数字式多功能标准装置自动校准系统的应用

马莉 常婧 吴杨 霍耀佳 张晖

（国网宁夏电力有限公司电力科学研究院 宁夏回族自治区银川市 750011）

当前数字万用表和三相交直流计量装置在电力系统中应用广泛，在使用次数过多、工作年限较长的情况下，计量设备的测量精度可能会出现变化，因此需要定期对计量装置进行检定。当前检定方法中对计量装置的校准的操作复杂，在检定过程中需要进行不间断变化量程，频繁进行切换输出电压和电源等操作，同时存在一定的安全隐患。

近年来对电力计量装置检定和校准研究中，国内研究中文献方法中设计出一种全自动化检定平台，基于三点一线的指针式仪表读数识别方法，实现了检定过程电力仪表读数的自动识别。但只能针对单一类型的仪表进行检测，同时存在各方面的限制，通用性较差。文献方法中设计出指针式仪表的自动检定系统，采用了CCD相机完成图像采集，并结合机器视觉技术对设备图像信息进行处理。但这种方法只能针对特定型号的电力设备进行检定，并且设备维护困难。国外研究中文献方法中提出了一种仪表读数识别系统，基于无线传感器网络完成数据传输，并通过图像处理和识别方法获取到电力仪表的读数数据。但系统的自动化程度较低，无法自动计算仪表读数的误差数据，同时系统的扩展性较差。

1.1 系统总体设计方案

该研究设计了一套新型的数字式多功能标准装置的自动化校准系统，实现对电力系统中计量装置的检定和校准，支持的自动校准的计量装置包括了数字多用表、多功能三相电测量仪表、交流采样变送器校验装置，校准的参数包括交/直流电压、交/直流电流、电阻、有功功率、无功功率、频率、功率因数、相位等。系统能够根据不同的测试项目，生成不同的测试方案，完成系统测试通路的自动化选择控制，和测试设备的参数设置控制。系统对进行校准的不同型号的电力仪表的示数进行精确地读取，同时实时反馈状态信息、检定项目以及运行的时间等指标，并对校准指标进行判定，自动生成被测计量装置的校准文档。系统整体架构如图1所示。

图1：系统整体架构

系统软件设计开发采用模块化设计思想，具体包括检定模块、方案模块、控制模块、通讯模块、数据处理模块、读数识别模块六个模块。在装置校准过程中，主控计算机通过通讯模块与系统中标准源、光学相机、光照设备和控制器等进行交互，通讯模块包括了RS232、TCP/IP、Wi-Fi等通信方式，通过通讯模块对系统的校准参数进行设备，通过控制模块完成对检定平台中切换板的控制。检定模块中采用了射频识别技术，通过扫描被测装置的电子标签自动读取该设备的基本信息，并与系统数据库进行连接。方案模块用来生成对应的校准方案，在文档中创建计量装置检定信息，然后利用程序将文档的值自动存入到了数据库的对应表中。

数据处理模块中使用了DACluster数据分析组件和数据校准模型，能够产生目标信息与映射关系的数据集，并且附带了各项各项校准指标的结果集，能够在很多的任务要进行计算的情况，对资源进行限制，控制系统计算任务的最大并发量，并进行延时错峰运行。基于检测数据计算被测装置的计量误差，自动判断计量装置是否合格，可要求用户要求定制各种格式的证书或校准报告。读数识别模块用来获取被测装置的示数信息，对相机采集到的仪表示数图像进行图像处理，并将得到的仪表示数信息传输到系统数据库，通过数据处理模块进行相关数据分析，得到被测装置的校准和检定结果。

1.2 自动校准系统硬件设计

该研究在检定系统中硬件平台中设计出切换板，用于检定不同量程时自动切换标准源的量程。系统中检定装置与计算机进行通讯实时反馈信号，控制电动执行器以及气动执行器的动作。切换板的连接示意图如图2所示。

图2：切换板的连接示意图

图2中输出端的接线端子与标准源的量程对应，前四个端子与数字式装置量程输入端连接。检定装置中选用STM32F407ZGT6 芯片作为控制单元，内部包含了3个12位A/D转换器、2个DMA控制器、16 位/32 位的定时器和串口调试接口，外部接口包括了USB、RS232、RS422、PCI等类型，可通过软件功能配置为多种模式，同时I/O具有复用功能。检定装置的硬件结构如图3所示。

图3：检定装置的硬件结构

图3中电源模块中采用了LM2576HVSX-ADJ直流降压芯片和LD1117DT33CTR低压差稳压器，通过压降芯片将直流12V降为直流5V，再经过稳压器输出3.3V，使电源模块满足装置其他模块的电压需求。通信模块中使用了PROFIBUS通信芯片，具有串行处理器接口和同步总线模式，通过物理接口单元将异步数据转换为并行数据进行传输。主控计算机发出IO量信号与检定装置进行通讯，对控制板内部开关的通道进行控制，实现工作模式的转换。控制板内部结构如图4所示。

图4：控制板内部结构

检定装置的数据通道与控制板的输入输出接口对应连接，每个IO量控制内部对应的继电器。控制板的六个输入量程端子与标准源的输出端对应，连接标准源与鉴定装置，控制板的工作状态接口与数字式电力仪表的对应量程接口连接，通过控制板能够检定到计量装置的所有量程，从而避免了在检定过程中进行手动切换。

1.3 基于模态分解和门控循环单元的数据校准模型

被检定装置的计量误差具有较大的不确定性和随机性，影响了模型的校准精度，简单的数据处理方式很难提取深层的数据特征。该研究对具有随机性以及非平稳性的原始数据进行模态分解，被分解为具有不同模态的分量，分别输入到门控循环单元中，通过特征学习得到模型最终的校准数据，并加入不确定性度量方法，被检定的计量设备的原始数据的不确定性度量，优化数据特征提取模块的参数。数据校准模型结构如图5所示。

