分布式标准时钟基准的批量自动化电能表检定

鲍 进，段梅梅，李 珺

（1 国网江苏省电力有限公司营销服务中心，南京 210000；2 国家电网有限公司电能计量重点实验室，南京 210000）

随着直流电能表在直流充电桩、电动汽车、太阳能供电等新型清洁环保能源领域的大规模应用，各种不同电压和电流范围的直流电能表的应用更加广泛，这对目前的直流电能表检定装置提出新的更高标准的要求。直流电能表检定装置，可对直流电能表执行相关校验动作，是直流电能表相关生产和使用人员完成相关工作时必备的设备之一，也是保证电能贸易结算公平公正的原始依据[1]。现有技术存在以下技术缺陷：

（1）缺乏时钟标准，难以实现批量电能表直流装置检定，整个电能表检定过程中缺乏统一标准和依据，难以实现电能表检定。

（2）检测功能单一，无法实现高准确度的直流电能检定，在遇到多种问题时，比如直接接入式或者（间接）分流器接入式的直流电能表，检定功能不全、性能稳定性差。

针对上述技术的不足，本研究设计出新型的电能检定，既可覆盖各个不同等级电能表的检定，又可用于直流电能计量的研究工作，本装置的准确度等级确定为0.02 级，直流电压输出最大1100 V，直流电流输出最大100 A[2]。下面对关键技术进行说明。

1 新型批量电能表检测方案设计

本检定装置由分布式标准时钟基准，电源供电模块（辅助电源系统）、多路直流大电压模块、多路直流小电压模块、单路直流电流模块、多路误差计算模块等组成[3]，系统设计方案如图1所示。

图1 系统设计方案Fig.1 System design scheme

在本设计方案中，通常可进行的检测项目有模块外观检测和模块功能检测。任务开始时，根据系统管理平台下达的检定任务，立体仓库系统将待检模块通过周转箱移载的方式出库并被输送至仓储接驳单元，周转箱输送线将承载待检模块的周转箱送至上料工装，射频识别单元对待检模块信息进行扫描、识别和验证。识别成功的周转箱通过周转箱输送线进行后续操作，识别失败的周转箱则通过人工干预处理。用户通过上位机电脑操作系统检定软件或通过下位机显示屏，操作相应显示界面设定检定需要的电量和相应的检定条件，中控系统处理后给相应的表位下发指令[4]，每个表位对应的标准源模块设置相应的输出值，并将该输出值显示在相应的表位显示屏上。

在工作过程中，标准源模块接收到中控指令后，设置输出相应的数字量，数字量经过高精度D/A 转换器转换成对应的电量输出，通过高精度取样电阻分压取样或者宽频直流比较仪取样将输出的电压或者电流反馈回来，采用高精度A/D 采集取样电路的模拟量，并将其转换为数字量，送入微处理器处理后与之前设定数字量进行比较，调节输出信号使系统达到积分动态平衡[5-6]，从而使输出达到预期设置的电量。

在检定过程中，直流小信号电压输出主要用于模拟直流电流经过分流器转换成的小信号电压，直流小电压的输出可作为分流器（间接）接入式电能表的电压输入[7]。电能误差的测量是通过接收表位上被检电能表的电能脉冲输入，与本检定装置输出至表位的标准电能脉冲比较，计算出电能误差，通过单独显示界面显示给用户。检定装置配有RS232 接口，与计算机的上位机软件实时通讯，通过计算机系统特定软件实现直流电能表的批量自动化检定和检定数据保存、检定报告打印等功能[8]。

2 关键技术设计

2.1 标准直流电源模块

检定装置的电源由程控电压源和程控电流源组成。除此之外还设置有DSP Core（内核）、以太网、波形RAM、计算机、定时器、DMA 控制器、SPORT1（同步串行通信）、SPORT1 7B（同步串行通信）、DA转换器、DM 转换器、晶体、电压功放、电流功放等[9]。直流电源原理图如图2所示。

图2 直流电源原理图Fig.2 Schematic diagram of DC power supply

电压源供电系统由多路开关电源提供，电压经功率放大后由变压器升压，输出相应量程的电压值。其最大输出电压值为1100 V，最大输出功率为25 VA。电流源同样采用开关电源，其最大输出电流为100 A[10]。本装置采用的开关电源都具有PV 程控调节输出电压的功能，可由CPU 调节开关电源的输出使负反馈达到平衡。本装置采用的开关电源，具有体积小、纹波含量低、精度高和稳定性好等优点。

2.2 数据处理模块

数据处理模块由专用微处理器（CPU）和现场可编程门阵列（FPGA）组成，微处理器CPU 采用基于专为要求高性能、低功耗的嵌入式应用专门设计的32 位ARM 处理器，最高工作频率可达180 MHz。微处理器内部包括多路 Mbytes Flash 存储器、256 Kbytes SRAM、8 个SPI 接口、5 个USART 接口、4个I2C 接口、1 个CAN 口等[11-12]，能满足多表位批量自动化检定工作时产生的大量数据处理的需求。

