佘尋峰 韓志強(qiáng) 周碧紅 石雷兵 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在太陽(yáng)能供電、風(fēng)力發(fā)電、軌道交通、儲(chǔ)能技術(shù)等領(lǐng)域?qū)χ绷麟娔苡?jì)量的需求日益迫切，特別在電動(dòng)汽車(chē)充電站內(nèi)直流電能表被廣泛應(yīng)用。測(cè)量直流電能的計(jì)量器具越來(lái)越多，不僅需要研制生產(chǎn)校準(zhǔn)工作計(jì)量器具的校準(zhǔn)裝置，更有必要研制建立更高溯源要求的直流電能校準(zhǔn)裝置，確保量值溯源的準(zhǔn)確性，為直流電能準(zhǔn)確計(jì)量提供技術(shù)保障。

1 直流電能表校準(zhǔn)裝置

直流電能表的產(chǎn)量和使用量逐年增加的同時(shí)，國(guó)內(nèi)陸續(xù)頒布相關(guān)的直流電能表技術(shù)規(guī)范，如：國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布Q/GDW 1825-2013 《直流電能表技術(shù)規(guī)范》，國(guó)際上，IEC 62053-41 《電測(cè)量設(shè)備 特殊要求第41部分：靜止式直流電能表（0.2級(jí)、0.5級(jí)和1級(jí)）》標(biāo)準(zhǔn)也即將頒布實(shí)施，于此對(duì)應(yīng)的GB/T 17215.305《靜止式直流電能表》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也在起草過(guò)程中，這些規(guī)則的實(shí)施將有序規(guī)范直流電能表的生產(chǎn)和使用[1][2]。

目前，計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)極少建立直流電能計(jì)量校準(zhǔn)裝置，無(wú)法滿足逐漸增加的直流電能表校準(zhǔn)需求。國(guó)際上，一些發(fā)達(dá)國(guó)家逐漸重視直流電能計(jì)量技術(shù)的研究，有些國(guó)家正在研發(fā)直流電能表校準(zhǔn)裝置。近幾年，我國(guó)部分企業(yè)為了滿足社會(huì)對(duì)直流電能表校準(zhǔn)裝置的需求，積極投入裝置的研發(fā)。

直流電能表分為安裝式直流電能表和標(biāo)準(zhǔn)直流電能表。安裝式直流電能表準(zhǔn)確度較低、脈沖常數(shù)較小。目前成熟的直流電能表校準(zhǔn)裝置，采用脈沖比較法校準(zhǔn)安裝式直流電能表，實(shí)時(shí)同步測(cè)量被檢電能表的電能輸出，并與標(biāo)準(zhǔn)電能表進(jìn)行比較[4][5]。它的檢測(cè)系統(tǒng)一般由直流電壓源、直流電流源、直流標(biāo)準(zhǔn)電能表、誤差計(jì)算單元、控制單元等部件組成，該直流電能表校準(zhǔn)裝置適用于同時(shí)校準(zhǔn)多個(gè)安裝式直流電能表。由于目前更高等級(jí)的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)直流電能表的裝置都在研發(fā)過(guò)程中，為了滿足溯源的需求，實(shí)驗(yàn)室可以利用通用標(biāo)準(zhǔn)儀器，組合搭建校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)直流電能表的裝置。

2 直流電能表校準(zhǔn)裝置的構(gòu)成

為了解決高準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)直流電能表的校準(zhǔn)問(wèn)題，本文基于電壓、電流采樣的方法來(lái)設(shè)計(jì)直流電能表校準(zhǔn)裝置。該裝置主要由直流電壓源和直流電流源構(gòu)成直流功率源、直流比較儀、標(biāo)準(zhǔn)電阻、3458A數(shù)字多用表（兩臺(tái)）、53230A頻率計(jì)數(shù)器、33250A函數(shù)發(fā)生器和測(cè)量控制系統(tǒng)組成。裝置構(gòu)成如圖1所示。

