智能電能表誤差分析及處理控制

譚迪江

摘 要：主要分析了智能電能表的誤差，闡述了智能電能表的組成和功能，并提出了一系列有效的處理控制措施，以期為相關(guān)單位提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：智能電能表；誤差分析；數(shù)據(jù)處理單元；通信單元

中圖分類號(hào)：TM933.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.105

所謂“智能電能表”，是指由測(cè)量單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元等組成，具有電能量計(jì)量、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制、信息交互等功能的電能表。但智能電能表在測(cè)量中存在一定的誤差，因此，需要相關(guān)工作人員采取相應(yīng)處理控制措施，從而保障測(cè)量的準(zhǔn)確性。

1 智能電能表測(cè)量誤差的來(lái)源

1.1 自身功耗不包含在計(jì)量范圍內(nèi)

由于計(jì)量電路所取的檢測(cè)電流僅為外部負(fù)載電流，不包含智能電能表的工作電源，所以，其本身的功耗不包含在計(jì)量范圍內(nèi)。

1.2 電流采樣電路引起的誤差

要想測(cè)量幾安培乃至幾十安培的交流電流，就要將其轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃У男⌒盘?hào)交流電壓或電流，否則無(wú)法測(cè)量。而在直接接入電子式電能表時(shí)，一般采用錳銅分流片或經(jīng)互感器接入。如果以錳銅片作為分流電阻RS，則大電流i（t）流過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的成正比的微弱電壓Ui（t），其表達(dá)式為：

Ui（t）=i（t）R. （1）

錳銅分流器與普通電流互感器相比，具有線性好、溫度系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。錳銅分流器A選用的F2錳銅片的厚度為2 mm，取樣電阻Rs=175 μΩ。當(dāng)基本電流為5 A時(shí)，1與2之間的取樣信號(hào)Ui=0.875 mV。

1.3 電壓采樣電路引起的誤差

與被測(cè)電流相同，100 V或220 V的被測(cè)電壓必須經(jīng)分壓器或電壓互感器轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃У男‰妷盒盘?hào)后，方可送入乘法器。電子式電能表內(nèi)使用的分壓器一般為電阻網(wǎng)絡(luò)或電壓互感器。采用電阻網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)是線性好、成本低，缺點(diǎn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)電氣隔離。

在電壓采樣中采用電阻分壓時(shí)，應(yīng)考慮電阻的功耗和耐壓性，一般采用多個(gè)工藝、精度相同的貼片電阻串聯(lián)。由于分壓的關(guān)系，電阻的溫度變化在取樣電壓關(guān)系式中的分子與分母會(huì)相互抵消。因此，可采用低成本的精度為1%的電阻。

1.4 計(jì)量芯片引起的誤差

計(jì)量電路采樣輸入的交流電壓和電流交流模擬信號(hào)是在計(jì)量芯片內(nèi)與基準(zhǔn)源參考電壓比較后實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的，因此基準(zhǔn)源的變化對(duì)計(jì)量精度的影響極大。由此可見(jiàn)，基準(zhǔn)源的參考電壓必須穩(wěn)定。

銳能微單相計(jì)量芯片RN8209的有功/無(wú)功電能誤差在1 500∶1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)為0.1%，內(nèi)置（2.5±3%）V的參考電壓，溫度系數(shù)的典型值為25 ppm/℃。

1.5 影響量引起的誤差

影響量引起的誤差是指相對(duì)于參比條件的變化產(chǎn)生的附加百分?jǐn)?shù)誤差。在實(shí)際工作中，電能表會(huì)受各種因素的影響，進(jìn)而產(chǎn)生測(cè)量誤差。比如，電能表中電壓、電流的變化會(huì)使采樣電路的功耗和溫度發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生測(cè)量誤差；電能表中電壓、電流的諧波會(huì)隨著采樣電路的頻率特性而變化，進(jìn)而產(chǎn)生誤差；在電流的采樣中，必然會(huì)有電流通過(guò)，電流會(huì)使電能表內(nèi)部的溫度發(fā)生變化，而溫度的變化又會(huì)導(dǎo)致電流和電壓發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生誤差。

