一種高精度組合式多功能校準儀的設計及驗證

曹　敏，李　波，畢志周，李　毅，肖元強

（1.云南電力試驗研究院（集團）有限公司電力研究院南方電網電能計量重點實驗室，云南昆明650217；2.昆明理工大學云南電網公司研究生工作站，云南昆明650217）

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一種高精度組合式多功能校準儀的設計及驗證

曹敏1，李波1，畢志周1，李毅1，肖元強2

（1.云南電力試驗研究院（集團）有限公司電力研究院南方電網電能計量重點實驗室，云南昆明650217；2.昆明理工大學云南電網公司研究生工作站，云南昆明650217）

摘要：當前各種電學參量校準裝置通常為一體化設計，只能對單一參量校準。設計一種高精度組合式的多功能校準儀，將電壓比例標準（U/U）、電流比例標準（I/U）以及雙通道電壓比較器進行獨立設計、校準和應用。使用多功能校準儀對U/U各輸出檔校準，最大誤差為3.3×10-6；對多功能校準儀進行不確定度分析，最大不確定度為3.8×10-6。測試結果表明：增加校準儀的應用功能和范圍，可以提高校準儀的測量不確定度和校準精度。

關鍵詞：電學參量；校準儀；多功能；自由組合；雙通道比較儀

0　引言

電參量測量儀器的測量結果需要與國家測量標準或國際測量標準一致[1]。目前工頻交流綜合參數廣泛使用一體化的數字式功率表或標準電能表[2]，標準表一般將寬量限的輸入電壓比例單元、輸入電流比例單元和負責計算顯示的比較儀單元集成在一起。這樣的結構使電壓輸入比例單元的傳遞函數K.u和電流輸入比例單元的傳遞函數K.i不能單獨校準，電壓比較器A、B兩通道的不確定度不能單獨確定，應用范圍有限。標準器等級越高，對環境的要求也越嚴格，操作也越復雜，傳統標準表不適合基層單位作為日常工作標準使用。

本文設計一種高精度組合式多功能校準儀，在兩只專用插頭的不同組合下，可使U/U變換器和I/U變換器的各電路單元獨立進行校準、檢定和應用。

1　組合式多功能校準儀的組成原理

高精度組合式多功能校準儀由雙通道電壓比較器、輸入電壓比例標準（U/U變換器）、輸入電流比例標準（I/U變換器）組成，如圖1所示。

圖1　校準儀內部電路單元原理框圖

輸入的被測交流電壓U和被測電流I分別通過電壓比例標準和電流比例標準變換成規范的交流電壓信號，由雙通道電壓比較器進行計算和顯示。專用插座采用不同的短接方式時，輸入電壓比例標準或輸入電流比例標準的二次輸出電壓可直接從校準儀的面板輸出。

雙通道電壓比較器[3]是一個雙路輸入、帶自校準電路的高精度小信號標準電能表，如圖2所示。

圖2　雙通道電壓比較器原理圖

將兩個通道的交流測量電壓值直接溯源到雙通道電壓比較器內置的高穩定度直流參考標準器[4]，并把直流參考標準器的電壓UR從雙通道電壓比較器內引到校準儀的面板上，以方便對此直流基準電壓進行校準、測試和考核。

輸入電壓比例標準是一個高精度的儀用雙極電壓互感器，一次抽頭分別為50，100，200，400V 4檔，二次輸出的滿度交流電壓為4 V，如圖3所示。

輸出電壓U.u可單獨對電壓比例標準進行校準和檢定，或作為一個U/U變換標準器獨立使用。

圖3　輸入電壓比例標準原理圖

輸入電流比例標準是由兩只高精度的儀用雙極電流互感器采用手拖手的跨接方式組成，具備自校準功能，如圖4所示。

圖4　輸入電流比例標準原理圖

一次抽頭分為0.2，0.5，1，2，5，10，20，50，100 A 9檔，二次輸出采用有源阻抗矢量電壓合成器[4]，輸出滿度交流電壓為4 V。

2　校準方法及原理

2.1電壓比例標準的校準

將外接標準感應分壓器[5]的一次輸入端與校準儀的電壓輸入端并聯，共同加入穩定電壓U。將輸入電壓比例標準的二次輸出電壓接入雙通道電壓比較器的A輸入通道；把外接標準感應分壓器的二次輸出標準電壓信號接入雙通道電壓比較器的B通道。輸入電壓比例標準的實際變比為

