直流電能表校驗(yàn)技術(shù)研究

陳銀萍

【摘 要】近年來(lái)直流電能表的應(yīng)用不斷加大，對(duì)于它準(zhǔn)確計(jì)量的需求也在日益提高。目前已經(jīng)有不少?gòu)S家研制了直接接入式直流電能表，國(guó)家電網(wǎng)公司也在2011年開始制定《直流電能表技術(shù)規(guī)范》《直流電能表校驗(yàn)裝置技術(shù)規(guī)范》，可以預(yù)計(jì)將來(lái)對(duì)于直流計(jì)量的需求將越來(lái)越多，相應(yīng)的對(duì)于計(jì)量裝置校驗(yàn)的需求也將越來(lái)越多。而國(guó)內(nèi)目前缺乏能對(duì)直接接入式直流電能表進(jìn)行檢定的設(shè)備。

【關(guān)鍵詞】直流電能表；校驗(yàn)裝置；直流電壓；智能化設(shè)備

1 引言

直流電能表是針對(duì)直流屏、太陽(yáng)能供電、電信基站、地鐵等應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的，已廣泛用于太陽(yáng)能電池板、直流電源等直流信號(hào)設(shè)備的電能值測(cè)試中，但其測(cè)量的電壓電流范圍往往較小，并很少作為貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)交通工具的節(jié)能環(huán)保的要求日益迫切。以蓄電池為動(dòng)力的電動(dòng)汽車由于節(jié)能環(huán)保的特性，作為國(guó)家新能源戰(zhàn)略的重要組成部分，正在越來(lái)越廣泛的成為一種新型的交通工具[1]。電動(dòng)汽車充電站內(nèi)的計(jì)量器具能否符合法定管理要求直接關(guān)系到貿(mào)易結(jié)算的公平公正以及我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，對(duì)電動(dòng)汽車充放電所用的計(jì)量檢測(cè)技術(shù)還不成熟，對(duì)電動(dòng)汽車充電樁的計(jì)量，最常用的還是在整流前采用交流電能表進(jìn)行計(jì)量，該方法的缺陷在于不可避免的帶入整流所造成的誤差，并會(huì)將整流時(shí)帶來(lái)的電能損耗算在用戶側(cè)，增加用戶用電費(fèi)用。因此為了避免給用戶帶來(lái)不必要的損失，在直流側(cè)直接進(jìn)行直流電能的計(jì)量是一種更為可取的方式。而非車載的直流充電機(jī)也只能采取這種方式[1]。針對(duì)電動(dòng)汽車充電過(guò)程中電壓電流范圍比較寬的特點(diǎn)，與普通的直流電能表計(jì)量相比，對(duì)工作于電動(dòng)汽車充電站的直流電能表的計(jì)量提出了更高的要求。

2 國(guó)內(nèi)外研究水平綜述

由于以前基本沒有直接接入式的大量程的直流電能表的應(yīng)用，國(guó)家電網(wǎng)的各電網(wǎng)公司還沒有建立對(duì)直接接入式直流電能表進(jìn)行檢定和校驗(yàn)的軟件條件和硬件設(shè)備。國(guó)內(nèi)目前也缺乏能對(duì)直接接入式直流電能表進(jìn)行檢定的設(shè)備。對(duì)于國(guó)內(nèi)來(lái)講，目前只有深圳科陸電子有一款產(chǎn)品，名稱為：便攜式直流電能表檢定裝置，型號(hào)為：CL6230。其功能較為簡(jiǎn)單，是一個(gè)直流穩(wěn)壓源和直流穩(wěn)流源，其電壓范圍為30～700V，電流可以輸出到30A，電流輸出較小。從國(guó)際上看，美國(guó)福祿克（Fluke）公司的6100A可以輸出直流電壓和直流電流，但是不能計(jì)量直流電能，不能用于直流電能表的檢定，其可以用于直流電壓或電流的單獨(dú)溯源。福祿克的5520A可以測(cè)量0～1020V的直流電壓，精度為50ppm，可以測(cè)量0～11A的直流電流，并且可以校準(zhǔn)功率，但是沒有電能累計(jì)功能，不能用于電能比較。國(guó)外在直接接入式高精度直流標(biāo)準(zhǔn)源輸出方面還沒有相應(yīng)的產(chǎn)品和研究。

3 直接接入式直流電能表校驗(yàn)裝置原理簡(jiǎn)述

（如圖1）直流電能表檢定裝置由程控電壓源和電流源、標(biāo)準(zhǔn)直流表、誤差顯示器和PC電腦等構(gòu)成。檢定時(shí)通過(guò)PC電腦上的管理軟件發(fā)出命令給直流標(biāo)準(zhǔn)源，直流源接收到命令后輸出檢定點(diǎn)的直流電壓和電流，標(biāo)準(zhǔn)直流表和被檢表同時(shí)對(duì)直流電壓和電流進(jìn)行連續(xù)采集，經(jīng)過(guò)計(jì)算，兩者一起發(fā)出電能脈沖給誤差顯示器，誤差顯示器計(jì)算電能誤差后在顯示屏上顯示，同時(shí)把誤差值通過(guò)通信線發(fā)給PC電腦，PC上運(yùn)行的管理軟件。

