提高电能表现场校验仪抵御温度干扰能力的技术（电力）

 提高电能表现场校验仪抵御温度干扰能力的技术（电力）

李作锋¹，黄奇峰^2，3，郑爱霞^2，3，杨世海^2，3，周赣⁴，陈铭明^2，3，赵双双^2，3

（1．国网江苏省电力公司，江苏南京  210024;2．江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京  211103;3．国家电网公司电能计量重点实验室，江苏南京210019;4．东南大学电气工程学院，江苏南京210096）

摘要：受高低温环境温度的影响，电能表现场校验仪的现场测量精度可能会显著下降，无法做出正确检定。通过对电能表现场校验仪的测量原理和硬件结构的深入分析，揭示了高低温环境对校验仪测量精度的影响机理，提出了一种基于关键元器件温漂系数综合优化的改进方案，并研制了样机。试验结果表明，在-30～55℃，样机均能够保持0.05s级准确度，平均温度系数不超过0.08。

关键词：电能表：校验仪：现场：温度：干扰

中图分类号：TM76      DOI：10.11930/j．issrt．1004-9649.2016.04.027.05

0引言

    测试仪（校验仪）出厂性能检定必须在指定参数条件下进行，主要包括：环境温度、

环境湿度、电压、频率、波形、功率因数，磁感应强度等。值得注意的是，明确提出了“温度系数”的概念（百分数误差改变量与产生此改变的温度变化之比值）和对应限值，该系数用来计算不同环境温度变化引起的误差变化极限。如标准规定0.05S级校验仪的出厂检定参比温度为23℃，温度系数限值为0.3，假设现场温度为-30℃，相比较于23℃时的出厂检定误差．可以计算出-30℃低温环境下的仪器误差变化极限为0.3x(23+30) =15.9。综上所述，现有标准已经考虑了现场温度扰动会对校验仪测量精度产生不良影响，而且从上述例子可以看出，现场高低温可能会对仪器测量精度产生较大影响。

    中国幅员辽阔，各省市的温度在不同季节、不同时刻差异很大，大量实践结果表明．受到现场高低温的影响，校验仪测量精度可能会显著下降。冈此，改善电能表现场校验仪的“温度系数”，使其在宽温环境下仍能保持准确度等级．是电能表现场校验亟须解决的关键技术。

    在介绍了现场校验仪的测量原理之后．本文分析了温度对校验仪测量精度的影响机理．并且提出了对应的硬件改进方案。试验结果表明，在-30—55℃的宽温，改进后样机均能保持0.05S级准确度，平均温度系数不超过0.08，在温度系数这一指标上达到了公开文献的最高水平，可有效抵抗现场温度变化对电能表校验的不良影响。

1  硬件改进方案

1.1  基本测量原理

    图1给出了校验仪样机的硬件原理，其工作机理为：(1)三相电流经过电流互感器变换为小电流信号，再经过一个0.4 的采样电阻将其转换为小电压信号。三相电压U _a、U _b、U _c经过分压电路转化为小电压信号．2个分压电阻分别为20和400。小电压信号经过调理之后送至AD转换电路．，(2)采用整形电路将三相正弦信号转换为同频率的脉冲信号，再由FPGA倍频后控制AD进行模数转换。图1中晶振片用来产生采样的时间基准。(3)FPGA实时存储AD采样结果，再传送给CPU进行后处理，完成电压、电流、功率、电能等物理量的计算。功率频率转换模块负责输出电能脉冲，用来校验电能表。

 

1.2基于元器件温漂系数综合优化的改进方案

    电能表现场校验仪采用比较法测量现场电能表的误差，以校验仪作为标准表，将其测量的电能E与电能表测量的电能R进行比较，得出的相对误差即电能表误差为其中，校验仪测算稳态电能的计算公式为

 

由式(1)、式(2)可知，要提高校验仪的测量

精度就必须提高电压、电流和相位的测量准确度。

    现场温度变化会引起电子元器件发生温漂．进而影响电压、电流、相位的测量准确度和校验仪的整体测量精度。校验仪中较易受环境温度影响的元器件主要包括采样电阻、电压基准、运算放大器、品振等。上述元件的温漂耦合起来对测量精度产生不良影响，甚至造成仪器超差。下文将详细介绍一种基于关键元器件温漂系数综合优化的硬件改进方案。

1 .2.1  电压测量电路的改进

如图2所示，待测量的交流电压U首先经过

到低温-30℃时，电阻的变差为5x50／10⁶=0.025%，当环境温度由高温55℃变到低温-30℃时，电阻的变差高达5x85/10⁶=0.042 5%。此变差对于0.05S级校验仪的影响非常巨大，凶此必须提高R₁和R₂的温度稳定性。据此推论对测量电压同路的精密采样电阻R₁和R₂进行优化配置，

使其温漂系数组合最小，可以有效提高电能表现场校验仪的现场抵御温度十扰能力。

 

1.2.2  电流测量电路的改进

    如图3所示，待测量的交流电流，首先经过高精度电流互感器（变比2 00011, 400匝补偿）转

AD转换电路，，与电压测量部分类似．输入到运放

 

    据此推论对测量电流回路的精密采样电阻R₁进行性能提升可以有效提高电能表现场校验仪的现场抵御温度干扰能力。

 