2 誤差試驗(yàn)方法

2.1 誤差的一致性試驗(yàn)

對(duì)于同一測(cè)試點(diǎn)的n個(gè)被測(cè)樣品，在參比電壓、參比電流加載30 min后，100%Ib、10%Ib、功率因數(shù)為1和0.5L時(shí)的測(cè)量結(jié)果的最大差值不應(yīng)超過(guò)表1中的限值，具體如表1所示。此外，被測(cè)樣品應(yīng)使用同一臺(tái)多表位校驗(yàn)裝置同時(shí)測(cè)試。

2.2 誤差變差試驗(yàn)

對(duì)于同一測(cè)試點(diǎn)的n個(gè)被測(cè)樣品，在參比電壓、參比電流加載30 min后，參比電壓和Ib確定、功率因數(shù)為1和0.5L時(shí)進(jìn)行第一次測(cè)試；在試驗(yàn)條件不變的情況下，間隔5 min后對(duì)樣品進(jìn)行第二次測(cè)試。值得注意的是，同一測(cè)試點(diǎn)處的兩次測(cè)試結(jié)果的差值不應(yīng)超過(guò)0.2%.

2.3 負(fù)載電流升降變差試驗(yàn)

在參比電壓、參比電流加載30 min后，按照負(fù)載電流從輕載到Imax的順序進(jìn)行第一次誤差測(cè)試，記錄各負(fù)載點(diǎn)的誤差；負(fù)載電流在Imax點(diǎn)保持2 min后，按照負(fù)載電流從Imax到輕載的順序進(jìn)行第二次誤差測(cè)試，記錄各負(fù)載點(diǎn)的誤差。值得注意的是，同一被測(cè)樣品在相同負(fù)載點(diǎn)處的誤差變化的絕對(duì)值不應(yīng)超過(guò)0.25%（測(cè)試點(diǎn)的負(fù)載電流為0.05Ib，Ib和Imax）。

2.4 測(cè)量重復(fù)性試驗(yàn)

在參比電壓、參比頻率和參比電流確定的情況下，對(duì)功率因數(shù)為1和0.5L的負(fù)載點(diǎn)分別進(jìn)行≥5次的相對(duì)誤差測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值不應(yīng)超過(guò)表2中的限值。

2.5 影響量試驗(yàn)

影響量引起的誤差的控制應(yīng)參照《國(guó)家電網(wǎng)公司智能電能表系列標(biāo)準(zhǔn)宣貫材料》。

3 電能表誤差問(wèn)題分析

3.1 誤差一致性要求

同一批次的被測(cè)樣品在同一測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試誤差與誤差平均值的偏差不能超過(guò)某一限定值。比如，按國(guó)標(biāo)要求，同一批次電能表出廠時(shí)Ib1.0的誤差應(yīng)<±0.6%，一致性誤差的極限應(yīng)為±0.3%.

誤差一致性要求是指某個(gè)被測(cè)樣品在測(cè)試時(shí)的誤差與其他n個(gè)被測(cè)樣品的誤差平均值的差值，即某個(gè)被測(cè)樣品的誤差-n個(gè)被測(cè)樣品的誤差平均值≤0.3%，而不是某個(gè)被測(cè)樣品的測(cè)量誤差<0.3%.

3.2 誤差變差要求

對(duì)于同一批次、在同一測(cè)試點(diǎn)測(cè)試的被測(cè)樣品，在負(fù)荷電流為Ib、功率因數(shù)為1和0.5L的負(fù)載點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)試時(shí)，相鄰測(cè)試結(jié)果間的最大誤差變化的絕對(duì)值不應(yīng)>0.2%.

