本發(fā)明涉及一種智能電能表在線監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

作為國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的電力企業(yè)，其生產(chǎn)特點(diǎn)是發(fā)電廠發(fā)電、供電部門供電、用戶用電這幾個(gè)環(huán)節(jié)連成一個(gè)大系統(tǒng)。在這個(gè)過程中，電能作為一種商品被生產(chǎn)、銷售和使用。電能計(jì)量是電能作為商品進(jìn)行交換的＂稱桿子＂，是電力企業(yè)和用電客戶、電網(wǎng)和發(fā)電廠、電網(wǎng)和電網(wǎng)之間進(jìn)行考核以及經(jīng)濟(jì)結(jié)算的依據(jù)。電能計(jì)量的精度與電力系統(tǒng)供需雙方的經(jīng)濟(jì)利益息息相關(guān)。

電子式電能表是電能計(jì)量的重要工具，關(guān)系著千家萬戶的利益。其具有測(cè)量精度高、可進(jìn)行電量數(shù)據(jù)自動(dòng)采集實(shí)現(xiàn)、遠(yuǎn)程抄表和多費(fèi)率分時(shí)計(jì)量等特點(diǎn)，因此該系列產(chǎn)品在電力系統(tǒng)中迅速增加。我國電子式電能表的產(chǎn)量已躍居全球第一。但我國整體的電子式電能表的技術(shù)含量、可靠性水平與國際上的知名品牌相比還有較大的差距。電能表是“電”這種特殊商品的計(jì)量器具，同時(shí)又是電費(fèi)結(jié)算依據(jù)，需要每天每小時(shí)不間斷工作。而電子式電能表卻因?yàn)橛杉呻娐泛吞嗟碾娮釉骷M成，各種因素的變化就可能使其中之一失效，導(dǎo)致電能表不計(jì)量或電量計(jì)算錯(cuò)誤，從而引起電能計(jì)量糾紛。所以，從維護(hù)電力用戶和供電企業(yè)利益的角度出發(fā)，電子式電能表的計(jì)量穩(wěn)定性非常重要。電表廠家和技術(shù)機(jī)構(gòu)研制一塊在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下滿足基本誤差要求和多功能要求的電子式電能表就目前的科技水平來說已不難。但要在惡劣的環(huán)境條件和電氣條件下，使電子式電能表長(zhǎng)期正常工作、準(zhǔn)確計(jì)量，就需要對(duì)電能表的許多相關(guān)技術(shù)作深入的研究。

安裝在現(xiàn)場(chǎng)的電子式電能表常常出現(xiàn)液晶顯示屏亂碼、數(shù)據(jù)丟失、不計(jì)電量、程序錯(cuò)誤等現(xiàn)象。但當(dāng)該表拆離現(xiàn)場(chǎng)，送回標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試時(shí)有些故障會(huì)消失或不再復(fù)現(xiàn)。因此，對(duì)于電能表在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況下的計(jì)量性能進(jìn)行實(shí)測(cè)和分析具有重要的意義。

在國外，可靠性研究始于美國，而日本是可靠性工程的后起之秀。產(chǎn)品的可靠性研究在國外經(jīng)歷了萌芽階段（40 年代)、創(chuàng)建階段( 50 年代)、全面發(fā)展階段( 60 年代)、成熟階段( 70 年代)以及深入發(fā)展階段( 80 年代以來)，使得可靠性涉及到了各類產(chǎn)品之中。近年來，國際可靠性技術(shù)研究的熱點(diǎn)主要有：無維修使用期( MFOP)、可靠性指標(biāo)體系及其驗(yàn)證、加強(qiáng)軟件可靠性設(shè)計(jì)、實(shí)施集成化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化管理等方面。在電能計(jì)量與能效管理領(lǐng)域，英國的燃?xì)夂碗娏π袠I(yè)監(jiān)管機(jī)構(gòu) OFGEM( The Office of Gas and Electricity Markets)依據(jù)德國西門子的SN29500作為本國電能表的可靠性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。但是 OFGEM 只評(píng)價(jià)經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間、批量生產(chǎn)的電能表的可靠性，即利用專門的可靠性軟件分析工具，預(yù)計(jì)分析電能表的可靠壽命，通過定時(shí)定數(shù)截尾加速老化壽命試驗(yàn)驗(yàn)證電能表的可靠壽命。目前 IEEE 也在討論 IEC62059( 電能計(jì)量裝置可信性) 標(biāo)準(zhǔn)并發(fā)布了部分內(nèi)容，在電能計(jì)量可靠性國際標(biāo)準(zhǔn)方面邁出了重要的一步。然而，IEEE關(guān)于電子式電能表可靠性的標(biāo)準(zhǔn)方法是基于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)計(jì)量設(shè)備的老化試驗(yàn)，這種評(píng)價(jià)方法環(huán)境過于簡(jiǎn)單，無法全面復(fù)現(xiàn)電能表在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境。

