交流電壓遠程校準技術應用

王清，王劍，趙寧，李延創(chuàng)，淡楊超

（1.云南電力試驗研究院（集團）有限公司，云南 昆明 650217；2.上海交通大學云南（大理）研究院，云南 大理 671006；3.河北大學，河北 保定 071000）

0 前言

遠程校準就是利用信息網(wǎng)絡和通信網(wǎng)絡，如Internet，光纖網(wǎng)和全球定位系統(tǒng)（GPS）來進行的遠距離校準操作，它是多學科的綜合交叉，涉及儀器制造、計量檢測、計算機軟硬件技術、信息技術等[1]。目前，國際上已有若干個校準實驗室在開展與遠程校準有關的研究，比如美國國家標準和技術研究院（NIST）開展電量多功能校準儀的遠程校準技術研究；日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所（AIST）開展約瑟夫森電壓、光學頻率、壓力、長度、溫度等遠程校準技術研究；英國國家物理實驗室（NPL）開展電壓電阻測量系統(tǒng)研究。國內關于遠程校準的研究應用項目主要以時間頻率為主，中國計量科學研究院通過提出了時間頻率連續(xù)對比的方法成功的開發(fā)出了時間頻率遠程校準系統(tǒng)，通過國家授時中心保持的UTC 和GPS 共視時間實時傳遞的方法，完成了時間頻率的遠程校準及其高精度溯源過程。天津大學的郭景濤和金志剛進行了基于互聯(lián)網(wǎng)的通用遠程校準平臺的研究，通過提出一種基于互聯(lián)網(wǎng)的通用遠程校準平臺，給出次類平臺的設計原則。校準現(xiàn)場計算機通過網(wǎng)絡通信與校準實驗室主機通信，遠程實驗室指導校準現(xiàn)場完成校準操作，實現(xiàn)遠程校準過程。該系統(tǒng)核心部分為互聯(lián)網(wǎng)通信模塊，通過該模塊能夠將遠程校準通過計算機進行實時通信，進而傳輸指令、數(shù)據(jù)和音/視頻并指導操作。國內各高校、科研機構在遠程校準方面均取得了一定成效，但國內除時間頻率的遠程校準應用比較普及外，其它項目的遠程校準應用有待推廣。本文從交流電壓量值傳遞與溯源理論出發(fā)，結合物聯(lián)網(wǎng)通信技術，提出切實可行的數(shù)字多用表交流電壓參數(shù)遠程校準方案，旨在現(xiàn)有遠程校準理論基礎上，各計量技術機構間實施交流電壓遠程校準。

1 交流電壓量值傳遞與溯源

交流電壓基準裝置是國家交流電壓量值傳遞中的基準計量器具，它擔負著各計量機構建立的交流電壓標準計量器具的量值傳遞程序。交流電壓計量器具檢定系統(tǒng)框圖如下[2]：

圖1 交流電壓計量器具檢定系統(tǒng)框圖

標準與被檢之間的不確定度應不小于3 倍的關系以保證量值傳遞的可靠性。傳統(tǒng)的量值傳遞與溯源參照國家計量器具檢定系統(tǒng)框圖進行檢定、校準，大都需要以離線方式進行，檢定或校準時把工作用計量器具定期拆下來，送到相應計量技術機構，在規(guī)定的實驗環(huán)境下進行靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)測試，其缺點是耗時較長，且離線方式把計量器具定期拆下來還會耽誤工作造成利益損失。此外，這種方式只能得到計量儀器的基本誤差，而現(xiàn)場應用中的附加誤差則不可獲知[3]。遠程校準的實現(xiàn)，解決傳統(tǒng)量值傳遞與溯源中存在的諸多問題，讓計量校準更加準確、高效、便捷。

2 遠程校準系統(tǒng)