1.2.3运放电路的改进

    图2、图3中的电压和电流信号经过调理之后，都需要经过高精度运放电路来增强信号的驱动能力。样机中运放增益G=l,改进前校验仪采用AD620AR运放芯片，其输出电压温度漂移为，假设运放的输入信号为AD满度的一半1 V．则当环境温度由常温20℃变化到低温-30℃时，运放输出的变差为(5 x50／10⁶)／1=0.025%．此数量级的变差将对0.05S级校验仪的测量精度产生较大影响。

    考虑到AD的采样精度还直接受外部电压基准的温度变差影响，推论提升AD转换单元自身和外部电压基准的抗温漂性能，同时可有效提高电能表现场校验仪的现场抵御温度干扰能力。

1.2.4晶振电路的改进

    样机中．FPGA提供同步信号给AD来采集电压和电流，其产生的同步采样信号直接影响电压和电流间的相位关系。而FPGA产生的同步采样信号的准确度主要由外部40 M晶振决定，因此提高外部晶振的抗温漂性能可提高电能表现场校验仪抵御外界温度于扰的能力。

1.3提升抵御温度干扰能力的技术方案

    基于E述分析，对影响校验仪整机温度干扰能力的关键元器件进行温漂系数综合优化．令不同元器件的温度曲线达到组合最优．通过样机改进与试验验证反复交替进行的方式，最终实现校验仪整机抵御温度干扰能力最优。

2改进效果验证

2.1  试验平台

    采用设计分析获得的改进方案对样机硬件进行改造，为验证改进效果，搭建了图4、图5所示试验平台。

 

    (1)试验平俞主要由待检样机（0.05S级）、i相标准功率表（0.02S级）、三相标准功率源、温度控制箱等装置组成，样机置于温度控制箱内部．(2)通过控制温度箱的内部温度米模拟现场宽温环境，在-30℃、-15℃、0℃、20℃、40℃、55℃ 6个离散点进行试验，每次试验都将样机在温箱内静置4 h．保证温度影响已经传递到样机电路，、为确保标准表测量精度，将标准表置于20℃的实验室环境下。(3)标准功率源的电压和电流同时输出到标准功率表和样机，以标准表输出为真值．通过比对标准表和样机的输出来计算校验仪在高低温环境下的误差。

2.2结果分析

    表1和表2分别给出了改进前后电压和电流测量值的相对误差统计数据，其步骤和结果如下。

 

    (1)将改进前的校验仪作为待检样机放人温度控制箱，测量表2中6个离散温度点的电压、电流、功率误差，统计结果形成改进前相对误差数据；同理，将改进后的校验仪作为待检样机放入温度控制箱，测算形成改进后相对误差数据．

    (2)确定电流误差试验的测量点为10%、20%、100%额定电流，分别对应表中的0.5 A、1 A和5A，电压取额定，、

    (3)表1所示的电压相对误差统计数据表明：在-30℃、-15℃两个低温点，相对误差绝对值南改进前的平均9.34降至1.46：在55 的高温点，相对误差绝对值由改进前的平均1 .20降至0.29 ；改进前，和55℃高温相比．-30℃低温对误差影响更大，其中一个重要原因是电子元件一般都以20℃作为参考给定参数，低温-30℃时元件温漂更大：校验仪是在23℃下进行出厂检定的，改进前后样机在20℃下的误差都很小。

 

    (4)表2所示的电流相对误差统计数据表明：改进前，低温下有个别点超过了5，改进后，误差都控制在5%。。内。对比表1电压数据可看出，高低温对电流的影响小于电压，其中一个重要原因是电压的分压采样电路由2个阻值分别为20 、400的电阻构成，采样精度受到2个电阻温漂的耦合影响，而电流采样精度只受一个0.4电阻的温漂影响，更易控制和补偿。

 

    表3和表4分别给出了改进前后功率测量值的相对误差统计数据，试验步骤和结果为：(1)按照DL/T 826-2002的相关规定，接线方式采用三相四线制（三相三线制的试验结论类似），功率因数取1.0、感性0.5、容性0.5的3个点，线电流取0.5 A.1A.5 A的3个点，线电压取额定电压。(2)表3所示的改进前功率误差统计数据表明：尽管样机的“温度系数”没有超出限值0.3，但在-30℃、-15 ℃2个低温点，误差几乎全部超过了5，尤其是在-30℃时，误差绝对值接近2倍误差限1 0。高温状态下，校验仪无超差现象，原因是高温时电压和电流均没有超差（详见表1和表2）。(3)表4所示的改进后功率误差统计数据表明：低温时的超差现象得到了明显改善．最大相对误差3.94。出现在-30℃温度点：在-30～55℃ 校验仪误差均不超过5，所有测量点对应的平均温度系数不超过0.08。

3结语

    现场温度变化造成电子元件参数漂移，进而影响校验仪的测量精度，在低温时，改进前样机的电压和功率误差接近10，超差现象严重。本文提出了一种基于关键元器件温漂系数综合优化的硬件改进方案，对采样电阻、电压基准、运放、晶振等关键元器件进行抗温漂性能综合优化以达到提高校验仪整机抵御温度干扰能力的目标．在-30～55 ℃，电压、电流、功率的测量精度都有显著提高，误差均不超过5，平均温度系数不超过0.08。本文提出的技术方案具有可推广性，改进型样机的温度系数指标有了大幅提升．高于现行业标准要求，可适用于发电厂、变电站、用户等温度变化较大的电能表校准现场环境。