柯瓊賢

（廣東省茂名市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所，廣東茂名 525000）

隨著智能電表的IR46 標(biāo)準(zhǔn)出臺以及通信技術(shù)的發(fā)展，智能電表的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。除國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)公司外，智能電表在家具行業(yè)、家用電器行業(yè)、食品行業(yè)以及居民的日常生活中，都有一定的應(yīng)用。智能電能表在電網(wǎng)用戶用電量等方面發(fā)揮重要作用，對電能表計量精度的優(yōu)化有利于維護(hù)用電與供電雙方的效益，因此對電能表計量精度的優(yōu)化成為相關(guān)單位的研究重點(diǎn)。本文從溫度對電能表計量精度的影響方面著手，通過模擬仿真的方式研究了溫度與電能表計量精度之間的聯(lián)系，設(shè)計了一套適用于智能電能表的精度補(bǔ)償方法，有效滿足了電能表在全溫度范圍的高精度計量需求。

1 電能表計量精度優(yōu)化研究的必要性分析

電能表出廠前需要在常溫環(huán)境中對計量精度進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)校，然而在實(shí)際應(yīng)用過程中，電能表所處的環(huán)境溫度范圍較大，在寬溫度環(huán)境中的計量結(jié)果也會出現(xiàn)不同程度的誤差，因此出廠前的調(diào)校工作無法徹底調(diào)查電能表計量誤差。部分研究人員針對電能表計量精度提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略，雖然能夠進(jìn)一步提升電能表在實(shí)際應(yīng)用中的計量精度，但是大多數(shù)研究成果主要針對電能表的設(shè)計環(huán)節(jié)，重點(diǎn)考慮了各種確定性因素對計量精度的影響，對于環(huán)境溫度、元器件參數(shù)變化等不確定因素研究得不夠深入。相對而言，我國地域范圍遼闊，不同區(qū)域具有較大的溫差，電能表在各地展現(xiàn)的精度性能也有所不同，各元器件也容易在環(huán)境的影響下出現(xiàn)不同程度的變化，隨著誤差的持續(xù)累積，最終將影響計量精度，因此有必要針對出廠的電能表，研究從溫度角度優(yōu)化精度的方法[1]。為研究電能表精度受溫度的影響情況，相關(guān)研究人員提出了能夠測量電能表工作溫升的方法，對于研究電能表不同溫度時的狀態(tài)具有積極意義；為補(bǔ)償溫度帶來的計量精度誤差，相關(guān)研究人員提出了采樣芯片增益控制的補(bǔ)償方法、永久磁鐵加裝補(bǔ)償片的方法、調(diào)整晶振振蕩頻率的方法等，但上述補(bǔ)償方法未能將電能表內(nèi)部計量芯片、電阻受溫度的影響情況考慮在內(nèi)。為此，相關(guān)單位有必要加強(qiáng)對電能表計量精度優(yōu)化方法的研究深度，本文從溫度補(bǔ)償角度入手，通過仿真模擬的方式掌握了電能表計量芯片、電阻、CPU 等精度相關(guān)部件與溫度之間的聯(lián)系，通過實(shí)測對模擬仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證分析，建立了溫度補(bǔ)償?shù)哪Ｐ退惴?，?shí)現(xiàn)了對電能表計量精度的優(yōu)化提升。

2 電能表的計量原理

基于智能芯片制造的智能電能表具有計費(fèi)、計時、計量功率、通信、用電管理等多樣化功能，常見的單相電能表主要結(jié)構(gòu)包括單片機(jī)處理系統(tǒng)與計量系統(tǒng)。計量系統(tǒng)的保障電能表計量精度的核心部分，對電壓信號的采集需要借助電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來完成，對電流信號的采集則需要借助電流互感器來完成，各部件采集的電流與電壓信號組織傳輸至計量芯片進(jìn)行內(nèi)部處理，芯片中的乘法器相關(guān)模塊能夠以脈沖信號的形式將電流電壓信號的乘積，即功率信號傳輸至單片機(jī)內(nèi)部，傳輸通道為SPI 總線，單片機(jī)接收到脈沖信號后進(jìn)行累加計算，最終實(shí)現(xiàn)對用電功率、費(fèi)用的實(shí)時計量，同時也能夠滿足對各部件的控制功能需求。

