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 提高電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀抵御溫度干擾能力的技術(shù)（電力）

李作鋒¹，黃奇峰^2，3，鄭愛(ài)霞^2，3，楊世海^2，3，周贛⁴，陳銘明^2，3，趙雙雙^2，3

（1．國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇南京  210024;2．江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京  211103;3．國(guó)家電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210019;4．東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096）

摘要：受高低溫環(huán)境溫度的影響，電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度可能會(huì)顯著下降，無(wú)法做出正確檢定。通過(guò)對(duì)電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的測(cè)量原理和硬件結(jié)構(gòu)的深入分析，揭示了高低溫環(huán)境對(duì)校驗(yàn)儀測(cè)量精度的影響機(jī)理，提出了一種基于關(guān)鍵元器件溫漂系數(shù)綜合優(yōu)化的改進(jìn)方案，并研制了樣機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在-30～55℃，樣機(jī)均能夠保持0.05s級(jí)準(zhǔn)確度，平均溫度系數(shù)不超過(guò)0.08。

關(guān)鍵詞：電能表：校驗(yàn)儀：現(xiàn)場(chǎng)：溫度：干擾

中圖分類(lèi)號(hào)：TM76      DOI：10.11930/j．issrt．1004-9649.2016.04.027.05

0引言

    測(cè)試儀（校驗(yàn)儀）出廠性能檢定必須在指定參數(shù)條件下進(jìn)行，主要包括：環(huán)境溫度、

環(huán)境濕度、電壓、頻率、波形、功率因數(shù)，磁感應(yīng)強(qiáng)度等。值得注意的是，明確提出了“溫度系數(shù)”的概念（百分?jǐn)?shù)誤差改變量與產(chǎn)生此改變的溫度變化之比值）和對(duì)應(yīng)限值，該系數(shù)用來(lái)計(jì)算不同環(huán)境溫度變化引起的誤差變化極限。如標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定0.05S級(jí)校驗(yàn)儀的出廠檢定參比溫度為23℃，溫度系數(shù)限值為0.3，假設(shè)現(xiàn)場(chǎng)溫度為-30℃，相比較于23℃時(shí)的出廠檢定誤差．可以計(jì)算出-30℃低溫環(huán)境下的儀器誤差變化極限為0.3x(23+30) =15.9。綜上所述，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)考慮了現(xiàn)場(chǎng)溫度擾動(dòng)會(huì)對(duì)校驗(yàn)儀測(cè)量精度產(chǎn)生不良影響，而且從上述例子可以看出，現(xiàn)場(chǎng)高低溫可能會(huì)對(duì)儀器測(cè)量精度產(chǎn)生較大影響。

    中國(guó)幅員遼闊，各省市的溫度在不同季節(jié)、不同時(shí)刻差異很大，大量實(shí)踐結(jié)果表明．受到現(xiàn)場(chǎng)高低溫的影響，校驗(yàn)儀測(cè)量精度可能會(huì)顯著下降。岡此，改善電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的“溫度系數(shù)”，使其在寬溫環(huán)境下仍能保持準(zhǔn)確度等級(jí)．是電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)亟須解決的關(guān)鍵技術(shù)。

    在介紹了現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的測(cè)量原理之后．本文分析了溫度對(duì)校驗(yàn)儀測(cè)量精度的影響機(jī)理．并且提出了對(duì)應(yīng)的硬件改進(jìn)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，在-30—55℃的寬溫，改進(jìn)后樣機(jī)均能保持0.05S級(jí)準(zhǔn)確度，平均溫度系數(shù)不超過(guò)0.08，在溫度系數(shù)這一指標(biāo)上達(dá)到了公開(kāi)文獻(xiàn)的最高水平，可有效抵抗現(xiàn)場(chǎng)溫度變化對(duì)電能表校驗(yàn)的不良影響。

