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．國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南250002；2．長沙天恒測控技術(shù)有限公司，湖南 長沙410100；3．山東中實易通集團有限公司，山東 濟南250002）

0 引 言

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

本文設計研制一套具有高電壓、大電流直流電能計量功能的檢定裝置，既可覆蓋各等級電能表的檢定，又可用于直流電能計量的研究工作，本裝置的準確度等級確定為0．05級［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確度的直流電測儀表，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，填補國內(nèi)直接接入式電能表檢定的空白，也為電能計量提供了檢測和量值傳遞依據(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

用戶通過顯示界面設定需要的電量，微處理器計算后輸出相應的數(shù)字量，數(shù)字量經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應的電量輸出，通過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，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定的數(shù)字量進行比較，調(diào)節(jié)輸出信號使系統(tǒng)達到平衡，從而使輸出達到預期設置的電量。

直流小電壓主要用于模擬電流經(jīng)過分流器轉(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。

電能誤差的測量是通過接收被檢電能表的電能脈沖輸入，與本檢定裝置輸出的標準電能脈沖比較，計算出電能誤差，通過顯示界面顯示給用戶。

檢定裝置配有RS232接口，可與計算機通訊，通過計算機軟件實現(xiàn)電能誤差自動檢定和檢定數(shù)據(jù)保存、檢定報告打印等功能。

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］。開關(guān)電源提供的電壓，經(jīng)功放由變壓器升壓，得到相應量程的電壓輸出。其中，最大輸出電壓1 100 V，最大輸出功率25 VA。電流源亦為開關(guān)電源，最大輸出電流500 A。本裝置采用的開關(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)開關(guān)電源的輸出使負反饋達到平衡。

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)絡取樣，要求使用的分壓電阻精度高，年穩(wěn)定度好，溫漂小；電流取樣采用寬頻直流比較儀取樣。取樣后通過24位AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入FPGA，再進入微處理器，進行數(shù)字信號處理和運算。

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)場可編程門陣列（FPGA）組成，微處理器采用專為要求高性能、低功耗的嵌入式應用設計的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USART接 口 、6個SPI接口、2個CAN口、3個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 誤差計算模塊

誤差計算模塊用來檢驗電能的基本誤差。基本誤差檢驗采用高頻脈沖數(shù)預置法［4］，檢驗時由檢定裝置和被檢表在同一負荷下同時工作。檢定裝置采用虛負荷法［5］，即由檢定裝置輸出測試電壓、測試電流給被檢表，讓被檢表轉(zhuǎn)動，通過DDS對基準頻率分頻，將功率化作標準高頻脈沖數(shù)m，并輸出；同時裝置接收被檢表輸入的N個低頻脈沖，被檢表低頻脈沖和標準高頻脈沖都傳輸至誤差計算模塊，將m作為實測脈沖數(shù)，與計算的脈沖數(shù)m0比較，進而計算出被測電能表的相對誤差，用γ（%）表示［6］。

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

2 技術(shù)難點及解決方案

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

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

圖2 比較儀結(jié)構(gòu)圖

當待測繞組W1上流過直流大電流I1時，檢測繞組Ws檢測磁通，并轉(zhuǎn)換為電壓；次級繞組W2上的隨動電流I2大小隨功放控制，通過不斷調(diào)整，達到磁平衡［10］。根據(jù)比較儀磁平衡原理有：

次級電流與待測電流成比例，如取W1＝1匝，W2＝1 000匝時，I1＝1000＊I2，I2通過標準電阻進行電流采樣，測量電阻兩端電壓可得次級電流I2，由公式（5）得出待測電流I1。即當次級繞組匝數(shù)較大時，就實現(xiàn)了大電流變換成小電流測量的目的。

3 檢定裝置的應用

本檢定裝置設計600 A電流負載能力并可長期工作，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)置獨立的小信號電壓源和電流源，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。

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

4 結(jié) 論

本文提出的直流電能表檢定系統(tǒng)，準確度等級達到0．05級，能對準確度等級為0．2級以下的所有直流電壓表、直流電流表、直流功率表、直流電能表或電動汽車充電樁直流電能表進行檢定和校準。該產(chǎn)品的應用為直流電能量值傳遞體系的建立提供依據(jù)。