楊靜，曾偉杰，王智，申麗曼，蘇玉萍

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司供電服務(wù)中心(計(jì)量中心)，湖南 長(zhǎng)沙410004)

0 引言

智能電能表是智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)高級(jí)量測(cè)體系的基礎(chǔ)元件之一，承擔(dān)電能數(shù)據(jù)采集、計(jì)量、傳輸和處理的功能，支撐智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷管理、分布式能源計(jì)量、電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度、電力市場(chǎng)交易和電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)[1－3]。電能表的準(zhǔn)確度直接影響到電力系統(tǒng)中的結(jié)算公平性，關(guān)系到電廠、供電公司和用戶的切身利益[4－6]。

關(guān)口電能表(以下簡(jiǎn)稱“關(guān)口表”)是安裝運(yùn)行在發(fā)電企業(yè)上網(wǎng)、跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線、省網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線等關(guān)口電能計(jì)量裝置中的電能表[7－9]。關(guān)口表記錄的電能量作為技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)、核算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是電力市場(chǎng)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵，其計(jì)量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到發(fā)供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)效益[10－11]。

關(guān)口表準(zhǔn)確度等級(jí)一般為0.2S級(jí)。相對(duì)用戶計(jì)費(fèi)電能表而言，關(guān)口計(jì)量的電能量值巨大，負(fù)荷變化快速頻繁，功率因數(shù)變化范圍也較寬，有時(shí)甚至工作在輕載條件下。這就要求關(guān)口表的設(shè)計(jì)不但要具有高的準(zhǔn)確度，而且要有寬的動(dòng)態(tài)范圍和快速響應(yīng)的特性，尤其是在低負(fù)荷輕載條件下，負(fù)荷特性仍應(yīng)平坦，保持高準(zhǔn)確度，特性曲線不應(yīng)上翹或下凹。輕載特性是衡量關(guān)口表性能的重要指標(biāo)[12－13]。由于現(xiàn)有電能表檢定裝置小電流點(diǎn)準(zhǔn)確度不夠，一般只能滿足關(guān)口表100 mA以上檢定點(diǎn)要求，對(duì)于關(guān)口表100 mA以下小電流點(diǎn)無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)量。因此，研究適合于關(guān)口表檢定的小電流標(biāo)準(zhǔn)功率源，對(duì)于確保小電流點(diǎn)電能計(jì)量準(zhǔn)確性具有重要意義[14－16]。

基于此，設(shè)計(jì)一種小電流標(biāo)準(zhǔn)功率源，電壓輸出范圍6～576 V，電流輸出范圍0.2～120 mA，功率/電能準(zhǔn)確度等級(jí)0.05級(jí)，且在0.3 mA點(diǎn)的電能計(jì)量準(zhǔn)確度要達(dá)到0.5%，在3 mA點(diǎn)的電能計(jì)量準(zhǔn)確度要達(dá)到0.05%。以此解決0.3(1.5)A關(guān)口表小電流點(diǎn)的檢定溯源要求，確保關(guān)口表的小電流點(diǎn)計(jì)量準(zhǔn)確性。

1 關(guān)口表小電流電能計(jì)量性能要求

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，0.2S級(jí)關(guān)口表的電流規(guī)格有1(6)A或0.3(1.2)A兩種，其中300 mA標(biāo)稱電流的小電流關(guān)口表對(duì)小電流電能計(jì)量提出較高的要求。目前關(guān)口表的檢定主要參考JJG 596—2012《電子式交流電能表檢定規(guī)程》和JJF 1245—2019《交流電能表型式評(píng)價(jià)大綱》，檢定溯源標(biāo)準(zhǔn)器采用的是0.05級(jí)甚至更高等級(jí)的交流電能表檢定裝置。根據(jù)JJG 596—2012《電子式交流電能表檢定規(guī)程》要求，對(duì)于0.3(1.2)A的0.2S級(jí)關(guān)口表，其起動(dòng)電流Ist＝0.001In＝0.001×0.3 A＝0.3 mA。

