计的脉冲输入接口，由功率源输出相同的电压、电流经过高压升压器和高压升流器，再经过高压电压互感器、高压电流互感器反饋至标准表，多个被检表处于同一负荷条件，误差计接收多个被检表的电能脉冲，实时计算电能误差。误差计将标准表作为脉冲输入基准源，同时接收多个被检表的脉冲输入，两者进行比对，则可计算出多个被检表的电能误差。各个表位电能误差在液晶显示屏上直观显示，检表软件将定时抄读当前被检表的误差值在电脑上显示并存储。

1 多表位误差计硬件方案

1.1 高压电能表检定系统的组成

10kV高压电能表检定系统主要由高压电能表检定装置及其检表软件组成，如图1。本文论述的检定装置包括三相电能标准表CL311V5、三相程控功率源CL303、10kV高压升压器及其电压互感器、10kV高压升流器及其电流互感器、多表位误差计，检表软件运行在安装有Windows系统的主控电脑（PC机），通过三元件法升压与反馈、二元件法升流与反馈，控制输出最大电压10kV、最大电流600A及不同功率因数。

由检表软件通过RS232串口、无线模块向标准表、功率源、被检表发送与接收控制功率源、设置参数、抄读瞬时量和电能误差等命令，支持各种设备的通信协议，完成被检表在合相、分相时各个不同负载电流、功率因数的整体误差检定。

1.2 多表位误差计的硬件设计

多表位误差计包括机箱、主控模块、8个误差计算模块、电源模块、液晶显示屏、多无线脉冲输入、1路标准表脉冲输入、本地无线通信等，工作电源为220VAC。主控模块与多个误差计算模块统一采用处理器STM32F103和本地无线模块A7139，内部通过SPI总线连接，硬件结构组成框图参见图2。

本地无线选择微功率短距离无线通信技术以及点对点通信方式，被检高压电能表以无线脉冲的形式发出电能脉冲信号，误差计算模块接收到无线脉冲输出命令后，计算脉冲起止时间和脉冲个数，实现与常规低压电能表相同形式的标准表法进行校表、检表，获得整体电能计量的准确度。此种高电压分相计量电能脉冲输出实现技术，可在慢速通信方式下输出满足精度要求的电能脉冲，从而大幅降低设备的生产成本和设计难度，避免高压工作环境下要求较高的绝缘水平和较大的安全距离，有利于无线脉冲方式校表。

2 多表位误差计软件设计

2.1 主程序设计

多表位误差计完成相关参数配置、通信处理、误差计算和显示，电能误差计算流程详见图3。

各处理器运行嵌入式实时操作系统RT一Thread，主控模块以分布式架构与各个误差计算模块实现数据交互，满足多任务设计、任务调度、实时中断、内存管理等应用。手动检表时，操作人员通过触摸屏设置误差计和被检表的相关通信参数、计量参数;自动检表时，由检表软件自动完成参数校验与配置。

2.2 无线通信处理

多表位误差计的主控模块、误差计算模块各自连接一个无线模块，由于采用点对点通信，各个通信模块工作于不同的信道（最大32信道，可设），避免无线通信干扰。主控模块用于接收与应答检表软件对误差计的参数配置，如每个被检表的无线信道、脉冲接收地址、电表常数等。误差计算模块只接收被检表在本无线信道下传输的无线脉冲报文，每接收到1个包含纠错与校验的报文，则表示被检表输出1个脉冲，根据标准表和被检表的相关参数计算出电能误差。

2.3 误差计算方法

多表位误差计的电能误差计算原理和方法如下：

假定检定装置的高压电压互感器的电压变比为PT，高压电流互感器的电流变比为CT，高压脉冲常数为HC;每个表位被检表的电压变比为PT，、电流变比为CT;和高压侧脉冲常数为HC。

