孫志杰 宋 楠 宋雨虹 魯觀娜 張姣姣

(華北電網(wǎng)有限公司計量中心1，北京 100045;華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司2，北京 100045;華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院3，河北 保定 071003)

0 引言

近些年先進(jìn)的電子信息技術(shù)應(yīng)用到電能表中，采用帶預(yù)付費(fèi)功能的CPU卡電能表開始在計量結(jié)算領(lǐng)域推廣使用。由于電能表本身增加了額外的物理介質(zhì)，即CPU卡和讀寫卡設(shè)備，系統(tǒng)的復(fù)雜度增加;同時，卡上信息關(guān)聯(lián)著貿(mào)易結(jié)算的信息，貿(mào)易結(jié)算信息一旦受到攻擊，將使卡表的用戶方或是卡表的提供方受到經(jīng)濟(jì)上的直接損失。為確保電表的各種電量交易數(shù)據(jù)能夠和電網(wǎng)公司的營銷系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的信息交換，需要對CPU卡表特有的預(yù)付費(fèi)功能進(jìn)行專門的檢驗和測試。

常規(guī)的電能表校驗裝置通常只考慮對電能表的計量準(zhǔn)確性進(jìn)行考核，而對于貿(mào)易結(jié)算方面的數(shù)據(jù)交換部分功能和電量控制功能沒有進(jìn)行測試和考核，所以使用以前的電能表檢測裝置只能檢測CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表的部分功能［1－3］。因此，我們研制了一套預(yù)付費(fèi)電能表功能檢測裝置。該裝置可以自動完成對CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表所有功能的測試，包括一般性的計量準(zhǔn)確性測試和用于交易結(jié)算的CPU卡功能測試等，從而大大減少了檢測人員的工作量，提高了檢測效率和一致性。

1 裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動檢測裝置的結(jié)構(gòu)主要包括檢測軟件、程控功率電源、標(biāo)準(zhǔn)電能表、CPU卡發(fā)卡系統(tǒng)、CPU卡插卡模擬系統(tǒng)和繼電器狀態(tài)檢測系統(tǒng)等六大系統(tǒng)。檢測軟件是控制校驗工作流程和協(xié)調(diào)控制各部分工作的主控軟件。程控功率電源為電能表提供一定的負(fù)載功率，可以模擬電能表實際運(yùn)行時出現(xiàn)的各種狀態(tài)，為電能表的性能指標(biāo)檢測提供必要的參照環(huán)境。標(biāo)準(zhǔn)電能表作為被檢表的計量參考標(biāo)準(zhǔn)，通過和標(biāo)準(zhǔn)電能表的能量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表的計量誤差。CPU卡發(fā)卡系統(tǒng)是用來生成各種CPU功能卡的設(shè)備，是從CPU卡上讀取電能表內(nèi)部信息的必要設(shè)備。CPU卡插卡模擬系統(tǒng)是為實現(xiàn)CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表自動檢測所必需的設(shè)備，CPU卡插卡模擬系統(tǒng)通過接收軟件命令，可以對指定的CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表實行類似于人工插卡的動作過程，從而省略了人工需要頻繁插卡的操作。繼電器狀態(tài)檢測系統(tǒng)是用來檢測CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表的繼電器控制信號是否正常的專用檢測系統(tǒng)。為滿足各種電能表不同種類的繼電器控制方式，繼電器狀態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)置了多種不同的信號檢測方式，如內(nèi)置繼電器開合檢測電路、外置繼電器開關(guān)量驅(qū)動檢測電路、外置繼電器有源驅(qū)動檢測電路等方式。

檢測軟件運(yùn)行在主控計算機(jī)上，其根據(jù)被檢電能表的電壓、電流量程、脈沖常數(shù)、表號、通信協(xié)議信息等進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表功能自動檢測示意圖如圖1所示。

圖1 預(yù)付費(fèi)電能表功能自動檢測示意圖Fig.1 Schematic of automatic functional detection for prepayment

