曹　敏，李　波，畢志周，李　毅，肖元強

（1.云南電力試驗研究院（集團）有限公司電力研究院南方電網(wǎng)電能計量重點實驗室，云南昆明650217；2.昆明理工大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，云南昆明650217）

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一種高精度組合式多功能校準(zhǔn)儀的設(shè)計及驗證

曹敏1，李波1，畢志周1，李毅1，肖元強2

（1.云南電力試驗研究院（集團）有限公司電力研究院南方電網(wǎng)電能計量重點實驗室，云南昆明650217；2.昆明理工大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，云南昆明650217）

摘要：當(dāng)前各種電學(xué)參量校準(zhǔn)裝置通常為一體化設(shè)計，只能對單一參量校準(zhǔn)。設(shè)計一種高精度組合式的多功能校準(zhǔn)儀，將電壓比例標(biāo)準(zhǔn)（U/U）、電流比例標(biāo)準(zhǔn)（I/U）以及雙通道電壓比較器進行獨立設(shè)計、校準(zhǔn)和應(yīng)用。使用多功能校準(zhǔn)儀對U/U各輸出檔校準(zhǔn)，最大誤差為3.3×10-6；對多功能校準(zhǔn)儀進行不確定度分析，最大不確定度為3.8×10-6。測試結(jié)果表明：增加校準(zhǔn)儀的應(yīng)用功能和范圍，可以提高校準(zhǔn)儀的測量不確定度和校準(zhǔn)精度。

關(guān)鍵詞：電學(xué)參量；校準(zhǔn)儀；多功能；自由組合；雙通道比較儀

0　引言

電參量測量儀器的測量結(jié)果需要與國家測量標(biāo)準(zhǔn)或國際測量標(biāo)準(zhǔn)一致[1]。目前工頻交流綜合參數(shù)廣泛使用一體化的數(shù)字式功率表或標(biāo)準(zhǔn)電能表[2]，標(biāo)準(zhǔn)表一般將寬量限的輸入電壓比例單元、輸入電流比例單元和負責(zé)計算顯示的比較儀單元集成在一起。這樣的結(jié)構(gòu)使電壓輸入比例單元的傳遞函數(shù)K.u和電流輸入比例單元的傳遞函數(shù)K.i不能單獨校準(zhǔn)，電壓比較器A、B兩通道的不確定度不能單獨確定，應(yīng)用范圍有限。標(biāo)準(zhǔn)器等級越高，對環(huán)境的要求也越嚴格，操作也越復(fù)雜，傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)表不適合基層單位作為日常工作標(biāo)準(zhǔn)使用。

本文設(shè)計一種高精度組合式多功能校準(zhǔn)儀，在兩只專用插頭的不同組合下，可使U/U變換器和I/U變換器的各電路單元獨立進行校準(zhǔn)、檢定和應(yīng)用。

1　組合式多功能校準(zhǔn)儀的組成原理

高精度組合式多功能校準(zhǔn)儀由雙通道電壓比較器、輸入電壓比例標(biāo)準(zhǔn)（U/U變換器）、輸入電流比例標(biāo)準(zhǔn)（I/U變換器）組成，如圖1所示。

圖1　校準(zhǔn)儀內(nèi)部電路單元原理框圖

輸入的被測交流電壓U和被測電流I分別通過電壓比例標(biāo)準(zhǔn)和電流比例標(biāo)準(zhǔn)變換成規(guī)范的交流電壓信號，由雙通道電壓比較器進行計算和顯示。專用插座采用不同的短接方式時，輸入電壓比例標(biāo)準(zhǔn)或輸入電流比例標(biāo)準(zhǔn)的二次輸出電壓可直接從校準(zhǔn)儀的面板輸出。

雙通道電壓比較器[3]是一個雙路輸入、帶自校準(zhǔn)電路的高精度小信號標(biāo)準(zhǔn)電能表，如圖2所示。

圖2　雙通道電壓比較器原理圖

將兩個通道的交流測量電壓值直接溯源到雙通道電壓比較器內(nèi)置的高穩(wěn)定度直流參考標(biāo)準(zhǔn)器[4]，并把直流參考標(biāo)準(zhǔn)器的電壓UR從雙通道電壓比較器內(nèi)引到校準(zhǔn)儀的面板上，以方便對此直流基準(zhǔn)電壓進行校準(zhǔn)、測試和考核。

輸入電壓比例標(biāo)準(zhǔn)是一個高精度的儀用雙極電壓互感器，一次抽頭分別為50，100，200，400V 4檔，二次輸出的滿度交流電壓為4 V，如圖3所示。

