基于FPGA技术的导轨式电能表检测装置设计与实现

刘丽丹

福建省计量科学研究院，福建福州，350003

0 引言

本装置依据《交流电能表检定装置检定规程》（JJG 597—2005），采用FPGA技术将电路芯片由程控组成系统中的误差计数电路，控制所需的I/O口，产生电压、电流信号的数字控制电路等，设计一套导轨式电能表检测装置方案，满足单相导轨式电能表的检测需求，检测项目符合《电子式交流电能表检定规程》（JJG 596—2012）、《安装式交流电能表型式评价大纲》（JJF 1245—2019）和《电测量设备（交流）》（GB/T 17215—2021）等系列标准中有关的计量要求，以及《多功能电能表通信规约》（DL/T 645—2017）中通信协议技术要求，实现不同等级、不同规格和不同接线方式的各类单相导轨式电能表的检测[1]。

1 导轨式电能表工作原理

导轨式电能表是新一代微型智能电能表，按照接线方式分为直接接入式和经互感器接入式，通常有单相制、三相三线制和三相四线制，是一种使用导轨安装，由测量单元、数据处理单元、通信单元、显示单元等组成的电子式交流电能表，主要采用高质量、专为电能表设计的专用元器件，应用数字处理技术及SMT工艺，采用具有宽视角、高对比度的LCD显示屏显示。电能表工作原理如图1所示，以专用计量芯片+MCU方式为例实现计量。计量单元中的电压采样时可采用电阻分压网络或电压互感器方式，电阻分压是指多个电阻串联，将高电压转换为低电压后再通过滤波电路送入电能计量芯片的电压通道[2]。计量单元中的电流采样是将电流经锰铜分流器或电流互感器，即将大电流转换为小电流，再通过滤波电路后转换成合适的电压信号送入电能计量芯片的电流通道，将电压和电流经过乘法器计算得到瞬时功率，通过P/f变换器将该功率转换成脉冲，脉冲经过累积计算电能。

图1 导轨式电能表工作原理图

目前市面上较少有专门用于导轨式检测的装置，大部分此类电表采用常规单三相电子式电能表检定装置开展检测工作，但存在以下问题。（1）由于导轨式电能表与单相智能电能表端口电路接线方式存在较大差异，使用现有设备需人工进行装表、手工接线，线路繁杂，易接错，电流接线端子口径不一致。（2）电路复杂，人工接线烦琐易错，造成一次性检测电表的数量较少，软件的自动化程度低，检测完成后拆表烦琐，检测效率低，无法满足检测需求。（3）导轨式电能表无法与壁挂式的检定台体相匹配，容易造成设备损坏，甚至危及操作人员安全。本装置依据相关技术要求，实现不同等级、不同规格和不同接线方式的各类单相导轨式电能表的检测。

2 装置主要工作原理

如图2所示，装置主要由高稳定性的单相程控源、高精度单相标准表、隔离电压互感器、控制电路、多表位表架、误差处理系统（电能误差计算器）、通信适配器、计算机检测软件等部分组成。通过计算机检测软件或者键盘控制单相程控源可输出任意单相电压、电流、相位等电参数，通过误差计算单元采集标准表的功率电能脉冲，同时误差计算单元采集被校表脉冲，利用电能比较法算出误差，经控制中心送入计算机处理并显示，并将结果显示在相应表位的误差显示窗口。表架采用全新的压接技术匹配主流的35mm导轨接口，实现便携式安装，避免繁琐的线路连接和安全隐患。系统检测软件采用C语言或VB编程语言等进行开发，根据导轨式电能表检测项目要求，设计外观检查、启动试验、潜动试验、基本误差试验、走字试验等各种项目检测方案，保存原始试验数据并进行数据处理，根据试验结果给予判断，系统可以实时显示检测数据和检测结果，并可对检测数据进行存储、查询以及导出。

图2 导轨表检测装置原理图

3 装置主要技术指标

装置采用分体式设计，电源机柜主要包含工作电源电路、单相程控源、高精度标准电能表、监控仪表，台架主要包含挂表架、脉冲采集及误差计算单元，以及时钟基准、通信线路等，安装简单便捷，同时采用大屏幕液晶显示器，操作智能化程度高。其技术参数主要为装置精度等级：0.1级；标准表精度等级：0.1级；标准互感器精度等级：0.01级；校表数量：3表位；监视仪表电压、电流及功率准确度：0.5级；电压、电流波形失真度：≤0.5%；电压输出范围：0～264V；电流输出范围：0～80A。

4 装置测试项目

依据导轨式电能表相关技术要求，可开展电流、电压、功率因数等电参数测量，采用光脉冲或者电脉冲进行有功电量或无功电量的误差检定或者校准，起动试验、潜动试验均具有手动和自动检定功能。通过配置测试软件，能控制装置实现对各种导轨电能表的自动测试，并将检定结果进行存储和处理，给出试验结论，并可随时从数据中查询。