試驗開始時，控制裝置的程控功率源輸出指定幅值和相位的信號，并施加在被檢電能表上。測試軟件控制CPU發(fā)卡器對發(fā)卡器中的卡片執(zhí)行寫卡操作，然后通過插卡動作模擬器執(zhí)行對預(yù)付費(fèi)電能表的插卡動作，狀態(tài)燈和繼電器檢測模塊檢測插卡后指示燈的明滅和繼電器的輸出端子的信號。主控計算機(jī)通過電能表RS-485通信總線抄讀電能表的電量、事件信息，同時返讀CPU卡發(fā)卡器中的CPU卡返寫的信息。檢測軟件對兩路信息進(jìn)行比對和判斷，從而得出檢測結(jié)果。

預(yù)付費(fèi)功能自動檢測裝置以數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)電能表作為系統(tǒng)的電能工作標(biāo)準(zhǔn)，采用分離式的控制系統(tǒng)和掛表架，由主控計算機(jī)控制整個檢驗的工作流程，標(biāo)準(zhǔn)電能表可以方便地從整個裝置上拆卸。此分離式控制系統(tǒng)有利于對標(biāo)準(zhǔn)電能表進(jìn)行檢定，同時也可以適應(yīng)更多試驗場合的需要。

2 檢測裝置的設(shè)計及實現(xiàn)

結(jié)合CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表技術(shù)規(guī)范的具體要求，預(yù)付費(fèi)功能自動檢測裝置的研制分為下述幾部分內(nèi)容:①適用于自動檢測裝置的CPU卡發(fā)卡系統(tǒng)的研制;②CPU卡插卡模擬系統(tǒng)的研制;③繼電器狀態(tài)檢測系統(tǒng)的研制;④監(jiān)測用光電頭的設(shè)計;⑤掛表架各表位帶隔離電流互感器(current transformer，CT)，斷電續(xù)流功能的實現(xiàn)。

2.1 CPU卡發(fā)卡系統(tǒng)

CPU卡發(fā)卡系統(tǒng)由計算機(jī)軟件和相應(yīng)的發(fā)卡硬件平臺組成。發(fā)卡系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)發(fā)出包含有特定功能信息的CPU卡片，以作為信息傳遞的媒介，電能表通過讀取包含有特定功能信息的CPU卡片的信息，做出相應(yīng)的動作反應(yīng);同時，電能表返寫卡的信息也存儲在CPU卡中。

2.2 CPU卡插卡模擬系統(tǒng)

CPU卡插卡模擬系統(tǒng)主要是實現(xiàn)軟件控制模擬手工插卡的動作過程。其實現(xiàn)過程描述如下:電腦通過通信口向插卡模擬器發(fā)送指定命令，插卡模擬器的控制MCU接收到計算機(jī)發(fā)送的插入卡命令后，控制內(nèi)部的步進(jìn)電機(jī)向前轉(zhuǎn)動，待插卡模擬器上的卡舌頂開CPU卡表內(nèi)部簧片觸點后，停止步進(jìn)電機(jī)向前轉(zhuǎn)動，電能表此時感知到有卡片插入，開始對插入的卡片進(jìn)行信息交換。相反，當(dāng)插卡模擬器的控制MCU接收到計算機(jī)發(fā)送的卡片退出命令時，控制MCU將控制電機(jī)向后轉(zhuǎn)動，插卡模擬器上的卡舌離開CPU卡表內(nèi)部簧片觸點，電能表還原到無卡插入狀態(tài)。

2.3 繼電器狀態(tài)檢測系統(tǒng)

繼電器狀態(tài)檢測系統(tǒng)的主要功能是讓軟件完成繼電器的各種狀態(tài)信號自動采集，不再需要人工的信息錄入過程。其實現(xiàn)過程描述如下:繼電器狀態(tài)測試系統(tǒng)通過電流互感器對流過電能表的電流進(jìn)行感應(yīng)，如果電能表內(nèi)部的繼電器吸合，則外部施加的電流可以從電能表內(nèi)部流過，電流互感器上可以感應(yīng)到電流的存在。該感應(yīng)信號經(jīng)過濾波整形后作為繼電器的吸合信號傳遞到計算機(jī)軟件中，軟件根據(jù)該信號狀態(tài)可以判斷出繼電器實際處于吸合或斷開狀態(tài)［4－7］。繼電器狀態(tài)檢測系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 繼電器狀態(tài)檢測系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Operational principle of relay state detection system

2.4 光電檢測系統(tǒng)

