直流電能表校驗(yàn)技術(shù)分析

楊永建　楊思學(xué)

摘要：隨著電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的普及和應(yīng)用日益廣泛，直流電能表是目前一種十分普及的計(jì)量工具，目前我們研究的主要課題就是直流電能表的校驗(yàn)技術(shù)，已經(jīng)是目前研究的熱點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際的研究和分析，提出了全新的直流電能變校驗(yàn)技術(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的直流電能表校驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了該方法的可行性以及比傳統(tǒng)方法的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：直流電表;校驗(yàn)

直流電能表是針對(duì)直流屏、太陽(yáng)能供電、電信基站、地鐵等應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的，已廣泛用于太陽(yáng)能電池板、直流電源等直流信號(hào)設(shè)備的電能值測(cè)試中，但其測(cè)量的電壓電流范圍往往較小，并很少作為貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)交通工具的節(jié)能環(huán)保的要求日益迫切。以蓄電池為動(dòng)力的電動(dòng)汽車(chē)由于節(jié)能環(huán)保的特性，作為國(guó)家新能源戰(zhàn)略的重要組成部分，正在越來(lái)越廣泛的成為一種新型的交通工具。電動(dòng)汽車(chē)充電站內(nèi)的計(jì)量器具能否符合法定管理要求直接關(guān)系到貿(mào)易結(jié)算的公平公正以及我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充放電所用的計(jì)量檢測(cè)技術(shù)還不成熟，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電樁的計(jì)量，最常用的還是在整流前采用交流電能表進(jìn)行計(jì)量，該方法的缺陷在于不可避免的帶入整流所造成的誤差，并會(huì)將整流時(shí)帶來(lái)的電能損耗算在用戶(hù)側(cè)，增加用戶(hù)用電費(fèi)用。因此為了避免給用戶(hù)帶來(lái)不必要的損失，在直流側(cè)直接進(jìn)行直流電能的計(jì)量是一種更為可取的方式。而非車(chē)載的直流充電機(jī)也只能采取這種方式。針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)程中電壓電流范圍比較寬的特點(diǎn)，與普通的直流電能表計(jì)量相比，對(duì)工作于電動(dòng)汽車(chē)充電站的直流電能表的計(jì)量提出了更高的要求。

1 接入式直流電能表校驗(yàn)裝置原理簡(jiǎn)述

直流電能表檢定裝置由程控電壓源和電流源、標(biāo)準(zhǔn)直流表、誤差顯示器和PC電腦等構(gòu)成。檢定時(shí)通過(guò)PC電腦上的管理軟件發(fā)出命令給直流標(biāo)準(zhǔn)源，直流源接收到命令后輸出檢定點(diǎn)的直流電壓和電流，標(biāo)準(zhǔn)直流表和被檢表同時(shí)對(duì)直流電壓和電流進(jìn)行連續(xù)采集，經(jīng)過(guò)計(jì)算，兩者一起發(fā)出電能脈沖給誤差顯示器，誤差顯示器計(jì)算電能誤差后在顯示屏上顯示，同時(shí)把誤差值通過(guò)通信線(xiàn)發(fā)給PC電腦，PC上運(yùn)行的管理軟件。

2 實(shí)現(xiàn)方法及原理

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

在沒(méi)有專(zhuān)用直流電能表校驗(yàn)裝置的情況下，目前最常用的還是瓦秒法。 本文就兩種方法進(jìn)行了一個(gè)對(duì)比。瓦秒法即在加于被測(cè)電能表功率恒定不變的情況下，在給定的時(shí)間內(nèi)計(jì)算被測(cè)電能表示值與算定電能度數(shù)相比較的誤差。在瓦秒法中，采用的直流電能表為四川啟明星蜀達(dá)電氣有限公司提供的 DJS99 型直流電能表， 其規(guī)格為： U n =700 V ， I b =200 A （經(jīng) 75 mV 分流器輸入），準(zhǔn)確度等級(jí)為 2 級(jí)。為直流電能表提供 75 mV 信號(hào)的是 FLUKE 公司生產(chǎn)的高精度多功能校準(zhǔn)器 5720 ，為直流電能表提供電壓信號(hào)的是濰坊華光高科電子有限公司生產(chǎn)的DO30-E+ 型多功能校準(zhǔn)儀。直流電能表通過(guò)外部交流電源 220 V 供電。 采用秒表計(jì)時(shí)，十分鐘后，手動(dòng)控制秒表停止計(jì)時(shí)，每個(gè)負(fù)載點(diǎn)測(cè)十個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算平均值， 由被測(cè)表計(jì)數(shù)器示數(shù)變化與算定電能之間的差，再除以算定電能值，得到被測(cè)直流電能表的相對(duì)誤差。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理為：由高精度多功能校準(zhǔn)器FLUKE5720 提供的毫伏信號(hào)計(jì)算出經(jīng)過(guò)分流器之前接入電能表的電流值，再乘以 DO30-E+ 型多功能校準(zhǔn)儀提供的電壓值，得到提供給電能表的功率值。采用虛負(fù)荷方式工作的電能表檢驗(yàn)臺(tái) PTC-8320M 設(shè)置為單相校驗(yàn)?zāi)Ｊ?，并?A 相電流端用短接片短接起來(lái)，使其輸出對(duì)應(yīng)的功率值。電能表校驗(yàn)的核心原理就是將功率轉(zhuǎn)化為固定頻率的脈沖數(shù)的輸出，一定時(shí)間內(nèi)累計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)即代表了這段時(shí)間內(nèi)累積的電能值，因此將電能值的比較轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)的比較。理論上，如果功率恒定不變， 則一定時(shí)間內(nèi)累計(jì)的脈沖數(shù)也為一恒定值，即功率與脈沖常數(shù)的乘積應(yīng)該為一恒定值。因此本次實(shí)驗(yàn)采用在一定的時(shí)間內(nèi)比較脈沖數(shù)的方法，即電能表脈沖常數(shù)與電能表所測(cè)直流功率的乘積和電能表校驗(yàn)臺(tái)脈沖常數(shù)與電能表校驗(yàn)臺(tái)功率乘積相比較的原理，利用電能表檢驗(yàn)臺(tái)的誤差計(jì)算器，即在標(biāo)準(zhǔn)電能表與被測(cè)電能表都在連續(xù)工作的情況下，用被測(cè)電能表輸出的脈沖控制標(biāo)準(zhǔn)電能表計(jì)數(shù)來(lái)確定被測(cè)電能表的相對(duì)誤差。累積比較脈沖數(shù)的時(shí)間段取決于電能表校驗(yàn)臺(tái)所設(shè)圈數(shù)，所設(shè)圈數(shù)越多，該時(shí)間越長(zhǎng)，則測(cè)試精度越高。 電能表校驗(yàn)臺(tái)雖然不能提供直流電能表實(shí)際所需的較大的功率值，但是其脈沖常數(shù)可以在很大的范圍內(nèi)任意設(shè)置，因此該方法簡(jiǎn)單而可行。