2.1 實現(xiàn)遠程校準的基本條件

實現(xiàn)交流電壓遠程校準應具備以下基本條件：

1）校準現(xiàn)場的計量標準、被檢儀表具有被計算機控制的功能；

2）校準現(xiàn)場的計算機與遠程控制計算機之間可以進行信息傳遞；

3）校準現(xiàn)場滿足相關檢定規(guī)程、校準規(guī)范對環(huán)境溫度、濕度及供電電壓等的要求。

2.2 交流電壓遠程校準原理

目前，遠程量值傳遞與溯源的實現(xiàn)方法主要有三種途徑：一是采用傳遞標準表的方式進行現(xiàn)場校準；二是將標準表/源放置于現(xiàn)場；三是計量標準器在實驗室通過互聯(lián)網(wǎng)對現(xiàn)場儀表進行遠程校準。本文采用第二種途徑，將標準源放置于校準現(xiàn)場實現(xiàn)交流電壓遠程校準。

交流電壓遠程校準就是在傳統(tǒng)校準的基礎上，通過物聯(lián)網(wǎng)技術、信息技術和視頻監(jiān)控技術實現(xiàn)實驗室遠程操控校準現(xiàn)場計量標準及被檢儀表進行校準的目的，實驗室計算機通過與校準現(xiàn)場計算機進行網(wǎng)絡通訊就可以實時接收校準數(shù)據(jù)，同時利用視頻監(jiān)控技術可以實時確保校準現(xiàn)場的操作規(guī)范。實驗室計算機根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進行分析，評定校準結果并給出校準證書，從而實現(xiàn)遠程校準的目的。交流電壓遠程校準系統(tǒng)硬件結構組成如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結構示意圖

應用物聯(lián)網(wǎng)計量儀器傳感器網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)三相交直流標準源、被檢表無線通信模塊與校準現(xiàn)場計算機信息交互，計量標準、被檢表與計算機間不再使用GPIB 接口卡連接，實現(xiàn)實驗室wifi 局域網(wǎng)內的“遠程控制”。

3 遠程校準通信技術及數(shù)據(jù)加密

采用虛擬專用網(wǎng)絡(VPN) 的功能，在公用網(wǎng)絡上建立專用網(wǎng)絡。虛擬專用網(wǎng)絡網(wǎng)關通過對傳輸數(shù)據(jù)包的加密和數(shù)據(jù)包目標IP 地址的轉換實現(xiàn)遠程訪問技術，實現(xiàn)在多臺客戶端PC 間進行遠程加密通訊，如圖3 所示：

圖3 虛擬專用網(wǎng)絡

3.1 工作原理

1）通常情況下，虛擬專用網(wǎng)絡網(wǎng)關采取內網(wǎng)與外網(wǎng)的雙網(wǎng)絡結構，外網(wǎng)使用公網(wǎng)IP 接入互聯(lián)網(wǎng)。

2）公網(wǎng)的終端A 訪問內網(wǎng)的終端B，其發(fā)出的訪問數(shù)據(jù)包的目標地址為終端B 的內部IP地址。

3）公網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡網(wǎng)關在接收到終端A 發(fā)出的訪問數(shù)據(jù)包時對其目標地址進行檢查，如果目標地址屬于內網(wǎng)的地址，則將該數(shù)據(jù)包進行封裝，封裝的方式根據(jù)所采用的虛擬專用網(wǎng)絡技術不同而不同，同時虛擬專用網(wǎng)絡網(wǎng)關會構造一個新虛擬專用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，并將封裝后的原數(shù)據(jù)包作為虛擬專用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的負載，虛擬專用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的目標地址為內網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡網(wǎng)關的外部地址。

4）公網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡網(wǎng)關將虛擬專用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包發(fā)送到Internet，由于虛擬專用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的目標地址是內網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡網(wǎng)關的外部地址，所以該數(shù)據(jù)包將被Internet 中的路由正確地發(fā)送到內網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡網(wǎng)關。

5）內網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡網(wǎng)關對接收到的數(shù)據(jù)包進行檢查，如果發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)包是從公網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡網(wǎng)關發(fā)出的，即可判定該數(shù)據(jù)包為虛擬專用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，并對該數(shù)據(jù)包進行解包處理。解包的過程主要是先將虛擬專用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的包頭剝離，再將數(shù)據(jù)包反向處理還原成原始的數(shù)據(jù)包。

