一种高精度交直流指示仪表标准装置的研制

王卫永

(焦作大学，河南 焦作 454003)

0.引言

电能是一种特殊的“商品”，在我国经济体系中占有重要地位。电能交易中主要使用各类电能表作为计量器具，其计量的准确度关系到每一个用电部门和个人的切身经济利益，也能影响到众多企业的经济效益和全社会的能源利用率，因此电能计量仪表的发展水平直接决定了电能交易结算的公平程度。随着电能计量标准的迅速提高，生产企业、电力部门、计量部门对三相、单相高精度电能标准技术平台的需求越来越迫切。为了能够进行更精准的计量，更好地服务于市场需求，建立一套高精度的电能计量标准已是一项刻不容缓的任务。

图1 系统框图

1.标准装置系统模型

本着降低装置及其操作系统对操作者专业能力要求的设计思想，本系统被严格分成两个独立工作的测试单元:三相测试单元和单相测试单元，同时，还简化了系统硬件电路设计、切换回路设计，降低了生产成本，使得整个装置操作简便，电气、结构设计简单大方。

在具体使用中，装置的工作模式分为两种情况:测试仪表工作模式和测试装置工作模式。每种工作模式又分为交流工作状态和直流工作状态。

2.系统组成

该交直流标准装置共分为三个组成单元:计算机控制系统、三相交流测试单元、单相测试单元。各个部分都可以独立运行，可根据不同的测量需求，选择适当的测试单元或单元组合。其中计算机控制系统是整个装置运行的主控制中心，是其他单元工作的共用操作系统。

(1)计算机(PC机)控制系统

在这个单元里，主要有系统多串口主控制PC机、监视仪表及显示器、辅助打印设备等，是整个系统的主控制中心，可独立运行。

(2)三相交流测试单元是该交直流指示仪表检定装置的重要组成部分，可独立运行。主要功能是配合PC机完成对三相交流仪表和装置的测试。三相交流测试单元分为高精度三相交流功率电源、三相工作模式切换箱、供电管理箱、工作标准电能表和接线面板五个组成部分。

(3)单相测试单元是0.01级交直流指示仪表标准装置的另一个重要组成单元。单相测试单元包含交流测试和直流测试两个部分，配合计算机完成对单相交/直流指示仪表和装置的测试。单相测试单元的复杂性比三相要高，单相测试单元分为单相交/直流电压源、直流电压电流源、主控制箱、单相工作模式切换箱、供电管理箱、标准电能表和接线面板七个组成部分。

3.系统工作模式设计

系统工作模式设计原理方框图如图2，从图中可以看出，该交直流指示仪表标准系统包括三相测试单元和单相测试单元两个重要组成部分。

三相测试单元存在有测试装置工作模式和测试仪表工作模式两种模式，这两种工作模式的切换就是通过三相工作模式切换模块来实现的。

在单相测试单元内部包含有单相交流测试单元和单相直流测试单元两个组成部分，而在单相直流测试单元中又进一步分为直流电压测试和直流电流测试。

图2 系统工作模式设计方框图

4.配套电气模块的设计

标准交流电压测试电源采用模块化设计，其原理框图如图3，其中分为波形发生与控制模块、波形前置放大模块、功率放大模块、输出反馈控制模块。各模块组装成两个机箱:即波形发生控制、波形前置放大与电压输出箱。

图3 电源实现原理方框图

5.装置工作模式切换箱的设计

(1)三相工作模式切换箱的设计

三相工作模式切换模块采用独立CPU控制，通过外部切换按钮进行控制。根据要求，功率电源的输出在电源关机时或开机初始化过程中是不接入标准表的，当电源初始化完毕，计算机控制程序启动后，由人工将电源输出信号按工作模式接入。

(2)单相工作模式切换箱的设计

单相测试单元也存在测试仪表和测试装置两种工作模式，该模块能够实现输入端子和输出端子的切换，切换模块主要完成测试单元的工作模式切换。主控制模块通过RS232串口，传递装置需要完成的工作信息到切换模块，切换模块根据测量需要进行校验模式的切换。

如图4为单相切换模块工作原理框图:

