直流電能表檢定裝置的研究

張 紅，馬 俊，邱全峰，林 昱，3，孫寧赫，3，單紅紅，3，馮 路

（1．國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南250002；2．長(zhǎng)沙天恒測(cè)控技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410100；3．山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250002）

0 引 言

隨著直流電能表在電動(dòng)汽車(chē)、太陽(yáng)能供電等新型能源領(lǐng)域的應(yīng)用，高電壓、大電流直流電能表的應(yīng)用更加廣泛，這對(duì)直流電能表檢定裝置提出了新的要求。電能表檢定裝置，可對(duì)電能表執(zhí)行校驗(yàn)工作，是電能表生產(chǎn)和使用人員完成相關(guān)工作時(shí)必備的設(shè)備之一，也是保證電能貿(mào)易結(jié)算公平公正的依據(jù)。

本文設(shè)計(jì)研制一套具有高電壓、大電流直流電能計(jì)量功能的檢定裝置，既可覆蓋各等級(jí)電能表的檢定，又可用于直流電能計(jì)量的研究工作，本裝置的準(zhǔn)確度等級(jí)確定為0．05級(jí)［1］，電壓輸出最大1 100 V，電流輸出最大600 A。本裝置既可檢定高準(zhǔn)確度的直流電測(cè)儀表，也能檢定直接接入式或者分流器接入式的直流電能表，功能齊全、性能穩(wěn)定，為新型直流電能表提供檢定器具，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)直接接入式電能表檢定的空白，也為電能計(jì)量提供了檢測(cè)和量值傳遞依據(jù)。

1 檢定裝置的原理

本檢定裝置由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、電源、模擬輸出、誤差計(jì)算等模塊構(gòu)成［2］，基本原理如圖1。

1.1 檢定原理

用戶通過(guò)顯示界面設(shè)定需要的電量，微處理器計(jì)算后輸出相應(yīng)的數(shù)字量，數(shù)字量經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電量輸出，通過(guò)電壓取樣或者寬頻直流比較儀取樣將輸出的電壓或者電流反饋回來(lái)，采用AD采集取樣電路的模擬量，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送入微處理器處理后與之前設(shè)定的數(shù)字量進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)輸出信號(hào)使系統(tǒng)達(dá)到平衡，從而使輸出達(dá)到預(yù)期設(shè)置的電量。

直流小電壓主要用于模擬電流經(jīng)過(guò)分流器轉(zhuǎn)換成的小電壓，其輸出端可為分流器接入式電能表的電壓輸入端。

電能誤差的測(cè)量是通過(guò)接收被檢電能表的電能脈沖輸入，與本檢定裝置輸出的標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖比較，計(jì)算出電能誤差，通過(guò)顯示界面顯示給用戶。

檢定裝置配有RS232接口，可與計(jì)算機(jī)通訊，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)電能誤差自動(dòng)檢定和檢定數(shù)據(jù)保存、檢定報(bào)告打印等功能。

1.2 電源模塊

檢定裝置的電源包括程控電壓源、程控電流源［3］。開(kāi)關(guān)電源提供的電壓，經(jīng)功放由變壓器升壓，得到相應(yīng)量程的電壓輸出。其中，最大輸出電壓1 100 V，最大輸出功率25 VA。電流源亦為開(kāi)關(guān)電源，最大輸出電流500 A。本裝置采用的開(kāi)關(guān)電源都具有程控調(diào)節(jié)輸出電壓的功能，可由CPU調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電源的輸出使負(fù)反饋達(dá)到平衡。

1.3 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元由電壓采樣和電流采樣組成。電壓取樣采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)取樣，要求使用的分壓電阻精度高，年穩(wěn)定度好，溫漂??；電流取樣采用寬頻直流比較儀取樣。取樣后通過(guò)24位AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入FPGA，再進(jìn)入微處理器，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理和運(yùn)算。

1.4 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元由微處理器（CPU）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）組成，微處理器采用專(zhuān)為要求高性能、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的32位ARM處理器，最高工作頻率為180 MHz。微處理器內(nèi)部包括256 Kbytes SRAM、2 Mbytes Flash、4個(gè)USART接 口 、6個(gè)SPI接口、2個(gè)CAN口、3個(gè)I2C接口等，能滿足大量數(shù)據(jù)處理的需求。

