多功能物聯網智能電能表檢測裝置的研發

劉 茵 劉超逸 檀亞鳳 張文彧 李英葵

一、引言

電能計量已向物聯網、智能方向發展。物聯網智能電能表主要是指電能表除了具備傳統電能表的計量功能之外，還具備物聯網組網模塊。較為典型的物聯網智能電能表應用藍牙通信功能，使電能表可以作為一個數據通道或數據中轉站與外界進行數據交互，對電能表周圍環境實況或其他傳感器中數據進行采集上傳，實現一定范圍內的數據互聯互通，形成基于電能計量的物聯網智慧業務應用場景。目前，電能表現場多功能檢測裝置采用有線連接的RS485通信方式和脈沖輔助端子硬連線的方式，無法測試無弱電端子的物聯網智能電能表。物聯網智能電能表現場檢測裝置的空白導致無法對物聯網智能電能表進行現場檢測，使得現場計量監督管理工作無法進行，造成工作盲區和運行隱患。

筆者研發一種基于藍牙通信協議的物聯網智能電能表檢測裝置，既可以在實驗室測試也可進行現場校驗，填補目前物聯網智能電能表藍牙通信功能無法檢測的不足，確保物聯網智能電能表符合技術規范規定的使用要求，全線性運行精準、穩定、可靠，同時實現測試數據記錄、展示及導出，達到計量管理的規范化、自動化和可視化。

二、研發目的與內容

通過研發一種基于藍牙通信協議的物聯網智能電能表檢測裝置，整合現場校驗儀及藍牙測試功能，保留傳統的485 通信等接口，增加藍牙測量模塊，實現對多種不同通信方式的電能進行通信測試，實現光電、脈沖、藍牙等模式下的計量檢測。該裝置既可對傳統電能表進行現場校驗，又可對新型物聯網智能電表開展測試，填補物聯網智能電能表現場檢測技術的空白。

三、結構設計及原理說明

物聯網智能電能表主要由計量芯、管理芯、LED 及藍牙模塊組成，物聯網智能電能表檢測裝置由光電頭、藍牙/脈沖轉換器以及現場校驗儀組成，結構設計圖如圖1。檢測裝置采用7 寸工業級TFT 寬彩屏，觸摸加按鍵操作，支持中文輸入功能；具有兩路脈沖輸入，可同時檢測常數、工作方式及脈沖個數完全不同的兩路被檢脈沖；可測量互感器低壓變比和線路諧波分量；內置藍牙模塊，帶USB 接口、RS232 接口，可上傳、拷貝檢測數據。

圖1 檢測裝置結構設計圖

研發的檢測裝置采用高精度ADC 對電能表的電壓電流信號進行采樣，同時現場校驗儀使用精密DDS 信號源經電壓、電流功放放大后，可向電能表提供穩定的功率信號，實現電能表計量比對檢測。

研發的檢測裝置原理如圖2所示，通過電壓—電壓變換器及電流—電壓變換器將現場電能表所連接的電壓電流等信號比例變換為適合數據采集與處理模塊能接受的小信號并送入數據采集與處理模塊進行AD 轉換，實現模擬信號數字化；通過DSP 按照交流采樣算法高速計算獲得電壓、電流、相位、頻率、功率（電能是功率對時間的累積，由于現有晶振技術非常容易達到量級，時間對電能測量的影響可以忽略）等電學參量，同時根據功率輸出電能脈沖信號供校準使用；數據采集與處理模塊通過對AD 轉換采樣數據的高速實時計算處理，進行諧波分析。同時對檢測裝置獲得的電流電壓相位等電參量進行分析，判別電能表的接線情況。電能誤差檢測與處理模塊接收被試電能表的電能脈沖信號（包括老式機械電能表的人工模擬信號、光電采樣信號）進行電能誤差計算，獲取在不同工況下電能表的計量誤差；工作電源為整機提供高質量供電電源，采用從交流輸入電壓信號取電及內置高性能電池供電相結合方式；通信檢測模塊具有采用藍牙、RS485、紅外通信、載波通信等通信方式的硬件接入能力，依據DL/T645 協議等相關電能表通信協議對電能表通信方面重要關鍵的一些功能進行檢查的能力。

圖2 檢測裝置原理圖

研發的檢測裝置的藍牙主要工作有兩種模式：脈沖跟隨檢定模式和BLE 通信模式。

當工作在脈沖跟隨檢定模式時，物聯網智能電能表藍牙模塊處于接收狀態，檢測裝置的藍牙/脈沖接收器也處于接收狀態。物聯網智能電能表計量芯的有功脈沖及多功能脈沖輸入至表內的藍牙模塊I/O 上，每一次電平翻轉都觸發藍牙模塊產生一個外部中斷，此時藍牙模塊進入發送狀態，開啟脈沖傳輸窗口，將脈沖數據用無線射頻信號發送出去，并切換回接收狀態準備接收ACK 應答信號。檢測裝置的藍牙模塊接收到無線脈沖數據后，將無線脈沖數據還原成電脈沖信號，經電平轉換后輸入到現場校驗儀的I/O，以完成檢定。時序如圖3 所示。

圖3 脈沖跟隨檢定時序圖

當工作在BLE 通信模式時，物聯網智能電能表的藍牙模塊作為從機，發起廣播，等待主機進行連接；檢測裝置的藍牙/脈沖轉換器作為主機，掃描廣播信息，請求連接從機。流程如圖4 所示。當主機與從機進行連接時，需要執行藍牙服務發現過程，完整地執行藍牙通信建立流程，便可執行DL/T698.45 以及DL/T645 協議通信。

