段梅梅，趙雙雙，徐晴，王磊，賈正森，黃洪濤，潘仙林

(1．國網(wǎng)江蘇省電力有限公司營銷服務(wù)中心，南京 210019；2．國家電網(wǎng)有限公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210019； 3．中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

0 引 言

2019年5月20日國際單位制的七個基本單位開始以物理常數(shù)重新定義，拉開了計(jì)量單位常數(shù)化、量子化的進(jìn)程，基于量子技術(shù)研制新一代電能標(biāo)準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)電能單位量子化，是構(gòu)建量子化變革環(huán)境下的現(xiàn)代測量體系的重要內(nèi)容。

智能變電站中，數(shù)字化電能表接收以太網(wǎng)傳輸?shù)腎EC 61850協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀中包含電壓、電流模擬量的采樣值，數(shù)字化電能表的電能計(jì)算模塊計(jì)算采樣值所代表的功率及電能量值。數(shù)字化電能表不需模擬量采樣環(huán)節(jié)直接進(jìn)行積分運(yùn)算，因此，與傳統(tǒng)電子式電能表相比，數(shù)字化電能表不含采樣誤差，計(jì)量準(zhǔn)確度等級遠(yuǎn)高于電子式電能表[1]。

國家計(jì)量法規(guī)定，用于貿(mào)易結(jié)算的法定計(jì)量器具，必須經(jīng)強(qiáng)制檢定溯源至最高等級的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置。傳統(tǒng)電能標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出為模擬量，數(shù)字化電能表輸入為數(shù)字量，因此傳統(tǒng)電能標(biāo)準(zhǔn)裝置無法對數(shù)字化電能進(jìn)行直接量值傳遞。近年來，已有多個團(tuán)隊(duì)開展對數(shù)字化電能表進(jìn)行量值傳遞設(shè)備的研究工作，但是均需要借助AD采樣設(shè)備，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，傳輸給被測數(shù)字化電能表[2]。上述方法引入了AD采樣設(shè)備的誤差來源，量值傳遞過程的不確定度分量多，影響了數(shù)字化電能表準(zhǔn)確度高的優(yōu)勢的發(fā)揮。

文中基于約瑟夫森效應(yīng)激發(fā)的量子電壓，研究交流量子電壓驅(qū)動技術(shù)，研究基于量子電壓的交流功率測量技術(shù)，建立新一代基于量子電壓的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電能直接量值傳遞。

1 交流量子電壓驅(qū)動及其功率測量

1.1 約瑟夫森效應(yīng)

當(dāng)由超導(dǎo)材料-普通金屬導(dǎo)體-超導(dǎo)材料構(gòu)成的SNS型約瑟夫森結(jié)在4 K低溫條件下受到微波輻射時，可以產(chǎn)生直流量子電壓階躍，直流量子電壓的大小取決于微波輻射的頻率，每個約瑟夫森結(jié)產(chǎn)生的量子電壓階躍幅值大小固定，由式(1)中可以看出，當(dāng)微波頻率為18 GHz時，直流量子電壓階躍約為37.2 μV[3-8]。

(1)

式中VJ為量子電壓；e為電子電荷；h為普朗克常數(shù)；n為約瑟夫森結(jié)的個數(shù)；f0是輻射微波的頻率；h/2e≈2.07 μV/GHz。

偏置電流不同，量子電壓會產(chǎn)生正、負(fù)、零三個不同的偏置狀態(tài)如圖1所示。

1.2 交流量子電壓驅(qū)動

將多個約瑟夫森結(jié)串連成結(jié)陣，通過驅(qū)動交流量子電壓發(fā)生系統(tǒng)，控制結(jié)陣中不同結(jié)的正、負(fù)、零偏置狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)交流量子電壓的動態(tài)合成。由于單個約瑟夫森結(jié)產(chǎn)生的直流量子電壓階躍很小，為提高電能標(biāo)準(zhǔn)裝置中交流信號的測量不確定度水平，交流量子電壓驅(qū)動系統(tǒng)需產(chǎn)生有效值為1 V的交流量子電壓。文中采用的SNS型可編程約瑟夫森結(jié)陣由61 204個SNS結(jié)組成，6萬多個結(jié)分成14段結(jié)陣，不同段結(jié)陣結(jié)的個數(shù)可組成三進(jìn)制序列。文中采用平衡三進(jìn)制驅(qū)動算法[9]，將待生成的目標(biāo)交流量子電壓信號離散化，通過驅(qū)動算法，快速有效地求解每個交流量子電壓臺階值對應(yīng)的14段結(jié)陣偏置狀態(tài)矩陣，實(shí)現(xiàn)交流量子電壓臺階波信號實(shí)時計(jì)算和動態(tài)輸出如圖2所示。

