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摘 要：多功能电能表在配电系统中应用广泛，其计量的准确度对企业管理和考核至关重要，因此在设计多功能电能表时需要对其进行校准，满足一定應用等级。常规的多功能电能表校准方法是以电能脉冲校准为主，现提出一种基于C#和功率校表法的多功能电能表校准软件设计思路，采用串口进行通信，波特率可配置，同时可校准多台多功能电能表，最多可同时支持18块多功能电能表，通过校准后多功能电能表精度可达0.2级。
关键词：C#;多功能电能表;校准;串口;波特率
0 引言
电能作为应用最广泛的能源之一，其计量和统计的终端设备为电能表，电能表计量的准确性对企业生产管理及用能考核有较大影响，并且随着碳达峰和碳中和概念的提出，合理用电、精确监控用电和挖掘节能点成为未来企业一个重要工作环节。本文针对多功能电能表的计量校准软件，提出基于C#平台，结合功率校表方法，设计一款适用于多台多功能电能表的校准软件，硬件上采用RS485通信，波特率1 200～38 400 bps可选，同时最多可校准18块多功能电能表，通过基准源输出标准的电源参数和多功能电能表的示值进行对比，计算增益校正寄存器、相位校正寄存器和偏差校正寄存器的值，通过串口写入计算后的值完成校准，经过校准后多功能电能表与基准源误差较小。
1 多功能电能表硬件电路
多功能电能表硬件上采用ARM处理器作为主控制器，采用电量计量芯片处理计算电参数。主控制器型号为GD32F303RCT6，该处理器具有32位高性能精简指令集CPU，处理能力高达150 MIPS，自带单周期的DSP指令，GD32F303RCT6片上Flash为256 kb，RAM为48 kb，具有丰富的外设资源，多达3个USART+2个UART，3路SPI，1路SDIO，1路CAN总线，16通道ADC。电量计量芯片型号为RN8302B，该芯片带有7路ADC通道，实现三相电压、电流及零线电流的采集。除了常规的电能脉冲校表法外，RN8302B芯片还支持功率校表法。
ARM处理器主要负责读取、显示、存储参数以及通信，计量芯片负责电量参数的计算，处理器与计量芯片采用SPI协议进行通信，通信速率可达3.5 Mbps。多功能电能表硬件电路如图1和图2所示，电压通道采用电阻分压方式，电流通道采用互感器方式，电流通道和电压通道均采用差分输入，以提高抗干扰能力。
RN8302B芯片提供多种电参数，包括全波、基波有功电能和无功电能及视在电能，全波、基波有功功率和无功功率及视在功率，全波、基波和谐波电流/电压有效值等，处理器只需按照SPI协议读取计量芯片参数的地址，即可获得电量参数。另外，RN8302B芯片支持各种配置，包括增益、接线方式、阈值、校正等，同时RN8302B芯片还提供多种状态寄存器，用于指示RN8302B芯片的工作运行状态。
2 校准平台软件设计
硬件电路设计完成后，需要开发对应的程序，驱动计量芯片、液晶显示屏工作及存储、通信。当下位程序开发完成后，多功能电能表基本可以工作，但其显示的数值与实际的真实值存在一些误差，需要开发上位程序对其进行校准。本文采用C#作为上位程序开发平台，利用多功能电能表的通信接口读取仪表的示值，计算各校正寄存器的值，通过通信接口下发到仪表，写入对应的寄存器，完成校准。
2.1 功率校表
RN8302B芯片支持功率校准模式，利用标准源输出三相电压和电流，计算有效值的理论值与仪表的示值进行对比，假设电压额定输入Un时，芯片电压通道输入端电压有效值为Vu，理论计算值为U理论，经MCU转换LCD显示值为U示值，标准的电压有效值寄存器值为U标准，则U标准选择应满足下列条件：
0.8 K=U标准/U示值（K应为整数且便于MCU转换）（2）
条件（1）保证U通道增益校正在一个合理范围，条件（2）中K的选取应方便MCU将有效值寄存器值转换成LCD显示值。电流通道与电压相似，计算增益寄存器的值、相位和偏差寄存器的值，写入计算值即可。
功率校表法流程图如图3所示。
2.2 软件设计
在C#开发平台中，根据功能选择控件，搭建软件显示界面，需要的控件有按钮、字符显示、串口、时钟、日历、下拉列表框等。搭建的显示界面如图4所示。
选择串口下拉列表，选择对应的串口号，选择波特率下拉列表，选择合适的波特率，输入标准源输出的电压与电流参数，点击“读取”按钮，读取各仪表的显示值，软件对应地计算相应仪表的校正寄存器值，最后点击“发送”，将校正寄存器值通过串口下发到各仪表并写入寄存器内，完成校准。从图4可以看出，通过校准后，4块仪表显示值与标准源输入误差很小。
3 结语
在基于ARM处理器和计量芯片，利用功率校表技术，结合C#软件开发的校表平台校正后，多功能电能表的精度大幅提高，为各类仪表行业校准提供了一种新的思路和实现方式。
[参考文献]
[1] 刘淮霞.多功能智能电能表设计[D].淮南：安徽理工大学，2018.
[2] 颜世佳，朱香佳，刘茗中，等.基于智能电表的电能监测系统设计[J].机电信息，2020（27）：136-137.
[3] 程卫东，徐京生，纪明佳，等.功率法校准三相智能电表的设计及实现[J].电工技术，2020（12）：122-124.
[4] 梁光胜，秦菁.智能电表应用研究及其PLC通信芯片的设计[J].电子设计工程，2013，21（22）：76-79.
