具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明:
一、总体
前述,本装置的结构如图1。
本装置采用一柜一挂表架的分体式结构,数字信号源(2)、电压功放(3)、电流功放(4)、标准电能表(5.10)装在柜中,其余部分都在挂表架上。挂表架采用双排结构,上排设置12个单相表(12)表位,下排设置2个集中器(9)表位、2个采集器(10)表位、3个三相表(11)表位。三相表(11)和单相表(12)的电流接线采用压接式,其余采用插座接线的方式,三相平衡设计。
每个三相表(11)和单相表(12)的位置提供4个电能脉冲输入接口,1个时钟信号输入接口。
配置虚拟电能表模块(5.3)以及测试各种集中器(9)上行通信所需的GPRS调制解调器(5.7)、PSTN调制解调器(5.5)、PSTN交换机(5.6)、以太网交换机(5.4)和MOXA工业级多串口卡。
本装置具有低压集抄系统测试状态、三相表(11)校验状态、单相表(12)校验状态三个工作状态。对低压集抄系统测试时可以同时挂12只单相表(12)、3只三相表(11)、2只采集器(10)和2只集中器(9)实时走字运行,12只单相表(12)平衡分布,即每相接4只单相表(12);单相表(12)校验时可以同时校验12只单相表(12)和进行多功能测试;三相表(11)校验时可以同时校验3只三相表(11)和进行多功能测试。
本装置的主要技术指标如下:
①电能测量准确度等级:0.1级;
②输出电压:57.7V、100V、220V、380V,调节幅度0~120%连续可调,调节细度优于0.01%;
③输出电流:本装置工作在电能表校验状态时,最大电流为40A;而工作在集抄系统测试状态时,最大电流确定为20A;调节幅度0-120%连续可调,调节细度优于0.01%;
④输出功率:电压回路每相每表位不少于15VA,电流回路每相每表位不少于20VA;
⑤输出电压、电流、功率稳定度:≤0.05%/120s PF=1.0;
⑥输出电压、电流波形失真度:≤0.5%;
⑦三相对称度:优于120%±0.3°;
⑧频率范围45~65Hz,调节细度0.01Hz;
⑨移相范围0~360°,调节细度0.01°。
二、各功能块的结构
1、PC机(1)
PC机(1)是一种常用电脑,其硬件配置为主流配置,安装专用测试软件(另案申报国家计算机软件著作权登记。)
2、数字信号源(2)
数字信号源(2)是一种常用数字信号源,其信号是通过波形离散数字合成方式产生,而不是通过模拟振荡电路产生,并且可以通过程序实现灵活控制。具体地说,数字信号源(2)采用直接波形输出和高精度数字采样补偿来实现高精度的三相电压、电流信号的输出;利用DSP强大的实时运算能力,实现各种功能,包括谐波输出、升降控制、高精度实时补偿等功能。
3、电压功放(3)
电压功放(3)是电压功率放大器的简称,采用成熟稳定的工频精密AB类功率放大器技术,精密工频放大器用来放大校验用电压信号,具有较窄的通频带(40Hz~1kHz)、较大的时间常数和较深的反馈量,适合放大稳态信号(稳定的输入输出值),具有很高的稳定性和准确度。功放管采用10对安森美公司的MJ15024和MJ15025功率三极管(原MOTOROLA公司产品),通过升压器匹配、继电器动作时序、末级输出管过流保护、反电势吸收等电路精确设计来保证电压功率放大器的的可靠性。
4、电流功放(4)
电流功放(4)是电流功率放大器的简称,其结构和工作原理同电压功放(3)。
5、通信和校检切换电路(5)
通信和校检切换电路(5)包括通信切换电路和校检切换电路。
(1)如图2,通信切换电路包括集中器(9)、采集器(10)、三相表(11)和单相表(12),设置有电能表RS485通信板(5.1)、台区总表选择电路(5.2)、虚拟电能表模块(5.3)、以太网交换机(5.4)、PSTN调制解调器(5.5)、PSTN交换机(5.6)、GPRS调制解调器(5.7)、GPS时钟源(5.8);
其连接关系是:PSTN调制解调器(5.5)、GPRS调制解调器(5.7)、GPS时钟源(5.8)、虚拟电能表模块(5.3)和电能表RS485通信板(5.1)分别与PC机(1)的RS232串口连接;PSTN交换机(5.6)分别与PSTN调制解调器(5.5)和集中器(9)相连;以太网交换机(5.4)与PC机(1)的网络接口连接;
集中器(9)经过PSTN、GPRS、以太网口或RS232串口与PC机(1)连接。
电能表的通信连接方式比较复杂,有以下几种情形:
①三相表(11)、单相表(12)和虚拟电能表模块(5.3)通过RS485总线接入采集器(10),采集器(10)通过电力线载波接入集中器(9)。
