直流電能表校驗技術分析

楊永建　楊思學

摘要：隨著電動汽車應用的普及和應用日益廣泛，直流電能表是目前一種十分普及的計量工具，目前我們研究的主要課題就是直流電能表的校驗技術，已經是目前研究的熱點。根據實際的研究和分析，提出了全新的直流電能變校驗技術，并通過實驗與傳統的直流電能表校驗技術進行了對比，以實驗數據證明了該方法的可行性以及比傳統方法的優越性。

關鍵詞：直流電表;校驗

直流電能表是針對直流屏、太陽能供電、電信基站、地鐵等應用場合而設計的，已廣泛用于太陽能電池板、直流電源等直流信號設備的電能值測試中，但其測量的電壓電流范圍往往較小，并很少作為貿易結算的依據。隨著國民經濟的發展，對交通工具的節能環保的要求日益迫切。以蓄電池為動力的電動汽車由于節能環保的特性，作為國家新能源戰略的重要組成部分，正在越來越廣泛的成為一種新型的交通工具。電動汽車充電站內的計量器具能否符合法定管理要求直接關系到貿易結算的公平公正以及我國電動汽車產業的發展。目前，對電動汽車充放電所用的計量檢測技術還不成熟，對電動汽車充電樁的計量，最常用的還是在整流前采用交流電能表進行計量，該方法的缺陷在于不可避免的帶入整流所造成的誤差，并會將整流時帶來的電能損耗算在用戶側，增加用戶用電費用。因此為了避免給用戶帶來不必要的損失，在直流側直接進行直流電能的計量是一種更為可取的方式。而非車載的直流充電機也只能采取這種方式。針對電動汽車充電過程中電壓電流范圍比較寬的特點，與普通的直流電能表計量相比，對工作于電動汽車充電站的直流電能表的計量提出了更高的要求。

1 接入式直流電能表校驗裝置原理簡述

直流電能表檢定裝置由程控電壓源和電流源、標準直流表、誤差顯示器和PC電腦等構成。檢定時通過PC電腦上的管理軟件發出命令給直流標準源，直流源接收到命令后輸出檢定點的直流電壓和電流，標準直流表和被檢表同時對直流電壓和電流進行連續采集，經過計算，兩者一起發出電能脈沖給誤差顯示器，誤差顯示器計算電能誤差后在顯示屏上顯示，同時把誤差值通過通信線發給PC電腦，PC上運行的管理軟件。

2 實現方法及原理

2.1 實驗系統搭建

在沒有專用直流電能表校驗裝置的情況下，目前最常用的還是瓦秒法。 本文就兩種方法進行了一個對比。瓦秒法即在加于被測電能表功率恒定不變的情況下，在給定的時間內計算被測電能表示值與算定電能度數相比較的誤差。在瓦秒法中，采用的直流電能表為四川啟明星蜀達電氣有限公司提供的 DJS99 型直流電能表， 其規格為： U n =700 V ， I b =200 A （經 75 mV 分流器輸入），準確度等級為 2 級。為直流電能表提供 75 mV 信號的是 FLUKE 公司生產的高精度多功能校準器 5720 ，為直流電能表提供電壓信號的是濰坊華光高科電子有限公司生產的DO30-E+ 型多功能校準儀。直流電能表通過外部交流電源 220 V 供電。 采用秒表計時，十分鐘后，手動控制秒表停止計時，每個負載點測十個數據計算平均值， 由被測表計數器示數變化與算定電能之間的差，再除以算定電能值，得到被測直流電能表的相對誤差。