圖2 交流量子電壓臺階波Fig.2 AC quantum voltage step wave

1.3 基于量子電壓的功率測量

交流量子電壓具有10-8準(zhǔn)確度量級，將交流量子電壓作為高準(zhǔn)確度標(biāo)尺，對交流信號進(jìn)行采樣校準(zhǔn)，差分采樣方法被廣泛應(yīng)用。差分采樣法利用采樣系統(tǒng)對交流源產(chǎn)生的正弦電壓和交流量子電壓的差值進(jìn)行采樣，通過對差值信號的采樣測量結(jié)果和已知的量子電壓波形，能夠重構(gòu)被測的正弦信號的幅值和相位[10-19]。

V(n)=VJ(n)+VΔ(n)

(2)

式中V(n)為被測交流信號采樣值；VJ(n)為交流量子電壓臺階波采樣值；VΔ(n)為可測差分信號。

由于一個約瑟夫森結(jié)陣芯片只能輸出一路交流量子電壓，在功率測量過程中，需要同時對電壓、電流兩路信號的幅值和相位進(jìn)行測量，并且還需保證其可溯源性。為滿足這一要求，文章提出分段式驅(qū)動方案，如圖3所示，將某一段時間內(nèi)的量子電壓信號分段，前一段用來測量電壓信號(或電流信號)，后一段用來測量電流信號(或電壓信號)，這就要求模擬功率源具有高穩(wěn)定性，確保測量時段內(nèi)電壓、電流信號的穩(wěn)定性，。通過交流量子電壓對功率源發(fā)出的電壓、電流信號同時差分采樣重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基于量子電壓的功率測量。

圖3中Vv表示待測電壓信號，電流信號需經(jīng)過分流器轉(zhuǎn)換為可以采用差分方法進(jìn)行測量的電壓信號Vi，Vj為約瑟夫森結(jié)陣輸出臺階波信號。

圖3 分段式驅(qū)動原理圖Fig.3 Sectional drive schematic diagram

分段式驅(qū)動方案將電壓信號和電流信號分段進(jìn)行測量。驅(qū)動結(jié)陣輸出量子電壓臺階波時，也需要分段計(jì)算，將計(jì)算好的電壓分段波形和電流分段波形組合成一個臺階波信號。組合后的臺階波信號如圖4所示。

圖4 分段式驅(qū)動量子電壓臺階波信號Fig.4 Quantum voltage step wave signal of segmental driven

2 數(shù)字化電能計(jì)量特性

在新一代智能變電站中，數(shù)字化電能表的輸入信號為模擬信號采樣之后的數(shù)字量，新一代智能變電站中的就地?cái)?shù)字化模塊對模擬電壓、電流信號進(jìn)行每周波80點(diǎn)或每周波256點(diǎn)的采樣，合并單元將采樣值進(jìn)行協(xié)議打包后發(fā)送給數(shù)字化電能表，如圖5所示。

圖5 數(shù)字化電能計(jì)量原理Fig.5 Schematic diagram of digital electrical power metering

數(shù)字化電能表通過對采樣值進(jìn)行點(diǎn)積和來計(jì)算電能，有功功率計(jì)算公式如下：

(3)

傳統(tǒng)電子式電能表標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出為模擬量，需要借助AD采樣器對數(shù)字化電能進(jìn)行量傳，該量傳方法引入了AD采樣器的不確定度，不確定度分量大，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電能的直接量傳，不利于數(shù)字化電能表準(zhǔn)確度高優(yōu)勢的發(fā)揮。

3 基于量子電壓的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置

基于量子電壓，建立新型電能標(biāo)準(zhǔn)裝置，裝置中的模擬功率源輸出被測電能表所需的模擬電壓和電流信號，經(jīng)過比例變換器轉(zhuǎn)換成1 V電壓信號，經(jīng)換向差分采樣測量及信號重構(gòu)后得到標(biāo)準(zhǔn)的功率電能量值，實(shí)現(xiàn)量子電壓對交流電壓、功率的高準(zhǔn)確度量值標(biāo)定，如圖6所示。

圖6 基于量子電壓的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置Fig.6 Electrical power standard equipment based on quantum voltage

4 基于量子電壓的數(shù)字化電能量值傳遞技術(shù)