對(duì)于關(guān)口表的基本誤差，JJG 596—2012《電子式交流電能表檢定規(guī)程》只規(guī)定了最小0.01In(3 mA)檢定點(diǎn)的要求。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)有限公司最新技術(shù)規(guī)范，對(duì)于0.3(1.2)A的0.2S級(jí)關(guān)口表，其最大電流Imax＝1.2 A，最小電流Imin＝3 mA，其在起動(dòng)電流0.3 mA點(diǎn)的最大允許誤差γ＝±0.2%×3/0.3＝±2%，在最小電流3 mA點(diǎn)的最大允許誤差為±0.2%。

通常情況下，為保證被檢關(guān)口表的準(zhǔn)確性，一般要求交流電能表檢定裝置的基本最大允許誤差優(yōu)于被檢表最大允許誤差的1/3，因此為保證被檢關(guān)口表在0.3 mA起動(dòng)電流點(diǎn)和3 mA最小電流點(diǎn)的電能計(jì)量準(zhǔn)確度分別達(dá)到2%和0.2%，檢定裝置在0.3 mA點(diǎn)的電能計(jì)量準(zhǔn)確度需達(dá)到0.5%，在3 mA點(diǎn)的電能計(jì)量準(zhǔn)確度需達(dá)到0.05%。由此可見(jiàn)，關(guān)口表小電流檢定點(diǎn)對(duì)電能計(jì)量裝置的準(zhǔn)確度要求極高。

2 小電流標(biāo)準(zhǔn)源設(shè)計(jì)方案

交流電能表檢定裝置主要用于交流電能表的檢定，是向被檢電能表提供電能并能測(cè)量此電能的器具的組合，也是電能表量值溯源體系中最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。通常裝置由電能輸出電路、電能測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器(標(biāo)準(zhǔn)電能表、功率表、電能變換器)或電能測(cè)量電路、量限擴(kuò)展電路、電量監(jiān)視電路(或儀表)，以及輔助測(cè)量電路組成。交流電能表檢定裝置的核心為標(biāo)準(zhǔn)功率源。

設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)功率源主要由微處理器、大規(guī)模集成電路芯片F(xiàn)PGA、多路A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路、功率放大器等組成。FPGA電路芯片可由程控組成系統(tǒng)中的誤差計(jì)數(shù)電路，控制所需的I/O接口，將數(shù)字信號(hào)傳輸給DAC，再傳輸給功放，產(chǎn)生三相電壓和電流信號(hào)，反饋電路相用于采樣輸出的U(t)或I(t)信號(hào)，傳輸給ADC變換為數(shù)字信號(hào)。最終微處理器根據(jù)反饋信號(hào)對(duì)測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行失真度補(bǔ)償后，與設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，再修正輸出量值，以確保輸出信號(hào)的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確性。其原理如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)功率源原理框圖

標(biāo)準(zhǔn)功率源工作原理如下:

1)上位機(jī)軟件設(shè)定電壓電流各次波形幅度、相位等基本參量。

2)微處理器接收參數(shù)設(shè)置后，通過(guò)以下公式運(yùn)算繪制波形，并將信號(hào)傳輸給FPGA。

3)FPGA將數(shù)字信號(hào)傳輸給DAC，再傳輸給功放輸出U(t)或I(t)波形。

4)反饋電路用于采樣輸出的U(t)或I(t)信號(hào)，傳輸給ADC變換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)反饋測(cè)量。

5)FPGA對(duì)測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行失真度補(bǔ)償后，與設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，再修正輸出量值。

為了精準(zhǔn)測(cè)量輸出電流，需要引入反饋測(cè)量模塊，將微弱電流轉(zhuǎn)換為ADC易采集的電壓信號(hào)。因此反饋測(cè)量模塊的一個(gè)重要功能是進(jìn)行I/V變換，該模塊也是小電流標(biāo)準(zhǔn)源的核心功能模塊，直接決定了儀器的測(cè)量精度。

由于傳統(tǒng)的反饋測(cè)量電路無(wú)法對(duì)小電流進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，因此反饋電路采用基于跨阻負(fù)反饋的I/V變換模塊，其原理是利用跨阻放大器將待測(cè)輸入小電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)再進(jìn)行測(cè)量，其靈敏度的理論極限由反饋電阻決定，該方法原理如圖2所示。

圖2 反饋跨阻I/V變換原理

理想的輸入－輸出的相關(guān)性是:

現(xiàn)實(shí)運(yùn)用中，因不存在完美的運(yùn)算放大器，其開(kāi)環(huán)增益Ad并非無(wú)限大，而且，不可避免地暴露出偏置電流IB及輸入失調(diào)電壓VOS的問(wèn)題。因此，I－V轉(zhuǎn)換的真實(shí)輸出是:

