本發明涉及一種智能電能表在線監測及遠程控制系統。

背景技術：

作為國民經濟支柱產業的電力企業，其生產特點是發電廠發電、供電部門供電、用戶用電這幾個環節連成一個大系統。在這個過程中，電能作為一種商品被生產、銷售和使用。電能計量是電能作為商品進行交換的＂稱桿子＂，是電力企業和用電客戶、電網和發電廠、電網和電網之間進行考核以及經濟結算的依據。電能計量的精度與電力系統供需雙方的經濟利益息息相關。

電子式電能表是電能計量的重要工具，關系著千家萬戶的利益。其具有測量精度高、可進行電量數據自動采集實現、遠程抄表和多費率分時計量等特點，因此該系列產品在電力系統中迅速增加。我國電子式電能表的產量已躍居全球第一。但我國整體的電子式電能表的技術含量、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”這種特殊商品的計量器具，同時又是電費結算依據，需要每天每小時不間斷工作。而電子式電能表卻因為由集成電路和太多的電子元器件組成，各種因素的變化就可能使其中之一失效，導致電能表不計量或電量計算錯誤，從而引起電能計量糾紛。所以，從維護電力用戶和供電企業利益的角度出發，電子式電能表的計量穩定性非常重要。電表廠家和技術機構研制一塊在實驗室環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。但要在惡劣的環境條件和電氣條件下，使電子式電能表長期正常工作、準確計量，就需要對電能表的許多相關技術作深入的研究。

安裝在現場的電子式電能表常常出現液晶顯示屏亂碼、數據丟失、不計電量、程序錯誤等現象。但當該表拆離現場，送回標準實驗室進行測試時有些故障會消失或不再復現。因此，對于電能表在現場實際運行工況下的計量性能進行實測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。產品的可靠性研究在國外經歷了萌芽階段（40 年代)、創建階段( 50 年代)、全面發展階段( 60 年代)、成熟階段( 70 年代)以及深入發展階段( 80 年代以來)，使得可靠性涉及到了各類產品之中。近年來，國際可靠性技術研究的熱點主要有：無維修使用期( MFOP)、可靠性指標體系及其驗證、加強軟件可靠性設計、實施集成化結構設計、實施網絡化管理等方面。在電能計量與能效管理領域，英國的燃氣和電力行業監管機構 OFGEM( The Office of Gas and Electricity Markets)依據德國西門子的SN29500作為本國電能表的可靠性評價標準。但是 OFGEM 只評價經過較長時間、批量生產的電能表的可靠性，即利用專門的可靠性軟件分析工具，預計分析電能表的可靠壽命，通過定時定數截尾加速老化壽命試驗驗證電能表的可靠壽命。目前 IEEE 也在討論 IEC62059( 電能計量裝置可信性) 標準并發布了部分內容，在電能計量可靠性國際標準方面邁出了重要的一步。然而，IEEE關于電子式電能表可靠性的標準方法是基于在實驗室內對計量設備的老化試驗，這種評價方法環境過于簡單，無法全面復現電能表在現場的實際運行環境。

國內對于電子式電能表的質量評價主要有JJG596-2012《電子式電能表檢定規程》、Q/GDW1364-2013《單相智能電能表技術規范》、Q/GDW1827-2013《三相智能電能表技術規范》等一系列檢定規程、規范。這些規程規范的是在從前機械式電能表的基礎上建立起來的，其中的一些檢測項目，尤其是誤差檢定點的選擇并不能完全滿足檢定的需要。

另外，由于現今的電子式電能表一般都采用單片機進行數據處理，所以電子式電能表的可靠性主要體現在軟件可靠性和硬件可靠性兩個方面。硬件可靠性主要體現在當外部環境惡劣（比如溫度、濕度超出正常范圍、電壓不穩定等）及長期帶電運行而電能表內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在當電能表在實驗室檢定過程中由于檢定原理和檢定方法不嚴密造成的測量誤差時檢定數據結果準確可靠。因此，有必要建立實際環境下，智能電能表在線監測系統，從而對電子式電能表在現場實際運行環境下的計量性能進行全面的分析。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，提供一種智能電能表在線監測及遠程控制系統，實現對智能電能表更有效和準確的實時在線監測和遠程控制。