輸出電壓U.u可單獨對電壓比例標(biāo)準(zhǔn)進行校準(zhǔn)和檢定，或作為一個U/U變換標(biāo)準(zhǔn)器獨立使用。

圖3　輸入電壓比例標(biāo)準(zhǔn)原理圖

輸入電流比例標(biāo)準(zhǔn)是由兩只高精度的儀用雙極電流互感器采用手拖手的跨接方式組成，具備自校準(zhǔn)功能，如圖4所示。

圖4　輸入電流比例標(biāo)準(zhǔn)原理圖

一次抽頭分為0.2，0.5，1，2，5，10，20，50，100 A 9檔，二次輸出采用有源阻抗矢量電壓合成器[4]，輸出滿度交流電壓為4 V。

2　校準(zhǔn)方法及原理

2.1電壓比例標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)

將外接標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)分壓器[5]的一次輸入端與校準(zhǔn)儀的電壓輸入端并聯(lián)，共同加入穩(wěn)定電壓U。將輸入電壓比例標(biāo)準(zhǔn)的二次輸出電壓接入雙通道電壓比較器的A輸入通道；把外接標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)分壓器的二次輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓信號接入雙通道電壓比較器的B通道。輸入電壓比例標(biāo)準(zhǔn)的實際變比為

式中：K.U——標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)分壓器變比；

K.u——輸入電壓比例標(biāo)準(zhǔn)變比；

U.A、U.B——雙通道電壓比較器兩通道的輸入電壓。

2.2電壓比較器通道分布參數(shù)的校準(zhǔn)

將輸入電壓比例標(biāo)準(zhǔn)的二次輸出信號同時送入A、B通道，雙通道電壓比較器A、B通道的電壓有如下關(guān)系：

式中：K.u——標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)分壓器變比；

U.u——電壓比例單元輸出值；

U.A、U.B——交直流比較器兩通道的輸入電壓。

兩個通道輸入的是同一個電壓，其幅值差和相位差均應(yīng)為零。則雙通道電壓比較器A、B通道分布參數(shù)造成的幅值偏移U.為

2.3校準(zhǔn)儀功率校準(zhǔn)

將輸入電壓比例標(biāo)準(zhǔn)的二次側(cè)和輸入電流比例標(biāo)準(zhǔn)的二次側(cè)分別輸入到電壓比較器的A、B通道，則各電路單元組成了一臺功率測量儀，功率測量公式為

其中U.u=U.A，U.i=U.B，K.u和K.i分別為U/U變換器和I/U變換器的變比。

2.4對電壓互感器的校驗

將被檢電壓互感器的一次輸入端與校準(zhǔn)儀的電壓輸入端并聯(lián)起來，共同加入穩(wěn)定電壓U.。將輸入電壓比例標(biāo)準(zhǔn)的二次輸出電壓接入雙通道電壓比較器的A輸入通道；把被檢電壓互感器的二次輸出電壓信號直接接入雙通道電壓比較器的B輸入通道。由于雙通道電壓比較器兩個輸入電壓U.A和U.B相同，所以電壓互感器變比K.U為

式中K.u為輸入電壓比例標(biāo)準(zhǔn)變比。

3　校準(zhǔn)儀應(yīng)用實例分析

運用校準(zhǔn)儀的雙通道電壓比較器替代傳統(tǒng)的互感器校驗儀[6-9]對本校準(zhǔn)儀的電壓比例標(biāo)準(zhǔn)進行校準(zhǔn)的分析和測試。

3.1電壓比例標(biāo)準(zhǔn)U/U變換器的校準(zhǔn)原理

需要校準(zhǔn)的電壓比例標(biāo)準(zhǔn)U/U變換器有4個電壓檔位，分別是400 V∶4 V、200 V∶4 V、100 V∶4 V、50 V∶4 V，如圖5所示。

圖5　U/U變換器結(jié)構(gòu)簡圖

設(shè)U/U變換器二次側(cè)各輸出檔位之間的阻抗分別為Z1、Z2、Z3和Z4，則各檔位的阻抗關(guān)系如下式所示：

式中：Z50——50 V∶4 V檔位的阻抗；

Z100——100 V∶4 V檔位的阻抗；

Z200——200 V∶4 V檔位的阻抗；

Z400——400 V∶4 V檔位的阻抗。

對該U/U變換器的校準(zhǔn)過程分為兩步：

第1步使用上級交流電壓比例標(biāo)準(zhǔn)的100 V∶4 V對本校準(zhǔn)儀的100 V∶4 V電壓比例進行校準(zhǔn)，設(shè)備測試連接圖如圖6所示。

圖6　校準(zhǔn)U/U變換器100V:4V檔位的測試連接圖

采用直接比較的方法[10]進行校準(zhǔn)，用校準(zhǔn)儀的雙通道電壓比較器替代互感器校驗儀來測量標(biāo)準(zhǔn)和被校電壓比例的差值。標(biāo)準(zhǔn)和被校電壓比例的輸入是同一交流電壓信號，輸出信號分別進入雙通道電壓比較器A、B兩通道。

