电能表标准装置量值传递方法的探究

王智，杨静，苏玉萍

（国网湖南省电力公司计量中心，湖南长沙410002)

电能表标准装置量值传递方法的探究

王智，杨静，苏玉萍

（国网湖南省电力公司计量中心，湖南长沙410002)

本文阐述了电能表标准装置量值传递自动化的实现方式，量值传递过程中脉冲输出故障、脉冲频率造成的误差不稳定、脉冲常数无法确定、误差不准确等问题，介绍了电能表标准装置不确定度评定方法，以及当前电能表量传技术发展趋势，用以指导电能表标准装置量值传递的实际工作。

电能表标准装置；自动化；脉冲；不确定度

电能表作为电力公司与用户进行经济结算的计量器具，属于国务院颁布的强制检定目录中的工作计量器具，强制检定必须按照国家计量检定系统表进行，并执行计量检定规程。电能表标准装置属于“金字塔”型的检定系统表中的第二层，即计量标准器具，也需执行强制检定。管理好电能表标准装置的量值传递工作，目的在于确保其下一级量传对象电能表量值的准确可靠，从而保障电力公司与广大客户电力交易的公平公正，科学准确。

1 电能表标准装置量值传递自动化

电能表标准装置包含标准电能表即主标准器(以下简称标准表)的量值传递和电能表检定装置(以下简称装置)的量值传递两部分内容。标准电能表一般是由用户单位拆卸后送至法定计量检定机构进行溯源，执行JJG1085—2013《标准电能表检定规程》。装置由于拆卸和搬运困难，一般是由法定计量检定机构派检定员到现场完成溯源，执行JJG597—2005《交流电能表检定装置检定规程》。

1.1 标准表量值传递自动化的方法

随着电子技术的发展和应用需求的多样化，宽量程标准表基本代替了单一量程的标准表。多量程标准电能表的量程和接线切换方式，多种多样，有自动切换电压电流量程的表计，有程控切换量程，还有人工改接线切换量程等方式〔1〕。标准表的脉冲常数随着表计型号和电流、电压量程的不同而大不相同。标准表多样化的发展对自动检定软件提出了新的要求，但是由于标准表的误差完全由脉冲这一单一性因素决定，也使得软件设计在通讯和控制方面比较简单，不需要对被检的标准表进行控制，主要解决系统操作的简便和检定项目的完整性这两方面。自动检定软件系统的主程序流程如图1所示。

图1 标准电能表自动检定主程序流程

自动检定软件系统应能实现以下功能:

1)由于宽量程标准表需要检定的负载点很多，系统能保存已设计完成的检定方案，并能将已有的方案进行修改另存，这样可以避免在每次检定时花费大量时间设计检定点。

2)系统能按照检定方案设计的检定顺序连续、自动完成各负载点的检定，并能根据需要在任意点设置暂停，以实现在检定过程中人工切换量程、更换接线等操作。

3)系统在执行检定过程中，能修改脉冲常数而不需暂停检定。

4)与系统链接的检定证书和原始记录模板以word文档的形式保存，方便用户根据需要随时修改格式和内容。

5)系统能完成被检标准表参数及手动检定结果的录入，自动完成启动和停止、基本误差、标准偏差估计值、8 h连续工作基本误差改变量等项目的测试。

1.2 装置量值传递自动化的方法

装置的检定过程需要调节被检装置输出符合要求的不同的电量，这就要求装置的自动检定软件系统能控制被检装置按要求输出，但是目前装置的通讯协议并没有统一，不同的型号、出产年代、厂家的装置的通讯协议不同，控制方式不同，这使得装置的全自动检定难以实现，装置的自动检定基本都以半自动的方式实现。

装置的自动检定系统要能够实现监视仪表、相互影响、对称度、重复性、功率稳定度、基本误差、多路输出一致性等JJG597—2005《交流电能表检定装置检定规程》规定的检定项目的检定。装置的自动检定系统虽不能完全实现全自动，但能将装置繁多的检定项目、检定方法、合格限等参数统一在一个系统中，能够自动读取数据，计算判别误差，数据定位填写(即将读到的数据定位填写到相应量程处，避免填错)、生成报告等，优化了检定流程和检定效率，提高了检定的准确性。