[5] 岑华.基于PLC的智能电表运行故障监控系统设计[J].制造业自动化，2018，40（11）：138-141.
收稿日期：2021-05-07
作者简介：邵兵昌（1984—），男，云南文山人，工程师，研究方向：电能质量综合治理。
关键词：C#;多功能电能表;校准;串口;波特率
0 引言
电能作为应用最广泛的能源之一，其计量和统计的终端设备为电能表，电能表计量的准确性对企业生产管理及用能考核有较大影响，并且随着碳达峰和碳中和概念的提出，合理用电、精确监控用电和挖掘节能点成为未来企业一个重要工作环节。本文针对多功能电能表的计量校准软件，提出基于C#平台，结合功率校表方法，设计一款适用于多台多功能电能表的校准软件，硬件上采用RS485通信，波特率1 200～38 400 bps可选，同时最多可校准18块多功能电能表，通过基准源输出标准的电源参数和多功能电能表的示值进行对比，计算增益校正寄存器、相位校正寄存器和偏差校正寄存器的值，通过串口写入计算后的值完成校准，经过校准后多功能电能表与基准源误差较小。
1 多功能电能表硬件电路
多功能电能表硬件上采用ARM处理器作为主控制器，采用电量计量芯片处理计算电参数。主控制器型号为GD32F303RCT6，该处理器具有32位高性能精简指令集CPU，处理能力高达150 MIPS，自带单周期的DSP指令，GD32F303RCT6片上Flash为256 kb，RAM为48 kb，具有丰富的外设资源，多达3个USART+2个UART，3路SPI，1路SDIO，1路CAN总线，16通道ADC。电量计量芯片型号为RN8302B，该芯片带有7路ADC通道，实现三相电压、电流及零线电流的采集。除了常规的电能脉冲校表法外，RN8302B芯片还支持功率校表法。
ARM处理器主要负责读取、显示、存储参数以及通信，计量芯片负责电量参数的计算，处理器与计量芯片采用SPI协议进行通信，通信速率可达3.5 Mbps。多功能电能表硬件电路如图1和图2所示，电压通道采用电阻分压方式，电流通道采用互感器方式，电流通道和电压通道均采用差分输入，以提高抗干扰能力。
RN8302B芯片提供多种电参数，包括全波、基波有功电能和无功电能及视在电能，全波、基波有功功率和无功功率及视在功率，全波、基波和谐波电流/电压有效值等，处理器只需按照SPI协议读取计量芯片参数的地址，即可获得电量参数。另外，RN8302B芯片支持各种配置，包括增益、接线方式、阈值、校正等，同时RN8302B芯片还提供多种状态寄存器，用于指示RN8302B芯片的工作运行状态。
2 校准平台软件设计
硬件电路设计完成后，需要开发对应的程序，驱动计量芯片、液晶显示屏工作及存储、通信。当下位程序开发完成后，多功能电能表基本可以工作，但其显示的数值与实际的真实值存在一些误差，需要开发上位程序对其进行校准。本文采用C#作为上位程序开发平台，利用多功能电能表的通信接口读取仪表的示值，计算各校正寄存器的值，通过通信接口下发到仪表，写入对应的寄存器，完成校准。
2.1 功率校表
RN8302B芯片支持功率校准模式，利用标准源输出三相电压和电流，计算有效值的理论值与仪表的示值进行对比，假设电压额定输入Un时，芯片电压通道输入端电压有效值为Vu，理论计算值为U理论，经MCU转换LCD显示值为U示值，标准的电压有效值寄存器值为U标准，则U标准选择应满足下列条件：
0.8
条件（1）保证U通道增益校正在一个合理范围，条件（2）中K的选取应方便MCU将有效值寄存器值转换成LCD显示值。电流通道与电压相似，计算增益寄存器的值、相位和偏差寄存器的值，写入计算值即可。
功率校表法流程图如图3所示。
2.2 软件设计
在C#开发平台中，根据功能选择控件，搭建软件显示界面，需要的控件有按钮、字符显示、串口、时钟、日历、下拉列表框等。搭建的显示界面如图4所示。
选择串口下拉列表，选择对应的串口号，选择波特率下拉列表，选择合适的波特率，输入标准源输出的电压与电流参数，点击“读取”按钮，读取各仪表的显示值，软件对应地计算相应仪表的校正寄存器值，最后点击“发送”，将校正寄存器值通过串口下发到各仪表并写入寄存器内，完成校准。从图4可以看出，通过校准后，4块仪表显示值与标准源输入误差很小。
3 结语
在基于ARM处理器和计量芯片，利用功率校表技术，结合C#软件开发的校表平台校正后，多功能电能表的精度大幅提高，为各类仪表行业校准提供了一种新的思路和实现方式。
[参考文献]
[1] 刘淮霞.多功能智能电能表设计[D].淮南：安徽理工大学，2018.
[2] 颜世佳，朱香佳，刘茗中，等.基于智能电表的电能监测系统设计[J].机电信息，2020（27）：136-137.
[3] 程卫东，徐京生，纪明佳，等.功率法校准三相智能电表的设计及实现[J].电工技术，2020（12）：122-124.
[4] 梁光胜，秦菁.智能电表应用研究及其PLC通信芯片的设计[J].电子设计工程，2013，21（22）：76-79.
[5] 岑华.基于PLC的智能电表运行故障监控系统设计[J].制造业自动化，2018，40（11）：138-141.
收稿日期：2021-05-07
作者简介：邵兵昌（1984—），男，云南文山人，工程师，研究方向：电能质量综合治理。