采用雙通道比較的方法進行測試，所以測試的結(jié)果只與雙通道測量4 V電壓的穩(wěn)定性和其通道間一致性有關(guān)，與絕對測量準(zhǔn)確度無關(guān)。測試過程中通過交換A、B兩通道進行兩次測量取其平均值的方法消除A、B通道的一致性誤差。通過以上測試，可以得到本U/U變換器100 V∶4 V的相對誤差E0為

式中：U0——上級電壓比例標(biāo)準(zhǔn)的輸出值；

Uz100——本U/U變換器二次側(cè)100V∶4V檔位的輸出值。

第2步用校準(zhǔn)過的U/U變換器的100 V∶4 V檔位校準(zhǔn)其他400 V∶4 V、200 V∶4 V、50 V∶4 V檔位。

1）100V∶4 V擴展50 V∶4 V

在圖5所示U/U變換器的一次側(cè)輸入一個穩(wěn)定的100 V電壓。將U/U變換器二次側(cè)Z4兩端的電壓接入到雙通道電壓比較器的A通道，將二次側(cè)Z100兩端的電壓接入到雙通道電壓比較器的B通道。

忽略A、B兩通道測量時的短期穩(wěn)定性誤差，在消除通道一致性誤差后，Z4相對于Z100的相對誤差E1為

式中：Uz4——U/U變換器Z4兩端的輸出電壓；

Uz100——U/U變換器Z100兩端的輸出電壓。

由于U/U變換器輸出端的電壓值與輸出端的阻抗值成正比且電流相等，所以式（8）可變?yōu)?/p>

由式（6）可得：

由式（9）可得：

由式（10）和式（11）可得：

由式（7）可得：

式中Z0為交流電壓比例標(biāo)準(zhǔn)的阻抗。

把式（13）帶入式（12）可得：

變換可得

2）100V∶4 V擴展200 V∶4 V

在圖5所示的U/U變換器的一次側(cè)輸入穩(wěn)定的200 V電壓。將U/U變換器Z3兩端的電壓接入到雙通道電壓比較器的A通道，將Z200兩端的電壓接入到雙通道電壓比較器的B通道。設(shè)此時雙通道電壓比較器A通道相對于B通道的誤差值為E2。忽略A、B兩通道測量4 V電壓的短期穩(wěn)定性誤差和其通道間一致性誤差后，則Z3兩端電壓相對于Z200兩端電壓的誤差E2為

式中：Uz3——U/U變換器Z3兩端的輸出電壓；

Uz200——U/U變換器Z200兩端的輸出電壓。

由于U/U變換器輸出端的電壓值與輸出端的阻抗值成正比且電流相等，所以式（16）可變?yōu)?/p>

由式（6）可得：

由式（17）可得：

把式（19）帶入式（18）可得：

把式（13）帶入式（20）可得：

對式（21）變換得：

式（22）便為200 V∶4 V相對于上級交流電壓比例標(biāo)準(zhǔn)的最終相對誤差E200∶4。

3）100V∶4 V擴展400 V∶4 V

在圖5所示的U/U變換器的一次側(cè)輸入穩(wěn)定的交流400 V電壓。將U/U變換器Z2兩端的電壓接入到雙通道電壓比較器的A通道，將Z400兩端的電壓接入到雙通道電壓比較器的B通道。則Z2兩端電壓相對于Z400兩端電壓的相對誤差E3為

式中：Uz2——U/U變換器Z2兩端的輸出電壓；

Uz400——U/U變換器Z400兩端的輸出電壓。

由于U/U變換器輸出端的電壓值與輸出端的阻抗值成正比且電流相等，所以式（23）可變?yōu)?/p>

由式（6）可得：

由式（24）可得：

把式（26）帶入式（25）可得：

把式（21）帶入式（27）可得：

變換得：

式（28）即為400 V∶4 V相對于上級交流電壓比例標(biāo)準(zhǔn)的最終相對誤差E400∶4。

3.2U/U校準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)分析

按上述方法分別進行如下的校準(zhǔn)測試：1）用經(jīng)校準(zhǔn)的感應(yīng)分壓器4V輸出對U/U變換器的100V∶4 V進行校準(zhǔn)；2）用校準(zhǔn)過的本U/U變換器100 V∶4 V檔位對其他400 V∶4 V、200 V∶4 V、50 V∶4 V檔位進行校準(zhǔn)測試。

在U/U變換器的每一個輸出電壓檔位校準(zhǔn)過程中，都分為10組進行測試，每組測試3個值，以此30個數(shù)據(jù)的平均值作為最終的測量值來參與相關(guān)誤差的計算，如表1所示。