②三相表(11)、单相表(12)和虚拟电能表模块(5.3)可通过电力线载波直接接入集中器(9)。
③三相表(11)和虚拟电能表模块(5.3)还可经台区总表选择电路(5.2)通过RS485总线直接接入集中器(9)。
④三相表(11)、单相表(12)还可经电能表RS485通信板(5.1)与PC机(1)RS232串口相连。
(2)如图3,校检切换电路包括集中器(9)、采集器(10)、三相表(11)和单相表(12),设置有时钟、电能误差计算器(5.9)、标准电能表(5.10)、时间基准(5.11);
其连接关系是:标准电能表(5.10)和时间基准(5.11)分别与时钟、电能误差计算器(5.9)连接;
集中器(9)、采集器(10)、三相表(11)和单相表(12)分别与时钟、电能误差计算器(5.9)连接。
其工作原理是:
通信和校检切换电路(5)在本装置处于低压集抄系统测试状态时,实现三相表(11)、单相表(12)、虚拟电能表模块(5.3)的本地通信信道(RS485、电力线载波或无线)与所属的采集器(10)、集中器(9)的相应信道连接,并选择集中器(9)与PC机(1)之间的上行信道,为通信测试建立物理基础。
当本装置工作在三相表(11)校验状态和单相表(12)校验状态,进行电能误差测试时,将三相表(11)和单相表(12)的电能脉冲信号接入时钟、电能误差计算器(5.9)的被试电能脉冲输入端子,同时将标准电能表(5.10)的电能脉冲信号接入时钟、电能误差计算器(5.9)的标准电能脉冲输入端子;
进行时钟误差测试时,将集中器(9)、采集器(10)、三相表(11)和单相表(12)的时钟脉冲信号接入时钟、电能误差计算器(5.9)的被试时钟脉冲输入端子,同时将时间基准(5.11)的时钟脉冲信号接入时钟、电能误差计算器(5.9)的标准时钟脉冲输入端子。
(3)通信和校检切换电路(5)各子功能块的结构及其功能:
(1)电能表RS485通信板(5.1)
电能表RS485通信板(5.1)是一种含有单片机和外围电路的控制电路板,有上市产品,负责把三相表(11)、单相表(12)的RS485信号转接入PC机(1)RS232串口,进行电能表通信规约测试。
(2)台区总表选择电路(5.2)
台区总表选择电路(5.2)是一种含有单片机和外围电路的控制电路板,有上市产品,负责对三相表(11)和虚拟电能表模块(5.3)的RS485信号进行选择,将承担台区总表角色的RS485信号直接接入集中器(9)。
(3)虚拟电能表模块(5.3)
虚拟电能表模块(5.3)是一种由硬件通信电路和计算机软件包结合的模块。
硬件通信电路有上市产品,由RS232-RS485转换模块、青岛东软公司PRO16-II型抄控器、北京福星晓程公司的DEMO3201模块组成;
计算机软件包是一种自主开发的产品(另案申报国家计算机软件著作权登记),依据《DL/T 645多功能电能表通信规约》,模拟电能表内的电量寄存器,并且根据设置的电压值、电流值、相位值进行有功电量、无功电量的自动计算和走字;还通过时钟加速运转的方法进行加速走字,加速的电量自动计算更新。
虚拟电能表模块(5.3)的工作原理是:
将PC机(1)的RS232串口转换成不同类型的虚拟电能表。串口1经过RS232-RS485转换模块,转换成虚拟的RS485三相表(11)、单相表(12),接入到采集器(10);串口2经过青岛东软公司PRO16-II型抄控器,转换成青岛东软公司虚拟的载波三相表(11)、单相表(12),通过电力线载波接入到集中器(9);串口3经过北京福星晓程公司的DEMO3201模块,转换成北京福星晓程公司虚拟的载波三相表(11)、单相表(12),通过电力线载波接入到集中器(9);串口4经过RS232-RS485转换模块,转换成虚拟的RS485台区总表,接入到集中器(9)。
由此可见,虚拟电能表模块(5.3)的功能是用以模拟产生三相表(11)、单相表(12)的历史数据,以提高测试效率,其通信信道可为RS485、电力线载波或无线。
(4)以太网交换机(5.4)
以太网交换机(5.4)负责完成以太网通道的自动切换,有标准的上市产品。
(5)PSTN调制解调器(5.5)
PSTN调制解调器(5.5)负责建立集中器(9)上行的PSTN物理信道,以使PC机(1)能与具有PSTN信道的集中器(9)进行通讯;有标准的上市产品。
(6)PSTN交换机(5.6)
PSTN交换机(5.6)负责完成PSTN通道的自动切换,有标准的上市产品。
(7)GPRS调制解调器(5.7)