3 不確定度分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

基于上述理論分析，在原理正確的前提下還需要進(jìn)行不確定度分析，看是否測(cè)量結(jié)果的不確定度在允許的范圍以?xún)?nèi)以證明該方法的可行性。如果采用瓦秒法，其不確定度來(lái)源有測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、數(shù)據(jù)化整引入的不確定度、多功能校準(zhǔn)儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、高精度多功能校準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、秒表測(cè)量準(zhǔn)確度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和手動(dòng)測(cè)量時(shí)間誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，在 700 V ， 200 A（對(duì)應(yīng) 75 mV ） 負(fù)載點(diǎn)算得相對(duì)誤差的擴(kuò)展不確定度 U 為0.16%。采用新方法的測(cè)量結(jié)果 +0.041% 符合被測(cè)表的準(zhǔn)確度等級(jí) 2 級(jí)要求，而擴(kuò)展不確定度小于瓦秒法的測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度0.16% ，并且滿(mǎn)足小于被測(cè)電能表等級(jí)十分之一的要求，證明了該方法與瓦秒法相比較的優(yōu)越性以及用于該型號(hào)的直流電能表校驗(yàn)的可行性。

4 國(guó)內(nèi)外研究水平綜述

由于以前基本沒(méi)有直接接入式的大量程的直流電能表的應(yīng)用，國(guó)家電網(wǎng)的各電網(wǎng)公司還沒(méi)有建立對(duì)直接接入式直流電能表進(jìn)行檢定和校驗(yàn)的軟件條件和硬件設(shè)備。國(guó)內(nèi)目前也缺乏能對(duì)直接接入式直流電能表進(jìn)行檢定的設(shè)備。對(duì)于國(guó)內(nèi)來(lái)講，目前只有深圳科陸電子有一款產(chǎn)品，名稱(chēng)為：便攜式直流電能表檢定裝置，型號(hào)為：CL6230。其功能較為簡(jiǎn)單，是一個(gè)直流穩(wěn)壓源和直流穩(wěn)流源，其電壓范圍為30～700 V，電流可以輸出到30 A，電流輸出較小。從國(guó)際上看，美國(guó)福祿克（Fluke）公司的6100 A可以輸出直流電壓和直流電流，但是不能計(jì)量直流電能，不能用于直流電能表的檢定，其可以用于直流電壓或電流的單獨(dú)溯源。福祿克的5520 A可以測(cè)量0～1020 V的直流電壓，精度為50ppm，可以測(cè)量0～11 A的直流電流，并且可以校準(zhǔn)功率，但是沒(méi)有電能累計(jì)功能，不能用于電能比較。國(guó)外在直接接入式高精度直流標(biāo)準(zhǔn)源輸出方面還沒(méi)有相應(yīng)的產(chǎn)品和研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種全新的直流電能表校驗(yàn)方法，即用現(xiàn)有的傳統(tǒng)的三相電能表校驗(yàn)裝置作為誤差比較器進(jìn)行校驗(yàn)，與傳統(tǒng)方法進(jìn)行了比較，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了不確定度分析。結(jié)果表明，所用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合計(jì)量檢定規(guī)程的要求，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了該方法的可行性，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。在當(dāng)前專(zhuān)用的直流電能表校驗(yàn)裝置技術(shù)尚不成熟，并且普遍價(jià)格昂貴的背景下，這種利用傳統(tǒng)裝置的校驗(yàn)技術(shù)既大大節(jié)約了成本，又克服了瓦秒法中人為控制帶來(lái)的較大的不確定度，在直流電能表的法制計(jì)量以及研發(fā)階段的調(diào)試、試驗(yàn)過(guò)程中都具有廣闊的應(yīng)用前景。此方法可以推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)充電樁直流電能表計(jì)量工作在國(guó)內(nèi)的發(fā)展，為我國(guó)的節(jié)能環(huán)保事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

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