6）內網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡網(wǎng)關將還原后的原始數(shù)據(jù)包發(fā)送至目標終端B，由于原始數(shù)據(jù)包的目標地址是終端B 的IP，所以該數(shù)據(jù)包能夠被正確地發(fā)送到終端B。在終端B 看來，它收到的數(shù)據(jù)包就和從終端A 直接發(fā)過來的一樣。

7）從終端B 返回終端A 的數(shù)據(jù)包處理過程和上述過程一樣，這樣兩個網(wǎng)絡內的終端就可以相互通訊。

3.2 實際應用搭建

軟件：虛擬專用網(wǎng)絡云服務一套、虛擬專用網(wǎng)絡設備管理軟件一套、校準軟件一套。

硬件：待檢表一臺、標椎源一臺、云服務器一臺。實際架構圖如圖4 所示。

圖4 實際構架圖

上圖中，A 計算機為設備管理計算機，B 為遠程計算機，A、B 兩臺計算機通過VPN 服務組建虛擬專用網(wǎng)絡。A 計算機鏈接并管理待檢表與標準源，B 計算機安裝校準軟件。實驗室計量人員用B 計算機實現(xiàn)交流電壓遠程校準。

3.3 數(shù)據(jù)加密

1）對需要加密的數(shù)據(jù)，VPN 設備將其整個數(shù)據(jù)包（包括要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、源IP 地址和目的IP 地址）進行加密并附上數(shù)據(jù)簽名，加上新的數(shù)據(jù)報頭（包括目的地VPN 設備需要的安全信息和一些初始化參數(shù)）重新封裝。

2）將封裝后的數(shù)據(jù)包通過隧道在公共網(wǎng)絡上傳輸。

3）數(shù)據(jù)包到達目的VPN 設備后，將其解封，核對數(shù)字簽名無誤后，對數(shù)據(jù)包解密。

數(shù)據(jù)加密賦予計量儀器物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可追溯、不可篡改等特性，為數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)陌踩⒈Ｃ苄蕴峁┍Ｕ稀?/p>

4 交流數(shù)字電壓表遠程校準及數(shù)據(jù)分析

4.1 校準條件、依據(jù)及標準選擇

1）校準條件

溫度：（20±2）℃，相對濕度：（35-75）%，交流供電電壓：220V±22V。

2）校準依據(jù)

JJF1587-2016《數(shù)字多用表校準規(guī)范》。

3）計量標準選擇

依照JJG2086《交流電壓計量器具》，選擇0.02 級三相交直流標準源校準六位半交流數(shù)字電壓表（準確度為0.09%），標準源最大允許誤差小于被檢最大允許誤差三分之一。

4.2 交流數(shù)字電壓表校準

將標準源與被檢表按圖5 連接，根據(jù)校準點設定標準源的輸出值，記錄被校數(shù)字表的示值。設標準源的輸出標準值為ZN，被校數(shù)字表的示值為ZX，被校數(shù)字表的示值誤差按公式（1）計算：

圖5 標準電壓源法接線圖

式中：Δ—示值誤差；ZX—被校數(shù)字表的示值；ZN—標準源的輸出標準值。

被校數(shù)字表的相對示值誤差按公式（2）計算：

式中：γ——相對示值誤差。

4.3 校準點選擇

校準點應覆蓋所有量程并兼顧各量程之間的覆蓋性及量程內的均勻性，同時應參考被檢表使用說明書中對校準點的建議，并可根據(jù)實際情況或送檢單位的要求選取校準點。交流電壓校準點選取原則如下[4]：

1）頻率點的選取可參照被檢表使用說明書中交流電壓的技術指標，選取3～6 個頻率點（一般應包含1 kHz)，并兼顧低頻率點和高頻率點。建議在10 Hz、60 Hz(50 Hz)、400 Hz、1 kHz、20 kHz、50 kHz、100 kHz、300 kHz、500 kHz、1 MHz 中優(yōu)先選取。