光電檢測系統(tǒng)通過光敏元件檢測繼電器的狀態(tài)指示燈信號，并能夠?qū)顟B(tài)指示信號轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可以讀取的數(shù)字信號。在檢測裝置上，為了實現(xiàn)對電能表的輸出指示狀態(tài)進(jìn)行檢測，在每個表位上設(shè)計安裝了光電采樣器，以實現(xiàn)對指示燈狀態(tài)的檢測［8－10］。

光電檢測系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。電能表發(fā)出報警、跳閘等狀態(tài)信號，經(jīng)脈沖整形電路濾除脈沖上的毛刺信號、LED狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電平信號后，由單片機(jī)進(jìn)行采集，然后通過RS-232通信轉(zhuǎn)換電路連接到PC機(jī)串行口上，使PC機(jī)成功收集到電能表的狀態(tài)信息。

圖3 光電檢測系統(tǒng)工作原理圖Fig.3 Operational principle of photoelectric detection system

2.5 斷電續(xù)流功能

在常規(guī)的電能表檢測裝置中，各電能表的電流回路是串聯(lián)在同一電流回路上的，任何一只電能表的內(nèi)置繼電器開路，都會導(dǎo)致功率源電流回路的開路，從而引起功率源的保護(hù)動作。

斷電續(xù)流功能工作原理如圖4所示。

圖4 斷電續(xù)流功能工作原理圖Fig.4 Operational principle of power wheeling function

在進(jìn)行繼電器跳閘功能測試時，如果按照常規(guī)電能表檢測裝置的接線方法，則由于測試過程中經(jīng)常出現(xiàn)電能表內(nèi)部電流繼電器開路的情況，導(dǎo)致繼電器跳閘功能檢測不能正常進(jìn)行。為避免由于電能表內(nèi)置繼電器跳閘引起功率源的保護(hù)，裝置采用每個表位可以獨立提供電流的測試用互感器。該互感器針對繼電器跳閘測試的特殊情況，在電能表內(nèi)置繼電器跳閘時，保證功率源的電流回路能夠續(xù)流，避免功率源的保護(hù)。

功率源的電流回路通過電流隔離互感器的一次側(cè)構(gòu)成回路，電能表的工作電流由每個電流隔離互感器的二次側(cè)提供。當(dāng)電能表的內(nèi)置繼電器跳閘時，功率源的電流輸出回路依舊處于閉合狀態(tài)，所以功率源的電流依然可以輸出。采用這樣的設(shè)計，可以對內(nèi)置繼電器卡表的跳閘功能進(jìn)行連續(xù)測試。在實際的線路設(shè)計中，由于電流互感器(CT)的二次開路，對功率源來說，增大了負(fù)載。為了不讓負(fù)載超過功率源的最大輸出功率，需對每個CT的一次電流回路上的電流旁路繼電器進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)檢測到某個CT的二次側(cè)開路時(一次側(cè)有電流而二次側(cè)無電流的現(xiàn)象)，檢測電路會控制該表位的一次側(cè)電流旁路繼電器閉合，將該CT的工作電流旁路掉，從而減少功率源的輸出負(fù)載，避免功率源的輸出過載。

3 檢測軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

檢測軟件為使用預(yù)付費(fèi)電能表功能檢測裝置的人機(jī)接口軟件，主要功能是:設(shè)置數(shù)字式信號源參數(shù)，控制數(shù)字式信號源的工作;設(shè)置數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)表的參數(shù)，控制數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)表的工作模式;設(shè)置誤差處理器的參數(shù)并讀取計算的誤差值;抄讀被測表的參數(shù);抄讀繼電器狀態(tài)測試系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù);控制CPU卡插卡模擬器進(jìn)行正常動作;控制CPU卡發(fā)卡系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)卡。

3.1 軟件設(shè)計

軟件分為表現(xiàn)層、邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層三大塊，如圖5所示。

圖5 功能檢測軟件框圖Fig.5 Block diagram of the functional detection software

表現(xiàn)層負(fù)責(zé)處理用戶操作請求和信息顯示，包括用戶的輸入控制、用戶的操作請求、信息顯示。

邏輯層主要包括裝置測試和系統(tǒng)管理兩個部分，它是本軟件的核心。裝置測試指的是設(shè)置校驗裝置的狀態(tài)和檢測參數(shù)，并獲得被檢表的檢測結(jié)果。設(shè)備操作以一次交互(發(fā)送命令、接收響應(yīng))為單位。協(xié)議模塊封裝了各個設(shè)備的通信協(xié)議，設(shè)備交互模塊則封裝了與各個設(shè)備的交互過程。系統(tǒng)管理包括用戶管理、系統(tǒng)配置、方案和測試點配置以及對檢測結(jié)果的操作等。流程模塊是將一個或者多個設(shè)備交互與方案操作進(jìn)行組裝，從而完成一個完整的業(yè)務(wù)。基礎(chǔ)函數(shù)庫包含了一些各個模塊可能用到的比較常用的功能函數(shù)。