式中：K.U——標準感應分壓器變比；

K.u——輸入電壓比例標準變比；

U.A、U.B——雙通道電壓比較器兩通道的輸入電壓。

2.2電壓比較器通道分布參數的校準

將輸入電壓比例標準的二次輸出信號同時送入A、B通道，雙通道電壓比較器A、B通道的電壓有如下關系：

式中：K.u——標準感應分壓器變比；

U.u——電壓比例單元輸出值；

U.A、U.B——交直流比較器兩通道的輸入電壓。

兩個通道輸入的是同一個電壓，其幅值差和相位差均應為零。則雙通道電壓比較器A、B通道分布參數造成的幅值偏移U.為

2.3校準儀功率校準

將輸入電壓比例標準的二次側和輸入電流比例標準的二次側分別輸入到電壓比較器的A、B通道，則各電路單元組成了一臺功率測量儀，功率測量公式為

其中U.u=U.A，U.i=U.B，K.u和K.i分別為U/U變換器和I/U變換器的變比。

2.4對電壓互感器的校驗

將被檢電壓互感器的一次輸入端與校準儀的電壓輸入端并聯起來，共同加入穩定電壓U.。將輸入電壓比例標準的二次輸出電壓接入雙通道電壓比較器的A輸入通道；把被檢電壓互感器的二次輸出電壓信號直接接入雙通道電壓比較器的B輸入通道。由于雙通道電壓比較器兩個輸入電壓U.A和U.B相同，所以電壓互感器變比K.U為

式中K.u為輸入電壓比例標準變比。

3　校準儀應用實例分析

運用校準儀的雙通道電壓比較器替代傳統的互感器校驗儀[6-9]對本校準儀的電壓比例標準進行校準的分析和測試。

3.1電壓比例標準U/U變換器的校準原理

需要校準的電壓比例標準U/U變換器有4個電壓檔位，分別是400 V∶4 V、200 V∶4 V、100 V∶4 V、50 V∶4 V，如圖5所示。

圖5　U/U變換器結構簡圖

設U/U變換器二次側各輸出檔位之間的阻抗分別為Z1、Z2、Z3和Z4，則各檔位的阻抗關系如下式所示：

式中：Z50——50 V∶4 V檔位的阻抗；

Z100——100 V∶4 V檔位的阻抗；

Z200——200 V∶4 V檔位的阻抗；

Z400——400 V∶4 V檔位的阻抗。

對該U/U變換器的校準過程分為兩步：

第1步使用上級交流電壓比例標準的100 V∶4 V對本校準儀的100 V∶4 V電壓比例進行校準，設備測試連接圖如圖6所示。

圖6　校準U/U變換器100V:4V檔位的測試連接圖

采用直接比較的方法[10]進行校準，用校準儀的雙通道電壓比較器替代互感器校驗儀來測量標準和被校電壓比例的差值。標準和被校電壓比例的輸入是同一交流電壓信號，輸出信號分別進入雙通道電壓比較器A、B兩通道。

采用雙通道比較的方法進行測試，所以測試的結果只與雙通道測量4 V電壓的穩定性和其通道間一致性有關，與絕對測量準確度無關。測試過程中通過交換A、B兩通道進行兩次測量取其平均值的方法消除A、B通道的一致性誤差。通過以上測試，可以得到本U/U變換器100 V∶4 V的相對誤差E0為

式中：U0——上級電壓比例標準的輸出值；

Uz100——本U/U變換器二次側100V∶4V檔位的輸出值。

第2步用校準過的U/U變換器的100 V∶4 V檔位校準其他400 V∶4 V、200 V∶4 V、50 V∶4 V檔位。

1）100V∶4 V擴展50 V∶4 V

在圖5所示U/U變換器的一次側輸入一個穩定的100 V電壓。將U/U變換器二次側Z4兩端的電壓接入到雙通道電壓比較器的A通道，將二次側Z100兩端的電壓接入到雙通道電壓比較器的B通道。

忽略A、B兩通道測量時的短期穩定性誤差，在消除通道一致性誤差后，Z4相對于Z100的相對誤差E1為

式中：Uz4——U/U變換器Z4兩端的輸出電壓；

Uz100——U/U變換器Z100兩端的輸出電壓。

由于U/U變換器輸出端的電壓值與輸出端的阻抗值成正比且電流相等，所以式（8）可變為

由式（6）可得：

由式（9）可得：

由式（10）和式（11）可得：

由式（7）可得：

式中Z0為交流電壓比例標準的阻抗。

把式（13）帶入式（12）可得：

變換可得

2）100V∶4 V擴展200 V∶4 V

在圖5所示的U/U變換器的一次側輸入穩定的200 V電壓。將U/U變換器Z3兩端的電壓接入到雙通道電壓比較器的A通道，將Z200兩端的電壓接入到雙通道電壓比較器的B通道。設此時雙通道電壓比較器A通道相對于B通道的誤差值為E2。忽略A、B兩通道測量4 V電壓的短期穩定性誤差和其通道間一致性誤差后，則Z3兩端電壓相對于Z200兩端電壓的誤差E2為