1  硬件改進(jìn)方案

1.1  基本測(cè)量原理

    圖1給出了校驗(yàn)儀樣機(jī)的硬件原理，其工作機(jī)理為：(1)三相電流經(jīng)過(guò)電流互感器變換為小電流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一個(gè)0.4 的采樣電阻將其轉(zhuǎn)換為小電壓信號(hào)。三相電壓U _a、U _b、U _c經(jīng)過(guò)分壓電路轉(zhuǎn)化為小電壓信號(hào)．2個(gè)分壓電阻分別為20和400。小電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理之后送至AD轉(zhuǎn)換電路．，(2)采用整形電路將三相正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的脈沖信號(hào)，再由FPGA倍頻后控制AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖1中晶振片用來(lái)產(chǎn)生采樣的時(shí)間基準(zhǔn)。(3)FPGA實(shí)時(shí)存儲(chǔ)AD采樣結(jié)果，再傳送給CPU進(jìn)行后處理，完成電壓、電流、功率、電能等物理量的計(jì)算。功率頻率轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)輸出電能脈沖，用來(lái)校驗(yàn)電能表。

1.2基于元器件溫漂系數(shù)綜合優(yōu)化的改進(jìn)方案

    電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀采用比較法測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)電能表的誤差，以校驗(yàn)儀作為標(biāo)準(zhǔn)表，將其測(cè)量的電能E與電能表測(cè)量的電能R進(jìn)行比較，得出的相對(duì)誤差即電能表誤差為其中，校驗(yàn)儀測(cè)算穩(wěn)態(tài)電能的計(jì)算公式為

由式(1)、式(2)可知，要提高校驗(yàn)儀的測(cè)量

精度就必須提高電壓、電流和相位的測(cè)量準(zhǔn)確度。

    現(xiàn)場(chǎng)溫度變化會(huì)引起電子元器件發(fā)生溫漂．進(jìn)而影響電壓、電流、相位的測(cè)量準(zhǔn)確度和校驗(yàn)儀的整體測(cè)量精度。校驗(yàn)儀中較易受環(huán)境溫度影響的元器件主要包括采樣電阻、電壓基準(zhǔn)、運(yùn)算放大器、品振等。上述元件的溫漂耦合起來(lái)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生不良影響，甚至造成儀器超差。下文將詳細(xì)介紹一種基于關(guān)鍵元器件溫漂系數(shù)綜合優(yōu)化的硬件改進(jìn)方案。

1 .2.1  電壓測(cè)量電路的改進(jìn)

如圖2所示，待測(cè)量的交流電壓U首先經(jīng)過(guò)

到低溫-30℃時(shí)，電阻的變差為5x50／10⁶=0.025%，當(dāng)環(huán)境溫度由高溫55℃變到低溫-30℃時(shí)，電阻的變差高達(dá)5x85/10⁶=0.042 5%。此變差對(duì)于0.05S級(jí)校驗(yàn)儀的影響非常巨大，兇此必須提高R₁和R₂的溫度穩(wěn)定性。據(jù)此推論對(duì)測(cè)量電壓同路的精密采樣電阻R₁和R₂進(jìn)行優(yōu)化配置，

使其溫漂系數(shù)組合最小，可以有效提高電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的現(xiàn)場(chǎng)抵御溫度十?dāng)_能力。

1.2.2  電流測(cè)量電路的改進(jìn)

    如圖3所示，待測(cè)量的交流電流，首先經(jīng)過(guò)高精度電流互感器（變比2 00011, 400匝補(bǔ)償）轉(zhuǎn)

AD轉(zhuǎn)換電路，，與電壓測(cè)量部分類(lèi)似．輸入到運(yùn)放

    據(jù)此推論對(duì)測(cè)量電流回路的精密采樣電阻R₁進(jìn)行性能提升可以有效提高電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的現(xiàn)場(chǎng)抵御溫度干擾能力。

1.2.3運(yùn)放電路的改進(jìn)

    圖2、圖3中的電壓和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理之后，都需要經(jīng)過(guò)高精度運(yùn)放電路來(lái)增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。樣機(jī)中運(yùn)放增益G=l,改進(jìn)前校驗(yàn)儀采用AD620AR運(yùn)放芯片，其輸出電壓溫度漂移為，假設(shè)運(yùn)放的輸入信號(hào)為AD滿度的一半1 V．則當(dāng)環(huán)境溫度由常溫20℃變化到低溫-30℃時(shí)，運(yùn)放輸出的變差為(5 x50／10⁶)／1=0.025%．此數(shù)量級(jí)的變差將對(duì)0.05S級(jí)校驗(yàn)儀的測(cè)量精度產(chǎn)生較大影響。

