王 祥,姜文辉,姚元其,周焱磊,王林军,任苏文,朱云飞,柯时峰

(浙江涵普电力科技有限公司,浙江 海盐 314300)

0 引言

智能电能表是电网企业智能化建设转型发展的关键设备[1-3]。传统电能表检定主要依据JJG 596—2012《电子式交流电能表》等检定规程的相关技术要求，检定项目主要包括准确度试验、电气绝缘及电磁兼容试验、通信规约及功能检测试验等[4]。新一代智能电能表参照最新的IR46国际标准以及新颁布的相应国家标准GB_T 17215.211—2021《电测量设备(交流)通用要求、试验和试验条件 第11部分：测量设备》进行调整[5-7]。但是新标准与以往执行的标准存在一定差异，例如在术语定义、谐波试验、起动试验、耐久性试验、负载电流快速变化试验、初始误差试验、软件测试方案等方面出现了新的变化和要求[8]。传统的电能表检定系统已经不能满足新一代智能电能表的计量检定要求，因此需要研制新型高精度多功能电能表检定系统[9-12]。

本文提出了一种智能电能表检定系统。该系统采用线性功率放大器，电流输出最小档位为1 mA，并且可以输出0～63次谐波，用于IR46规定的方波、尖顶波等特殊波形试验以及高次谐波扫频试验。标准电能表的精度提高至0.01级，并增加谐波(包括谐波正向、谐波反向)电能测量功能。通过对检定系统各模块硬件、软件以及测试方案等方面的改进和测试项目的添加，该系统可以满足基于IR46国际标准的智能电能表检定要求。

1 检定系统构成

智能电能表检定系统结构如图1所示。

图1 智能电能表检定系统结构框图

智能电能表检定系统主要由程控信号源、功率放大器、标准电能表、误差计算器、计算机和试验流程软件等模块组成。程控信号源通过双通道16位数字/模拟(digital-to-analog,D/A)电路可输出6路0～5 V的模拟小信号，输出精度可达千万分之一。这6路输出信号用于控制功率放大器产生满足试验波形要求的三相试验电压和电流。功率放大器具有电压功放和电流功放，通过采用线性功率放大器及负载电压跟随技术，降低了失真度和功率管的损耗，同时提高了输出容量。电压功放输出容量为1 000 VA，电流功放输出容量为2 500 VA，最大支持60个表位同时检定(即图1中N=60)。0.01级标准电能表通过快速傅里叶变换(fust Fourier transformation,FFT)算法分析0～63次谐波幅值和初相角，并能计算谐波电能误差，满足各种谐波试验要求。误差计算器采用32位ARM处理器，可同时实现有功电能、无功电能、秒脉冲误差的计算。此外，系统还配备了光电头采样、蓝牙脉冲接口，满足新一代智能电能表的检定要求。

2 检定系统模块设计

2.1 程控信号源

程控信号源原理如图2所示。

图2 程控信号源原理图

程控信号源采用双STM32F407芯片作为主控：一片处理人机界面；另一片处理6路波形信号发生及反馈修正。复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device,CPLD)芯片产生0～90 kHz的逻辑控制方波信号，向含有双通道D/A芯片的6路调理电路输出相应的波形控制数据序列，产生0～5 V的三相电压和电流波形控制模拟小信号Us和Is。

2.2 功率放大器

功率放大器通常采用脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)和线性功率放大两种方式。PWM功率放大器带载能力强，但谐波输出、波形失真度和稳定度等指标较差。线性功率放大器波形失真度和稳定度等指标比较好，但存在工作效率低和输出容量小的情况，通常负载能力在1 000 VA以下。本文的功率放大器采用线性功率放大器。通过采用线性功率放大器及负载电压跟随技术，降低了失真度和功率管的损耗，同时提高了输出容量，实现了多表位的同时检表。线性功率放大器原理如图3所示。