2）在1 kHz 頻率點，每個電壓量程選取2-3個電壓校準點；在其他頻率點，可只選取量程值（接近量程值）點。

3）應根據(jù)數(shù)字表的電壓頻率積（V·Hz）選取校準點。

4）對于四位半及以下的數(shù)字表，可只選取各量程的量程值（接近量程值）點，并參照使用說明書中技術指標選取1～2 個頻率點。

4.4 遠程校準數(shù)據(jù)

選取60 Hz、1 kHZ 交流電壓1 V、10 V、100 V、1000 V 點作為校準點，校準現(xiàn)場按照實驗室計量人員要求接好測試線，實驗室計量人員通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)確認接線正確、校準現(xiàn)場環(huán)境條件滿足要求后，由實驗室計算機遠程控制校準現(xiàn)場標準源校準六位半交流數(shù)字電壓表，校準數(shù)據(jù)見表1。

表1 遠程校準數(shù)據(jù)

4.5 實驗室校準數(shù)據(jù)

將被檢交流數(shù)字電壓表送至實驗室，計量人員校準被檢表，校準數(shù)據(jù)見表2。

表2 實驗室校準數(shù)據(jù)

4.6 數(shù)據(jù)比對分析

參照實驗室間計量比對方法，對遠程校準數(shù)據(jù)進行分析，判定交流電壓遠程校準數(shù)據(jù)的準確、可靠性。判定方法如下：

式中：y—遠程校準系統(tǒng)測量值；y0—實驗室測量值；U—遠程校準系統(tǒng)測量結果不確定度；U0—實驗室測量結果不確定度。

當|En|≤1 為滿意。

交流電壓遠程校準系統(tǒng)各測量點計量比對數(shù)據(jù)見表3。

表3 各測量點計量比對數(shù)據(jù)

綜上，交流電壓遠程校準系統(tǒng)各測量點|En|值≤1，說明交流電壓遠程校準系統(tǒng)測量值準確、可靠。

5 結束語

遠程校準技術的推廣應用，讓計量技術機構送檢標準器更加靈活方便，不用再拆卸計量標準器長距離運送至上級計量機構，可以節(jié)省大量人力、物力。同時，遠程校準可實現(xiàn)“扁平化”計量，減少傳統(tǒng)方式逐級量值傳遞帶來的誤差。此外，國家計量技術機構實驗室參與遠程校準，可在短時間內快速提高參加實驗室的校準能力，減小測量不確定度。

遠程校準與傳統(tǒng)的計量檢定、校準相比，有以下優(yōu)點：

1）被校計量器具無需運輸?shù)缴霞売嬃繖C構即可開展校準工作，減少了校準所需時間和成本。

2）遠程校準可實現(xiàn)實驗室計量標準在正常工作環(huán)境下被校準，實現(xiàn)扁平化計量，與傳統(tǒng)的計量檢定、校準相比減少逐級量值傳遞帶來的誤差及各實驗室間環(huán)境差異帶來的附加誤差，讓校準數(shù)據(jù)更加準確。

3）遠程校準避免了計量標準因送檢過程造成的磨損，同時提高了校準的便捷性。

4）上級計量機構的先進經(jīng)驗和技能及時得到推廣和交流，通過遠程校準技術的推廣，可在短期內迅速提升基層單位實驗室計量檢定、校準能力，減小測量結果不確定度；總的來說，遠程校準是對傳統(tǒng)計量的技術革新，解決傳統(tǒng)量值傳遞與溯源中存在的諸多問題，讓計量校準更加準確、高效、便捷。

此外，參考時間頻率遠程校準的GPS 共視法原理和方法，設計高精度的交流電壓頻率轉換模塊，將電壓信號轉換為頻率脈沖信號，通過GPS 通信衛(wèi)星實現(xiàn)交流電壓遠程校準。這一校準方法可實現(xiàn)計量標準器在實驗室通過互聯(lián)網(wǎng)對被檢表進行遠程校準，將極大地提高計量校準效率。