本發明的技術方案如下：

智能電能表在線監測及遠程控制系統，它包括自動監控檢測系統、自動負荷控制系統和保護系統，其特征在于：自動監控檢測系統包含電能表校驗裝置、網絡攝像機、以太網交換機和掛表架；自動負荷控制系統包含網路繼電器和上位機控制系統；保護系統包含空氣開關；電能表校驗裝置包含計算機、信號源、程控功率源、標準電能表和誤差處理器，校驗裝置內部各模塊間采用RS-485總線形式，由信號源統一控制各模塊工作；電能表校驗裝置與上位機之間的通訊采用RS232接口，通過上位機控制校驗裝置進行校表工作，同時完成誤差采集、判斷、化整、存儲和打印操作。

所述的信號源包括可編程數字邏輯陣列CPLD芯片、單片機MCU和D/A芯片；MCU按要求將正弦波基波或疊加的諧波值進行數字離散后存放在RAM中，頻率基準發生器通過計算器將存放在RAM中的正弦波數字量輸入至D/A轉換器，分別得到互相間具有一定相位關系的數字合成正弦信號，再經過有源低通濾波，成為失真度小于0.2%的電壓和電流信號，作為電壓和電流的信號輸入至功率放大器；信號源的幅值調節采用16位D/A轉換器，使調節細度達到小于0.01%的滿度。

信號源產生的電壓和電流標準正弦信號，分別通過各自的反饋補償調整電路送到電壓功放和電流功放進行功率放大，放大的正弦信號經電壓輸出變壓器變壓后送到被校表和標準電能表，放大的正弦電流信號通過升流變壓器升流后由裝置的電流輸出端子輸出，串接標準表和各被校表電流線圈后回到升流器；輸出電壓、電流信號經電流、電壓反饋采樣互感器采樣，反饋回功放前級的反饋補償調整電路；若裝置產生報警信號反饋給信號源，通過信號源停止信號輸出，并作報警提示。

標準電能表將被測電壓和電流取樣經各自的A/D模數轉換器后，分別送到DSP數字處理系統，DSP做實時U、I運算，求出實際功率P、角度、功率因數等，由P控制頻率發生器產生比例與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準表時使用，高、低頻電能脈沖輸出到接口，單片機和DSP進行實時通訊，通過液晶顯示測量值。

在標準表和被檢表都在連續運行的情況下，標準表的高頻脈沖信號送入誤差處理器，當被校表轉完一定脈沖數時，誤差處理器讀出這段時間內累計的標準表的高頻脈沖數作為實測高頻脈沖數m，再與預置的高頻脈沖數m₀相比較。

本發明的經濟效果在于：

第一、校驗裝置內部各模塊間采用RS-485總線形式，由信號源統一控制各模塊工作，這樣既加強了整體的可靠性，又提高了裝置的可擴充性。

第二、功率放大器采用了先進的脈寬調制技術，具有轉換效率高、輸出容量大、輸出可靠性高、帶載能力強、輸出穩定等特點。并設計了完善的異常保護，主回路過流保護、器件過熱保護、輸出短路過載、輸出開路保護等，使功率放大器能長期穩定可靠工作。

第三、標準電能表采用最新數字電子技術，以DSP高速處理器為核心的智能型多功能高精度電能測量儀表。

第四、誤差處理器采用單獨的MCU控制，數據處理能力強、運算速度快，計算機通過信號源對誤差計算器進行通訊，完成對誤差的測量和誤差數據的采集。誤差處理器能實現電能誤差計算、走字試驗、啟動/潛動試驗、時段投切誤差試驗、需量周期誤差試驗等功能。