國內(nèi)對(duì)于電子式電能表的質(zhì)量評(píng)價(jià)主要有JJG596-2012《電子式電能表檢定規(guī)程》、Q/GDW1364-2013《單相智能電能表技術(shù)規(guī)范》、Q/GDW1827-2013《三相智能電能表技術(shù)規(guī)范》等一系列檢定規(guī)程、規(guī)范。這些規(guī)程規(guī)范的是在從前機(jī)械式電能表的基礎(chǔ)上建立起來的，其中的一些檢測(cè)項(xiàng)目，尤其是誤差檢定點(diǎn)的選擇并不能完全滿足檢定的需要。

另外，由于現(xiàn)今的電子式電能表一般都采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所以電子式電能表的可靠性主要體現(xiàn)在軟件可靠性和硬件可靠性兩個(gè)方面。硬件可靠性主要體現(xiàn)在當(dāng)外部環(huán)境惡劣（比如溫度、濕度超出正常范圍、電壓不穩(wěn)定等）及長(zhǎng)期帶電運(yùn)行而電能表內(nèi)的各類電子元器件均正常工作而不失效。軟件可靠性主要表現(xiàn)在當(dāng)電能表在實(shí)驗(yàn)室檢定過程中由于檢定原理和檢定方法不嚴(yán)密造成的測(cè)量誤差時(shí)檢定數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。因此，有必要建立實(shí)際環(huán)境下，智能電能表在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而對(duì)電子式電能表在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下的計(jì)量性能進(jìn)行全面的分析。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種智能電能表在線監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電能表更有效和準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

智能電能表在線監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，它包括自動(dòng)監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)負(fù)荷控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于：自動(dòng)監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)包含電能表校驗(yàn)裝置、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)和掛表架；自動(dòng)負(fù)荷控制系統(tǒng)包含網(wǎng)路繼電器和上位機(jī)控制系統(tǒng)；保護(hù)系統(tǒng)包含空氣開關(guān)；電能表校驗(yàn)裝置包含計(jì)算機(jī)、信號(hào)源、程控功率源、標(biāo)準(zhǔn)電能表和誤差處理器，校驗(yàn)裝置內(nèi)部各模塊間采用RS-485總線形式，由信號(hào)源統(tǒng)一控制各模塊工作；電能表校驗(yàn)裝置與上位機(jī)之間的通訊采用RS232接口，通過上位機(jī)控制校驗(yàn)裝置進(jìn)行校表工作，同時(shí)完成誤差采集、判斷、化整、存儲(chǔ)和打印操作。

所述的信號(hào)源包括可編程數(shù)字邏輯陣列CPLD芯片、單片機(jī)MCU和D/A芯片；MCU按要求將正弦波基波或疊加的諧波值進(jìn)行數(shù)字離散后存放在RAM中，頻率基準(zhǔn)發(fā)生器通過計(jì)算器將存放在RAM中的正弦波數(shù)字量輸入至D/A轉(zhuǎn)換器，分別得到互相間具有一定相位關(guān)系的數(shù)字合成正弦信號(hào)，再經(jīng)過有源低通濾波，成為失真度小于0.2%的電壓和電流信號(hào)，作為電壓和電流的信號(hào)輸入至功率放大器；信號(hào)源的幅值調(diào)節(jié)采用16位D/A轉(zhuǎn)換器，使調(diào)節(jié)細(xì)度達(dá)到小于0.01%的滿度。

信號(hào)源產(chǎn)生的電壓和電流標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，分別通過各自的反饋補(bǔ)償調(diào)整電路送到電壓功放和電流功放進(jìn)行功率放大，放大的正弦信號(hào)經(jīng)電壓輸出變壓器變壓后送到被校表和標(biāo)準(zhǔn)電能表，放大的正弦電流信號(hào)通過升流變壓器升流后由裝置的電流輸出端子輸出，串接標(biāo)準(zhǔn)表和各被校表電流線圈后回到升流器；輸出電壓、電流信號(hào)經(jīng)電流、電壓反饋采樣互感器采樣，反饋回功放前級(jí)的反饋補(bǔ)償調(diào)整電路；若裝置產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)反饋給信號(hào)源，通過信號(hào)源停止信號(hào)輸出，并作報(bào)警提示。