GPRS调制解调器(5.7)负责建立集中器上行的GPRS物理信道,以使PC机(1)能与具有GPRS信道的集中器(9)进行通讯;有标准的上市产品。
(8)GPS时钟源(5.8)
GPS时钟源(5.8)负责接受标准卫星时钟,用以对集中器(9)、采集器(10)、三相表(11)和单相表(12)授时,它由一个加外壳的GPS模块和一个GPS接收天线组成,授时操作时,PC机(1)对GPS时钟源(5.8)送出的内容按NMEA-0183通讯协议进行解码,得到所需的时钟信息。GPS时钟源(5.8)有标准的上市产品。
(9)时钟、电能误差计算器(5.9)
时钟、电能误差计算器(5.9)是一个单片机数据处理系统,有标准的上市产品。它同时接入被试时钟、电能信号和标准时钟、电能信号,采用比较法测试集中器(9)、采集器(10)、三相表(11)和单相表(11)的日计时误差和电能误差。
(10)标准电能表(5.10)
标准电能表(5.10)是本装置的电能基准,采用台湾祥正电机公司的HC3100电能表,它有一个RS232通信口,当工作状态、电压量程和电流量程需要改变时,通过RS232口给HC3100电能表发出相应指令。标准电能表(5.10)有标准的上市产品。
(11)时间基准(5.11)
时间基准(5.11)是一种由石英晶体和振荡电路组成的恒温晶体振荡器,晶体振荡器的额定工作频率为5MHz,为标准TTL电平输出。石英晶体的振荡频率只随温度变化,在金属壳内增加电热丝作为恒温槽,使石英晶体的工作温度高于环境温度保持恒温,故能达到10-7的高稳定度。时间基准(5.11)有标准的上市产品。
6、电压切换电路(6)
电压切换电路(6)是由一组交流接触器组成的切换控制电路;通过该切换电路,分别选择电压功放(3)输出的大功率电压信号或外加电源(13)作为集中器(9)、采集器(10)、三相表(11)和单相表(12)电压回路的供电电源。
7、隔离用电流互感器切换电路(7)
隔离用电流互感器切换电路(7)是由一组交流接触器组成的切换控制电路。
当本装置工作在低压集抄系统测试状态时,在三相表(11)、单相表(12)的电流回路接入准确度为1.0级的20A/20A的隔离用电流互感器;
当本装置工作在三相表(11)校验状态、单相表(12)校验状态时,将隔离用电流互感器从三相表(11)、单相表(12)的电流回路切换出来。
8、隔离用电压互感器切换电路(8)
隔离用电压互感器切换电路(8)是由一组交流接触器组成的切换控制电路。
当本装置工作在低压集抄系统测试状态时,将隔离用电压互感器从单相表(12)的电压回路切换出来;
当本装置工作在单相表(12)校验状态时,将隔离用电压互感器接入单相表(12)的电压回路。
9、集中器(9)
集中器(9)安装于台区变压器低压侧,是采集所有三相表(11)、单相表(12)的数据并进行存储的设备。集中器(9)接受主站数据上报的请求,转发主站给三相表(11)、单相表(12)或采集器(10)的命令,集中器(9)的下行信道多为电力线载波或无线通讯方式,集中器(9)的上行信道多为GPRS或PSTN通讯方式。集中器(9)有标准的上市产品。
10、采集器(10)
采集器(10)是用于采集多个三相表(11)、单相表(12)的电能量数据及相关用电信息,经存储处理后将数据上传到集中器(9),并能给三相表(11)、单相表(12)下发集中器(9)命令的设备。采集器(10)与三相表(11)、单相表(12)的信道多为RS485方式。采集器(10)有标准的上市产品。
11、三相表(11)
三相表(11)是以微处理器为核心,具备数据通信功能(RS485、电力线载波或无线)的静止式三相电能表,它可以内置继电器,完成对用户远程断、送电操作。三相表(11)有标准的上市产品。
12、单相表(12)
单相表(12)是以微处理器为核心,具备数据通信功能(RS485、电力线载波或无线)的静止式单相电能表,它可以内置继电器,完成对用户远程断、送电操作。单相表(12)有标准的上市产品。
13、外加电源(13)
外加电源(13)是三相四线市电经过三相隔离变压器输出的电源。
三、测试方法
本测试方法包括下列步骤:
1、工作状态切换
当本装置工作在低压集抄系统测试状态时,将隔离用电压互感器从单相表(12)的电压回路切换出,使集中器(9)与三相表(11)、单相表(12)之间的电力线载波信道建立物理连接。同时为了满足电能表正常走字运行的需要,在电路上采取变通设计,在三相表(11)、单相表(12)的电流回路接入量程20A/20A的隔离用电流互感器,使测试时每只电能表的电压回路与电流回路仍然各自成回路。