圖1 裝置原理圖

1.5 誤差計(jì)算模塊

誤差計(jì)算模塊用來(lái)檢驗(yàn)電能的基本誤差?；菊`差檢驗(yàn)采用高頻脈沖數(shù)預(yù)置法［4］，檢驗(yàn)時(shí)由檢定裝置和被檢表在同一負(fù)荷下同時(shí)工作。檢定裝置采用虛負(fù)荷法［5］，即由檢定裝置輸出測(cè)試電壓、測(cè)試電流給被檢表，讓被檢表轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)DDS對(duì)基準(zhǔn)頻率分頻，將功率化作標(biāo)準(zhǔn)高頻脈沖數(shù)m，并輸出；同時(shí)裝置接收被檢表輸入的N個(gè)低頻脈沖，被檢表低頻脈沖和標(biāo)準(zhǔn)高頻脈沖都傳輸至誤差計(jì)算模塊，將m作為實(shí)測(cè)脈沖數(shù)，與計(jì)算的脈沖數(shù)m0比較，進(jìn)而計(jì)算出被測(cè)電能表的相對(duì)誤差，用γ（%）表示［6］。

式中：CH0為標(biāo)準(zhǔn)表高頻脈沖常數(shù)，imp／kWh；CL為被測(cè)表低頻脈沖常數(shù)，imp／kWh；U、I為標(biāo)準(zhǔn)源輸出電壓、電流滿量程值。

2 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

本系統(tǒng)中難點(diǎn)在于直流源大電流的精度，要保證設(shè)計(jì)目標(biāo)（儀器等級(jí)0．05級(jí)，則電壓電流的精度必須保證在0．02級(jí)），大電流測(cè)量部分的精度不應(yīng)超過(guò)0．01%。目前大電流測(cè)量主要采用四端電阻法、霍爾法、磁光效應(yīng)測(cè)量法和直流比較儀法［7］。四端電阻法測(cè)量電流時(shí)由于電阻自熱會(huì)導(dǎo)致精度降低，要降熱必須增加裝置的重量和體積，而且該方法在測(cè)量中消耗的功率較大?；魻柗y(cè)量電流時(shí)受外界溫度影響較大，所以精度難以提高。磁光效應(yīng)測(cè)量法操作簡(jiǎn)單且能夠防止被電磁干擾，但是其測(cè)量的精度也較低。

基于此本系統(tǒng)采用直流比較儀測(cè)量大電流，比較儀采用雙鐵芯結(jié)構(gòu)［8，9］，即：鐵芯A為高導(dǎo)磁率軟磁，B為低導(dǎo)磁率鐵氧體。這樣的雙鐵芯結(jié)構(gòu)使鐵芯中感應(yīng)的奇次諧波分量能夠相互抵消，偶次諧波則會(huì)相互加強(qiáng)，就能提取有利于反應(yīng)信號(hào)大小的偶次諧波分量。方波振蕩器連接激勵(lì)繞組，激勵(lì)繞組單獨(dú)繞制在鐵芯A上，檢測(cè)繞組Ws和平衡繞組W2繞制在雙鐵芯上，待測(cè)繞組W1穿過(guò)雙鐵芯，比較儀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 比較儀結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)待測(cè)繞組W1上流過(guò)直流大電流I1時(shí)，檢測(cè)繞組Ws檢測(cè)磁通，并轉(zhuǎn)換為電壓；次級(jí)繞組W2上的隨動(dòng)電流I2大小隨功放控制，通過(guò)不斷調(diào)整，達(dá)到磁平衡［10］。根據(jù)比較儀磁平衡原理有：

次級(jí)電流與待測(cè)電流成比例，如取W1＝1匝，W2＝1 000匝時(shí)，I1＝1000＊I2，I2通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行電流采樣，測(cè)量電阻兩端電壓可得次級(jí)電流I2，由公式（5）得出待測(cè)電流I1。即當(dāng)次級(jí)繞組匝數(shù)較大時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了大電流變換成小電流測(cè)量的目的。

3 檢定裝置的應(yīng)用

本檢定裝置設(shè)計(jì)600 A電流負(fù)載能力并可長(zhǎng)期工作，其輸出直流電壓范圍1 mV～1 100 V，適用于檢定直接接入式電能表。內(nèi)置獨(dú)立的小信號(hào)電壓源和電流源，DCV：10μV～4．4 V，DCI：0．2 mA～22 mA，適用于檢定分流器接入式的電能表。

檢定裝置檢定直接接入式電能表的接線圖如圖3所示。

本檢定裝置配有標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖輸入／輸出接口和光電頭輸入接口，可實(shí)現(xiàn)直流電能表常數(shù)的校驗(yàn)。

4 結(jié) 論

本文提出的直流電能表檢定系統(tǒng)，準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到0．05級(jí)，能對(duì)準(zhǔn)確度等級(jí)為0．2級(jí)以下的所有直流電壓表、直流電流表、直流功率表、直流電能表或電動(dòng)汽車(chē)充電樁直流電能表進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)。該產(chǎn)品的應(yīng)用為直流電能量值傳遞體系的建立提供依據(jù)。