變差也稱回差、遲滯誤差，是指在外界條件不變的前提下，使用同一儀表對(duì)某一參數(shù)進(jìn)行正反行程（逐漸由小到大和逐漸由大到?。y(cè)量后得到的兩示值之差。此外，儀表檢驗(yàn)時(shí)所得的上升曲線和下降曲線常出現(xiàn)不重合的現(xiàn)象。

3.3 負(fù)載電流升降變差

對(duì)于電能表基本誤差，應(yīng)按照從小到大、從大到小的順序測(cè)試2次負(fù)載電流，并記錄負(fù)載點(diǎn)的誤差。值得注意的是，在功率因數(shù)為1、負(fù)荷電流在0.05Ib～I(xiàn)max的范圍內(nèi)時(shí)，同一被測(cè)樣品在相同負(fù)載點(diǎn)處誤差變化的絕對(duì)值不應(yīng)>0.25%.

4 智能電能表的誤差控制

4.1 設(shè)計(jì)過(guò)程控制

應(yīng)合理設(shè)計(jì)計(jì)量電路，優(yōu)選元器件。為了保證計(jì)量的精確性和減少誤差的產(chǎn)生，相關(guān)工作人員必須有效完善信號(hào)采樣、信號(hào)計(jì)量電路的運(yùn)行等。對(duì)于電流、電壓采樣電路，當(dāng)使用錳銅電阻或電阻網(wǎng)絡(luò)采樣時(shí)，必須采用精度高、溫度系數(shù)低、穩(wěn)定性高的電阻。對(duì)于電能表的核心計(jì)量芯片，其選型會(huì)對(duì)電能表的性能造成較大的影響。在計(jì)量芯片的選型中，設(shè)計(jì)人員需要考慮的問(wèn)題為計(jì)量芯片的計(jì)量精度等級(jí)、測(cè)量范圍內(nèi)的測(cè)量線性度的誤差在1 500∶1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的誤差<0.1%，且盡量選擇在5 000∶1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差<0.1%的計(jì)量芯片（比如新版的RN8209G和ATT7053B）或在8 000∶1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差<0.1%的計(jì)量芯片（比如RN8209C和RN8209D）。

4.2 生產(chǎn)過(guò)程控制

在生產(chǎn)智能電能表時(shí)，相關(guān)廠家應(yīng)盡量使生產(chǎn)流程標(biāo)準(zhǔn)化，并努力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，從而滿足產(chǎn)品誤差一致性的要求；完善工藝流程，開(kāi)展超聲波清洗，并按規(guī)定定期更換清洗液；完善三防漆噴涂工藝，在高溫烘干后涂三防漆，在噴涂過(guò)程中注意保持油漆的厚度均勻，且在三防漆的選材中，應(yīng)盡量采用進(jìn)口醇酸樹(shù)脂材料，以防產(chǎn)品在受潮后失效；完善老化處理工藝，確保出廠產(chǎn)品的計(jì)量性能穩(wěn)定；加強(qiáng)對(duì)電能表生產(chǎn)流程的管理，提高自動(dòng)化生產(chǎn)水平，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

4.3 校表流程控制

應(yīng)采用軟件校表，并統(tǒng)一校表、復(fù)表內(nèi)控誤差標(biāo)準(zhǔn)，從而在工藝控制上縮小初校誤差的范圍。此外，在產(chǎn)品出廠時(shí)，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的誤差測(cè)量。復(fù)校內(nèi)控誤差的限值如表3所示。

4.4 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具的定期校準(zhǔn)和檢定

一般采用0.02%級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)功率校正工廠生產(chǎn)中使用的0.05%級(jí)電能表校驗(yàn)儀，以免電能表校驗(yàn)儀受到臺(tái)差的影響。此外，還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)測(cè)量不確定度的研究，探究電能表在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生誤差的原因，并采用有針對(duì)性的改進(jìn)措施。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能電能表的運(yùn)行質(zhì)量直接關(guān)系著用戶和電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，保障其計(jì)量的準(zhǔn)確性，避免其受到誤差的影響尤為重要。綜上所述，本文就智能電能表的誤差及處理控制進(jìn)行了分析，以期為相關(guān)單位的需要提供一定的幫助。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