交流电压远程校准技术应用

王清，王剑，赵宁，李延创，淡杨超

（1.云南电力试验研究院（集团）有限公司，云南 昆明 650217；2.上海交通大学云南（大理）研究院，云南 大理 671006；3.河北大学，河北 保定 071000）

0 前言

远程校准就是利用信息网络和通信网络，如Internet、光纤网和全球定位系统（GPS）来进行远距离校准操作，它是多学科的综合交叉，涉及仪器制造、计量检测、计算机软硬件技术、信息技术等[1]。目前，国际上已有若干个校准实验室在开展与远程校准有关的研究，比如美国国家标准和技术研究院（NIST）开展电量多功能校准仪的远程校准技术研究；日本产业技术综合研究所（AIST）开展约瑟夫森电压、光学频率、压力、长度、温度等远程校准技术研究；英国国家物理实验室（NPL）开展电压电阻测量系统研究[2]。国内关于远程校准的研究应用项目主要以时间频率为主，中国计量科学研究院通过提出了时间频率连续对比的方法成功的开发出了时间频率远程校准系统，通过国家授时中心保持的UTC 和GPS 共视时间实时传递的方法，完成了时间频率的远程校准及其高精度溯源过程[2]。天津大学的郭景涛和金志刚进行了基于互联网的通用远程校准平台的研究，通过提出一种基于互联网的通用远程校准平台，给出此类平台的设计原则[3]。校准现场计算机通过网络通信与校准实验室主机通信，远程实验室指导校准现场完成校准操作，实现远程校准过程。该系统核心部分为互联网通信模块，通过该模块能够将远程校准通过计算机进行实时通信，进而传输指令、数据和音/视频并指导操作。国内各高校、科研机构在远程校准方面均取得了一定成效，但国内除时间频率的远程校准应用比较普及外，其它项目的远程校准应用有待推广。本文从交流电压量值传递与溯源理论出发，结合物联网通信技术，提出切实可行的数字多用表交流电压参数远程校准方案，旨在现有远程校准理论基础上，各计量技术机构间实施交流电压远程校准。

1 交流电压量值传递与溯源

交流电压基准装置是国家交流电压量值传递中的基准计量器具，它担负着各计量机构建立的交流电压标准计量器具的量值传递程序。交流电压计量器具检定系统框图如图1所示[4]。

图1 交流电压计量器具检定系统

标准不确定度应小于被检不确定度的1/3，以保证量值传递的可靠性。传统的量值传递与溯源参照国家计量器具检定系统框图进行检定、校准，大都需要以离线方式进行，检定或校准时把工作用计量器具定期拆下来，送到相应计量技术机构，在规定的实验环境下进行静态或稳态测试，其缺点是耗时较长，且离线方式把计量器具定期拆下来还会耽误工作造成利益损失。此外，这种方式只能得到计量仪器的基本误差，而现场应用中的附加误差则不可获知[2]。远程校准的实现，解决传统量值传递与溯源中存在的诸多问题，让计量校准更加准确、高效、便捷。

2 远程校准系统

2.1 实现远程校准的基本条件

实现交流电压远程校准应具备以下基本条件：

1）校准现场的计量标准、被检仪表具有被计算机控制的功能；

2）校准现场的计算机与远程控制计算机之间可以进行信息传递；

3）校准现场满足相关检定规程、校准规范对环境温度、湿度及供电电压等的要求。

2.2 交流电压远程校准原理

目前，远程量值传递与溯源的实现方法主要有3 种途径：一是采用传递标准表/源的方式进行现场校准；二是将标准表/源放置于现场；三是计量标准器在实验室通过互联网对现场仪表进行远程校准。本文采用第一种途径，采用传递标准表/源的方式实现交流电压远程校准。

交流电压远程校准就是在传统校准的基础上，通过物联网技术、信息技术和视频监控技术实现实验室远程操控校准现场计量标准及被检仪表进行校准的目的，实验室计算机通过与校准现场计算机进行网络通讯就可以实时接收校准数据，同时利用视频监控技术可以实时确保校准现场的操作规范。实验室计算机根据接收到的数据进行分析，评定校准结果并给出校准证书，从而实现远程校准的目的。交流电压远程校准系统硬件结构组成如图2所示。

