直流電能紋波影響試驗裝置校準

肖 濤，周新華，董藝維

(1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，浙江 杭州 310014；2.長沙天恒測控技術有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引言

隨著科技發展，生產力發展需求不斷提升，直流電在很多領域所占比重越來越大。如國家正在大力推廣的新能源軌道交通、電動汽車、光伏系統，以及常見的地鐵索引系統等[1-2]。在我國，單純交流電能和單純直流電能的計量相對成熟，但是實際使用中，直流電中會包含大量的紋波，這些紋波會對單一的直流電能計量造成誤差。目前，對紋波影響下的直流電能計量則處于起步階段[3-4]。

2017年，國家施行了GB/T 33708-2017《靜止式直流電能表》[5]，其中明確了直流紋波影響試驗的做法和誤差改變限值。具體方法是在試驗裝置的電壓及電流輸出中加入一定量的標準交流信號，要求直流電能表測定的電能誤差不能超過其改變限值。目前市場上已經出現了可以進行此項試驗的檢定裝置[6-7]，但是并沒有一款能同時測量直流和紋波的標準表去校準這類裝置。本文設計了一個以標準表法為理論依據的校準系統。

1 校準裝置

直流電能紋波影響試驗裝置的校準[8-9]所需要的標準設備有：精密交直流電壓分壓器(如TH0150，量程為10～1 000 V)，精密交直流同軸分流器(如TH0400，量程為1 mA～100 A)，單增益精密緩沖器(如TH0600)，雙路電壓矢量分析系統(如TH3200)。

TH0150為精密交直流電壓分壓器，可將各種量程電壓按一定的比值k1變換成1 V電壓，并保持極小相移。其工作頻率從DC～100 kHz，最大交直流差最優為±10×10-6，最大相移最優為±5 μrad、TH0400為精密交直流同軸分流器，可將各種量程電流按一定比值k2變換成1 V電壓，并保持極小相移。其工作頻率從DC～100 kHz，最大交直流差最優為±20×10-6，最大相移最優為±10 μrad。TH0600是專用于將高內阻信號轉化為低內阻輸出的精密緩沖器，增益為1。采用電池供電，能夠把噪聲和干擾降低到最低水平，最大交直流差最優為±20×10-6。

校準裝置原理框圖如圖1所示。

圖1 校準裝置原理框圖

TH3200是超高精度的雙通道電壓矢量分析系統，通過同步采樣技術，可同時測量并計算分析雙通道電壓幅值、頻率、相位、功率、電能等多個變量。其電壓測量范圍為0.1 mV～11 V，頻率范圍為0～100 kHz。它可以對雙路電壓進行隔離同步采樣，并實現雙路電壓矢量計算。通過嵌入式軟件，輸入分壓器、分流器的比率，計算電壓、電流、功率和電能，同時能把功率轉化為脈沖輸出，方便電能表的檢定。其功率和電能最高準確度達±20×10-6。以TH3200為標準表，可以對被校試驗裝置的電壓和電流各量程進行校準和標定。被校試驗裝置的電能傳遞函數可表示為：

(1)

式中：k1為TH0150分壓器的變比；k2為TH0400分壓器的變比；u1(t)為TH3200輸入口1測量值；u2(t)為TH3200輸入口2測量值。

本文提出的方法可以對各種直流電能紋波影響試驗的裝置進行校準。以TD1580直流電能表綜合檢測裝置為例，其輸出性能如表1所示。其中，電壓型電流(小信號電壓)適用于電壓型輸入的電流間接接入儀表，在本系統中歸為電壓處理。

表1 試驗裝置輸出性能

2 校準方法

校準時，要求試驗室的環境溫度為(20±1)℃；相對濕度為60%±15%；無外電場、外磁場影響，無離子輻射影響。被校試驗裝置和所有標準設備需要通過預熱4 h以上，所有的導線采用低熱電勢測試線，并且盡量短，最好帶屏蔽層。

被校試驗裝置同時帶紋波輸出，根據不同的量程選擇對應的分壓器(TH0150)和分流器(TH0400)，得到兩個采樣電壓，將它們均經過緩沖器(TH0600)緩沖，最后用矢量分集儀(TH3200)進行分測量分析。根據其計數值，對被校試驗裝置進行功率和電能的校準。電壓和電流范圍為可輸出紋波的所有量程，參比電壓、參比電流以及紋波含量參照GB/T 33708-2017《靜止式直流電能表》的要求，紋波的頻率從100～1 000 Hz取數點，紋波的功率因數從-1～+1取數點。

理論上，選取一個交叉量程檔位，即可完成直流電能紋波影響試驗裝置電能校準。

3 不確定度分析

根據GB/T 33708-2017《靜止式直流電能表》的要求，直流電能紋波影響試驗中所涉及的紋波頻率為300 Hz，紋波含量最大不超過20%。本文中的TD1580直流電能表綜合檢測裝置，其紋波頻率為100～1 000 Hz。對于頻率較低和幅值較小的校準系統，在選取了性能良好、長度合適的線材后，導線對不確定度所造成的影響可以忽略不計。

本文中校準方法的不確定度[10]主要來自于精密交直流電壓分壓器TH0150、精密交直流同軸分流器TH0400、單增益精密緩沖器TH0600和雙路電壓矢量分析系統TH3200，它們均會對幅值和相位產生不確定度的影響。

當各不確定度分量獨立不相關時，合成標準不確定度可按照以下公式計算：

(2)

3.1 交直流電壓分壓器

3.2 交直流同軸分流器

3.3 單增益精密緩沖器

3.4 雙路電壓矢量分析系統

3.5 總體不確定度

上述四個部分的不確定度分量獨立不相關，則合成標準不確定度可按照式(3)計算：

(3)

計算可得本直流電能紋波影響試驗裝置校準方法的總體不確定度為：UC=52.5×10-6(k=2，ρ=95%)。

4 試驗結果

本校準系統將分壓器和分流器參數輸入到雙路電壓矢量分析系統后，通過被校試驗裝置輸出含紋波的直流電壓和電流，能夠在雙路電壓矢量分析系統的顯示界面上得到電流、電壓、相位和電能等信息。以此為據，可對被校試驗裝置進行校準。

根據GB/T 33708-2017《靜止式直流電能表》中直流紋波影響試驗要求，在直流輸出為1 000 V、100 A以及紋波輸出200 V、20 A狀態下，紋波頻率分別取100 Hz、300 Hz、500 Hz、700 Hz、1 000 Hz，功率因數分別取1、0.5 L和0.5 C，得到校準結果如表2所示。

表2 校準結果

5 結束語

本校準系統的整體不確定度優于0.01%，GB/T 33708-2017《靜止式直流電能表》所規定的電能表誤差限值為0.4%，故本校準系統可以應用于符合GB/T 33708-2017《靜止式直流電能表》要求的直流電能紋波影響試驗裝置。

通過大量標準器件與高精度標準表的應用，將直流電能紋波影響試驗裝置的電壓和電流輸出轉化為1 V左右的電壓信號，再進行矢量分析以標定試驗裝置的輸出參數。通過理論分析可知，本系統采用的方法，對于電壓、電流和功率計量的不確定性影響控制在0.01%以內，可以對于0.05及以下等級的直流電能試驗裝置進行校準。