具體實施方式

下面結合實施例進一步說明本發明。

本發明的實施例包括自動監控檢測系統、自動負荷控制系統和保護系統。自動監控檢測系統包含電能表校驗裝置、網絡攝像機、以太網交換機和掛表架；自動負荷控制系統包含網路繼電器和上位機控制系統；保護系統包含空氣開關。

使用時，掛表架和網絡攝像機放置在室外，電能表校驗裝置、網絡繼電器和以太網交換機放置在室內，每套校驗裝置包含計算機、信號源、程控功率源、標準電能表和誤差處理器等單元，在計算機的控制下，信號源產生設定的電壓、電流信號送至功率源，功率源提供被校表、標準電能表所需的電壓和電流信號，標準表電能表把實際的電能轉化為高頻信號輸出至誤差系統，誤差處理器接受高頻脈沖信號，并與理論脈沖數比較得出電能誤差，電能誤差數據在本地顯示，也可以由通訊讀取。網絡攝像機實時監控電能表的運行狀態，網絡繼電器可以遠程控制電能表的通斷狀態。每套校驗裝置配置一臺溫度傳感器，帶通訊接口，與計算機相連。

每套校驗裝置包含計算機、信號源、程控功率源、標準電能表和誤差處理器，校驗裝置內部各模塊間采用RS-485總線形式，由信號源統一控制各模塊工作，這樣既加強了整體的可靠性，又提高了裝置的可擴充性，信號源是校驗裝置的數據交換中心，是整個校驗裝置的運行中樞，由它統一控制各模塊工作。校驗裝置與上位機之間的通訊采用RS232接口，通過上位機可以控制校驗裝置進行所有校表工作，同時完成誤差采集、判斷、化整、存儲和打印等操作。網絡攝像機安裝在離戶外掛表單元2米的地方，可以實時監控電能表的運行狀態，以及液晶顯示。網路繼電器安裝在以太網交換機的后面，執行上位機發送的通斷命令。

信號源采用了先進的數字調頻、調幅、調相的數字合成信號技術，由功能強大的可編程數字邏輯陣列CPLD芯片、單片機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行數字離散后存放在RAM中，頻率基準發生器通過計算器將存放在RAM中的正弦波數字量輸入至D/A轉換器，分別得到互相間具有一定相位關系的數字合成正弦信號。再經過有源低通濾波，成為失真度小于0.2%的電壓和電流信號，作為電壓和電流的信號輸入至功率放大器。信號源的幅值調節采用16位D/A轉換器，使調節細度達到小于0.01%的滿度。

作為功率源的功率放大器的原理是：信號源產生的電壓和電流標準正弦信號，分別通過各自的反饋補償調整電路送到電壓功放和電流功放進行功率放大。放大的正弦信號經電壓輸出變壓器變壓后送到被校表和標準電能表。放大的正弦電流信號通過升流變壓器升流后由裝置的電流輸出端子輸出，串接標準表和各被校表電流線圈后回到升流器。輸出電壓、電流信號經電流、電壓反饋采樣互感器采樣，反饋回功放前級的反饋補償調整電路。若裝置產生報警信號可迅速反饋給信號源，通過信號源停止信號輸出，并作報警提示。

標準電能表工作原理：將被測電壓和電流取樣經各自的A/D模數轉換器后，分別送到DSP數字處理系統，DSP做實時U、I運算，求出實際功率P、角度、功率因數等，由P控制頻率發生器產生比例與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準表時使用，高、低頻電能脈沖輸出到接口：同時單片機和DSP進行實時通訊，通過液晶顯示測量值。

本發明誤差處理器采用國家標準規定的標準電能表法中的“高頻脈沖預置法”檢定電能表，計算被校電能表的相對誤差γ（%）。在標準表和被檢表都在連續運行的情況下，標準表的高頻脈沖信號送入誤差處理器，當被校表轉完一定脈沖數時，誤差處理器讀出這段時間內累計的標準表的高頻脈沖數作為實測高頻脈沖數m，再與預置的高頻脈沖數m₀相比較。