图2 系统硬件结构示意图

应用物联网计量仪器传感器网络技术，实现三相交直流标准源、被检表无线通信模块与校准现场计算机信息交互，计量标准、被检表与计算机间不再使用GPIB 接口卡连接，实现实验室wifi 局域网内的“远程控制”。

3 远程校准通信技术及数据加密

采用虚拟专用网络（VPN）的功能，在公用网络上建立专用网络。虚拟专用网络网关通过对传输数据包的加密和数据包目标IP 地址的转换实现远程访问技术，实现在多台客户端PC间进行远程加密通讯，如图3所示。

图3 虚拟专用网络

3.1 工作原理

1）通常情况下，虚拟专用网络网关采取内网与外网的双网络结构，外网使用公网IP 接入互联网。

2）公网的终端A 访问内网的终端B，其发出的访问数据包的目标地址为终端B 的内部IP地址。

3）公网的虚拟专用网络网关在接收到终端A 发出的访问数据包时对其目标地址进行检查，如果目标地址属于内网的地址，则将该数据包进行封装，封装的方式根据所采用的虚拟专用网络技术不同而不同，同时虚拟专用网络网关会构造一个新虚拟专用网络数据包，并将封装后的原数据包作为虚拟专用网络数据包的负载，虚拟专用网络数据包的目标地址为内网的虚拟专用网络网关的外部地址。

4）公网的虚拟专用网络网关将虚拟专用网络数据包发送到Internet，由于虚拟专用网络数据包的目标地址是内网的虚拟专用网络网关的外部地址，所以该数据包将被Internet 中的路由正确地发送到内网的虚拟专用网络网关。

5）内网的虚拟专用网络网关对接收到的数据包进行检查，如果发现该数据包是从公网的虚拟专用网络网关发出的，即可判定该数据包为虚拟专用网络数据包，并对该数据包进行解包处理。解包的过程主要是先将虚拟专用网络数据包的包头剥离，再将数据包反向处理还原成原始的数据包。

6）内网的虚拟专用网络网关将还原后的原始数据包发送至目标终端B，由于原始数据包的目标地址是终端B 的IP，所以该数据包能够被正确地发送到终端B。在终端B 看来，它收到的数据包就和从终端A 直接发过来的一样。

7）从终端B 返回终端A 的数据包处理过程和上述过程一样，这样两个网络内的终端就可以相互通讯。

3.2 实际应用搭建

软件：虚拟专用网络云服务一套、虚拟专用网络设备管理软件一套、校准软件一套。

硬件：待检表一台、标准源一台、云服务器一台。实际架构如图4所示。

图4 实际架构图

图4中，A 计算机为设备管理计算机，B 为远程计算机，A、B 两台计算机通过VPN 服务组建虚拟专用网络。A 计算机链接并管理待检表与标准源，B 计算机安装校准软件。实验室计量人员用B 计算机实现交流电压远程校准。

3.3 数据加密

1）对需要加密的数据，VPN 设备将其整个数据包（包括要传输的数据、源IP 地址和目的IP 地址）进行加密并附上数据签名，加上新的数据报头（包括目的地VPN 设备需要的安全信息和一些初始化参数）重新封装。

2）将封装后的数据包通过隧道在公共网络上传输。

3）数据包到达目的VPN 设备后，将其解封，核对数字签名无误后，对数据包解密。

数据加密赋予计量仪器物联网数据可追溯、不可篡改等特性，为数据信息传输的安全、保密性提供保障。

4 交流数字电压表远程校准及数据分析

4.1 校准条件、依据及标准选择

1）校准条件

温度：(20±2)℃，相对湿度：(35%～75%)，交流供电电压：220 V±22 V。

2）校准依据

JJF1587-2016《数字多用表校准规范》。

3）计量标准选择

依照JJG 2086《交流电压计量器具》，选择0.01 级标准源校准六位半交流数字电压表，标准源最大允许误差小于被检最大允许误差的1/3。

4.2 交流数字电压表校准

将标准源与被检表按图5连接，根据校准点设定标准源的输出值，记录被校数字表的示值。设标准源的输出标准值为ZN，被校数字表的示值为Zx，被校数字表的示值误差按公式（1）计算：

