基于量子电压的数字化电能量值传递应用技术研究

2022-02-18段梅梅赵双双徐晴王磊贾正森黄洪涛潘仙林

电测与仪表 2022年2期

段梅梅，赵双双，徐晴，王磊，贾正森，黄洪涛，潘仙林

(1．国网江苏省电力有限公司营销服务中心，南京 210019；2．国家电网有限公司电能计量重点实验室，南京 210019； 3．中国计量科学研究院，北京 100029)

0 引言

2019年5月20日国际单位制的七个基本单位开始以物理常数重新定义，拉开了计量单位常数化、量子化的进程，基于量子技术研制新一代电能标准装置，实现电能单位量子化，是构建量子化变革环境下的现代测量体系的重要内容。

智能变电站中，数字化电能表接收以太网传输的IEC 61850协议的数据帧，数据帧中包含电压、电流模拟量的采样值，数字化电能表的电能计算模块计算采样值所代表的功率及电能量值。数字化电能表不需模拟量采样环节直接进行积分运算，因此，与传统电子式电能表相比，数字化电能表不含采样误差，计量准确度等级远高于电子式电能表[1]。

国家计量法规定，用于贸易结算的法定计量器具，必须经强制检定溯源至最高等级的电能标准装置。传统电能标准装置输出为模拟量，数字化电能表输入为数字量，因此传统电能标准装置无法对数字化电能进行直接量值传递。近年来，已有多个团队开展对数字化电能表进行量值传递设备的研究工作，但是均需要借助AD采样设备，将模拟量转化为数字量，传输给被测数字化电能表[2]。上述方法引入了AD采样设备的误差来源，量值传递过程的不确定度分量多，影响了数字化电能表准确度高的优势的发挥。

文中基于约瑟夫森效应激发的量子电压，研究交流量子电压驱动技术，研究基于量子电压的交流功率测量技术，建立新一代基于量子电压的电能标准装置，实现数字化电能直接量值传递。

1 交流量子电压驱动及其功率测量

1.1 约瑟夫森效应

当由超导材料-普通金属导体-超导材料构成的SNS型约瑟夫森结在4 K低温条件下受到微波辐射时，可以产生直流量子电压阶跃，直流量子电压的大小取决于微波辐射的频率，每个约瑟夫森结产生的量子电压阶跃幅值大小固定，由式(1)中可以看出，当微波频率为18 GHz时，直流量子电压阶跃约为37.2 μV[3-8]。

(1)

式中VJ为量子电压；e为电子电荷；h为普朗克常数；n为约瑟夫森结的个数；f0是辐射微波的频率；h/2e≈2.07 μV/GHz。

偏置电流不同，量子电压会产生正、负、零三个不同的偏置状态如图1所示。

1.2 交流量子电压驱动

将多个约瑟夫森结串连成结阵，通过驱动交流量子电压发生系统，控制结阵中不同结的正、负、零偏置状态，可以实现交流量子电压的动态合成。由于单个约瑟夫森结产生的直流量子电压阶跃很小，为提高电能标准装置中交流信号的测量不确定度水平，交流量子电压驱动系统需产生有效值为1 V的交流量子电压。文中采用的SNS型可编程约瑟夫森结阵由61 204个SNS结组成，6万多个结分成14段结阵，不同段结阵结的个数可组成三进制序列。文中采用平衡三进制驱动算法[9]，将待生成的目标交流量子电压信号离散化，通过驱动算法，快速有效地求解每个交流量子电压台阶值对应的14段结阵偏置状态矩阵，实现交流量子电压台阶波信号实时计算和动态输出如图2所示。

图2 交流量子电压台阶波Fig.2 AC quantum voltage step wave

1.3 基于量子电压的功率测量

交流量子电压具有10-8准确度量级，将交流量子电压作为高准确度标尺，对交流信号进行采样校准，差分采样方法被广泛应用。差分采样法利用采样系统对交流源产生的正弦电压和交流量子电压的差值进行采样，通过对差值信号的采样测量结果和已知的量子电压波形，能够重构被测的正弦信号的幅值和相位[10-19]。

V(n)=VJ(n)+VΔ(n)

(2)

式中V(n)为被测交流信号采样值；VJ(n)为交流量子电压台阶波采样值；VΔ(n)为可测差分信号。

由于一个约瑟夫森结阵芯片只能输出一路交流量子电压，在功率测量过程中，需要同时对电压、电流两路信号的幅值和相位进行测量，并且还需保证其可溯源性。为满足这一要求，文章提出分段式驱动方案，如图3所示，将某一段时间内的量子电压信号分段，前一段用来测量电压信号(或电流信号)，后一段用来测量电流信号(或电压信号)，这就要求模拟功率源具有高稳定性，确保测量时段内电压、电流信号的稳定性，。通过交流量子电压对功率源发出的电压、电流信号同时差分采样重构，实现基于量子电压的功率测量。

