姜榮華 王 莉

國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院 山東 濟南 250002

0 引言

三相交流儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置作為電力行業(yè)電測計量專業(yè)的主標(biāo)準(zhǔn)，擔(dān)負(fù)著交流電壓、交流電流、交流功率及頻率、相位等電參量的量值溯源與傳遞任務(wù)，其準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全運行。

目前，在國內(nèi)科研院所使用的0.01級三相交流儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置，大多采用國外設(shè)備或國產(chǎn)電源配國外三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表。成套的進(jìn)口標(biāo)準(zhǔn)裝置準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、故障率低，但價格昂貴，其軟件設(shè)計具有局限性，不適應(yīng)種類繁多的電測量儀表的檢定。早期的國產(chǎn)裝置受當(dāng)時硬件技術(shù)、計算機技術(shù)發(fā)展水平的限制，在裝置的操控便捷性、程序的穩(wěn)定性方面存在著不足，在校準(zhǔn)過程中存在死機現(xiàn)象，且三相功率源易出現(xiàn)三相電壓極不平衡現(xiàn)象。為此，研制了一種新型的0.01級雙標(biāo)準(zhǔn)表交流儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置（以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)裝置）。

此標(biāo)準(zhǔn)裝置是一套集交流電壓、交流電流、交流功率及頻率、相位輸出與測量功能于一體的多功能電測儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置，可以完成三相多功能儀表及三相多功能儀表檢定裝置的檢定校準(zhǔn)工作。為了提高裝置的準(zhǔn)確性和可靠性，方便于計量標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部質(zhì)量控制及期間核查，本裝置配備了雙標(biāo)準(zhǔn)表，一只為國產(chǎn)TD3300型三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表，另一只為進(jìn)口的穩(wěn)定性高的0.01級RD33型三相標(biāo)準(zhǔn)功率電能表。兩只標(biāo)準(zhǔn)表采用專門設(shè)計的接線裝置進(jìn)行切換，可以完成使用任意一只標(biāo)準(zhǔn)表作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不同等級的被試品的檢定校準(zhǔn)工作，或者同時接兩只標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的比對以及期間核查等工作。使該標(biāo)準(zhǔn)裝置成為具有雙標(biāo)準(zhǔn)表的新型交流儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置。

1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)及技術(shù)性能

標(biāo)準(zhǔn)裝置以創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計、齊全的檢定功能、方便的使用接線與全自動的結(jié)果處理為研制宗旨，采用了高穩(wěn)定度的功率模塊設(shè)計、全數(shù)字校準(zhǔn)和自動溫度補償?shù)认冗M(jìn)技術(shù)，具有線性度好、穩(wěn)定度高、準(zhǔn)確度高和輸出響應(yīng)速度快等特點，并且能實現(xiàn)在規(guī)定值內(nèi)任意點的高精度輸出。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)

裝置主要由主控制臺、三相交流源、三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表和計算機等部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 裝置的結(jié)構(gòu)框圖

該裝置在結(jié)構(gòu)上采用臺體設(shè)計，所有設(shè)備如主控臺、三相交流源、三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表、計算機以及被檢表／源均置于臺體中，簡潔美觀，操作便捷，集成度高。標(biāo)配一只TD3300型三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表，作為工作標(biāo)準(zhǔn)。為了提高裝置的準(zhǔn)確性和可靠性，方便于計量標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部質(zhì)量控制及期間核查，另配一只進(jìn)口的RD33型三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表，實現(xiàn)了具有雙標(biāo)準(zhǔn)表的標(biāo)準(zhǔn)裝置。標(biāo)準(zhǔn)裝置所有設(shè)備按圖1所示連接好后，可由運行在計算機中的上位機軟件控制，實現(xiàn)交流電壓表、電流表、功率表、頻率表、相位表及其中任意功能組合的電測量儀表及儀表檢定裝置的全自動檢定。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)裝置的技術(shù)性能

標(biāo)準(zhǔn)裝置具有電流、電壓、功率、相位和頻率等輸出和測量功能。配備的三相標(biāo)準(zhǔn)功率電能表的電壓、電流全量程無繼電器、無檔位切換。

標(biāo)準(zhǔn)裝置的電流量程為0.01～120A，電壓量程為30～600V，最大輸出功率為120VA，最大允許誤差小于等于±0.01%，能夠完成0.05級及以下數(shù)字式、指針式交流電流表、電壓表包括寬范圍數(shù)字式電能表的電流、電壓功能的檢定及校準(zhǔn)工作。功率量程為電壓量程、電流量程任意組合組成的所有量程，當(dāng)功率因數(shù)為 1.0、0.5L、0.5C、0.8L、0.8C條件下，均能滿足最大允許誤差小于等于±0.01%，輸出功率穩(wěn)定度滿足±0.003%FS／min （FS-滿量程），能夠完成0.05級及以下指針式交流功率表、數(shù)字式單三相交流功率表包括寬范圍數(shù)字式電能表的功率功能的檢定及校準(zhǔn)工作。相位的移相范圍：0.000°～359.999°，分辨率：0.001°，最大允許誤差小于等于0.01°，能夠滿足0.05°及以下相位表的檢定校準(zhǔn)工作。