2 量值传递过程常见问题及解决方案

2.1 脉冲的问题

1)脉冲频率的影响。对电能表标准装置进行量值传递的装置和标准表对输入脉冲频率有要求，每种类型的装置和标准表都有一个输入脉冲频率的上限值M。当输入脉冲频率大于M时会出现检定误差不稳定现象，其原因是输入电路有丢失脉冲现象发生造成的。由于电能表脉冲输出频率较高会导致误差计算模块工作速度跟不上，致使算出的误差不稳定〔1〕，可以通过改变被检表输出的脉冲频率来解决这个问题。例如美国雷电公司生产的RD系列的标准表脉冲常数为108P/kWh，根据脉冲常数，可以计算出220 V，10 A时脉冲输出频率为183.33 kHz，一般小于M，检定误差正常；220 V，100 A时脉冲输出频率为1 833.3 kHz，一般远大于M，检定误差超差或不正常。所以在对RD系列的标准表和配套装置的大电流负载进行量传时，可以使用分频器，RD电能表输出脉冲经过一个脉冲分频器进行10分频后再接入标准装置，设置参数输入电表常数时，输入参数应等于原电表常数值除以分频系数值；也可以通过对RD电能表的脉冲常数进行设置，修改脉冲常数变为107P/kWh，从而减小脉冲输出频率。

2)脉冲无法输出的情况。在对电能表标准装置进行检定的过程中，经常会碰到脉冲无法输出的情况。脉冲输出分为有源和无源两种情况，如果是无源脉冲输出，应有5 V的直流工作电源，但是由于被检电能表使用年限较久，5 V的直流工作电源会有损坏，这时可以在将一个5 V直流电源接入被检电能表脉冲输出回路上，具体接线如图2所示。电源的正极通过1个2～5 kΩ限流电阻，接到脉冲输出的正极，负极直接与脉冲负极(地)相连，再将正、负极接到标准仪器脉冲的输入端〔2〕。

图2 脉冲无法输出时解决方案接线

5 V直流电源可以用一个独立的外界电源，也可以从被检电能表脉冲输入口的5 V直流电源取得:对于无源脉冲的被检电能表，脉冲的输入输出都为无源方式，配套的脉冲线至少包括3条:脉冲正极，脉冲负极，电源正极，如图2所示，在被检电能表的脉冲输入端的＋5 V电源上，接上一个限流电阻，并连接在脉冲输出线的正端；同时将脉冲输入端的地连接在脉冲输出线的地端，然后，再将其连接到检定装置的脉冲输入端即可〔3〕。同理，也可以从检定装置的脉冲输入口取得，这种情况就比较简单了，即将被检表的脉冲线及电源线与检定装置的脉冲线及电源线对应连接即可。

现场检定时，有被检装置脉冲输出故障或输出状态不满足标准设备的参数要求的情况，这时候用反校法，可以很好地解决问题。将标准测试仪器的低频脉冲反送到被检装置的脉冲接收端口，然后将被检装置的高频脉冲与标准测试仪器的低频脉冲相比较，计算出相对误差并通过被检装置的误差显示部分显示出来〔2〕。

脉冲无法正常输出，除了以上情况以外，还可能由于脉冲输出的插座与插头接触不良或插座的接线与插头的接线不匹配，或者脉冲输出线连接铜片的氧化，从而使脉冲输出地线与输出插口的外皮接触不良，导致了脉冲无法输出。只要找到了症状，问题都将迎刃而解。

3)脉冲常数推算方法。在对电能表标准装置进行检定的过程中必须要知道被检装置的脉冲常数，否则无法正确计算误差，但是并不是每台设备的常数在检定现场都易于得到，掌握一些简单有效的常数推算方法，对检定员来说是必备技能。

误差计算公式:在检定电能表标准装置时，主要使用标准表法，即用更高精度的标准电能表与被检表比较，输入被检表的脉冲常数CX，设定n个脉冲出一个误差，由误差计数器自动计算出相对误差r(%)〔4〕。在不知道被检装置的脉冲常数时，先估计一个脉冲常数C1，此时计数器计算出的相对误差rl，根据以上两个参数，由公式(1)计算可得到被检表的脉冲常数CX。