图3中Vv表示待测电压信号，电流信号需经过分流器转换为可以采用差分方法进行测量的电压信号Vi，Vj为约瑟夫森结阵输出台阶波信号。

图3 分段式驱动原理图Fig.3 Sectional drive schematic diagram

分段式驱动方案将电压信号和电流信号分段进行测量。驱动结阵输出量子电压台阶波时，也需要分段计算，将计算好的电压分段波形和电流分段波形组合成一个台阶波信号。组合后的台阶波信号如图4所示。

图4 分段式驱动量子电压台阶波信号Fig.4 Quantum voltage step wave signal of segmental driven

2 数字化电能计量特性

在新一代智能变电站中，数字化电能表的输入信号为模拟信号采样之后的数字量，新一代智能变电站中的就地数字化模块对模拟电压、电流信号进行每周波80点或每周波256点的采样，合并单元将采样值进行协议打包后发送给数字化电能表，如图5所示。

图5 数字化电能计量原理Fig.5 Schematic diagram of digital electrical power metering

数字化电能表通过对采样值进行点积和来计算电能，有功功率计算公式如下：

(3)

传统电子式电能表标准装置输出为模拟量，需要借助AD采样器对数字化电能进行量传，该量传方法引入了AD采样器的不确定度，不确定度分量大，无法实现数字化电能的直接量传，不利于数字化电能表准确度高优势的发挥。

3 基于量子电压的电能标准装置

基于量子电压，建立新型电能标准装置，装置中的模拟功率源输出被测电能表所需的模拟电压和电流信号，经过比例变换器转换成1 V电压信号，经换向差分采样测量及信号重构后得到标准的功率电能量值，实现量子电压对交流电压、功率的高准确度量值标定，如图6所示。

图6 基于量子电压的电能标准装置Fig.6 Electrical power standard equipment based on quantum voltage

4 基于量子电压的数字化电能量值传递技术

4.1 基于量子电压的数字化电能检测原理分析

基于量子电压的电能标准装置一方面将量子电压校准后的采样信号进行协议转换生成数据帧，对被测数字化电能表进行量值传递；同时，还可在模拟源输出端直接接被测模拟电能表，直接对模拟电能表进行量值传递，实现了数字量与模拟量的双溯同源量值传递。

如图7所示，传统电子式电能标准装置进行交流功率测量时，是通过热电变换的实物标准溯源至直流量，标准装置的输出为模拟量，无法对输入信号为数字量的数字化电能表进行直接量值传递；如果测数字化电能表，需要把热电变换器、AD转换器误差纳入考虑，不确定度分量增多，测量不确定度会变大。

图7 传统电能标准装置与基于量子电压的电能标准装置量传方法比较Fig.7 Comparison of standard value transmission between traditional and novel electrical power standard based on quantum voltage

基于量子电压建立的电能标准装置，传递给被检数字化电能计量装置的数字量是经交流量子电压采样校准后的标准量值，不需借助热电变换器，不需借助AD转换器，减少了量值传递路径中的误差引入环节，量传链路扁平化，测量不确定度小，量值传递更短更快。

4.2 检测试验及不确定度分析

数字功率检测比对试验过程中，首先采用计算机生成一个信号理论值，经过IEC 61850-9-2协议发送到数字化电能表，对数字化电能表进行标定，再利用新一代电能标准装置测得的结果发送到该数字化电能表，与理论信号测量结果进行比较。

采用计算机生成的标准电压信号1 000 V和电流信号1 000 A，通过IEC 61850 9-2 协议发送给数字电能表，得到结果如表1所示。可以看出，数字电能表接收到的电压电流信号幅值和计算的功率大小与计算机发出理论值大小相等。

表1 数字化电能表示值与信号理论值比对结果Tab.1 Comparison results between digital electricity meter representation value and signal theoretical value

为确保数字化电能的溯源性，数字化电能表接收的IEC 61850数字信号需与模拟量建立联系。在基于量子电压的电能标准装置中，模拟功率选用某公司的RS933，输出电压为100 V、电流为5 A的模拟信号，经比例变换、差分采样、信号重构环节后，得到经量子电压校准后的模拟信号的标准值。同时，将得到的电压采样信号经过10倍电压变比转换成1 000 V电压信号，电流采样信号经过200倍电流变比生成1 000 A数字电流信号，将瞬时采样值通过IEC 61850 9-2 协议发送给数字电能表，得到结果如下表所示。由于模拟功率源、比例变换环节的固有误差，以及感性负载和容性负载时的误差不平衡，功率因数为0.5C时，电能标准装置的电压误差稍微大于感性负载时的电压误差。从表中得出，数字电能表的电压、电流及功率的误差均小于4×10-6，新一代电能标准装置数字化电能测量结果合理。