直流标准电能表校准装置研究

严向坤

广州宇阳电力科技有限公司，广东广州，510075

0 引言

随着国家“双碳”目标的提出，以及电力网络、电力相关企业双碳目标的制定与实施，新能源发电得到了更大力度的推广与发展[1-3]，包括太阳能、电动汽车、轨道交通等直流应用，都需要用到直流电能表作为计量设备[4-6]。

针对目前直流电能表越来越大的需求，对于直流电能表的准确度与溯源必须要有相关的校准装置。2013年山西省电力公司计量中心李静开展了直接接入式直流电能表检定装置的研究，针对装置中的直流标准电能表、直流大电流传感器和大功率直流电流源进行了深入研究[7]。2013年12月，云南电网公司电力研究院熊浩团队研究了基于直流比较器的直流电能表检定装置，考虑到电动汽车非车载直流充电器的直流电能量表工作在0～300A的大电流环境中，验证装置的电压和电流有多个测量范围，适用范围广泛[8]。2017年9月29日，国家质量监督局发布了JJG842-2017《电子直流电能表检定规程》。湖南省计量检测研究院何献华团队根据检定规程，对电子式直流电能表检定装置测量结果的不确定度进行了评估和分析研究[9]。

综上所述，直流电能测量技术在工业生产和科研实验中发挥着日益广泛的作用[10]，直流电能表在实际中得到了广泛应用。为了实现直流电能表的准确度和量值溯源，许多电测仪表生产厂家研制出各种型号的直流标准电能表，但目前对直流标准电能表的校准检定尚没有明确统一的标准和校准装置，因此迫切需要研究直流标准电能表校准方法和校准装置，以保证直流电能计量准确性的要求，确保能源交易的公平公正。

目前商用的直流电能表准确度多在0.2～1.0级，其计量装置即直流标准电能表准确度为0.05级，要对直流标准电能表进行准确度校准，校准装置的准确度需优于0.01级。结合实际要求，本文对直流标准电能表校准装置的工作原理以及相关装置的设计进行了介绍，并对所研制直流标准电能表校准装置的误差进行了分析。

1 直流标准电能表校准方法

电能表主要有两种校准方法：一种为标准电能表法；另一种为瓦秒法[11]。

1.1 标准电能表法

标准电能表法也叫标准表法、同步比较法。检定时，用比被测仪器精度等级高的标准能量计同时测量同一物体，用它们之间的差值来确定被测仪器的误差。被检表的相对误差r（%）可表示为：

其中n0为标准表的读数；n为被检表的读数。

采用标准电能表法校准时，校准误差主要有标准电能表本身的误差、人为误差和校准装置的误差。标准电能表本身的误差通常由自热特性产生，标准电能表接通电源后，也要消耗电能，引起各部件发热，使误差在一定时间内发生相应的变化。为了保证标准电能表的准确度，检定时工作电流不应低于额定电流的50%，其功率因素不应低于0.5。同时可通过增加校准次数，取其平均值来减小人为误差带来的影响。校准装置的误差主要由校准装置内的标准电能表、辅助设备、环境条件、操作水平及其他随机因素等共同作用下产生。

1.2 瓦秒法

设定的恒定功率是用标准功率计测量的。同时，用一个标准的计时器来测量仪表在恒定功率下转数的时间。这个时期的乘积与恒定功率下获得的实际功率和电表测量的功率进行比较，即电表的相对误差。当使用瓦秒法校准电能表时，系统误差主要是由于安装误差、人为误差和外部条件变化引起的额外误差。为保证电能表校准误差的准确性，所选设备必须符合规定的要求。所选标准电表、标准时间表和标准变压器的相对误差应严格控制在允许的误差范围内。

标准电能表法使用标准瓦特表的读数来确定被测瓦特表的数值，与更直观、更快捷的瓦秒法相比，其特点是设备更简单、操作更方便、测量时间更短、校准工作流程更短。测量精度主要取决于标准电能表的精度水平。在校准过程中，标准电能表与被测电能表处于相同的状态，受到的外部影响也基本相同，可以有效地减少由于外部因素造成的额外误差。因此，对电源稳定性和环境检查的要求相对宽松。由于这个原因，在校准设备的设计中选择了标准电能表法。

2 直流标准电能表校准方案

本文设计的直流标准电能表校准装置由直流源、标准直流表、误差显示器和PC电脑等构成，如图1所示。校准时通过PC电脑发出指令给直流源，直流源接收到指令后输出校准点的直流电压和电流，标准直流表和被检表（直流标准电能表）同时对直流电压和电流进行连续采集，经过算法发出电能脉冲给误差显示器，误差显示器计算误差后在显示屏上显示，同时把误差发给PC电脑。