图3 线性功率放大器原理图

前置放大电路接收来自程控信号源的波形控制模拟小信号Us和Is，经信号放大后驱动功率管向多挡位升流器/升压器供电。多挡位升流器/升压器输出试验电压U和试验电流I，大功率开关电源作为功率放大器电源。信号反馈电路主要用于调整前置放大电路的放大增益。前置放大电路采用二级运放电路。由于电流功率放大器档位较多，采用一档增益在使用过程中容易发生震荡，因此在第二级运放采用可编程电阻器X9221及外部精密电阻构成T型反馈网络。这样可以实现非常宽的放大倍数调节，再通过程序写入每个档位的固定增益，保证放大器在每个量程都能可靠运行。管压降检测电路检测功率管管压降并反馈至开关电源。开关电源调节供电电压，使功率管管压降保持不变，从而减少功率管发热。采用管压降调节方法可将电流功率放大器容量提升到2 500 VA。

电流功率放大器多档位升流器量程切换电路如图4所示。

图4 电流功率放大器多档位升流器量程切换电路

为了满足IR46标准中起动电流0.3 mA的要求，电流功率放大器最小量程档位为1 mA，并采用电流互感器反馈取样。电流功率放大器1 mA、5 mA、10 mA档位受电流互感器体积限制，采用改变电流互感器二次侧取样电阻来实现小电流档位。

2.3 高等级三相标准电能表

三相标准电能表原理如图5 所示。

图5 三相标准电能表原理图

三相标准电能表主要由三相电压取样电路、三相电流取样电路、信号隔离电路、微处理器计量部分、微处理器人机界面部分等组成。6路模拟信号独立采样并电气隔离。电流取样回路采用电流互感器取样，并使用有源补偿零磁通技术提高测量精度。模数转换采用18位高速A/D芯片，模拟电路与数字电路之间采用磁隔离电气绝缘，并且采用数字补偿技术消除模拟电路的非线性及温漂误差，从而实现输入电压30～600 V和输入电流0.01～120 A范围内0.01%的测量准确度。

为满足IR46标准谐波、方顶波及尖顶波等试验波形下的测试要求，高等级三相标准电能表除了具有传统电能计量功能外，还需具备谐波测量与分析的功能。标准电能表选用32位ARM高速处理器，通过傅里叶分析和计算得到各通道信号波形的基波及各次谐波分量。ARM高速处理器内置的浮点运算单元大大缩短了傅里叶分析谐波时的信号处理及计算时间。标准表通过RS-232通信设置，可方便地将全波功率、基波功率、谐波正向功率、谐波反向功率和谐波功率转化为标准电能脉冲。电能脉冲通过标准表脉冲输出电路输出，作为被检电能表的检定标准。

2.4 误差计算器

误差计算器采用32位ARM高速处理器芯片。该芯片具有强大的计算能力和丰富的外设接口。误差计算器包含3路独立的脉冲计算模块、3路高速RS-485通道模块、温度测量模块、电流开路检测模块、标准高频脉冲输入模块、用于智能物联表检定的蓝牙脉冲和辅助针脉冲切换模块。误差计算器可同时进行有功误差试验、无功误差试验和时钟误差试验，大幅提升测试效率，还可对被测表表位电压短路、电流开路进行检测及报警定位，节省了试验时的故障排查时间。

误差计算器原理框架如图6所示。

图6 误差计算器原理框架图

2.5 软件系统及试验流程设计

软件系统采用面向对象的设计方法，将需要控制的模块设计为不同的类，主要包括标准电能表类、程控信号源类、误差计算器类、被检表类、检验方案类、控制单元类和控制状态类。标准电能表类具有设置量程及读取测量值等功能。程控信号源类具有控制电量输出功能。误差计算器类具有脉冲计数及误差计算等功能。被检表类具有记录被检表相线、标称电压、最小电流、转折电流、最大电流、等级及电能常数等参数的功能。检验方案类记录所要进行的检验项目。控制状态类在检验过程中记录运行状态并可以标记就绪、开始、停止及进度等状态信息。检验方案包括多个检验项目。每个检验项目由若干个检验点组成。每个检验点包含若干个检验参数。检验参数定义了检验点需要的试验电压和电流值、测试方法和判定条件。可以根据需要设置多个不同的检验方案，但每次检验只能选定其中一个方案。为了实施具体的检验项目，每个检验项目都设计为独立控件，如起动试验控件、初始固有误差控件等。这些控件具有相同的公共属性和对外功能接口，包括检验装置类属性和开始测试、暂停测试、停止测试、事件上报公共接口等。