圖1 直流電能表校準(zhǔn)裝置構(gòu)成圖

裝置的工作原理為：功率源的直流電壓輸出測(cè)量直流電壓信號(hào)給被檢直流電能表和數(shù)字多用表3458A；直流電流輸出測(cè)量直流電流信號(hào)給被檢直流電能表和直流電流比較儀，直流電流比較儀次級(jí)輸出直流電流，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻后轉(zhuǎn)換后由數(shù)字多用表3458A進(jìn)行測(cè)量；頻率計(jì)數(shù)器53230A接收被檢標(biāo)準(zhǔn)直流電能表的電能輸出；函數(shù)發(fā)生器33250A輸出同步信號(hào)至數(shù)字多用表和頻率計(jì)數(shù)器，產(chǎn)生同步采樣時(shí)鐘信號(hào)；通過(guò)IEEE488（GPIB）接口將數(shù)字多用表、函數(shù)發(fā)生器、頻率計(jì)數(shù)器與計(jì)算機(jī)相連。在一定的測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)，利用兩臺(tái)數(shù)字多用表3458A的積分型ADC同時(shí)采樣測(cè)量變換后的電壓信號(hào)，并由測(cè)量軟件計(jì)算得到平均標(biāo)準(zhǔn)功率值，同頻率計(jì)計(jì)算得到的被檢標(biāo)準(zhǔn)直流電能表的平均功率值進(jìn)行比較，得到直流電能表的基本誤差。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1所示的校準(zhǔn)裝置構(gòu)成圖，各個(gè)組成部分的硬件條件分述如下。

1）直流電壓信號(hào)源

直流電壓信號(hào)源采用線性電源制成，具有穩(wěn)定性高、紋波小、可靠性高的特點(diǎn)。有效調(diào)節(jié)范圍為（10 μV ～ 1111.11 V），電壓輸出穩(wěn)定度（10 min）≤0.005%F.S.+3個(gè)字。

2）直流電流信號(hào)源

直流電流信號(hào)源采用比較儀器技術(shù)和線性恒流源電路，從而可以達(dá)到較高的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，漂移≤50×10-6/30 min，功耗≤5 000 W。

3）數(shù)字多用表

工作于實(shí)驗(yàn)室的3458A型8.5位數(shù)字多用表有較低的內(nèi)部噪聲、較好的線性度和短期穩(wěn)定度，其多斜模數(shù)轉(zhuǎn)換器的線性度高。10 V電壓量程的線性度在±0.05×10-6以內(nèi)，在1 h，±0.5 ℃條件下，3458A的10 V電壓傳遞準(zhǔn)確度達(dá)到0.1×10-6，在使用8.5位分辨力時(shí)的內(nèi)部噪聲小于0.01×10-6rms。

3458A有兩種實(shí)現(xiàn)波形數(shù)字化的功能：直接采樣和序列或子采樣。對(duì)于直接采樣，3458A先使用提供16位分辨力的2 ns跟蹤保持，再使用12 MHz路徑。最大采樣率為50 000次采樣/s或20 μs。樣本的間隔依據(jù)0.01%準(zhǔn)確度的時(shí)基，其時(shí)間增量以100 ns步進(jìn)。數(shù)據(jù)以全速直接傳送至計(jì)算機(jī)，或進(jìn)入數(shù)字多用表內(nèi)部讀數(shù)緩存區(qū)。

4）直流比較儀

直流比較儀具有較高的電流測(cè)量準(zhǔn)確度，在一次電流1 000 A，二次電流1 A時(shí)，比例準(zhǔn)確度優(yōu)于1×10-6；在一次電流1 A，二次電流1 A時(shí)，比例準(zhǔn)確度優(yōu)于1×10-7，二次側(cè)配標(biāo)準(zhǔn)電阻使用可以實(shí)現(xiàn)直流電流高準(zhǔn)確度測(cè)量。

5）頻率計(jì)數(shù)器

Keysight 53230A頻率計(jì)可以提供12位/s頻率測(cè)量分辨力，20 ps時(shí)間間隔測(cè)量分辨力，配有雙路350 MHz輸入通道，可以實(shí)現(xiàn)包括頻率和周期、時(shí)間間隔、積算等測(cè)量，同時(shí)配有觸發(fā)和測(cè)量門(mén)控功能為時(shí)間間隔測(cè)量提供了方便。

6）函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

Agilent 33250A提供11種標(biāo)準(zhǔn)波形以及脈沖和任意波形，頻率穩(wěn)定，失真小。80 MHz正弦波和方波輸出，正弦波、方波、斜波、噪聲和其他波形，50 MHz脈沖波形，上升/下降時(shí)間可調(diào)12 bit，200 MSa/s，64 k點(diǎn)深度的任意波形。

7）GPIB通信模塊

計(jì)算機(jī)通過(guò)NI GPIB-USB-HS的IEEE488.2控制器，控制本裝置中的數(shù)字多用表、頻率計(jì)數(shù)器等可編程GPIB儀器。

2.2 裝置測(cè)量軟件

為便于對(duì)校準(zhǔn)裝置中各儀器設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)處理，裝置測(cè)量軟件采用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)，主要程序流程圖如圖2所示，LabVIEW程序界面如圖3所示。