表1　校準(zhǔn)儀U/U各檔位比差的校準(zhǔn)結(jié)果

對多功能校準(zhǔn)儀滿量程時的電能、功率、電流、電壓的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、擴展不確定度進行了評定，其中擴展不確定度的置信率取95%，包含因子取2，評定結(jié)果如表2所示。

表2　不同測試項的不確定度值

不確定度評定結(jié)果表明，采用多功能校準(zhǔn)儀對電能、功率、電流和電壓測量不確定度最大值為3.8×10-6。

4　結(jié)束語

通過采用獨立組合式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使多功能校準(zhǔn)儀能對不同電參量進行校準(zhǔn)，使本校準(zhǔn)儀同時具備了電流比例標(biāo)準(zhǔn)、電壓比例標(biāo)準(zhǔn)、雙通道電壓比較器的功能，并能夠采用任何一個輸入通道的信號方便地對雙通道電壓比較器兩個輸入通道的分布參數(shù)進行無差別自校準(zhǔn)，擴展了校準(zhǔn)儀的應(yīng)用范圍，并進一步為電學(xué)參量的研究、校準(zhǔn)和測試提供了良好的手段和平臺。

通過實驗驗證，多功能校準(zhǔn)儀對U/U校準(zhǔn)的最大誤差為3.3×10-6，對不同測試項的不確定度分析得到最大的不確定度值為3.8×10-6。目前，本高精度組合式多功能校準(zhǔn)儀已成功應(yīng)用于中國南方電網(wǎng)電能計量重點實驗室，主要針對云南電網(wǎng)電參量準(zhǔn)確性保障和電參量相關(guān)測試技術(shù)的研究中，并取得了良好的應(yīng)用效果。

參考文獻

[1]范巧成，黃奇峰，祝福，等.計量基礎(chǔ)知識[M].北京：中國計量出版社，2009（3）：5-6.

[2]王新金，毛曉波，陳鐵軍.高精度標(biāo)準(zhǔn)電能表設(shè)計方法[J].電測與儀表，2009，9（46）：49-52.

[3]蔡黎彬，王衛(wèi)東.一種新型高速電流比較器的研究與設(shè)計[J].電子科技，2010，23（4）：36-37.

[4]李莉，才惲.連續(xù)可調(diào)的高分辨率直流電壓標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計[J].計量與測試技術(shù)，2007，35（3）：28-31.

[5]何小兵.工頻600 V標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)分壓器[J].現(xiàn)代計量測試，1996（6）：38-42.

[6]趙祥林，賀艷平，駱雪，等.通過有源阻抗的矢量電壓合成來消除互感器測量誤差的方法：200810218417[P]. 2008-10-17.

[7] GUO W，ZHANG H C，YU Z H，et al. A calibration system for electrical transformers with analog output[J]. Power System Protection and Control，2012（6）：49-51.

[8]林國營，周尚禮.電子式互感器校驗系統(tǒng)的誤差分析方法[J].電測與儀表，2010（6）：35-37.

[9] YU C Y，YE G X. Calibration technique of electronic instrument transducers[J]. High Voltage Engineering，2004，30（4）：20-22.

[10]唐宗魁.噪聲系數(shù)的測量方法[J].科技信息，2008（19）：354-355.

（編輯：劉楊）

Design of high precision modular multifunction calibrator

CAO Min1，LI Bo1，BI Zhizhou1，LI Yi1，XIAO Yuanqiang2
（1. Key Laboratory of Yunnan Electric Power Research Institute（Group）Co.，Ltd.，Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid Energy Metering，Kunming 650217, China；2. Graduate Workstation of Kunming University of Science and Technology and Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217，China）

Abstract:Various calibration devices for electrical parameters usually are designed integrated，and a calibration device can only calibrate a single parameter. This paper introduced a high precision modular multifunction calibrator. The multifunction calibrator was divided into three parts which included a voltage ratio of the standard（U/U），a current ratio of the standard（I/U）and a dual-channel voltage comparator. They were respectively independent in design，calibration and application. Each output of U/U was calibrated by modular multifunction calibrator，and the maximum error was 3.3×10-6. Uncertainty analysis of modular multifunction calibrator was done，and the largest uncertainty was 3.8×10-6. Test results show that the function and scope of application of calibrator are extended and the uncertainty and calibration accuracy is improved.

Keywords:electric parameter；calibrator；multifunction；free combination；dual channel comparator

作者簡介：曹敏（1961-），男，教授級高級工程師，主要從事輸變電智能化、智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)、電力質(zhì)量及測量工作。

收稿日期：2015-03-02；收到修改稿日期：2015-04-09

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.008

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）02-0036-05