4 研究難點(diǎn)分析

直接接入式直流電能表校驗(yàn)裝置的研究難點(diǎn)在于：直流標(biāo)準(zhǔn)表和直流源大電流傳感器、大功率恒流源、直流電能的溯源這3個(gè)方面的設(shè)計(jì)。

4.1 直流標(biāo)準(zhǔn)表和直流源大電流傳感器

根據(jù)電功率P=I2R可知，發(fā)熱量增加倍數(shù)是電流量增加倍數(shù)的10倍。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，最大電流一般設(shè)定為500A，如果使用電阻分流器，那么，500A以上的溫度系數(shù)通常為2×10-5.如果電阻式分流器的溫度系數(shù)為2×10-5，則要求它自身的溫度不能超過(guò)5℃。但是，這樣的條件只能在自然環(huán)境溫度為20℃時(shí)實(shí)現(xiàn)。如此高精度的電阻式傳感器的設(shè)計(jì)方法有3種：①通過(guò)增大傳感器的體積來(lái)降低自身發(fā)熱量。這樣一來(lái)，裝置的質(zhì)量和體積有所增加，不方便攜帶和操作。②通過(guò)提升直流表或直流源模擬前端的信噪比來(lái)降低電阻阻值，但是，這樣會(huì)增加直流表的設(shè)計(jì)難度。③設(shè)計(jì)一個(gè)恒溫盒使其溫度處于恒定狀態(tài)，但是，要想實(shí)現(xiàn)溫度的快速檢測(cè)和補(bǔ)償卻是非常困難的。

4.2 大功率恒流源

大功率恒流源的設(shè)計(jì)方式有2種，即開關(guān)功放方式和線性功放方式。開關(guān)功放方式的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于精度和波紋控制，而大功率和大電流的輸出比較容易解決。與開關(guān)功放方式相比，線性功放方式具有較高的穩(wěn)定性，精確度也高，卻難以輸出較大的功率和電流。要想輸出大功率和大電流，可以通過(guò)功率管并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，功率管并聯(lián)的設(shè)計(jì)難度比較大，線性功放方式本身就具有功率低的缺點(diǎn)，所以，要想解決這一問題是非常困難的。

4.3 直流電能的溯源

對(duì)于理想的直流電能表直流電能，只要能夠追溯到U和I的來(lái)源，就能夠追溯到直流電能的來(lái)源。從理論上講，將U和I的溯源精度提高1倍就可以實(shí)現(xiàn)直流電能溯源。但是，在實(shí)際操作過(guò)程中，這二者是極難控制的，電流、電壓采樣電路延時(shí)一般都存在差異，。解決的方法主要有兩種。（1）電壓和電流的輸出紋波足夠小，小于準(zhǔn)確度等級(jí)。比如電壓輸出100V，其紋波小于0.02V，這樣電壓和電流信號(hào)可以近視為理想的直流信號(hào)，直流電能可以通過(guò)電壓和電流的有效值來(lái)溯源。當(dāng)然這會(huì)提高直流信號(hào)源的功放的設(shè)計(jì)難度，要求直流源紋波要足夠小。（2）同步采樣。直流標(biāo)準(zhǔn)的電壓和電流采用嚴(yán)格同步采樣，這要求電壓回路的延時(shí)，電流回路的延時(shí)，模擬前端的延時(shí)，以及AD的采樣時(shí)刻要嚴(yán)格一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，直流電能表的市場(chǎng)在不斷擴(kuò)大，因其電流計(jì)量的準(zhǔn)確度比較高，所以，在電能表裝置這個(gè)大舞臺(tái)上，未來(lái)它也將占據(jù)重要的地位。在安裝直流電能表時(shí)，需要校驗(yàn)裝置，這是安裝電能表裝置必不可少的步驟。在此過(guò)程中，必須要想辦法解決設(shè)計(jì)中存在的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)偉，耿睿，李燕.100A交、直流電流表校驗(yàn)儀的研制[J].中國(guó)計(jì)量，2016（3）：75-77.

[2]吳敏婕，王一麗，朱劍平.直流微弱電流表/源自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電測(cè)與儀表，2016，53（S1）：138-141.

[3]范維平.XF30A*數(shù)字多用表校準(zhǔn)儀電壓、電流測(cè)量不確定度的分析與評(píng)定[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2017（7）.

（作者單位：廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司揭陽(yáng)供電局）