2.2 實驗原理

本實驗系統的原理為：由高精度多功能校準器FLUKE5720 提供的毫伏信號計算出經過分流器之前接入電能表的電流值，再乘以 DO30-E+ 型多功能校準儀提供的電壓值，得到提供給電能表的功率值。采用虛負荷方式工作的電能表檢驗臺 PTC-8320M 設置為單相校驗模式，并將 A 相電流端用短接片短接起來，使其輸出對應的功率值。電能表校驗的核心原理就是將功率轉化為固定頻率的脈沖數的輸出，一定時間內累計的脈沖個數即代表了這段時間內累積的電能值，因此將電能值的比較轉化為脈沖數的比較。理論上，如果功率恒定不變， 則一定時間內累計的脈沖數也為一恒定值，即功率與脈沖常數的乘積應該為一恒定值。因此本次實驗采用在一定的時間內比較脈沖數的方法，即電能表脈沖常數與電能表所測直流功率的乘積和電能表校驗臺脈沖常數與電能表校驗臺功率乘積相比較的原理，利用電能表檢驗臺的誤差計算器，即在標準電能表與被測電能表都在連續工作的情況下，用被測電能表輸出的脈沖控制標準電能表計數來確定被測電能表的相對誤差。累積比較脈沖數的時間段取決于電能表校驗臺所設圈數，所設圈數越多，該時間越長，則測試精度越高。 電能表校驗臺雖然不能提供直流電能表實際所需的較大的功率值，但是其脈沖常數可以在很大的范圍內任意設置，因此該方法簡單而可行。

3 不確定度分析及實驗結果驗證

基于上述理論分析，在原理正確的前提下還需要進行不確定度分析，看是否測量結果的不確定度在允許的范圍以內以證明該方法的可行性。如果采用瓦秒法，其不確定度來源有測量重復性引入的標準不確定度、數據化整引入的不確定度、多功能校準儀引入的標準不確定度、高精度多功能校準器引入的標準不確定度、秒表測量準確度引入的標準不確定度和手動測量時間誤差引入的標準不確定度，在 700 V ， 200 A（對應 75 mV ） 負載點算得相對誤差的擴展不確定度 U 為0.16%。采用新方法的測量結果 +0.041% 符合被測表的準確度等級 2 級要求，而擴展不確定度小于瓦秒法的測量結果的擴展不確定度0.16% ，并且滿足小于被測電能表等級十分之一的要求，證明了該方法與瓦秒法相比較的優越性以及用于該型號的直流電能表校驗的可行性。

4 國內外研究水平綜述

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用，國家電網的各電網公司還沒有建立對直接接入式直流電能表進行檢定和校驗的軟件條件和硬件設備。國內目前也缺乏能對直接接入式直流電能表進行檢定的設備。對于國內來講，目前只有深圳科陸電子有一款產品，名稱為：便攜式直流電能表檢定裝置，型號為：CL6230。其功能較為簡單，是一個直流穩壓源和直流穩流源，其電壓范圍為30～700 V，電流可以輸出到30 A，電流輸出較小。從國際上看，美國福祿克（Fluke）公司的6100 A可以輸出直流電壓和直流電流，但是不能計量直流電能，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溯源。福祿克的5520 A可以測量0～1020 V的直流電壓，精度為50ppm，可以測量0～11 A的直流電流，并且可以校準功率，但是沒有電能累計功能，不能用于電能比較。國外在直接接入式高精度直流標準源輸出方面還沒有相應的產品和研究。

5 結束語

本文介紹了一種全新的直流電能表校驗方法，即用現有的傳統的三相電能表校驗裝置作為誤差比較器進行校驗，與傳統方法進行了比較，并對測量結果進行了不確定度分析。結果表明，所用實驗系統的設計符合計量檢定規程的要求，并用實驗數據證明了該方法的可行性，數據準確可靠。在當前專用的直流電能表校驗裝置技術尚不成熟，并且普遍價格昂貴的背景下，這種利用傳統裝置的校驗技術既大大節約了成本，又克服了瓦秒法中人為控制帶來的較大的不確定度，在直流電能表的法制計量以及研發階段的調試、試驗過程中都具有廣闊的應用前景。此方法可以推動電動汽車充電樁直流電能表計量工作在國內的發展，為我國的節能環保事業做出貢獻。

參考文獻：

[1]紀紅剛，周凌. 電動汽車充電樁直流計量裝置遠程校驗方法的研究[J]. 計量與測試技術，2017，44（06）：69-71.

[2]呂寬州，蔣威，王宜澤，王樹朝，肖海紅. 基于標準表法的多表位直流電能表校驗裝置誤差計算器設計[J]. 黑龍江科技信息，2016（20）：62-64.