图4 单相测试单元工作原理框图

①电压回路切换原理

电压切换回路包含两种工作模式下的6种切换功能。

仪表模式下3种切换分别为:标准电源交流电压的输出(15～1000V)、标准电源直流大电压的输出(≥15V)、直流小电压输出(≤10V)。

装置模式下3中切换分别为:被校装置交流大电压输入(15～1000V)、被校装置直流大电压输入(≥15V)、被校装置小电压输入(≤10V)。

电压回路切换模块中各个继电器的触点开机时处于初始化的工作状态，计算机通过主控制中心把各种切换信息传递给切换模块，然后由切换模块的CPU控制继电器的切换。

②电流回路切换原理

电流切换回路同样也包含两种工作模式，每种工作模式下又分为两个切换功能。具体设计如下:

仪表模式下两个切换分别为:标准电源直流大电流输出(0.1A≤DI≤30A)、标准电源直流小电流输出(≤100mA)。

装置模式下两个切换分别为:被校装置直流大电流输入(0.1A≤DI≤30A)、被校装置直流小电流输入(≤100mA)。

电流回路切换模块各个继电器开机时处于初始化的工作状态，计算机通过主控制中心把切换信息和电流量程匹配信息传递给切换模块，然后由切换模块的CPU控制继电器的切换。

6.特别研究的问题——装置的工艺布线

(1)问题的发现与分析

在进行系统综合调试过程中，发现交流电源功率稳定度达不到设计要求，且 C相电流稳定度达到0.01%以上。分析问题后发现，是由于内部布线工艺不合理以及C相电流回路切换继电器触点压降过大造成的。由于地线的连接不合理，造成地线回路产生压降和噪声，结果导致电压和电流整体稳定性不好，从而影响到功率稳定度;此外，继电器触点间压降过大造成电流输出回路内部空载功耗过大，使得电流输出不稳定。

(2)改进措施

对电气回路地线的处理。由于不同的电气回路都是独立的，如果多个电气回路的地线相互交叉，就会形成若干个相互干扰的电气回路，这将会影响电源的工作可靠性，也会影响到电源的各项指标。本装置的电气回路的地线处理按照以下规则进行特殊处理:如果需要相互交叉时，各自回路的地线应参考其源头、输出到哪里;对于单个电气回路，接地要就近处理，避免引长线，避免与电源线交叉、捆绑在一起;电压回路的地线与电流回路的地线是单点连接。

对台体机壳接地的处理。台体设置有明显的接地端子，这个接地端子连接到大地上;各电气模块与台体机壳均可靠接地;装置及各模块的供电电源的地线要与台体接地端子可靠连接;电源供电变压器的屏蔽接大地。

对交流电源导线的处理。原则上交流电源要单独隔离，屏蔽措施要做好，但实际情况是不可能完全做到的。在设计装置电气结构及台体配线工艺时，尽量做到走线短、单独捆扎，避免与信号线、地线、其他输出线捆在一起;交流强电和弱电电源线分开走线，两者都要避免与信号线、反馈线交叉、捆绑在一起。

对直流电源导线的处理。采取屏蔽隔离措施，避免其他高频电路对其的影响。

输出变压器、变流器的初级线要求麻花状缠绕。

把台体电流输出线按三个电元件分开，三个元件的电流线各自麻花状缠绕，电流输出线各相之间避免交叉，各自回路麻花状缠绕，进入标准表的电流线与电压线分开捆扎。

(3)改进效果

经过上述改进，降低了电流回路的内部功耗，电流稳定度由最大时的0.01%提高到0.003%以内，并且提高了整个装置的电磁兼容性和工艺合理性。

7.结束语

数字式指示仪表和指示仪表校验装置以体积小、重量轻、操作方便、结果直观、读数方便等诸多优点得到了快速推广，并将拥有更广阔的市场前景。在数字式仪表推广普及的同时，对数字式仪表的检定工作也变得更加重要，为了方便工作的开展，提高工作效率，自动化校验装置就应运而生。该交直流指示仪表标准装置就是在这样的背景和市场需求中诞生的。

[1]彭时雄.三相电能计量标准的比对与溯源[J].电测与仪表，1998，(12).

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[3]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社，1980.

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