频率测量法:将被检电能表通以相对恒定的功率P，用频率计测得电能表脉冲输出频率f，用公式(2)计算出被检表的脉冲常数CX。

2.2 误差超差

在检定电能表标准装置时，有时会出现三相四线制误差正常，而三相三线时误差超差的现象。这时需要核对标准表与被检表的功率，如果功率一致，就说明是脉冲输出有问题，可以更换脉冲输出口，或者脉冲输出方式。如果功率相差比较远，就说明是接线方式有问题，其原因是标准表的内部没有真正地将电压B相切换到地上，形成三相三线的V形接法，这时人为地将检定装置电压输出的B端接入被检表的电压输入N端，将B相电流线拆除，误差就能恢复正常。

由于运输震动、磕碰等使得被检表内部插件松动，芯片接触不良也会造成误差超差的现象，此时，打开仪器表盖，将所有插件插牢，固定，就能解决该类问题。

装置的散热不好，例如功放和升流器安装在一起，即一个单元中既有功放又有升流器，空间很小，热量散不出去，也会影响到误差，如果出现类似的情况，应该对装置进行改装，使装置能够正常散热，不会影响到误差。

在对检定装置进行首检时，装置的磁场会高于规程规定的限值，有两种方法可以减小装置的磁场；使用加厚的铁磁材料制作磁场屏蔽外壳，加强对内部元器件产生的磁场的隔离；优化布线，是电流的流入和流出的两个不同方向的电流线均匀布置，使得磁场相互抵消，从而减小磁场。

3 电能表标准装置值传递过程不确定度的评定

为了促进在不同国家和地区，以及在不同实验室进行的测量可以相互比较，国际计量委员会使用测量不确定度来表示测量结果的质量，测量不确定度的评定与表示在中国应用也越来越多，电能关系到经济贸易，测量质量的好坏直接关系到金钱利益，电能表标准装置的测量不确定评定在量值传递过程中是一个重要的技术环节。下面简单介绍三相电能表检定装置基本误差测量的不确定度评定过程。

3.1 数学模型

式中 E0为检验标准表的已定系统误差；M0为假定装置没有误差时，检验标准表的计算脉冲数；M为实测脉冲数。

由于脉冲的采集和比较过程自动完成，所以式(3)可改写为:

式中 ε0为检验标准表的已定系统误差，由上级计量检定部门给定；εx为被检表的测定误差值。

3.2 标准不确定度来源及评定过程

3.2.1 测量重复性引入的标准不确定度u(εx)

在选定的工况，重复性条件下对检定装置进行连续6－10次的测量，用贝塞尔公式计算出标准偏差估计值S，即u(εx):

式中 n为对每个负载点进行重复测量的次数；εi为第i次测量得出的相对误差(%)；ε－为各次测量得出的相对误差的平均值(%)。

3.2.2 三相标准电能表允许误差引入的标准不确定度uB1

设三相标准电能表等级为0.02级，经上级计量部门检定合格，符合其技术指标要求。则最大允许误差为±0.02%，在区间内服从均匀分布，包含因子，则期间半宽aB1＝0.02%，则标准不确定度为:uB1＝aB1/k＝0.02%/＝0.011 6%

3.2.3 被检装置同名端电位差引入的标准不确定度uB2

根据规程的要求，无接入电压互感器装置，装置标准表与三相标准电能表的两队电压同名但间电位差之和与输出电压的比例不应超过装置最大允许误差的1/6(设装置等级为0.05级)，所以引入的附加误差不会大于0.05%×1/6＝0.008 3%，在区间内服从均匀分布，包含因子k＝3，则期间半宽B2＝0.008 3%/2＝0.004 2%。

则标准不确定度为:uB2＝aB2/k＝0.004 2%/＝0.002 4%。

3.2.4 被检装置电流回路产生的交变磁场标准不确定度uB3

根据规程的要求，装置任一相(或两相)电流回路产生的交变磁场，引起其他相电能测量误差的变化，不应超过装置最大允许误差的1/6(设装置等级为0.05级)，所以引入的附加误差不会大于0.05%×1/6＝0.008 3%，在区间内服从均匀分布，包含因子，则期间半宽aB3＝0.008 3%/2＝0.004 2%，则标准不确定度为:uB3＝aB3/k＝0.004 2%/＝0.002 4%

