直流電能表檢定裝置校準結果的不確定度評定分析

崔瑛妤 謝長君 姜海洋

摘 要：通過間接溯源的方式對直流電能檢定裝置進行校準，使用高精度數字多用表同時校準裝置電壓、電流、脈沖頻率量值，利用功率定義和高頻脈沖頻率與功率的關系計算裝置誤差，并考慮高精度多用表誤差、分辨力、被校裝置輸出量的不穩定度進行校準結果的不確定度評定。結果表明此校準方法具有較高的可信度。

關鍵詞：直流電能;標準裝置;間接溯源;準確度;不確定度評定

引言

目前直流電能表的運用范圍遠沒有交流電能表廣泛。目前直流電能表的溯源體系不夠完整，特別是高準確度的直流標準電能表存在溯源難等問題，其主要原因在于沒有相應的檢定規程、校準規范，同時高精度的國家基準也沒有建立。隨著電動汽車充電站的發展，使用直流電能表對充電電能進行計量并結算已成為趨勢。國家電網公司相繼發布多個企業標準規范充電站直流計量工作，直流電能計量裝置的溯源越來越重要。現有的直流電能標準裝置分為兩種類型，一種是獨立式標準表，僅能計量直流功率，輸出電能脈沖;另一種是表源一體化檢定裝置，該裝置內嵌標準電能表，能輸出穩定的直流電壓、電流，可直接對低準確度等級的直流電能表進行量值傳遞。文中針對第二種裝置的溯源展開論述，第一種裝置的溯源思路與之類似。

1 工作原理

直流電能表檢定裝置的測量方法參考JJG1085-2013《標準電能表》及JJG842-2017《電子式直流電能表》檢定規程相關內容進行試驗。試驗參比條件：溫度20℃、相對濕度為58%，用直流電能表檢定裝置校準0.01級直流標準電能表，通過直流電能表檢定裝置與被檢直流標準電能表同時測得的電能值進行比較，計算被檢直流標準電能表的相對誤差。

2 直流電能表校準裝置的構成

為了解決高準確度標準直流電能表的校準問題，本文基于電壓、電流采樣的方法來設計直流電能表校準裝置。該裝置主要由直流電壓源和直流電流源構成直流功率源、直流比較儀、標準電阻、3458A數字多用表（兩臺）、53230A頻率計數器、33250A函數發生器和測量控制系統組成。裝置構成如圖2所示。裝置的工作原理為：功率源的直流電壓輸出測量直流電壓信號給被檢直流電能表和數字多用表3458A;直流電流輸出測量直流電流信號給被檢直流電能表和直流電流比較儀，直流電流比較儀次級輸出直流電流，經過標準電阻后轉換后由數字多用表3458A進行測量;頻率計數器53230A接收被檢標準直流電能表的電能輸出;函數發生器33250A輸出同步信號至數字多用表和頻率計數器，產生同步采樣時鐘信號;通過IEEE488（GPIB）接口將數字多用表、函數發生器、頻率計數器與計算機相連。在一定的測量時間間隔內，利用兩臺數字多用表3458A的積分型ADC同時采樣測量變換后的電壓信號，并由測量軟件計算得到平均標準功率值，同頻率計計算得到的被檢標準直流電能表的平均功率值進行比較，得到直流電能表的基本誤差。

3 校準結果

按照上述方法對直流電能檢定裝置開展校準，以100V，20A量程，脈中輸出5V量程為例，校準數據如表1所示。從單個項目來看，被校裝置的電流、電壓、脈沖頻率均達到了0.01%的準確度水平，按照式（3）計算得到的電能功率計量誤差如表2所示。校準結果表明電能功率計量的準確度優于0.05%，且不同負載點下的計量誤差均較穩定。對于校準結果的不確定度，按照式（5）再轉變為相對不確定度來計算。功率計量校準結果的最大合成相對不確定度為：

取擴展系數為k=2，置信概率95%，校準結果的擴展不確定度為：U=2×uc=0.02%。

4 裝置應用前景和社會效益

直流電能表校準裝置建立后可以滿足華東地區直流電能表量值傳遞需要，可以提供直流電能表量值溯源服務，為直流電能貿易結算提供技術保障。該裝置建立后可以支持太陽能、新能源汽車、風力發電、軌道交通、儲能電池等新能源產業的發展。保障能源交易的公平公正，為實現清潔能源建設提供技術支持。同時為直流電能表生產企業、上海電力公司以及華東地區直流電能表生產和使用單位提供技術幫助。

結語

在直流電能國家基準尚未建立，直流電能計量溯源體系尚不完備的情況下，通過分部式溯源方法，將直流電能表檢定裝置的電壓輸出、電流輸出、脈沖頻率量值經高精度多用表進行分部校準，再通過功率定義來計算裝置的相對誤差。不確定度的評定考慮了標準裝置的誤差、分辨力、被校裝置輸出的不穩定度。校準結果表明，直流電能表檢定裝置各環節輸出量值的相對誤差達到了0.01%，功率計量相對誤差優于0.05%，可以對0.2級及以下準確度等級的直流電能表展開溯源。另外，校準結果的擴展不確定度也較低，這說明校準過程規范、正確，結果具有較高的可信度。文中使用的方法對其他等級直流電能標準的溯源也具有借鑒作用，該方法在直流電能計量溯源體系的建設中也能起到輔助和驗證。

參考文獻：

[1]徐子立，李前，胡浩亮，等.電動汽車充電樁直流電能表檢定裝置的研制〔J〕.電測與儀表，2011，48（12）：65-69.

[2]劉錚，張維戈，李景新.基于LabVIEW的直流電能表檢驗裝置設計〔J〕.電子設計工程，2010，18（10）：57-60.

[3]熊浩，曹敏，畢至周，等.基于直流比較儀的直流電能表檢定裝置研制〔J〕.云南電力技術，2013，41（6）：61-63.

[4]徐子立，李前，胡浩亮，等.電動汽車充電樁直流電能表檢定裝置的研制[J].電測與儀表，2011（12）：65-69.

[5]朱莉，王禹淇，張軼鵬.時分割脈沖調寬技術在電動汽車充電設施儀表校驗中的應用[J].自動化技術與應用，2014（03）：66-68.

（本溪市計量測試所，遼寧 本溪? 117000）