图5：数据校准模型结构

图5中通过模态分解得到多个个固有模态函数，分解得到的高频分量表示数据中受随机因素影响较大的部分，再以多通道的形式分别输入到门控循环单元的参考数据特征提取模块中。数据校准模型中被检定装置的校准参数包括了括交/直流电压、交/直流电流、电阻、有功功率、无功功率、频率、功率因数等，进行的归一化处理可表示为：

式（1）中max(e)、min(e)表示模型中输入的设备校准数据最大值、最小值，t表示校准时间，通过公式（1）模型对输入的装置校准信息进行预处理。模型在衡量校准信息中各因素之间的线性相关关系，并对现有数据进行相关系数估计，相关性系数可表示为：

式（3）中Y表示校准数据的模态分量，X、y表示输入的各项校准数据样本，F表示映射函数，δ表示固有模态系数，w、o表示模型的最优参数值，通过公式（3）对经过预处理的校准数据进行模态分解。在检定过程中，电流测量装置测量的幅值误差与时间参数误差可表示为：

式（4）中F表示被检定电流测量装置的标称刻度因数，F表示被检定电流测量装置的实测刻度因数，T表示被检定电流测量装置测得的时间参数，T表示标准测量装置测得的时间参数，通过公式（4）计算出测量误差。校准数据的不确定度可表示为：

该研究进行实验测试检验系统和算法的有效性，在搭建完系统的硬件平台并编写好软件之后，在实验环境中对系统进行联合测试。实验计算机的处理器使用Intel kurui i5 12600KF，内存使用HyperX Predator 5GB DDR4 3200，硬盘使用1000GB RD20。实验环境架构如图6所示。

图6：实验环境架构

实验环境中计算机与检定平台中控制器、标准源等设备进行连接，并连接电动执行器进行调试的接口，标准源控按照系统设定程序对检定仪表输入对应电压值、电流值、电阻值。检定平台中各设备参数如表1所示。

表1：检定平台设备参数

从系统中存储的电力仪表校准信息中中抽取部分样本作为实验数据集，实验数据如表2所示。

表2：实验数据集

在检定过程中控制被检定设备的量程线路，并对数字式仪表的示数进行自动识别，选取文献与文献方法作为对比，称之为方法1和方法2。实验过程中标准源的电压输出范围为0~3000mv，各方法在检定过程中的校准数据如表3所示。

由表3中的各方法的计量数据可知，标准源的输出电压超过1500mv时，方法1和方法2的计量误差逐渐增加，方法1得出的检定校准数据的计量误差最大为5.6mv，方法2的计量误差最大为6.0mv，在检定过程中仪表的读数错误也会导致计量误差的增加。该研究方法的计量误差较小，标准源输出电压小于1000mv时，该研究方法的计量误差为0，输出电压大于2000mv时计量误差最大为0.5mv。对同一计量装置进行五组测试，每组实验时间为30s，计算出各方法的计量准确率如图7所示。

图7：计量准确率

表3：检定校准数据

对比实验结果可知，该研究方法在同一标准源的情况下的数据计量正确率最高，并且能够避免数据随机性对计量精度的影响。其中方法1在第二组实验中的计量正确率最小为88.2%，在第四组实验中的计量正确率最大为97.2%。方法2整体的计量正确率不超过97%，其中正确率最小为89.2%，在第二组实验中的正确率最大为96.1%。

该研究方法的计量正确率都大于96%，其中在第三组实验中的计量正确率最小为98.2%，在第二组的正确率最大为99.9%，该研究方法能够准确计量和自动识别到仪表读数信息，系统的校准效果更加精确。

在数据校准实验中，利用MATLAB软件编写数据校准算法程序，构建数据校准模型，原始数据为设备检定过程中输出的计量参数，加扰后的数据作为异常采样数据，输入的数据样本最大为600，实验时间设定为400s，计算各方法数据校准的均方误差，对比方法的误差如图8所示，该研究方法的误差如图9所示。

图8：对比方法的误差

图9：该研究方法的误差

图8中方法1校准数据的均方误差最大为0.5，样本数量在0~200范围内时，实验时间超过300s时，方法1的均方误差在0.3以上，样本数量在300~600之间时，方法1的均方误差小于0.2。方法2的均方误差不超过0.45，实验时间超过200s后校准数据的均方误差达到0.2以上。

由图9可知，该研究方法的均方误差最大为0.4，样本数量在200个以上时，校准数据的均方误差较低到0.2以下，样本数量在[300,500]区间内时，实验时间小于100s，该研究方法的均方误差不超过0.1，表示校准后数据误差得到有效降低，该研究方法能够有效校准数字式计量设备。

该研究设计出数字式多功能标准装置的自动化校准系统，实现对数字多用表和三相计量装置的检定和校准，并支持多种计量模式满足多种类型计量装置的检定，对校准结果自动判定，并自动化生成检定设备的校准文档。数据校准模型中通过模态分解的方法，将原始数据分解为不同模态的分量，再将各个分量分别输入到门控循环单元中，在时间维度上进行特征提取，并考虑到校准数据的不确定度，从校准数据中读取到的参考数据特征，通过特征学习输出最终的校准数据。

该研究系统还有一些不足需要解决与研究，设计的检定装置计量精度还有待提高，在后续的研究中需要对硬件设计进行更多的优化，使系统兼容更多类型的电力计量装置。