图1 直流标准电能表校准系统结构框图

2.1 装置设计

本文设计的直流标准电能表校准装置主要包括直流源和标准直流表。

2.1.1 直流源设计

直流源主要有电压源、电流源以及直流纹波叠加的输出源。为满足实际需要，要求电压源输出电压＞750V，电流源输出电流＞450A。

（1）电压源。为实现高幅值电压输出，本文采用数字隔离式高压直流电压放大模块串联实现，如图2所示。每个数字隔离式高压直流功率放大模块之间保持良好电气隔离，串联的方式使得输出电压得到累加，电压源因此能输出较高幅值电压。

图2 电压源原理框图

电压源设计需要保证放大模块间的隔离，使放大模块间的电压输出不产生串扰。本文由数字隔离器将数字信号与模拟信号隔离，数字隔离器可采用ADI公司的ADUM1300作为数字隔离的芯片，该隔离器功耗低，脉宽失真低（＜2ns），隔离电压为2500V，传输速度最高达90Mbps，传输延时32ns，其极高的电气性能保证了高速数字信号的传输低失真和低延时。该电压源直流电压输出最大可达1000V，满足设计要求。

（2）电流源。为保证并联的直流电流发生器产生幅值相同的电流，在每个直流电流发生器中加入高精度采样反馈模块来自动控制。通过采样每个直流电流发生器模块的输出，并反馈到直流电流发生器内部和设定值进行比较，严格控制每个直流电流发生器的输出精度，使其输出误差保持在万分之五以下。电流源通过并联多个高精度的降压型直流模块来为输出端提供大电流，其效率可达85%以上。采用该方法设计，本电流源直流电流输出最大值为500A，满足设计要求，其原理如图3所示。

图3 电流源原理框图

（3）直流纹波叠加源。在国标《电动汽车非车载充电机电能计量》中规定进行直流纹波测试需要验证直流电能表。本国家标准规定，在基准条件下，输入电流应保持为校准电流，当输入电压纹波系数为2%时，应进行功率计误差测试。保持输入电压为额定电压，功率表误差测试为输入电流纹波因数的2%。

针对上述要求，直流源需可输出带有纹波的直流电压。本文采用一个直流纹波叠加源在上述电压源输出的电压基础上叠加纹波信号，其原理如图4所示。直流纹波叠加源主要由D/A转换器、运放组成。程序将纹波波形数据输入D/A转换器，产生纹波电压信号，运放将纹波信号放大通过叠加器至电压源的电压输出。

图4 直流纹波叠加输出原理图

2.1.2 标准直流表设计

一般商用直流电能表准确度在0.2～1.0级，直流标准电能表的准确度为0.05级，要准确校准直流标准电能表，所用的校准装置准确度需优于0.01级。标准直流表的准确度直接影响校准装置的准确度，图1所示的标准直流表作为标准器具校准直流标准表，其准确度要求优于0.01级，其设计尤为重要。本文根据高准确度要求，设计的标准直流表的原理框图如图5所示，主要由前端调理电路、AD采样电路、人机交互模块组成。

图5 标准直流表原理框图

（1）前端调理电路。前端调理电路包括：自校零模块、大电压变换模块、电流变换模块、电流档位切换以及电压档位切换。

大电压变换模块可以将0～1000V大电压通过高精密电阻分压，将大电压变换为适合AD采样的电压值，其中分压电阻采用高精密的铂电阻，该电阻具有1ppm内的温漂，阻值精度为0.01%。

电流变换模块将大电流通过零磁通互感器转换为小电流，再配合小电流至电压变换，实现对大电流的测量。其中零磁通互感器的准确度为2ppm。对于1A以下小电流的测量则使用分流器，本文采用零磁通互感器与分流器复合使用的方式，可确保全测量范围的准确度。

（2）A/D采样电路。A/D采样电路主要由24bitA/D转换器、数字隔离器和高性能的DSP模块构成。由于通常对直流信号进行高精度采样时，加载在直流信号上的各种噪声将对直流量的检测带来很大干扰，因此在A/D转换器输入之前对模拟量进行除噪处理，同时在A/D转换之后通过数字信号处理进行除噪处理，可显著提高直流量采样的采集精度。

作为本校准装置的标准器具核心，对于直流量采样的A/D转换器，其总体精度不应低于0.005%，因此当输入信号为3V时，其最低检测电压不低于3V*0.005%=150uV，此时对于A/D转换器的有效转换位数（ENOB）要求不小于15Bit。由于A/D转换器的有效转换位数容易受到信噪比（SNR）的限制，同时会有各项随机误差引入，因此A/D转换器的转换位数应不小于18Bit，本文采用ADI的AD7172为24位Σ-Δ型A/D转换器，完全满足本设计要求。结合数字隔离器，以减小模拟电路和数字电路之间的干扰耦合，通过高性能DSP进行计算处理，可保证电能测量的误差优于十万分之五。

（3）人机交互模块。人机交互模块主要是工控机、触摸屏、键盘、鼠标。人机交互的过程一般通过工控机进行控制，工控机通过串口与DSP进行通信，同时利用Labview软件进行仪器控制界面的设计。