標(biāo)準(zhǔn)電能表將被測(cè)電壓和電流取樣經(jīng)各自的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器后，分別送到DSP數(shù)字處理系統(tǒng)，DSP做實(shí)時(shí)U、I運(yùn)算，求出實(shí)際功率P、角度、功率因數(shù)等，由P控制頻率發(fā)生器產(chǎn)生比例與P的高頻脈沖輸出，該脈沖為電能高脈沖，由分頻器得到電能低頻脈沖供檢定標(biāo)準(zhǔn)表時(shí)使用，高、低頻電能脈沖輸出到接口，單片機(jī)和DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，通過液晶顯示測(cè)量值。

在標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表都在連續(xù)運(yùn)行的情況下，標(biāo)準(zhǔn)表的高頻脈沖信號(hào)送入誤差處理器，當(dāng)被校表轉(zhuǎn)完一定脈沖數(shù)時(shí)，誤差處理器讀出這段時(shí)間內(nèi)累計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)表的高頻脈沖數(shù)作為實(shí)測(cè)高頻脈沖數(shù)m，再與預(yù)置的高頻脈沖數(shù)m₀相比較。

本發(fā)明的經(jīng)濟(jì)效果在于：

第一、校驗(yàn)裝置內(nèi)部各模塊間采用RS-485總線形式，由信號(hào)源統(tǒng)一控制各模塊工作，這樣既加強(qiáng)了整體的可靠性，又提高了裝置的可擴(kuò)充性。

第二、功率放大器采用了先進(jìn)的脈寬調(diào)制技術(shù)，具有轉(zhuǎn)換效率高、輸出容量大、輸出可靠性高、帶載能力強(qiáng)、輸出穩(wěn)定等特點(diǎn)。并設(shè)計(jì)了完善的異常保護(hù)，主回路過流保護(hù)、器件過熱保護(hù)、輸出短路過載、輸出開路保護(hù)等，使功率放大器能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作。

第三、標(biāo)準(zhǔn)電能表采用最新數(shù)字電子技術(shù)，以DSP高速處理器為核心的智能型多功能高精度電能測(cè)量?jī)x表。

第四、誤差處理器采用單獨(dú)的MCU控制，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快，計(jì)算機(jī)通過信號(hào)源對(duì)誤差計(jì)算器進(jìn)行通訊，完成對(duì)誤差的測(cè)量和誤差數(shù)據(jù)的采集。誤差處理器能實(shí)現(xiàn)電能誤差計(jì)算、走字試驗(yàn)、啟動(dòng)/潛動(dòng)試驗(yàn)、時(shí)段投切誤差試驗(yàn)、需量周期誤差試驗(yàn)等功能。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。

本發(fā)明的實(shí)施例包括自動(dòng)監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)負(fù)荷控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)。自動(dòng)監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)包含電能表校驗(yàn)裝置、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)和掛表架；自動(dòng)負(fù)荷控制系統(tǒng)包含網(wǎng)路繼電器和上位機(jī)控制系統(tǒng)；保護(hù)系統(tǒng)包含空氣開關(guān)。

使用時(shí)，掛表架和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)放置在室外，電能表校驗(yàn)裝置、網(wǎng)絡(luò)繼電器和以太網(wǎng)交換機(jī)放置在室內(nèi)，每套校驗(yàn)裝置包含計(jì)算機(jī)、信號(hào)源、程控功率源、標(biāo)準(zhǔn)電能表和誤差處理器等單元，在計(jì)算機(jī)的控制下，信號(hào)源產(chǎn)生設(shè)定的電壓、電流信號(hào)送至功率源，功率源提供被校表、標(biāo)準(zhǔn)電能表所需的電壓和電流信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)表電能表把實(shí)際的電能轉(zhuǎn)化為高頻信號(hào)輸出至誤差系統(tǒng)，誤差處理器接受高頻脈沖信號(hào)，并與理論脈沖數(shù)比較得出電能誤差，電能誤差數(shù)據(jù)在本地顯示，也可以由通訊讀取。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控電能表的運(yùn)行狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)繼電器可以遠(yuǎn)程控制電能表的通斷狀態(tài)。每套校驗(yàn)裝置配置一臺(tái)溫度傳感器，帶通訊接口，與計(jì)算機(jī)相連。

