直流电能表检定装置的研究

张 红，马 俊，邱全峰，林 昱，3，孙宁赫，3，单红红，3，冯 路

（1．国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南250002；2．长沙天恒测控技术有限公司，湖南 长沙410100；3．山东中实易通集团有限公司，山东 济南250002）

0 引 言

随着直流电能表在电动汽车、太阳能供电等新型能源领域的应用，高电压、大电流直流电能表的应用更加广泛，这对直流电能表检定装置提出了新的要求。电能表检定装置，可对电能表执行校验工作，是电能表生产和使用人员完成相关工作时必备的设备之一，也是保证电能贸易结算公平公正的依据。

本文设计研制一套具有高电压、大电流直流电能计量功能的检定装置，既可覆盖各等级电能表的检定，又可用于直流电能计量的研究工作，本装置的准确度等级确定为0．05级［1］，电压输出最大1 100 V，电流输出最大600 A。本装置既可检定高准确度的直流电测仪表，也能检定直接接入式或者分流器接入式的直流电能表，功能齐全、性能稳定，为新型直流电能表提供检定器具，填补国内直接接入式电能表检定的空白，也为电能计量提供了检测和量值传递依据。

1 检定装置的原理

本检定装置由数据采集、数据处理、电源、模拟输出、误差计算等模块构成［2］，基本原理如图1。

1.1 检定原理

用户通过显示界面设定需要的电量，微处理器计算后输出相应的数字量，数字量经过DA转换器转换成对应的电量输出，通过电压取样或者宽频直流比较仪取样将输出的电压或者电流反馈回来，采用AD采集取样电路的模拟量，并将其转换为数字量，送入微处理器处理后与之前设定的数字量进行比较，调节输出信号使系统达到平衡，从而使输出达到预期设置的电量。

直流小电压主要用于模拟电流经过分流器转换成的小电压，其输出端可为分流器接入式电能表的电压输入端。

电能误差的测量是通过接收被检电能表的电能脉冲输入，与本检定装置输出的标准电能脉冲比较，计算出电能误差，通过显示界面显示给用户。

检定装置配有RS232接口，可与计算机通讯，通过计算机软件实现电能误差自动检定和检定数据保存、检定报告打印等功能。

1.2 电源模块

检定装置的电源包括程控电压源、程控电流源［3］。开关电源提供的电压，经功放由变压器升压，得到相应量程的电压输出。其中，最大输出电压1 100 V，最大输出功率25 VA。电流源亦为开关电源，最大输出电流500 A。本装置采用的开关电源都具有程控调节输出电压的功能，可由CPU调节开关电源的输出使负反馈达到平衡。

1.3 数据采集单元

数据采集单元由电压采样和电流采样组成。电压取样采用电阻分压网络取样，要求使用的分压电阻精度高，年稳定度好，温漂小；电流取样采用宽频直流比较仪取样。取样后通过24位AD转换器转换成数字量输入FPGA，再进入微处理器，进行数字信号处理和运算。

1.4 数据处理单元

数据处理单元由微处理器（CPU）和现场可编程门阵列（FPGA）组成，微处理器采用专为要求高性能、低功耗的嵌入式应用设计的32位ARM处理器，最高工作频率为180 MHz。微处理器内部包括256 Kbytes SRAM、2 Mbytes Flash、4个USART接 口 、6个SPI接口、2个CAN口、3个I2C接口等，能满足大量数据处理的需求。

图1 装置原理图

1.5 误差计算模块

误差计算模块用来检验电能的基本误差。基本误差检验采用高频脉冲数预置法［4］，检验时由检定装置和被检表在同一负荷下同时工作。检定装置采用虚负荷法［5］，即由检定装置输出测试电压、测试电流给被检表，让被检表转动，通过DDS对基准频率分频，将功率化作标准高频脉冲数m，并输出；同时装置接收被检表输入的N个低频脉冲，被检表低频脉冲和标准高频脉冲都传输至误差计算模块，将m作为实测脉冲数，与计算的脉冲数m0比较，进而计算出被测电能表的相对误差，用γ（%）表示［6］。

式中：CH0为标准表高频脉冲常数，imp／kWh；CL为被测表低频脉冲常数，imp／kWh；U、I为标准源输出电压、电流满量程值。

2 技术难点及解决方案

本系统中难点在于直流源大电流的精度，要保证设计目标（仪器等级0．05级，则电压电流的精度必须保证在0．02级），大电流测量部分的精度不应超过0．01%。目前大电流测量主要采用四端电阻法、霍尔法、磁光效应测量法和直流比较仪法［7］。四端电阻法测量电流时由于电阻自热会导致精度降低，要降热必须增加装置的重量和体积，而且该方法在测量中消耗的功率较大。霍尔法测量电流时受外界温度影响较大，所以精度难以提高。磁光效应测量法操作简单且能够防止被电磁干扰，但是其测量的精度也较低。

基于此本系统采用直流比较仪测量大电流，比较仪采用双铁芯结构［8，9］，即：铁芯A为高导磁率软磁，B为低导磁率铁氧体。这样的双铁芯结构使铁芯中感应的奇次谐波分量能够相互抵消，偶次谐波则会相互加强，就能提取有利于反应信号大小的偶次谐波分量。方波振荡器连接激励绕组，激励绕组单独绕制在铁芯A上，检测绕组Ws和平衡绕组W2绕制在双铁芯上，待测绕组W1穿过双铁芯，比较仪结构见图2。

图2 比较仪结构图

当待测绕组W1上流过直流大电流I1时，检测绕组Ws检测磁通，并转换为电压；次级绕组W2上的随动电流I2大小随功放控制，通过不断调整，达到磁平衡［10］。根据比较仪磁平衡原理有：

次级电流与待测电流成比例，如取W1＝1匝，W2＝1 000匝时，I1＝1000＊I2，I2通过标准电阻进行电流采样，测量电阻两端电压可得次级电流I2，由公式（5）得出待测电流I1。即当次级绕组匝数较大时，就实现了大电流变换成小电流测量的目的。

3 检定装置的应用

本检定装置设计600 A电流负载能力并可长期工作，其输出直流电压范围1 mV～1 100 V，适用于检定直接接入式电能表。内置独立的小信号电压源和电流源，DCV：10μV～4．4 V，DCI：0．2 mA～22 mA，适用于检定分流器接入式的电能表。

检定装置检定直接接入式电能表的接线图如图3所示。

本检定装置配有标准电能脉冲输入／输出接口和光电头输入接口，可实现直流电能表常数的校验。

4 结 论

本文提出的直流电能表检定系统，准确度等级达到0．05级，能对准确度等级为0．2级以下的所有直流电压表、直流电流表、直流功率表、直流电能表或电动汽车充电桩直流电能表进行检定和校准。该产品的应用为直流电能量值传递体系的建立提供依据。