3 裝置工作原理

本裝置采用相同時(shí)間間隔內(nèi)的平均功率比較法測(cè)量電能基本誤差。由于測(cè)量過(guò)程中直流電壓、直流電流和采樣測(cè)量設(shè)備易受交流供電電源的干擾，同時(shí)直流信號(hào)的輸出紋波及穩(wěn)定性、采樣測(cè)量設(shè)備的工頻噪聲也是不容忽視的。如果把3458A的采樣時(shí)間間隔設(shè)置為與工頻周期相關(guān)，可有效消除工頻噪聲，提高交流共模抑制比[6][7]。同時(shí)利用3458A數(shù)字多用表ADC積分型原理，測(cè)量得到該積分時(shí)間間隔的平均測(cè)量值，在測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)多次采樣示值，如圖4所示，可以計(jì)算得到該時(shí)間間隔內(nèi)的平均功率，減少源輸出的紋波和不穩(wěn)定性引入的誤差，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。

圖2 直流電能表校準(zhǔn)程序流程圖

圖3 直流電能表校準(zhǔn)程序界面

圖4 信號(hào)采樣示意圖

由于受源的穩(wěn)定性影響，在時(shí)間 [t1，t2] 內(nèi)輸出功率P非恒定值，可以通過(guò)式（1）得到平均功率

離散化變?yōu)?/p>

式中：m—— 測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)的采樣個(gè)數(shù)；

(n) ——第n個(gè)采樣點(diǎn)的經(jīng)過(guò)分壓器測(cè)得的電壓平均值；

(n) —— 第n個(gè)采樣點(diǎn)的電流經(jīng)過(guò)采樣電阻變換后的電壓平均值；

ku—— 電壓的比例系數(shù)；ki—— 電流的比例系數(shù)采用平均功率法測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)電能E0可以表示為式中：t—— 測(cè)量時(shí)間間隔，s

在用數(shù)字多用表采樣的同時(shí)，采樣觸發(fā)信號(hào)同時(shí)通知頻率計(jì)數(shù)器對(duì)被檢電能表的電能輸出進(jìn)行采樣，得到被檢電能表的平均功率可用式（4）表示

這樣被檢電能表的電能值Ex可以表示為

式中：C—— 被檢表電能表的脈沖常數(shù)，imp/kWh被檢電能表基本誤差可用式（7）計(jì)算

將式（3）、式（6）代入式（7），并約掉測(cè)量時(shí)間間隔t，則化為

從式（8）可知在測(cè)量過(guò)程中，首先利用兩臺(tái)數(shù)字多用表3458A采樣積分原理，測(cè)出測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)的實(shí)際平均功率，然后通過(guò)頻率計(jì)數(shù)器53230A測(cè)出被檢電能表在這段時(shí)間內(nèi)的平均頻率（被檢表電能脈沖常數(shù)C已知），就可以準(zhǔn)確測(cè)量出被檢電能表誤差。3458A積分型ADC的采樣測(cè)量值為其積分時(shí)間內(nèi)的被測(cè)信號(hào)平均值。測(cè)量時(shí)應(yīng)使測(cè)量時(shí)間為采樣時(shí)間的整數(shù)倍，以實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量。根據(jù)圖5 3458A技術(shù)手冊(cè)所示的可選讀數(shù)率，系統(tǒng)綜合考慮測(cè)量準(zhǔn)確度和速度。本次采樣選擇表第4行采樣設(shè)置，即將采樣間隔設(shè)為2 ms，六位半的測(cè)量準(zhǔn)確度，測(cè)量時(shí)間設(shè)為10 s，即每次測(cè)量采樣5 000個(gè)點(diǎn)。

圖5 數(shù)字多用表讀數(shù)率

4 裝置應(yīng)用前景和社會(huì)效益

直流電能表校準(zhǔn)裝置建立后可以滿足華東地區(qū)直流電能表量值傳遞需要，可以提供直流電能表量值溯源服務(wù)，為直流電能貿(mào)易結(jié)算提供技術(shù)保障。

該裝置建立后可以支持太陽(yáng)能、新能源汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電、軌道交通、儲(chǔ)能電池等新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。保障能源交易的公平公正，為實(shí)現(xiàn)清潔能源建設(shè)提供技術(shù)支持。同時(shí)為直流電能表生產(chǎn)企業(yè)、上海電力公司以及華東地區(qū)直流電能表生產(chǎn)和使用單位提供技術(shù)幫助。

5 結(jié)語(yǔ)

本文的直流電能表校準(zhǔn)裝置采用3458A數(shù)字多用表和直流比較儀器為主要計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，采用瓦秒法計(jì)算電能誤差，不同于一般采用直流標(biāo)準(zhǔn)電能表為主要計(jì)量器具，采用比較法計(jì)算電能誤差的直流電能表校準(zhǔn)裝置。該裝置具有經(jīng)費(fèi)投入少、準(zhǔn)確度等級(jí)高、易于后續(xù)升級(jí)維護(hù)等特點(diǎn)。