每套校驗(yàn)裝置包含計(jì)算機(jī)、信號(hào)源、程控功率源、標(biāo)準(zhǔn)電能表和誤差處理器，校驗(yàn)裝置內(nèi)部各模塊間采用RS-485總線形式，由信號(hào)源統(tǒng)一控制各模塊工作，這樣既加強(qiáng)了整體的可靠性，又提高了裝置的可擴(kuò)充性，信號(hào)源是校驗(yàn)裝置的數(shù)據(jù)交換中心，是整個(gè)校驗(yàn)裝置的運(yùn)行中樞，由它統(tǒng)一控制各模塊工作。校驗(yàn)裝置與上位機(jī)之間的通訊采用RS232接口，通過上位機(jī)可以控制校驗(yàn)裝置進(jìn)行所有校表工作，同時(shí)完成誤差采集、判斷、化整、存儲(chǔ)和打印等操作。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)安裝在離戶外掛表單元2米的地方，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電能表的運(yùn)行狀態(tài)，以及液晶顯示。網(wǎng)路繼電器安裝在以太網(wǎng)交換機(jī)的后面，執(zhí)行上位機(jī)發(fā)送的通斷命令。

信號(hào)源采用了先進(jìn)的數(shù)字調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相的數(shù)字合成信號(hào)技術(shù)，由功能強(qiáng)大的可編程數(shù)字邏輯陣列CPLD芯片、單片機(jī)MCU、D/A芯片等組成。MCU按要求將正弦波基波或疊加的諧波值進(jìn)行數(shù)字離散后存放在RAM中，頻率基準(zhǔn)發(fā)生器通過計(jì)算器將存放在RAM中的正弦波數(shù)字量輸入至D/A轉(zhuǎn)換器，分別得到互相間具有一定相位關(guān)系的數(shù)字合成正弦信號(hào)。再經(jīng)過有源低通濾波，成為失真度小于0.2%的電壓和電流信號(hào)，作為電壓和電流的信號(hào)輸入至功率放大器。信號(hào)源的幅值調(diào)節(jié)采用16位D/A轉(zhuǎn)換器，使調(diào)節(jié)細(xì)度達(dá)到小于0.01%的滿度。

作為功率源的功率放大器的原理是：信號(hào)源產(chǎn)生的電壓和電流標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，分別通過各自的反饋補(bǔ)償調(diào)整電路送到電壓功放和電流功放進(jìn)行功率放大。放大的正弦信號(hào)經(jīng)電壓輸出變壓器變壓后送到被校表和標(biāo)準(zhǔn)電能表。放大的正弦電流信號(hào)通過升流變壓器升流后由裝置的電流輸出端子輸出，串接標(biāo)準(zhǔn)表和各被校表電流線圈后回到升流器。輸出電壓、電流信號(hào)經(jīng)電流、電壓反饋采樣互感器采樣，反饋回功放前級(jí)的反饋補(bǔ)償調(diào)整電路。若裝置產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)可迅速反饋給信號(hào)源，通過信號(hào)源停止信號(hào)輸出，并作報(bào)警提示。

標(biāo)準(zhǔn)電能表工作原理：將被測(cè)電壓和電流取樣經(jīng)各自的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器后，分別送到DSP數(shù)字處理系統(tǒng)，DSP做實(shí)時(shí)U、I運(yùn)算，求出實(shí)際功率P、角度、功率因數(shù)等，由P控制頻率發(fā)生器產(chǎn)生比例與P的高頻脈沖輸出，該脈沖為電能高脈沖，由分頻器得到電能低頻脈沖供檢定標(biāo)準(zhǔn)表時(shí)使用，高、低頻電能脈沖輸出到接口：同時(shí)單片機(jī)和DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，通過液晶顯示測(cè)量值。

本發(fā)明誤差處理器采用國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)電能表法中的“高頻脈沖預(yù)置法”檢定電能表，計(jì)算被校電能表的相對(duì)誤差γ（%）。在標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表都在連續(xù)運(yùn)行的情況下，標(biāo)準(zhǔn)表的高頻脈沖信號(hào)送入誤差處理器，當(dāng)被校表轉(zhuǎn)完一定脈沖數(shù)時(shí)，誤差處理器讀出這段時(shí)間內(nèi)累計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)表的高頻脈沖數(shù)作為實(shí)測(cè)高頻脈沖數(shù)m，再與預(yù)置的高頻脈沖數(shù)m₀相比較。