式中，VOS為放大器的失調(diào)電壓；IB為放大器的輸入偏置電流；Ad為放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。真實(shí)的測(cè)量出的V0誤差是:

運(yùn)放的三個(gè)變量引起的噪聲對(duì)V0存在一定程度的作用。在測(cè)量極為微弱的電流情況下，通常要求放大倍數(shù)Ad及反饋電阻Rf的數(shù)值足夠大?？蒖f的值過(guò)大會(huì)強(qiáng)化偏置電流及失調(diào)電壓的反作用力，進(jìn)而加劇熱噪聲，對(duì)穩(wěn)定性及一致性也構(gòu)成影響，影響測(cè)量的精準(zhǔn)性及復(fù)現(xiàn)性，所以反饋電阻Rf的阻值選取尤其重要。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最終確定了合理的Rf阻值。最終設(shè)計(jì)出基于跨阻負(fù)反饋的I/V變換模塊，如圖3所示。

圖3 基于跨阻負(fù)反饋的I/V變換模塊

與電容積分法相比，跨阻法不需要電荷累積的過(guò)程，因此其優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)時(shí)性好，適合測(cè)量快速、連續(xù)變化的微弱電流，最小測(cè)量電流可達(dá)到微安級(jí)并保證較高的準(zhǔn)確度。

被測(cè)的電壓電流信號(hào)需要經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換模塊、電流轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為ADC可以采集的模擬信號(hào)，該信號(hào)需要經(jīng)過(guò)硬件濾波器，獲得ADC可采集的穩(wěn)定可靠信號(hào)。該系統(tǒng)采用有源濾波器，對(duì)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行處理。

信號(hào)通過(guò)截止頻率為1 kHz的巴特沃斯LPF濾波器模塊。第一級(jí)是1階LPF，第2級(jí)和第3級(jí)是2階LPF，3級(jí)合起來(lái)構(gòu)成5階LPF(如圖4所示)。各級(jí)濾波器的輸出阻抗與截止頻率無(wú)關(guān)，輸出阻抗很低。

圖4 正反饋型5階巴特沃斯LPF

經(jīng)過(guò)濾波器后，信號(hào)進(jìn)入增益調(diào)節(jié)電路，調(diào)理后的信號(hào)為差分信號(hào)，抗共模干擾能力強(qiáng)，信噪比高，可有效補(bǔ)償互感器小電流測(cè)量的誤差。通過(guò)上述處理，采樣信噪比達(dá)到126 dB，實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定度測(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

考慮到關(guān)口表工作電壓一般為3×(57.7/100)V，在60 V下對(duì)小電流標(biāo)準(zhǔn)功率源各電流量程功率進(jìn)行測(cè)試，以此驗(yàn)證小電流標(biāo)準(zhǔn)功率源的技術(shù)指標(biāo)。校準(zhǔn)器具為0.01級(jí)三相標(biāo)準(zhǔn)電能表，校準(zhǔn)方法為標(biāo)準(zhǔn)表法。

不同電壓、頻率、相角、電流測(cè)試條件下的小電流功率源實(shí)際輸出結(jié)果見(jiàn)表1。其中，功率輸出值為本文設(shè)計(jì)的小電流功率源實(shí)際輸出；功率測(cè)量值為標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量值，采用0.01級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)不同電流下小電流標(biāo)準(zhǔn)源的功率進(jìn)行了測(cè)試；三相電能誤差采用脈沖法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果較好，滿足關(guān)口表檢定需求。

表1 不同電壓、頻率、相角、電流測(cè)試條件下的小電流功率源實(shí)際輸出結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)0.3(1.5)A關(guān)口表小電流點(diǎn)檢定溯源要求，研制小電流標(biāo)準(zhǔn)功率源，給出總體設(shè)計(jì)方案，完成硬件設(shè)計(jì)、信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)、信號(hào)濾波器設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明小電流標(biāo)準(zhǔn)功率源準(zhǔn)確度高，達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，解決了0.3(1.5)A關(guān)口表小電流點(diǎn)溯源困難的問(wèn)題，確保關(guān)口表的計(jì)量準(zhǔn)確、電力貿(mào)易結(jié)算公平公正。