2 標(biāo)準(zhǔn)裝置硬件設(shè)計的先進(jìn)性

2.1 高穩(wěn)定度的精密交流源

作為0.01級交流電壓電流及功率標(biāo)準(zhǔn)，交流源的穩(wěn)定度是最大的研究難點，而幅度穩(wěn)定電路是保證輸出穩(wěn)定的重要措施。本裝置設(shè)計了獨特的穩(wěn)幅電路，它的基本思路是將輸出的變化量取出，補償?shù)捷斎攵?。?dāng)輸出增大時，補償?shù)淖饔檬秦?fù)反饋，使輸出信號被抵消一部分。當(dāng)輸出減小時，補償?shù)淖饔檬钦答仯馆斎胄盘栐龃笠徊糠?，以保證輸出不變。穩(wěn)幅電路采用20位電壓型高精度調(diào)幅D／A實現(xiàn)精細(xì)調(diào)幅，保證了輸出的三相高穩(wěn)定恒壓源和恒流源特性。選用的ROM表可使相位調(diào)節(jié)細(xì)度達(dá)到0.005°，頻率細(xì)度達(dá)到0.001 Hz，總諧波失真小于0.2%。

其原理框圖如圖2所示：

圖2 穩(wěn)幅電路原理框圖

如圖2所示，輸出信號經(jīng)衰減和交直流變換后與直流給定值相比較，誤差經(jīng)積分器放大控制壓控放大器（乘法器）的增益，由壓控放大器改變功放信號的幅度，以穩(wěn)定輸出。此種電路輸出信號與給定信號沒有靜差，直流給定值由直流基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生，具有極高的穩(wěn)定度和極好的線性，所以交流輸出信號也有很好的穩(wěn)定度和很好的線性。其穩(wěn)定性指標(biāo)用最嚴(yán)格的最大最小法測試可達(dá)到30ppm（0.003%／1分鐘），完全滿足組建0.01級交流標(biāo)準(zhǔn)裝置的要求。

2.2 采用數(shù)字信號源

信號發(fā)生電路是三相電源的核心，本裝置采用數(shù)字信號源，是以數(shù)字電路為基礎(chǔ)構(gòu)成的，正弦信號采用數(shù)字波合成的方法產(chǎn)生，諧波含量較大，可以通過低通濾波器予以改善。

數(shù)字波形合成的原理是，將理想信號波形的一個周期進(jìn)行若干等分，將每個等分線所對應(yīng)的信號幅值變成數(shù)字信息存到存儲器里，合成時按照固定的頻率和相同的順序從存儲器里取出幅值信號，經(jīng)DA電路變成模擬信號，即可得到與理想波形近似的階梯波形，經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，得到正弦波形。信號頻率、相位、幅度調(diào)節(jié)用計數(shù)方法通過鍵盤來進(jìn)行，因此不能連續(xù)調(diào)節(jié)，但可減小步進(jìn)值，提高調(diào)節(jié)細(xì)度。輸出信號頻率、相位、幅度穩(wěn)定性好，相位調(diào)節(jié)對信號幅度沒有影響。

2.3 報警保護功能

為了保護功放管，電路中選用耐壓高、額定電流大的器件，并設(shè)計了保護電路。該裝置采用預(yù)功放加功放對管來實現(xiàn)功率放大，它具有集成度高、故障率低和維修方便等特點，同時具有電壓／電流過載、電壓短路、電流開路保護等功能。

2.4 創(chuàng)新的人機交互設(shè)計

國內(nèi)主流的產(chǎn)品目前均采用按鍵輸入，操作繁瑣，且屏幕較小，不利于查看。該裝置采用高清彩色液晶觸摸屏，尺寸大小為7寸，分辨率為800*600，高亮清晰，且功耗低。大屏幕的設(shè)計，使用戶可以全面直觀的查看當(dāng)前所需的各種信息。而采用觸摸屏為行業(yè)內(nèi)首創(chuàng)，可以便捷的進(jìn)行各項操作，人機交互界面友好。該裝置具有旋轉(zhuǎn)編碼器調(diào)節(jié)、按位調(diào)節(jié)、百分比步進(jìn)調(diào)節(jié)等多種量值調(diào)節(jié)方式，方便用戶手動校驗，大大提高了檢定效率。

