基于温度补偿的电能表全温度范围计量精度优化方法
2020-01-13冯译德
冯译德
徐州三新供电服务有限公司贾汪分公司（江苏 徐州 221000）
0 引言
当前，城市电网快速发展，智能化程度不断加深，智能电能表的作用也更加凸显。为实现对温度的精准调节，研究并优化电能表全温度范围计量精度十分有必要[1-2]。
1 基于温度补偿的电能表计量精度优化流程
（1）基于Ansys进行电能表整机热仿真建模，得到对其计量精度产生重要影响的关键部件。
（2）利用Simulink构建计量模块的仿真模型，并快速计算其计量精度。同时，在仿真模型中，植入计量芯片和电阻实测温度分布情况。
（3）在计量精度的变化下，计算温度，分析在采样中电能表电阻和计量芯片产生的自适应温度补偿系数，设置计量系统[3]。
（4）有效验证系统的精度补偿方式。
2 电能表温度场仿真分析
构建热仿真的过程中，需要根据电能表之前的结构，使用Altium Designer（AD）软件，绘制好PCB板，在其中添加元器件3D封装模型，最后形成完善的电能表3D模型构建流程。文章主要针对某单相智能电能表展开研究，这种电能表十分常用，其3D模型参考如图1所示。
图1 电能表整机3D模型
为获得需要的仿真模型，在设置的电能表3D热仿真模型中，应做好网格划分；在仿真求解之后，得出电能表温度场分布；在初步仿真之后，测量几个关键位置，并在得到的测量结果的基础上，不断修正流程，优化元器件的参数。
3 全温度范围下电能表计量精度评价
在实际的电能表使用中，随着温度的变化，其计量精度也会产生很大的变化[4-5]。文章针对150 kΩ电阻和680 Ω电阻，以及计量芯片进行了温度特性的测量。针对计量芯片基准电压，得出其在全温度范围下的特性曲线，如图2所示。
图2 计量芯片参考电压（Vref）温度曲线
由于仪表通常是大批量生产，因此其计量精度很容易出现问题，且容易在计量回路元器件的变动下产生变化。在评价计量精度时，需要基于电能表的制造，对实际物料进行实测。如在150 kΩ和680 Ω电阻的设置上，需要增加波动范围的设置，控制在±1%；对于锰铜阻值，需要保证其在±6%；针对计量芯片，设定其基准电压波动范围为±0.13%[6]。
4 电能表计量精度的温度补偿
假定输入电压U，在分压电路实现采样流程，同时得到电压采样信号UT，其表达式如下：
式中：T为温度；R1～R6均为150 kΩ电阻；R7为680 Ω电阻。通过实测可知，由于两者之间的温度系数不同，因此当温度发生变化时其电压也会发生相应的改变。
在得到电压采样信号UT之后，和电流采样信号I一起，输入计量芯片，通过A/D进行转换，然后将二者相乘，在t时间之后，形成计量电能值WT。该过程的表达式如下：
由公式（2）知，使用A/D转换能够得到电压信号，其和参考电压Vref呈反比。这主要是因为锰铜温度系数低，在所有温度条件环境下，其得到的电流采样信号I不会改变。由此得出，电表在常温下WT中的计量电能和在T'温度下的WT'中的计量电能存在以下关系：
式中：Vref=1.25 V。由实际测量可知，在实际工作中，芯片参考电压和其当前所处的温度TV呈现以下关系：
采样电压与各处电阻的温度及温度系数之间的关系表达式如下：
式中：TR150、TR680分别为电阻为150 kΩ和680 kΩ时所处的温度；C为变电阻模型中形成的温度系数。
由上文的热仿真模型可知，分析不同温度下的电能表的温度，并在相关映射模型下，针对计量芯片的温度进行计算，分析整个工作过程中的电流情况，经过最后的计算，确定电能表各部分的实际温度有一集任意时刻时的温度电压UT'。由此可以得出，温度为T'时电能表的理论测量值与实际测量值之比如下：
式（6）所示为温度下的补偿系数，通过在计量芯片中嵌入该模型，便能够实现在全温度环境下对电能表计量功率的校正。
5 电能表计量精度温度补偿方法验证
应用该计算模型生产电能表，并开展产品的性能测试，实践证明，效果显著[7-9]。在补偿优化前和优化后，其精度参数参考如图3、表1所示。
图3 优化前后各温度下计量误差（精度）对比图
表1 优化前后计量精度变化
从图3、表1可以看出，使用温度补偿系统之后，电能表的计量精度产生了显著变化，平均优化了4.20倍，其计量误差是之前的1/4.20，说明效果显著。另外，从整体上看，在补偿优化之后，计量精度也十分稳定，变化逐渐减小。
6 结论
文章论述了基于温度补偿的电能表全温度范围计量精度优化方法，主要结论如下：
（1）构建了智能电能表的热仿真模型，能够仿真并计算各个温度范围内的温度场，从而得出各个关键位置存在的问题；
（2）基于温度变化的情况，能够计算出电能表计量精度；
（3）构建了温度补偿模型，并且得出在全温度范围内，对电能表计量精度使用的是自适应补偿。通过实践可知，利用电能表开展补偿优化后，电能表的计量精度明显提升。