式中：Uz3——U/U變換器Z3兩端的輸出電壓；

Uz200——U/U變換器Z200兩端的輸出電壓。

由于U/U變換器輸出端的電壓值與輸出端的阻抗值成正比且電流相等，所以式（16）可變為

由式（6）可得：

由式（17）可得：

把式（19）帶入式（18）可得：

把式（13）帶入式（20）可得：

對式（21）變換得：

式（22）便為200 V∶4 V相對于上級交流電壓比例標準的最終相對誤差E200∶4。

3）100V∶4 V擴展400 V∶4 V

在圖5所示的U/U變換器的一次側輸入穩定的交流400 V電壓。將U/U變換器Z2兩端的電壓接入到雙通道電壓比較器的A通道，將Z400兩端的電壓接入到雙通道電壓比較器的B通道。則Z2兩端電壓相對于Z400兩端電壓的相對誤差E3為

式中：Uz2——U/U變換器Z2兩端的輸出電壓；

Uz400——U/U變換器Z400兩端的輸出電壓。

由于U/U變換器輸出端的電壓值與輸出端的阻抗值成正比且電流相等，所以式（23）可變為

由式（6）可得：

由式（24）可得：

把式（26）帶入式（25）可得：

把式（21）帶入式（27）可得：

變換得：

式（28）即為400 V∶4 V相對于上級交流電壓比例標準的最終相對誤差E400∶4。

3.2U/U校準實驗數據分析

按上述方法分別進行如下的校準測試：1）用經校準的感應分壓器4V輸出對U/U變換器的100V∶4 V進行校準；2）用校準過的本U/U變換器100 V∶4 V檔位對其他400 V∶4 V、200 V∶4 V、50 V∶4 V檔位進行校準測試。

在U/U變換器的每一個輸出電壓檔位校準過程中，都分為10組進行測試，每組測試3個值，以此30個數據的平均值作為最終的測量值來參與相關誤差的計算，如表1所示。

表1　校準儀U/U各檔位比差的校準結果

對多功能校準儀滿量程時的電能、功率、電流、電壓的標準不確定度、擴展不確定度進行了評定，其中擴展不確定度的置信率取95%，包含因子取2，評定結果如表2所示。

表2　不同測試項的不確定度值

不確定度評定結果表明，采用多功能校準儀對電能、功率、電流和電壓測量不確定度最大值為3.8×10-6。

4　結束語

通過采用獨立組合式的結構設計，使多功能校準儀能對不同電參量進行校準，使本校準儀同時具備了電流比例標準、電壓比例標準、雙通道電壓比較器的功能，并能夠采用任何一個輸入通道的信號方便地對雙通道電壓比較器兩個輸入通道的分布參數進行無差別自校準，擴展了校準儀的應用范圍，并進一步為電學參量的研究、校準和測試提供了良好的手段和平臺。

通過實驗驗證，多功能校準儀對U/U校準的最大誤差為3.3×10-6，對不同測試項的不確定度分析得到最大的不確定度值為3.8×10-6。目前，本高精度組合式多功能校準儀已成功應用于中國南方電網電能計量重點實驗室，主要針對云南電網電參量準確性保障和電參量相關測試技術的研究中，并取得了良好的應用效果。

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（編輯：劉楊）

Design of high precision modular multifunction calibrator

CAO Min1，LI Bo1，BI Zhizhou1，LI Yi1，XIAO Yuanqiang2
（1. Key Laboratory of Yunnan Electric Power Research Institute（Group）Co.，Ltd.，Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid Energy Metering，Kunming 650217, China；2. Graduate Workstation of Kunming University of Science and Technology and Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217，China）

Abstract:Various calibration devices for electrical parameters usually are designed integrated，and a calibration device can only calibrate a single parameter. This paper introduced a high precision modular multifunction calibrator. The multifunction calibrator was divided into three parts which included a voltage ratio of the standard（U/U），a current ratio of the standard（I/U）and a dual-channel voltage comparator. They were respectively independent in design，calibration and application. Each output of U/U was calibrated by modular multifunction calibrator，and the maximum error was 3.3×10-6. Uncertainty analysis of modular multifunction calibrator was done，and the largest uncertainty was 3.8×10-6. Test results show that the function and scope of application of calibrator are extended and the uncertainty and calibration accuracy is improved.

Keywords:electric parameter；calibrator；multifunction；free combination；dual channel comparator

作者簡介：曹敏（1961-），男，教授級高級工程師，主要從事輸變電智能化、智能電網與物聯網、電力質量及測量工作。

收稿日期：2015-03-02；收到修改稿日期：2015-04-09

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.008

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）02-0036-05