3 電能表計量精度優(yōu)化工作流程

為實(shí)現(xiàn)對計量精度的優(yōu)化，本文借助Ansys 建立了某常用電能表的熱電耦合模型，通過仿真測試的方式掌握了采樣電阻、計量芯片影響計量精度的關(guān)鍵部件以及電能表整體與溫度之間的聯(lián)系；借助Simulink 建立電能表計量模塊的模型，對精度進(jìn)行仿真計算。在仿真模型之中加入電能表溫度分布、電阻與芯片溫度特性相關(guān)參數(shù)，評價各溫度狀態(tài)下的電能表計量精度變化情況，根據(jù)仿真結(jié)果計算補(bǔ)償芯片、電阻溫度特性的系數(shù)，從而優(yōu)化電能表計量模型，最后通過實(shí)際測試對補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析[2]。

4 電能表溫度場仿真分析

在利用Ansys 建立電能表仿真模型期間，需要詳細(xì)分析電能表的結(jié)構(gòu)狀況，在掌握電能表詳細(xì)信息的基礎(chǔ)上借助Altium Designer 功能完成PCB 板的繪制工作，同時將電能表元器件3D 封裝模型從軟件中選取并添加，在無響應(yīng)模型的情況下則需要借助Solidworks 建立相應(yīng)模型，最終建立能夠滿足測試需求的3D 電能表模型，確認(rèn)該模型具備熱仿真測試需求的基礎(chǔ)上，將其外殼封裝，最終實(shí)現(xiàn)整體電能表模型的構(gòu)建，本文主要針對某單相電能表進(jìn)行研究。將電能表模型劃分網(wǎng)格，對各元器件的環(huán)境參數(shù)、重力矢量、材料屬性等進(jìn)行配置，仿真測試得到其溫度場的分布情況，同時針對關(guān)鍵部分進(jìn)行仿真、實(shí)測對比測試，根據(jù)測試結(jié)果修正關(guān)鍵元器件的參數(shù)，得到更貼近實(shí)際的仿真模型[3]。為研究仿真模型的測量精度，本文選取70℃、50℃、30℃三種環(huán)境溫度在5 A 額定參數(shù)下進(jìn)行12 h 的連續(xù)測量，得到數(shù)據(jù)結(jié)果如表1 所示。結(jié)果表明，在三種溫度環(huán)境之中，電能表實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果相差不大，誤差最大值僅為9%，該仿真模型能夠較為可靠地完成電能表在不同環(huán)境時的溫度分布狀況分析。

表1 仿真與實(shí)測結(jié)果對比

5 電能表在各溫度狀態(tài)下的計量精度評價

電能表計量精度主要與計量芯片、錳銅分流采樣電路、電阻分壓采樣電路三部分存在關(guān)聯(lián)。其中，分流采樣電路的關(guān)鍵部件包括濾波電路與錳銅電阻，電能表通過采集流通電流的錳銅電阻兩端電壓獲取其電流參數(shù)；分壓采樣電路主要為680 Ω（1 個）的電阻與150 kΩ（6 個）的電阻串聯(lián)組成，采樣電路主要采集680 Ω 電阻端電壓，為保證測量穩(wěn)定增加了R（1 000 Ω）C（33 nF）濾波電路；計量芯片用于轉(zhuǎn)化電壓信號的相位，通過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)化后通過邏輯公式將采樣得到的電壓、電流參數(shù)轉(zhuǎn)化為瞬時功率參數(shù)[4]。因此電能表計量結(jié)果與電流、電壓參數(shù)結(jié)果存在關(guān)聯(lián)，而電流電壓結(jié)果則與電阻等存在關(guān)聯(lián)，結(jié)合溫度與電阻之間的聯(lián)系，需要考慮溫度對計量精度的影響。對于批量生產(chǎn)的電能表而言，由于各元器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的微小差異，導(dǎo)致最終出廠的電能表計量回路關(guān)鍵部件存在不同程度的差異，因此在優(yōu)化計量精度的過程中需要考慮分壓、分流參與回路的電阻波動情況，本文將錳銅電阻與分壓采樣回路電阻波動范圍分別控制在±6%與±1%；同時考慮芯片基準(zhǔn)電壓的波動因素，通過實(shí)測將波動范圍設(shè)定在±0.12%。本文選擇利用計量誤差對計量精度進(jìn)行評價，評價標(biāo)準(zhǔn)參考JJG 596-2016《電子式交流電能表》，通過Simulink 仿真測試與實(shí)測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)溫度對計量精度具有較大影響。