數(shù)據(jù)訪問層包括與數(shù)據(jù)庫和串口的接口。數(shù)據(jù)訪問層采用Access數(shù)據(jù)庫，通過C#的ADO組件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作;采用API函數(shù)實現(xiàn)對串口的驅(qū)動，并封裝為串口類。

3.2 軟件功能實現(xiàn)

依據(jù)預(yù)付費(fèi)電能表功能檢測作業(yè)指導(dǎo)書，編制預(yù)付費(fèi)功能檢測方案;對被試電能表的電壓、電流、脈沖常數(shù)、繼電器類型等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后，選定檢測方案?？梢赃x擇自動檢測模式，從第一個試驗項目開始依次對電能表功能進(jìn)行檢測，直到試驗最后一項停止;也可以根據(jù)需要選擇部分測試項。檢測過程中若需要人工檢查、確認(rèn)的信息，則系統(tǒng)會彈出對話框，提示操作員進(jìn)行檢查、確認(rèn)。

軟件實現(xiàn)的功能有:①軟件根據(jù)確認(rèn)情況判斷該項目是否合格;②可以以非自動檢測模式，從任意一項試驗開始單步進(jìn)行測試，該項試驗完畢，則停止;③具有發(fā)卡功能，通過模擬發(fā)卡器，可以發(fā)行各種工具卡，對被試預(yù)付費(fèi)電能表的卡功能進(jìn)行手工檢測，并能夠讀取電能表往卡片中返寫的信息;④軟件的數(shù)據(jù)管理功能能夠?qū)崿F(xiàn)對檢測結(jié)果的保存，可以按照設(shè)計的原始記錄和檢測報告格式，進(jìn)行自動打印。

4 結(jié)束語

本裝置發(fā)揮模塊化、插件化、分布式設(shè)計的優(yōu)勢，實現(xiàn)了對預(yù)付費(fèi)電能表計量功能、結(jié)算數(shù)據(jù)交換功能、電量控制功能的全面自動化檢測，大大減少了檢測人員的工作量，提高了檢測效率，對確保CPU卡預(yù)付費(fèi)電能表的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行做出了積極貢獻(xiàn)。同時，也為其他規(guī)范的智能預(yù)付費(fèi)電能表相關(guān)技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

［1］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 10232-1994電氣繼電器第7部分:有或無機(jī)電繼電器測試程序［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［2］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 2829-2002周期檢查計數(shù)抽樣程序及抽樣表(適用于對過程穩(wěn)定性的檢驗)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［3］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 14598.1-2002電氣繼電器的觸點功能［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［4］王凱，李杏春，王占國.磁保持繼電器在預(yù)付費(fèi)電能表中的控制方案［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008(12):75－77.

［5］閻健.電磁繼電器和固態(tài)繼電器在回收電路中的應(yīng)用［J］.航天返回與遙感，2002(1):10－16.

［6］張明峰.PLC單片機(jī)入門與實踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004:20－100.

［7］鐘靜宏，張承寧.基于脈沖電源的MOSFET驅(qū)動電路研究及應(yīng)用［J］.航空精密制造技術(shù)，2006(3):57－59.

［8］郭慧光，賴振學(xué)，張忠德，等.基于DSP的電能表校驗臺的設(shè)計與開發(fā)［J］.上海電器技術(shù)，2010(2):24－26.

［9］姚力，李少騰，陸春光.數(shù)字化電能表檢測裝置設(shè)計［C］∥第一屆智能化先進(jìn)測量系統(tǒng)學(xué)術(shù)研討會議論文集，丹東，2010:28－32.

［10］龔育才，高月輝，姜培剛.基于PCI-1714測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，28(5):75－78.