误差计算模块用来最终检验电能的基本误差，是整个电能表检定装置的核心部件。本装置基本误差检验采用标准高频脉冲数预置法，检验时由检定装置和被检表在同一负荷下同时工作，检定装置采用虚负荷法，即由检定装置实时输出测试电压、测试电流给相应表位上的被检表，让被检表转动，装置通过DDS 可编程脉冲输出模块对基准频率进行预分频，将设定的功率值转换成标准高频脉冲数m输出，同时装置接收被检表输入的N 个低频脉冲[13]，被检表低频脉冲和标准高频脉冲都传输至误差计算模块，将m 作为实测高频脉冲数，再与装置预先算定的脉冲数m0进行比较，得到被测电能表的相对误差γ（%）为

式中：CH0为标准电能表预设高频脉冲常数，imp/kW·h；CL为被测直流电能表的低频脉冲常数，imp/kW·h；U，I 分别为标准源设定输出电压、电流满量程值。

本系统中的难点在于批量自动化检定时各个不同表位之间误差计算时标准时钟基准是否一致的问题，在保证设计目标（仪器等级0.02 级，即电压电流的精度保证在0.01 级的基础上，不同表位与标准源之间的脉冲基准误差要保证在0.01%的误差之内）[14]的前提下，目前主流的传递式时钟基准传递主要采用同轴电缆之间相互传递的办法。在表位数量较少，传输距离比较近的情况下，同轴电缆上的脉冲衰减和损耗比较小，能保证较高的精准度。但在批量自动化检定装置上，由于表位数量多，传输距离相对较远，且装置本身走线干扰等原因，时钟基准无法保证相应的较高精度要求。

在上述误差检定中，本系统采用分布式标准时钟基准的办法，即将标准时钟基准分布至每一个单独的表位，每一个表位之间单独与标准时钟基准做脉冲比较，可以防止不同表位之间的相互干扰，如图3所示。

图3 传递式时钟基准传递图Fig.3 Transitive clock reference transfer diagram

当标准表的标准PPS 或者其他脉冲频率传递值中控系统的台体主控板时，分布式时钟基准接收到该标准脉冲频率之后，通过内部的频率接口扩充处理，根据相应的指令将该频率同步分布至每个表位，由于分布至每个表位的距离相近，且没有相应的迟滞，每个表位的接收保证同一步调，基本消除了传统方案中因为频率传输造成的额外误差量，能够有效地提高检测精度和检测效率。

3 应用效果分析

本检定装置设计了100 A 的大电流负载能力并可长期稳定工作，其输出的直流电压范围：1 mV～1100 V，适用于检定各种不同等级的直接接入式电能表。内置独立的小信号电压源和电流源，DCV：10 μV～4.4 V，DCI：0.2 mA～22 mA，适用于检定分流器接入式的电能表[15]。应用检定装置整体如图4所示。

图4 应用检定装置整体架构示意图Fig.4 Schematic diagram of overall architecture of the application verification device

在图4的应用中，为批量（16 表位）自动化直流电能表检定装置整体图，该检定装置同时配有不同的接线切换模式，可满足国网现有标准双485 直流电能表和其它非标单485 直流电能表的检定。批量规模电能检定如图5所示。

图5 电能表检测系统应用示意图Fig.5 Schematic diagram of the application of the electric energy meter detection system

批量电能表在检定过程中，将其与常规的检定装置进行对比分析，通过一段时间的检定，则系统指标比对如表1所示。

表1 系统指标比对Tab.1 Comparison of system indicators

上述数据比对结果表明，在检测相同电能表的情况下，本文设计的通讯模设计系统在年产量、日产量、系统检测流量、系统节拍等多项指标方面具有明显优势，采用本设计方案，每年单条流水线可比常规的流水线效率提高了上万只，系统节拍优化提高了4 倍以上，比人工检定台的检定效率提高了7 倍以上。目前本系统已经在电力公司广泛应用，使用本系统设计的电能表检测系统能够实现批量大规模电能表的高精度检测，极大地提高了产能，具有较好的经济效益。

4 结语

本文提出的直流电能表检定系统，准确度等级达到0.02 级，能为准确度等级为0.05 级以下的所有直流电压表、直流电流表、直流功率表、直流电能表或电动汽车充电桩直流电能表等相应的直流设备进行检定和校准。该产品的普遍应用可以为直流电能量值传递体系的建立提供参考依据。本装置既可检定为新型直流电能表提供批量检定器具，填补国内批量自动化直接或间接接入式电能表检定的空白，也为电能计量提供了检测和量值传递依据。