检验人员完成电能表参数设置和检验方案选择后，软件进行装置初始化并导入检验方案，然后根据检验方案对各检验项目依次进行检验。在此过程中，检验人员可以干预检验过程，随时停止或重新开始检验流程。

软件主控流程如图7所示。

图7 软件主控流程图

所有的检验项目都需要控制试验电压和试验电流。当根据理论值进行控制时，不同负载会引起试验电压和试验电流的输出略有偏差。此时，可根据标准表测量值进行调整，使每相的电压、电流及相角输出值都能达到理想值。试验电压和电流的控制流程如图8所示。

图8 试验电压和电流的控制流程图

在进行谐波试验时，每相试验电压和试验电流都可以设置9组谐波参数。每组参数包括谐波次数、谐波含量和谐波初相角，可以方便地叠加形成尖顶波、方顶波等特殊试验波形，控制特殊试验波形输出时也会根据标准表测量值进行调整。

3 检定系统的性能测试

3.1 功率放大器性能测试

传统电能表检定系统功率放大器的功率输出稳定度一般在0.1%以内，而在小电流时会在0.1%以上。本系统采用线性功率放大器。其性能测试输出功率稳定度测试结果如表1所示；电压和电流输出波形失真度测试结果如表2所示。从试验结果来看，功率放大器的输出稳定度在0.01%以内，小电流时可以达到0.02%，电压和电流输出波形失真度指标优异。

表1 输出功率稳定度测试结果

表2 电压和电流输出波形失真度测试结果

3.2 电能误差测试

检定系统采用0.01级三相标准电能表，同时增加了1 mA小电流档位，以保证满足IR46国际标准的最小起动电流0.3 mA时电能误差的规定要求。表3所示为本系统起动电流条件下的电能误差测试结果。

表3 起动电流条件下的电能误差测试结果

表4所示为基本误差测试结果。

表4 基本误差测试结果

由表3、表4可知，测试符合标准要求。

3.3 谐波测试

IR46国际标准中提出了5次谐波和特殊波形(尖顶波、方顶波、奇次谐波、次谐波)条件下电能表误差影响试验的要求，与原标准规定存在较大的差异。本文检定系统的程控信号源利用数字合成方式可生成0～63次任意信号波形，通过线性功率放大器输出。方顶波试验波形和尖顶波试验波形分别如图9和图10所示。

图9 方顶波试验波形

图10 尖顶波试验波形

由图9、图10可知，试验中波形还原度高，谐波幅值及相位输出准确。此外，5次谐波条件下测试的电能误差为-0.001 4%，方顶波条件下为-0.002 8%，尖顶波条件下为0.002 8%，奇次谐波条件下为-0.005 5%，次谐波条件下为0.002 4%。

表1～表4的测试数据以及5次谐波、方顶波、尖顶波、奇次谐波条件下的数据均由浙江省计量科学研究院测试所得。测试所用标准器具为0.01级标准电能表。从测试结果来看，常规量程下有功电能误差控制在0.01%以内，小电流条件下达到0.02%，输出的谐波及特殊波形谐波分量与标准数据基本一致。因此，本检定系统满足新一代智能电能表的测试规范要求。此外，该检定系统增加了蓝牙、载波等新型通信方式，可同时输入有功脉冲信号、无功脉冲信号和多功能脉冲信号，实现脉冲信号误差同步测试，大幅度提升检测效率。目前，该系统已在国内多个电能表厂家和国网省级营销服务中心使用。

4 结论

根据国际法制计量组织OIML的IR46国际建议设计的智能电能表对电能表检定系统提出了新的要求。本文利用线性功率放大器电压电流输出失真度小、功率稳定等优点，通过构建离散数据基础序列及数字PID调节，保证了试验波形幅值相位输出分辨率。测试结果表明，该检定系统满足新一代智能电能表的测试要求，为新标准的实施提供了一种新的解决方案。