圖4 藍牙建立通信流程圖

四、檢測接線及方法

三相四線低壓電能表經鉗表接入檢測裝置接線時，將電壓線首端的插棒按顏色分別接到檢測裝置面板相應的A、B、C、N 電壓端子上，電壓線末端的鱷魚夾分別接到被測表表尾的A、B、C、N 相電壓線上；再將各相的鉗形互感器插到有相應標號的接口上，然后用鉗形互感器卡住對應相的電流線即可，如圖5 所示。打開檢測裝置開關，先按照被測電能表參數將“參數設置”屏中相應的參數設置正確，即可進入相應的界面進行測試。

圖5 三相四線低壓電能表經鉗表接入檢測裝置接線圖

三相三線高壓電能表經鉗表接入檢測裝置接線時，將電壓線首端的黃、綠、紅插棒分別接到檢測裝置面板相應的A、N、C 電壓端子上（即黃色插棒接到電壓端子UA上，綠色插棒接到電壓端子UN上，紅色插棒接到電壓端子UC上，UB端子不接線），電壓線末端的黃、綠、紅鱷魚夾按顏色分別接到被測表表尾的A、B、C 三相電壓線上；再將A、C 兩相的鉗形互感器插到有相應標號的接口上，然后用鉗形互感器卡住對應相的電流線即可，如圖6 所示。當現場電能表無負荷或負荷很小影響測量時，可以使用負載盒。

圖6 三相三線高壓電能表經鉗表接入檢測裝置接線圖

檢測時，物聯網智能電能表藍牙模塊作為從機進行廣播，等待主機與之相連，一旦建立連接，主機和從機之間便可進行通信數據的透明傳輸，脈沖信號通過藍牙的2.4G 無線信道編碼后發送出去。通信時，檢測裝置的藍牙/脈沖轉換器作為主機，能掃描接收電能表藍牙模塊的廣播信號，發起連接，進行DL/T698.45、DL/T645 數據通信。檢定時，檢測裝置將2.4G 無線信號解碼還原成脈沖信號，進行誤差檢定。具體步驟如下：（1）檢測裝置錄入待測電能表通信地址；（2）復位藍牙/脈沖轉換器；（3）點擊連接待檢電能表，與待檢電能表的藍牙模塊建立連接；（4）連接成功后，可進行廣播校時、抄讀電量等通信測試；（5）設定脈沖類型，比如有功、無功、秒脈沖等，點擊進入脈沖檢定模式；（6）檢測裝置根據藍牙/脈沖轉換器的脈沖信號進行誤差檢定；（7）檢定完成后，退出脈沖檢定模式或復位藍牙/脈沖轉換器。

五、技術創新點及優勢

（一）基于藍牙現場檢測技術

創新性整合現場校驗儀及藍牙測試功能，采用藍牙BLE5.0 版本，功率消耗極低。研發的檢測裝置可進行藍牙脈沖輸出狀態計量檢測、藍牙通信功能檢測，實現實驗室、現場對物聯網智能電能表檢測，填補了物聯網智能電能表現場檢測技術的空白，確保物聯網智能電能表符合技術規范的使用要求。

（二）集成多種測量模式為一體

研發的檢測裝置實現光電、脈沖、藍牙等模式下的計量檢測，既可對傳統電能表進行現場校驗，又可對新型物聯網智能電能表進行測試；保留傳統的485 通信等接口，增加藍牙測量模塊，實現對多種不同通信方式的電能表進行通信測試，具備多場景應用。同時，集成標準時鐘源，現場可模擬實驗室檢定電能表日計時誤差、走字誤差，為現場工作人員判斷電能表時鐘及電量累計的準確性提供依據。

（三）高可靠性

研發的檢測裝置采用高精度采樣器件設計線性采集電路，能精準、穩定、可靠的全線性運行，可記錄、顯示測試數據并可通過外接U 盤導出數據。增加功率源輸出功能，可提供穩定功率信號，實現無外置功率源的情況下也能自帶負荷進行現場計量比對檢測。設計自校準電路功能，可自動調整檢測數據并對檢測裝置的示值加以修正，從而實現多功能物聯網智能電能表檢測裝置自校準，確保檢測裝置測量值的長期準確性、可靠性。

六、成效應用分析

（一）助力物聯網智能電能表推廣應用，推進檢測技術數字化發展

未來物聯網智能電能表應用的普及，將對用戶整體用電管理的方案設計有新突破，使數據采集的頻率極大提高，用電數據分析的準確性、及時性、精細化得到了充分展現。多功能物聯網智能電能表檢測裝置是智能電表與物聯網的結合，以優化、簡單、準確的測量方式，實現對智能電能表、傳統電能表的現場檢測，保證電能表各項功能的可靠準確、可溯源，為物聯網智能電能表擴展功能的推廣應用提供了基礎條件，為適應計量檢測技術數字化發展提供有利支持。

（二）準確判別電能表運行情況，保證計量裝置穩定可靠

研發的檢測裝置具備日計時誤差、走字誤差檢測、電量比對的功能，能對運行的物聯網智能電能表工況做有效、準確的定性判別，保證物聯網智能電能表的運行穩定可靠。當客戶提出驗表申請，供電企業可直接使用研發裝置掛接在現場被驗表旁，進行現場誤差測量及長時間電量比對、日計時誤差檢測，無需裝拆表，精簡中間處理環節，提高客戶滿意度。

七、結語

多功能物聯網智能電能表檢測裝置的研發解決了傳統檢測裝置無法實現藍牙功能測試和人工接線操作復雜，自動化、智能化程度不高，以及接線易出錯存在安全隱患等問題，填補目前物聯網智能電能表無法檢測藍牙功能的不足，確保智能電能表符合技術規范規定使用要求，為供電企業的現場檢測提供了新的一種可靠手段，實現計量管理的規范化、自動化和可視化，具備一定的經濟效益和管理效益。