    考慮到AD的采樣精度還直接受外部電壓基準(zhǔn)的溫度變差影響，推論提升AD轉(zhuǎn)換單元自身和外部電壓基準(zhǔn)的抗溫漂性能，同時(shí)可有效提高電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的現(xiàn)場(chǎng)抵御溫度干擾能力。

1.2.4晶振電路的改進(jìn)

    樣機(jī)中．FPGA提供同步信號(hào)給AD來(lái)采集電壓和電流，其產(chǎn)生的同步采樣信號(hào)直接影響電壓和電流間的相位關(guān)系。而FPGA產(chǎn)生的同步采樣信號(hào)的準(zhǔn)確度主要由外部40 M晶振決定，因此提高外部晶振的抗溫漂性能可提高電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀抵御外界溫度于擾的能力。

1.3提升抵御溫度干擾能力的技術(shù)方案

    基于E述分析，對(duì)影響校驗(yàn)儀整機(jī)溫度干擾能力的關(guān)鍵元器件進(jìn)行溫漂系數(shù)綜合優(yōu)化．令不同元器件的溫度曲線達(dá)到組合最優(yōu)．通過(guò)樣機(jī)改進(jìn)與試驗(yàn)驗(yàn)證反復(fù)交替進(jìn)行的方式，最終實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)儀整機(jī)抵御溫度干擾能力最優(yōu)。

2改進(jìn)效果驗(yàn)證

2.1  試驗(yàn)平臺(tái)

    采用設(shè)計(jì)分析獲得的改進(jìn)方案對(duì)樣機(jī)硬件進(jìn)行改造，為驗(yàn)證改進(jìn)效果，搭建了圖4、圖5所示試驗(yàn)平臺(tái)。

    (1)試驗(yàn)平俞主要由待檢樣機(jī)（0.05S級(jí)）、i相標(biāo)準(zhǔn)功率表（0.02S級(jí)）、三相標(biāo)準(zhǔn)功率源、溫度控制箱等裝置組成，樣機(jī)置于溫度控制箱內(nèi)部．(2)通過(guò)控制溫度箱的內(nèi)部溫度米模擬現(xiàn)場(chǎng)寬溫環(huán)境，在-30℃、-15℃、0℃、20℃、40℃、55℃ 6個(gè)離散點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)都將樣機(jī)在溫箱內(nèi)靜置4 h．保證溫度影響已經(jīng)傳遞到樣機(jī)電路，、為確保標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量精度，將標(biāo)準(zhǔn)表置于20℃的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下。(3)標(biāo)準(zhǔn)功率源的電壓和電流同時(shí)輸出到標(biāo)準(zhǔn)功率表和樣機(jī)，以標(biāo)準(zhǔn)表輸出為真值．通過(guò)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表和樣機(jī)的輸出來(lái)計(jì)算校驗(yàn)儀在高低溫環(huán)境下的誤差。

2.2結(jié)果分析

    表1和表2分別給出了改進(jìn)前后電壓和電流測(cè)量值的相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其步驟和結(jié)果如下。

    (1)將改進(jìn)前的校驗(yàn)儀作為待檢樣機(jī)放人溫度控制箱，測(cè)量表2中6個(gè)離散溫度點(diǎn)的電壓、電流、功率誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果形成改進(jìn)前相對(duì)誤差數(shù)據(jù)；同理，將改進(jìn)后的校驗(yàn)儀作為待檢樣機(jī)放入溫度控制箱，測(cè)算形成改進(jìn)后相對(duì)誤差數(shù)據(jù)．

    (2)確定電流誤差試驗(yàn)的測(cè)量點(diǎn)為10%、20%、100%額定電流，分別對(duì)應(yīng)表中的0.5 A、1 A和5A，電壓取額定，、