图5 标准电压源法接线图

式中：D为示值误差；Zx为被校数字表的示值；ZN为标准源的输出标准值。

被校数字表的相对示值误差按公式（2）计算：

式中：γ为相对示值误差。

4.3 校准点选择

校准点应覆盖所有量程并兼顾各量程之间的覆盖性及量程内的均匀性，同时应参考被检表使用说明书中对校准点的建议，并可根据实际情况或送检单位的要求选取校准点。交流电压校准点选取原则如下[5]：

1）频率点的选取可参照被检表使用说明书中交流电压的技术指标，选取3 ～6个频率点（一般应包含1 kHz)，并兼顾低频率点和高频率点。建议在10 Hz、60 Hz（50 Hz）、400 Hz、1 kHz、20 kHz、50 kHz、100 kHz、300 kHz、500 kHz、1 MHz 中优先选取。

2）在1 kHz 频率点，每个电压量程选取2 ～3个电压校准点；在其他频率点，可只选取量程值（接近量程值）点。

3）应根据数字表的电压频率积（V·Hz）选取校准点。

4）对于四位半及以下的数字表，可只选取各量程的量程值（接近量程值）点，并参照使用说明书中技术指标选取1 ～2个频率点。

4.4 远程校准数据

选取60 Hz、1 kHz 交流电压1 V、10 V、100 V、1000 V 点作为校准点，校准现场按照实验室计量人员要求接好测试线，实验室计量人员通过视频监控系统确认接线正确、校准现场环境条件满足要求后，由实验室计算机远程控制校准现场标准源校准六位半交流数字电压表，校准数据如表1所示。

表1 远程校准数据

4.5 实验室校准数据

将被校交流数字电压表送至实验室，由计量人员进行校准，校准数据如表2所示。

表2 实验室校准数据

4.6 数据比对分析

参照实验室间计量比对方法，对远程校准数据进行分析，判定交流电压远程校准数据的准确、可靠性。判定方法如下：

式中：y为远程校准系统测量值；y0为实验室测量值；U为远程校准系统测量结果不确定度；U0为实验室测量结果不确定度。当∣En∣≤1 为满意。

交流电压远程校准系统各测量点计量比对数据如表3所示。

表3 各测量点计量比对数据

综上，交流电压远程校准系统各测量点∣En∣值≤1，说明交流电压远程校准系统测量值准确、可靠。

5 结束语

远程校准技术的推广应用，让计量技术机构送检标准器更加灵活方便，不用再拆卸计量标准器长距离运送至上级计量机构，可以节省大量人力、物力。同时，远程校准可实现“扁平化”计量，减少传统方式逐级量值传递带来的误差。此外，国家计量技术机构实验室参与远程校准，可在短时间内快速提高参加实验室的校准能力，减小测量不确定度。

远程校准与传统的计量检定、校准相比，有以下优点：

1）被校计量器具无需运输到上级计量机构即可开展校准工作，减少了校准所需时间和成本。

2）远程校准可实现实验室计量标准在正常工作环境下被校准，实现扁平化计量，与传统的计量检定、校准相比减少逐级量值传递带来的误差及各实验室间环境差异带来的附加误差，让校准数据更加准确。

3）远程校准避免了计量标准因送检过程造成的磨损，同时提高了校准的便捷性。

4）上级计量机构的先进经验和技能及时得到推广和交流，通过远程校准技术的推广，可在短期内迅速提升基层单位实验室计量检定、校准能力，减小测量结果不确定度；总的来说，远程校准是对传统计量的技术革新，解决传统量值传递与溯源中存在的诸多问题，让计量校准更加准确、高效、便捷。

此外，参考时间频率远程校准的GPS 共视法原理和方法，设计高精度的交流电压频率转换模块，将电压信号转换为频率脉冲信号，通过GPS 通信卫星实现交流电压远程校准。这一校准方法可实现计量标准器在实验室通过互联网对被校表进行远程校准，将极大地提高计量校准效率。