5 装置关键部件

5.1 单相程控源

单相程控源采用触摸屏控制面板加按键，显示信息量大，使用简单方便，用于产生高稳定性的交流正弦电压和电流信号，且输出的频率、相位及幅值在一定范围内可按需求进行调节，采用功率源和标准源及各表位的电压并联、电流串联的方式，多块表同时校验时，可将各块表的电压口路分别接入各自表位的电压端子，电流回路串联起来接入装置，提供电压值、电流值和相位值等，与单相多功能标准表配合使用，将功率源输出的电压、电流、功率、相位和频率参数接入多功能标准表进行测量，并将测量结果和误差值在监控仪表上直接显示，以此监视功率源的状态。通过标准表电能值与被检表电能值进行比较计算电能误差[3]。

5.2 标准电能表

标准电能表作为装置的核心部件，主要用于电参数和电能误差比较测量，采用采样计算技术，将电压和电流经过高精度信号采样电路和高精度、高速率转换器，对电路中的电压、电流的瞬时值进行测量，通过高速数字信号处理技术，根据快速傅里叶变化和其他算法处理采集的数字信号，计算出电压、电流、相位、相位差、有功功率、无功功率等参数，并计算出电压、电流各谐波分量和失真率。标准表带有软件自适应校准，可以对误差进行校正。

5.3 误差处理系统

电能误差通常采用功率表法（也称瓦秒法）或标准表法，其中瓦秒法主要是标准功率源输出的恒定功率与标准计时器的时间进行积分计算为实际的电能值，再与被检电能表所累计的电能值相比较，可确定被检电能表的误差。而标准表法是将标准表测得的电能值与被检表测得的电能值进行比较来确定被检表的相对误差，本装置如图3所示采用的是标准表法检定电能表的电能误差，采用高频脉冲数预置法，在被检电能表与标准表连续工作情况下，用被检的电能表脉冲控制标准电能表的计数来计算被检电能表的相对误差。

图3 电能计量误差检测原理图

在不同负载情况下，将接收到的被检导轨表的电能脉冲所对应的电能值与标准电能表的标准电能值进行比较，通过计算得到被检的导轨表在不同负载情况下的电能误差值。采用电脉冲或者光脉冲进行误差测试，为避免外部接线错误导致内部线路损坏，在脉冲信号输入端增加隔离模块，再将信号送入误差计算单元进行处理。每个表位配置独立的误差处理器模块，通过总线RS485通信方式将采集数据传输到总控制模块，实现各表位的误差计算和误差显示。误差计算公式如下：

式中：m——实测脉冲数；m0——算定（或预置）的脉冲数，按下式计算：

式中：N——被检电能表脉冲数，C0——标准表的仪表常数，imp/kWh，K1、KU——标准表外接的电流电压互感器变比。当没有外接电流、电压互感器时，标准表外接的电流、电压互感器变比K1和KU均为1。

5.4 不确定度评定

按照《测量不确定度评定与表示》（JJF 1059.1—2012）国家计量技术规范，对所检测参数的检测结果应进行不确定度评定，评定方法按照A类和B类分别得到不确定度分量，再将分量合成为标准不确定度，直接计算出扩展不确定度。本项目电能计量检测不确定度分量主要来源是测量重复性引入的不确定度和测量标准引入的不确定度，测量重复性引入的不确定度按照10次独立重复测量，计算出被测量估计值的A类不确定度，B类不确定度根据单相程控源经上级传递合格，估算误差半宽a，根据uB=a/k，得出B类不确定度，则合成不确定度为，取包含因子k=2，则扩展不确定度U=k·uC。通过上述探讨，实现了对导轨式电能表的检测，保证导轨式电能表的计量准确，满足了使用者对导轨式电能表的量值溯源需求。

5.5 装置挂表架

由于常规单相校验装置与单相导轨式电能表的接线端子不匹配，易出现接线错误、接触不良等问题，出现问题又需要逐一排查，效率低，无法满足日常的检测需要，同时存在安全隐患。本装置采用分体式设计，挂表架采用铝合金的材质制成，台面采用防护阻燃材料，搭载大电流短接线，具备3个表位，每个表位具备外接的电压电流接线端，采用35mm轨道设计，厚度1mm，轨道表面进行抗氧化处理，将导轨表固定在轨道上，正面使用透明绝缘盖将导轨表固定在挂表架上，表托采用全顶针压接式，接触头采用内部实心结构，内外2层设计，外层固定，内层通过按钮可滑动，按钮拔出时内层接触头弹出接触主端子的接线端，实现电压、电流端子的自动接驳，按钮按下时内层接触头缩回，与主端子的接线端分离，通过对接线柱的整体结构进行改进，专门适用于导轨式电能表的端子接线方案，只需一次压接，提高工作效率，同时满足不同电流规格导轨表测试需要[4]。

5.6 检测软件

建立导轨表专用检测方案，自动完成外观检查、起动试验、潜动试验、误差试验、走字试验，以及电流、电压、有功功率、无功功率试验等检测项目，实现导轨式电能表检测自动化。检测软件与传统装置相比可大大减少人为因素对电能表检定结果的影响，提高检定结果的一致性，同时提高了电能表检定的工作效率，降低了劳动强度，节约了人力成本，实现了电能表检定的信息化与数据化管理[5]。

6 结语

本文根据导轨式电能表的工作原理和技术要求，分析了检测装置硬件设计的关键部件、技术指标和系统软件，开发一套适用于单相导轨式电能表的检测装置方案，可以有效地提高检测的效率，降低人工成本。