当本装置工作在三相表(11)和单相表(12)校验状态时,为了提高电能测量准确度,将隔离用电压互感器接入单相表(12)的电压回路。同时将隔离用电流互感器从三相表(11)和单相表(12)的电流回路切换出,使三相表(11)、单相表(12)的电流回路直接串联。
本装置工作状态改变时,也要相应进行各种通信信道、时钟信号和电能脉冲的连接切换。
2、集中器(9)上行通信规约测试
集中器(9)上行通信规约采用两种基本的异步式传输帧格式,实现基本的功能及用途:可变长度帧用于PC机(1)的主站向集中器(9)传输数据,或集中器(9)向PC机(1)的主站传输数据之用;固定长度帧用于集中器(9)向PC机(1)的主站传输的确认帧,或PC机(1)的主站向集中器(9)传输的确认帧。
PC机(1)的主站和集中器(9)之间传输服务主要有发送/无回答服务、发送/确认服务和请求/响应服务三种类型。
发送/无回答服务用于集中器(9)为客户端模式时的心跳帧;发送/确认服务用于PC机(1)的主站向集中器(9)发送命令等;请求/响应服务用于PC机(1)的主站向集中器(9)召唤数据或事件。下面以PC机(1)的主站抄收集中器(9)保存的用户电能表每天正向有功总电能量历史数据予以示例,主站通过集中器(9)上行信道发送的数据报文格式如下:
集中器(9)收到PC机(1)的主站请求有功总电能量历史数据帧后,如PC机(1)的主站所请求的数据全部有效,则通过集中器(9)上行信道发送如下格式的响应数据报文:
如主站所请求的数据全部无效,集中器(9)则通过上行信道发送如下格式的否定数据报文:
集中器(9)上行通信规约的测试主要是检查PC机(1)的主站发出执行命令后,集中器(9)的执行动作是否正确;PC机(1)的主站向集中器(9)发出抄收数据请求后,集中器(9)的上传数据是否正确。
3、效率提升
效率提升是采用虚拟电能表模块技术实现的。
集中器(9)、采集器(10)通过RS485、电力线载波或无线与虚拟电能表模块(5.3)进行通信,虚拟电能表模块(5.3)对接收的指令进行分析处理,返回集中器(9)、采集器(10)抄表所需的数据。从而实现了虚拟环境下低压集抄系统走字、抄表过程,以满足高效率测试的需要。
示例:若某一只载波单相表(12)的工作电压为220V,工作电流为5A,负载功率因数为1。考核集中器(9)十天内抄读该载波单相表(12)的日电量历史数据的正确性,按照常规测试方法,该载波单相表(12)要实时运行十天。
采用虚拟电能表模块(5.3)技术,在虚拟电能表模块(5.3)软件包中设置虚拟的单相载波用户电能表的工作电压为220V,工作电流为5A,负载功率因数为1,时钟加速运转倍率为24。
W=P×t×K=U×I×t×PF×K=220V×5A×1×24×1=26.4kWh
W-有功电能量(单位:kWh)
P-有功功率(单位:kW)
t-时间(单位:hour)
K-时钟加速运转倍率
上式表明,虚拟的单相载波电能表在实际时间一小时内,增加的有功电能量为26.4kWh,相当于一个真实的载波单相表(12)在一天内增加的有功电能量。
虚拟电能表模块(5.3)软件包中通过集中器(9)的上行信道每隔一小时给集中器(9)校时一次,共对集中器(9)校时10次,每次所校时钟如下表:
集中器校时顺序 |
集中器校时时钟 |
1 |
2008年1月1日23时55分 |
2 |
2008年1月2日23时55分 |
3 |
2008年1月3日23时55分 |
4 |
2008年1月4日23时55分 |
5 |
2008年1月5日23时55分 |
6 |
2008年1月6日23时55分 |
7 |
2008年1月7日23时55分 |
8 |
2008年1月8日23时55分 |
9 |
2008年1月9日23时55分 |
10 |
2008年1月10日23时55分 |
虚拟电能表模块(5.3)软件包中通过集中器(9)的上行信道给集中器(9)进行第一次校时,将集中器(9)时钟校准为2008年1月1日23时55分,则集中器(9)当第一次校时过后5分钟,即集中器(9)时钟为2008年1月2日24时00分进行对虚拟的载波用户电能表一次抄表,抄读虚拟的载波用户电能表的日末有功电能量;再经过55分钟,虚拟电能表模块(5.3)软件包中通过集中器(9)的上行信道给集中器(9)进行第二次校时,将集中器(9)时钟校准为2008年1月2日23时55分,以后工作过程同上。依次完成对集中器(9)10次校时,集中器(9)也在其嵌入式软件的控制下,每当集中器时钟为24时00分去抄读虚拟的载波用户电能表的日末有功电能量。
这样,集中器(9)在10个小时内可以抄回虚拟的载波用户电能表10天的日末有功电能量,大大提高测试效率。