6 電能表計量精度的溫度補(bǔ)償系數(shù)計算

分壓采樣電路電壓參數(shù)計算公式如公式（1）：

其中，UT代表不同溫度時的電壓采樣結(jié)果，U為電壓實(shí)際輸入值，R7=680 Ω，其他電阻均為150 kΩ，因R7 與其他電阻結(jié)構(gòu)性能參數(shù)有所不同，因此在不同溫度時的變化情況也有所不同，最終的電壓采樣結(jié)果也會產(chǎn)生變化。

對于分流采樣電路，因錳銅電阻受溫度影響較小，因此不考慮溫度對電流采樣結(jié)果的影響，此時認(rèn)為IT=I。計量芯片對分流采樣電路電流I與分壓采樣電路電壓UT進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，相乘得到瞬時功率，將功能乘以時間得到電能參數(shù)，具體如公式（2）：

其中，t為時間，T為溫度，WT為不同溫度時的電能，I為電流，UT為電壓，Vref為參考電壓。假設(shè)常溫時的電能為WT，T’溫度時的電能為，可以得到下列公式（3）：

其中，Vref為常溫狀態(tài)下的參考電壓，數(shù)值為1.25 V。通過實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)，計量芯片參考電壓與溫度的聯(lián)系如公式（4）：

電壓采樣結(jié)果與溫度之間的關(guān)系如公式（5）：

其中，TR為電阻所處溫度，C為電阻溫度系數(shù)。

電能表在溫度T’時的理論值與實(shí)測值比值，即溫度補(bǔ)償系數(shù)計算公式如公式（6）：

該補(bǔ)償系數(shù)可用于修正電能表計量結(jié)果，提升計量精度。

7 電能表計量精度溫度補(bǔ)償效果驗(yàn)證

選擇生產(chǎn)50 只具有溫度補(bǔ)償效果的電能表與無補(bǔ)償效果的電能表進(jìn)行對比，得到數(shù)據(jù)結(jié)果如表2 所示。

表2 優(yōu)化前后計量精度對比

數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在溫度補(bǔ)償系數(shù)的影響下，電能表的計量精度大幅度提升，精度優(yōu)化倍數(shù)在15℃時最低，為0.9 倍；在-15℃時最高，為12.7 倍，優(yōu)化倍數(shù)與該溫度時的計量精度貼近出廠設(shè)計溫度有關(guān)，經(jīng)過補(bǔ)償，電能表的計量結(jié)果受溫度影響變化幅度更低，能夠滿足高精度測量需求。

8 結(jié)論

綜上所述，本文研究的電能表計量精度優(yōu)化方法能夠充分解決傳統(tǒng)智能電能表在不同溫度環(huán)境下存在的計量精度波動問題。本文通過Ansys 搭建了電能表的仿真模型，通過模型對全溫度范圍時的電能表溫度場進(jìn)行了模擬分析，明確了不同環(huán)境溫度下計量芯片、分壓采樣回路、分流采樣回路等關(guān)鍵元器件的溫度變化情況，通過對模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，仿真模擬誤差最高不超過9%，能夠滿足溫度補(bǔ)償測試需求；通過Simulink對不同溫度時的電能表計量結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證分析，明確了電能表的精度評價方法并建立了能夠滿足電能表在全溫度范圍的自適應(yīng)補(bǔ)償模型算法，最終通過實(shí)測驗(yàn)證了溫度補(bǔ)償系數(shù)在優(yōu)化計量精度方面的實(shí)用性。