（1）检表软件根据PT，CT，和HC，计算出标准表对应的低压脉冲常数LC，并将LC，下发到标准表，标准表根据LC，产生的电能脉冲作为电能脉冲。

（2）检表软件将标准表参数（PT，CT，和HC，），以及各个表位被检表参数（PT、CT;和HC）同步下发到多表位误差计的主控模块。

（3）多表位误差计的主控模块将标准表参数和各表位被检表参数分发至各个误差计算模块。

（4）各个误差计算模块根据标准表参数和被检表参数，计算出被检表和标准表的低压侧脉冲常数比例R，该比例表示每当标准表输出1个电能脉冲，则理论上被检表需要输出R;个电能脉冲。

（5）误差计算模块收到标准表的基准电

能脉冲，则记录当标准表前脉冲的发生时刻T。若标准表起始脉冲时刻Tp的值为0，则.rl

To=Tg，标准表脉冲个数N，=0;否则标准表脉冲个数N，增加1，并计算平均脉冲时间Tpo

（6）误差计算模块收到各表位被检表的电能脉冲，则记录当被检表前脉冲的发生时刻Ti。若标准表起始脉冲时刻To的值为0，则To=Tn，标准表脉冲个数N;=0;否则标准表脉冲个数N;增加1，计算平均脉冲时间T，根据T;和R;计算出被检表对应标准表低压脉冲常数LC，时的平均脉冲时间T’。

（7）当N，和N;都不为0时，误差计算

模块会计算最近一次的误差值Err，计算完毕则令To=Tn，N，=0，To=T;，N;=0，返到第（5）步，重新开始下一次误差值计算。

3 应用案例

运行于Windows系统的检表软件基于.NET框架，使用C#编程语言开发，为了实现对多表位电能表检定装置的通信控制，采用SerialPort类的DataReceived事件驱动的方法设计，支持多串口驱动、多设备通信规约和多线程，确保稳定可靠地与功率源、标准表、电流切换控制器、被检表等设备进行有线或无线通信。

3.1 标准表与多表位误差计的检表误差对比

检表时，误差模式可选择标准表或多表位误差计，即由標准表本身计算电能误差，或者由误差计计算电能误差。本文论述的被检表主要技术参数为：三相三线，电压3x10kV，电流100（400）A，有功电能0.5S级，无功电能2.0级。表1所示检表数据为“合相，电压10kV，电流100A，功率因数1.0”输出时同一被检表的有功电能误差。对比结果表明，采用原有的标准表或者扩展设计的误差计在同一高压电能表检定系统中，由于存在无线传输的延迟及误差计算的精度，两者绝对偏差的平均值最大为0.01%，即十万分之一，完全满足检定电能精度为0.2S、0.5S、1.0级的高压电能表。

3.2 多表位误差计检测多个被检表

误差模式选择多表位误差计，检定装置的功率源输出“合相，电压10kV”时，在不同负载电流和不同功率因数下，同时检定4只高压电能表的检表误差数据详见表2。结果表明，误差算法具有实时性、准确性、抗干扰性，满足多台高压电能表同时整体检定的需求。

4 结束语

以标准表仅有的一路脉冲输出，作为多表位误差计的同步脉冲输入源，可扩展成多路误差计算器，实现并行方式同时检定多台被检高压电能表，提升现有单表位检定系统的检定能力。在整个检定系统中，采用无线通信设计被检表的电能脉冲传递，比光纤通信安全、经济，但是对通信设计要求较高，通过以下方式提高无线通信的稳定性和误差计算的真实性。

（1）无线脉冲信道可配置。多表位误差计与被检表的无线信道由检表软件自动设置，在同一信道下不会收到其它信道的通信报文，避免无线干扰;另外误差计不需要判定接收到的脉冲来源于某个被检表的通信地址，加快并发通信处理，提高电能误差计算精度。

（2）如果无线脉冲传输时丢失某个脉冲，此时抄读的误差值小于-45%，必须在检表软件中忽略，以实际有效脉冲数计算检表时的平均电能误差值。

参考文献

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