2.2 软件设计

校准装置软件总体框图如图6所示，软件主要由四个功能模块组成：参数设置、直流功率源控制、直流标准表校准以及拓展功能。直流标准表校准与直流功率源控制模块为标准直流电能表校准装置软件的主要功能模块，直流标准表校准包括电能误差检定、误差检定表编辑、全显示界面、电压电流显示以及纹波测量检定，直流功率控制包括通信设置、输出控制、小信号输出控制、纹波输出控制、功率输出控制以及电能误差检定。

图6 软件总体框图

3 标准直流表误差分析

本文采用标准电能表法对被校直流标准电能表进行校准，因此作为标准器具的标准直流表的准确度直接影响直流标准电能表校准装置的准确度。标准直流表实质上是准确度远高于被校直流电能表的直流电能表，对于直流电能的测量以及溯源目前尚无标准，假如直流信号没有叠加任何交流信号，则使用瞬时功率积分计算电能值理论上是准确的。但是实际中，直流信号里面一定会叠加一些交流信号，下文对使用瞬时功率积分计算电能值方法在测量有纹波的电能信号时的误差进行分析。

标准直流表可以简化为图7所示，由电压变换器、电流变换器、低通滤波器（LPF）和A/D转换器以及CPU组成。以下主要分析使用瞬时功率积分的算法时，硬件滤波器和A/D转换器非同步采样对直流电能的影响，并且设定LPF的滤波器截止频率小于采样率Fs/2（保证不会发生频谱混叠）。

图7 标准直流表简化图

电路的传递函数可表示为：

其中X(s)为电压或电流输入信号；HL(s)为模拟前端低通滤波器传递函数；HT(s)为A/D转换器采样延时传递函数e-τs；Y(s)为A/D转换器最后采集到的电压或电流数据。

令原始输入的信号功率为P1，经过LPF后和采样延时后的信号功率为P2，则非同步延时和LPF误差为：

现通过Matlab的仿真对使用高速AD与低速AD情况下滤波和同步延时的误差做出定量分析。

3.1 使用高速A/D转换器仿真误差分析

A/D转换器使用采样频率FS为100kHz的高速芯片，输入信号的纹波频谱集中在10～50kHz。电压通道LPF使用截止频率为10kHz的二阶低通滤波器，而电流通道LPF采用截止频率为1kHz～40kHz的二阶滤波器。电压通道采样延时为0，电流通道采样延时（0-1）/FS。纹波直流电源波形如图8所示。

图8 仿真波形图

当纹波含量为10%时的误差分布图如图9所示。

图9 100K 采样率纹波含量为10%时误差分布图

由图9可知，当纹波为10%时，电能测量误差为-1.5%～0.5%。由于低通滤波器的振幅和频率响应，系统误差的偏差约为-0.5%，可以通过软件进行校正。因此，在高速同步采样的情况下，系统误差约为谐波含量的10%，约为1%。

当纹波含量为1%时的误差分布图如图10所示。当纹波在1%时，其误差约为-0.01%。

图10 100K 采样率纹波含量为1%时误差分布图

3.2 使用低速A/D转换器仿真误差分析

A/D 转换器使用低速芯片，其采样频率f s为100Hz，输入信号的纹波频谱集中在10kHz～50kHz，电压通道LPF使用截止频率为20Hz的二阶低通滤波器，电流通道LPF使用截止频率为10kHz～40kHz的二阶低通滤波器，电压通道的采样延时为0，电流通道的采样延时为（0-1）/fs，通过Matlab仿真其误差值。

如图11所示，当纹波达到了10%时，LPF低通滤波器的效果变化很小，因为信号频率主要集中在高频。然而，采样延迟Td的影响与图10中的影响相似，因为对于100Hz的采样率，Td的范围为0～10000us，对于100kHz，Td范围为0～10us。因此，非同步采样趋势与图10一致，而低通滤波器效应比图10小得多。

图11 100Hz 采样率纹波含量为10%时误差分布图

当纹波含量为1%时的误差分布图如图12所示，当纹波小于1%时，非同步和低通滤波器的影响小于0.01%。

图12 100Hz 采样率纹波含量为1%时误差分布图

综上所述，测量带纹波的电能给使用瞬时功率积分计算电能值的标准直流表带来的误差很小，不影响直流标准电能表校准装置正常工作。

4 试验测试

本文研制的直流标准电能表校准装置送中国计量科学研究院，采用国家标准进行了对比测试，测试结果如表1所示。

表1 实验结果

由表1可知，本文设计的直流标准电能表校准装置的不确定度为0.005级，优于0.01级，满足设计要求。

5 结语

本文分析比较了标准电能表法与瓦秒法两种直流标准电能表校准方法，基于标准电能表法，设计了一种直流标准电能表校准装置。装置采用模块化设计，研制了准确度优于0.005%的标准直流表和能输出高压和大电流的直流源，可以模拟不同负载条件，进行误差测试。所研制的直流标准电能表校准装置经过中国计量科学研究院测试，不确定度为0.005级，可实现对准确度为0.05级及以下的直流标准电能表的校准。