3.2.5 相对误差数据修约引入的标准不确定度uB3

由于证书中给出的测量结果是化整后的测量结果，因此，数据修约将产生不确定度，0.05级装置的化整间距为0.005%，在区间内服从均匀分布，包含因子k＝3，则期间半宽aB4＝0.005%/2＝0.002 5%，则标准不确定度为:

3.3 合成标准不确定度

合成标准不确定度uc按下式计算

3.4 扩展不确定度

按惯例，取包含因子k＝2，扩展不确定度按式(7)计算

4 电能表标准装置量值传递的发展方向

随着电动汽车充换电、分布式电源接入、多表合一采集等新型业务快速扩展，电能表的量传技术也突破了传统的领域，从传统的、单一的、低效率的检定检测方式向智能新型、集中高效的检定技术发展。电能表标准装置量值传递技术，从模拟量向数字量、低压向高压、单一化向集中化、自动化向机器人智能化拓展，直流计量所占比重也日益提升。

智能变电站的普及使得数字式计量方式成为一种趋势，数字式电能表量值溯源体系目前虽未完全建立起来，但也势在必行。

直流电能表分为直接介入式电能表和间接接入式电能表，检定直接接入式电能表需要对300 A乃至更高的电流负载进行测量，间接接入式电能表需要对小电压，一般为75 mV的1%的负载也就是0.75 mV或更小的电压进行测量。而对直流电能表标准装置进行溯源的标准体系，要求对大电流和小电压输出和测量具有更宽的范围和更高的技术指标，未来直流电能量值传递发展的方向，一是精密直流大电流输出和测量技术，二是微小精密直流电压输出与测量技术。

电能表国际建议IR46的出台，将给电能量传体系带来一场革命，现在使用的电能表以及各等级电能表标准装置都将更换或者升级，以适用IR46标准的要求，电能表标准装置的量传也需增加IR46宽频、谐波、小电流等方面的技术和项目。

近年，国家电网公司各个省级计量中心建立起来的 “四线一库”，以流水线的方式对电能表的检定实现完全智能化。而对流水线的量传还停留在单台操作的低效率状态，无法满足 “四线一库”生产任务和生产效率的要求，对传统电能表标准装置的量传也将朝着流水线全智能化的方向发展。

5 结论

电能表标准装置的量传工作，虽然参数很单一，主要以脉冲方式测量电能，但过程需要有着丰富的经验积累来解决各种难题，并且随着社会的发展，电能计量技术推陈出新，需要用新的思维和知识来迎接新技术的挑战。

〔1〕张丽伟，申秀香，贾立平.0.01级标准电能表检定装置的组成与应用 〔J〕.河北电力技术，2012，31(3):18-20.

〔2〕刘润民，刘华.标准电能表脉冲输出常见问题解析 〔J〕.河北电力技术，2007，26(4):28-29.

〔3〕刘润民，刘亚涛，张秦.标准电能表误差的应急测试方法〔J〕.计量技术，2010(11):53-55.

〔4〕郑万红.标准电能表脉冲常数巧知道 〔J〕.计量与测试技术，2006，33(3):30.

Research for Value Dissemination of Verification Equipments for Electrical Energy Meters

WANG Zhi，YANG Jing，SU Yuping
(State Grid Hunan Electric Power Company Metrology Center，Changsha 410002，China)

The article expounds the value dissemination automation implementation of verification equipment for electrical energy meters，the problems such as output fault of pulse，instability error caused by the pulse frequency，uncertainty of pulse constant and maccuracy of error encountered in the process of dissemination；the assessment method for the uncertainty of verification equipment for electrical energy meters；and the development trend of dissemination of this technology.It has a very good role in guiding the actual work of dissemination of the watt-hour meter standard device.

verification equipment for electrical energy meters；automation；pulse；uncertainty

TM933

B

1008-0198(2017)04-0045-04

王智(1985)，女，湖南宁乡人，工程师，研究生，主要从事电能计量及管理工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.04.013

2017-06-12