4.1 基于量子電壓的數(shù)字化電能檢測原理分析

基于量子電壓的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置一方面將量子電壓校準(zhǔn)后的采樣信號進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換生成數(shù)據(jù)幀，對被測數(shù)字化電能表進(jìn)行量值傳遞；同時，還可在模擬源輸出端直接接被測模擬電能表，直接對模擬電能表進(jìn)行量值傳遞，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量與模擬量的雙溯同源量值傳遞。

如圖7所示，傳統(tǒng)電子式電能標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行交流功率測量時，是通過熱電變換的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)溯源至直流量，標(biāo)準(zhǔn)裝置的輸出為模擬量，無法對輸入信號為數(shù)字量的數(shù)字化電能表進(jìn)行直接量值傳遞；如果測數(shù)字化電能表，需要把熱電變換器、AD轉(zhuǎn)換器誤差納入考慮，不確定度分量增多，測量不確定度會變大。

圖7 傳統(tǒng)電能標(biāo)準(zhǔn)裝置與基于量子電壓的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置量傳方法比較Fig.7 Comparison of standard value transmission between traditional and novel electrical power standard based on quantum voltage

基于量子電壓建立的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置，傳遞給被檢數(shù)字化電能計(jì)量裝置的數(shù)字量是經(jīng)交流量子電壓采樣校準(zhǔn)后的標(biāo)準(zhǔn)量值，不需借助熱電變換器，不需借助AD轉(zhuǎn)換器，減少了量值傳遞路徑中的誤差引入環(huán)節(jié)，量傳鏈路扁平化，測量不確定度小，量值傳遞更短更快。

4.2 檢測試驗(yàn)及不確定度分析

數(shù)字功率檢測比對試驗(yàn)過程中，首先采用計(jì)算機(jī)生成一個信號理論值，經(jīng)過IEC 61850-9-2協(xié)議發(fā)送到數(shù)字化電能表，對數(shù)字化電能表進(jìn)行標(biāo)定，再利用新一代電能標(biāo)準(zhǔn)裝置測得的結(jié)果發(fā)送到該數(shù)字化電能表，與理論信號測量結(jié)果進(jìn)行比較。

采用計(jì)算機(jī)生成的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號1 000 V和電流信號1 000 A，通過IEC 61850 9-2 協(xié)議發(fā)送給數(shù)字電能表，得到結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯瑪?shù)字電能表接收到的電壓電流信號幅值和計(jì)算的功率大小與計(jì)算機(jī)發(fā)出理論值大小相等。

表1 數(shù)字化電能表示值與信號理論值比對結(jié)果Tab.1 Comparison results between digital electricity meter representation value and signal theoretical value

為確保數(shù)字化電能的溯源性，數(shù)字化電能表接收的IEC 61850數(shù)字信號需與模擬量建立聯(lián)系。在基于量子電壓的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置中，模擬功率選用某公司的RS933，輸出電壓為100 V、電流為5 A的模擬信號，經(jīng)比例變換、差分采樣、信號重構(gòu)環(huán)節(jié)后，得到經(jīng)量子電壓校準(zhǔn)后的模擬信號的標(biāo)準(zhǔn)值。同時，將得到的電壓采樣信號經(jīng)過10倍電壓變比轉(zhuǎn)換成1 000 V電壓信號，電流采樣信號經(jīng)過200倍電流變比生成1 000 A數(shù)字電流信號，將瞬時采樣值通過IEC 61850 9-2 協(xié)議發(fā)送給數(shù)字電能表，得到結(jié)果如下表所示。由于模擬功率源、比例變換環(huán)節(jié)的固有誤差，以及感性負(fù)載和容性負(fù)載時的誤差不平衡，功率因數(shù)為0.5C時，電能標(biāo)準(zhǔn)裝置的電壓誤差稍微大于感性負(fù)載時的電壓誤差。從表中得出，數(shù)字電能表的電壓、電流及功率的誤差均小于4×10-6，新一代電能標(biāo)準(zhǔn)裝置數(shù)字化電能測量結(jié)果合理。

表2 數(shù)字化電能表檢測結(jié)果Tab.2 Test results of digital electricity meter

5 結(jié)束語

在國際單位制量子化變革的趨勢下，為解決數(shù)字化電能量值傳遞難題，本文探索了基于量子電壓的數(shù)字化電能量值傳遞方法，研究了交流量子電壓分段式驅(qū)動技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于一路量子電壓的功率測量，并建立了新一代電能標(biāo)準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化電能和模擬電能的雙溯同源量值傳遞。