3 標(biāo)準(zhǔn)裝置軟件設(shè)計的先進(jìn)性

該裝置配套設(shè)計了功能完備的檢定軟件，可以方便地實現(xiàn)全自動和半自動檢定，裝置的嵌入式軟件采用C語言進(jìn)行編程，具有占用空間小、效率高、實時性強、功耗低和可靠性高等優(yōu)點，其軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.1 具有多種工作模式

該裝置具有多種工作模式，既有以源檢表的工作模式，又有以表檢源的工作模式。工作模式通過軟件可自由選定和設(shè)置，大大提高工作效率。

圖3 嵌入式軟件結(jié)構(gòu)圖

3.2 具有軟件自動保護功能

過壓或過流時軟件能自動控制電源的升降以確保標(biāo)準(zhǔn)表不被損壞，并可根據(jù)需要或輸出電壓電流值自動選擇標(biāo)準(zhǔn)表量程，安全性高。

3.3 具有多種調(diào)節(jié)方式

具有三相調(diào)節(jié)、分相調(diào)節(jié)、模擬調(diào)節(jié)3種調(diào)節(jié)方式，滿足不同檢定需求下量值的設(shè)定。其中A相、B相、C相的電壓、電流、相位同時調(diào)節(jié)，是系統(tǒng)開機默認(rèn)的調(diào)節(jié)方式。分相調(diào)節(jié)是A相、B相、C相單獨調(diào)節(jié)，相互不受影響，分相調(diào)節(jié)時調(diào)節(jié)的對象是主顯示框顯示的當(dāng)前電量。模擬調(diào)節(jié)通過遙控調(diào)節(jié)箱同時調(diào)節(jié)三相交流電壓、電流輸出。此時電壓和電流數(shù)字調(diào)節(jié)無效，但頻率和相位使用數(shù)字調(diào)節(jié)依然有效。

3.4 可實現(xiàn)全自動檢定

傳統(tǒng)的電測儀表檢定與校準(zhǔn)方法，需要檢定人員按照檢定規(guī)程的步驟進(jìn)行操作，被檢儀器和標(biāo)準(zhǔn)儀器的操作與讀數(shù)、計量結(jié)果的記錄和處理，均需人工來完成。部分電測儀表由于其功能多，檢定校準(zhǔn)點繁雜，存在著大量的重復(fù)勞動，使得儀表校準(zhǔn)的工作效率極低。同時要求檢定人員素質(zhì)高，使得測試結(jié)果重復(fù)性和一致性比較差，從而檢定可靠性得不到保證。該裝置配套的上位機軟件，可實現(xiàn)電量的自動控制、被檢表讀數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值的自動獲取、存儲計算并自動生成校準(zhǔn)證書，可實現(xiàn)以源檢表和以表檢源的功能，和整個系統(tǒng)的其他各功能模塊實現(xiàn)通訊，以組建0.01級全自動檢定系統(tǒng)。

3.5 可完成裝置的期間核查與比對工作

標(biāo)準(zhǔn)裝置可以完成雙標(biāo)準(zhǔn)表之間的期間核查與比對工作，方便計量設(shè)備的內(nèi)部質(zhì)量控制。裝置的標(biāo)準(zhǔn)表可分別設(shè)置為核查標(biāo)準(zhǔn)、核查設(shè)備，按照一定的核查周期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，按核查要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并給出數(shù)據(jù)控制線、畫出核查圖表，便于標(biāo)準(zhǔn)表質(zhì)量性能的分析控制，確保其可信度保持在可控線的區(qū)間之內(nèi)。如果測量結(jié)果有偏離數(shù)據(jù)控制線的趨勢，可做出預(yù)警，以便于查找原因，確保標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)束語

目前，該0.01級三相交流儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置，可實現(xiàn)對0.05級及以下等級各種電測量儀表、儀表裝置以及標(biāo)準(zhǔn)源等儀器設(shè)備的檢定校準(zhǔn)。雙標(biāo)準(zhǔn)表的設(shè)計，有效地保證了裝置的準(zhǔn)確性和可靠性。功能完備的檢定軟件，可以實現(xiàn)全自動和半自動檢定，避免了人工操作引入的誤差，重復(fù)性和一致性好。強大的數(shù)據(jù)管理功能，便于檢定人員進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、檢索和打印等操作，大大提高了檢定效率。

［1］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局計量司，重慶市計量質(zhì)量檢測研究院.計量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范［S］.2008.

［2］范巧成 .簡化的測量過程統(tǒng)計控制方法［J］.計量學(xué)報，2012，33（3）：284-288.

［3］中國計量科學(xué)研究院，航空航天部三○四研究所.交流數(shù)字功率表檢定規(guī)程［S］.1992.