    (3)表1所示的電壓相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：在-30℃、-15℃兩個(gè)低溫點(diǎn)，相對(duì)誤差絕對(duì)值南改進(jìn)前的平均9.34降至1.46：在55 的高溫點(diǎn)，相對(duì)誤差絕對(duì)值由改進(jìn)前的平均1 .20降至0.29 ；改進(jìn)前，和55℃高溫相比．-30℃低溫對(duì)誤差影響更大，其中一個(gè)重要原因是電子元件一般都以20℃作為參考給定參數(shù)，低溫-30℃時(shí)元件溫漂更大：校驗(yàn)儀是在23℃下進(jìn)行出廠檢定的，改進(jìn)前后樣機(jī)在20℃下的誤差都很小。

    (4)表2所示的電流相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：改進(jìn)前，低溫下有個(gè)別點(diǎn)超過(guò)了5，改進(jìn)后，誤差都控制在5%。。內(nèi)。對(duì)比表1電壓數(shù)據(jù)可看出，高低溫對(duì)電流的影響小于電壓，其中一個(gè)重要原因是電壓的分壓采樣電路由2個(gè)阻值分別為20 、400的電阻構(gòu)成，采樣精度受到2個(gè)電阻溫漂的耦合影響，而電流采樣精度只受一個(gè)0.4電阻的溫漂影響，更易控制和補(bǔ)償。

    表3和表4分別給出了改進(jìn)前后功率測(cè)量值的相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)步驟和結(jié)果為：(1)按照DL/T 826-2002的相關(guān)規(guī)定，接線方式采用三相四線制（三相三線制的試驗(yàn)結(jié)論類(lèi)似），功率因數(shù)取1.0、感性0.5、容性0.5的3個(gè)點(diǎn)，線電流取0.5 A.1A.5 A的3個(gè)點(diǎn)，線電壓取額定電壓。(2)表3所示的改進(jìn)前功率誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：盡管樣機(jī)的“溫度系數(shù)”沒(méi)有超出限值0.3，但在-30℃、-15 ℃2個(gè)低溫點(diǎn)，誤差幾乎全部超過(guò)了5，尤其是在-30℃時(shí)，誤差絕對(duì)值接近2倍誤差限1 0。高溫狀態(tài)下，校驗(yàn)儀無(wú)超差現(xiàn)象，原因是高溫時(shí)電壓和電流均沒(méi)有超差（詳見(jiàn)表1和表2）。(3)表4所示的改進(jìn)后功率誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：低溫時(shí)的超差現(xiàn)象得到了明顯改善．最大相對(duì)誤差3.94。出現(xiàn)在-30℃溫度點(diǎn)：在-30～55℃ 校驗(yàn)儀誤差均不超過(guò)5，所有測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平均溫度系數(shù)不超過(guò)0.08。

3結(jié)語(yǔ)

    現(xiàn)場(chǎng)溫度變化造成電子元件參數(shù)漂移，進(jìn)而影響校驗(yàn)儀的測(cè)量精度，在低溫時(shí)，改進(jìn)前樣機(jī)的電壓和功率誤差接近10，超差現(xiàn)象嚴(yán)重。本文提出了一種基于關(guān)鍵元器件溫漂系數(shù)綜合優(yōu)化的硬件改進(jìn)方案，對(duì)采樣電阻、電壓基準(zhǔn)、運(yùn)放、晶振等關(guān)鍵元器件進(jìn)行抗溫漂性能綜合優(yōu)化以達(dá)到提高校驗(yàn)儀整機(jī)抵御溫度干擾能力的目標(biāo)．在-30～55 ℃，電壓、電流、功率的測(cè)量精度都有顯著提高，誤差均不超過(guò)5，平均溫度系數(shù)不超過(guò)0.08。本文提出的技術(shù)方案具有可推廣性，改進(jìn)型樣機(jī)的溫度系數(shù)指標(biāo)有了大幅提升．高于現(xiàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，可適用于發(fā)電廠、變電站、用戶等溫度變化較大的電能表校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。