直流电能表校验技术分析

杨永建　杨思学

摘要：随着电动汽车应用的普及和应用日益广泛，直流电能表是目前一种十分普及的计量工具，目前我们研究的主要课题就是直流电能表的校验技术，已经是目前研究的热点。根据实际的研究和分析，提出了全新的直流电能变校验技术，并通过实验与传统的直流电能表校验技术进行了对比，以实验数据证明了该方法的可行性以及比传统方法的优越性。

关键词：直流电表;校验

直流电能表是针对直流屏、太阳能供电、电信基站、地铁等应用场合而设计的，已广泛用于太阳能电池板、直流电源等直流信号设备的电能值测试中，但其测量的电压电流范围往往较小，并很少作为贸易结算的依据。随着国民经济的发展，对交通工具的节能环保的要求日益迫切。以蓄电池为动力的电动汽车由于节能环保的特性，作为国家新能源战略的重要组成部分，正在越来越广泛的成为一种新型的交通工具。电动汽车充电站内的计量器具能否符合法定管理要求直接关系到贸易结算的公平公正以及我国电动汽车产业的发展。目前，对电动汽车充放电所用的计量检测技术还不成熟，对电动汽车充电桩的计量，最常用的还是在整流前采用交流电能表进行计量，该方法的缺陷在于不可避免的带入整流所造成的误差，并会将整流时带来的电能损耗算在用户侧，增加用户用电费用。因此为了避免给用户带来不必要的损失，在直流侧直接进行直流电能的计量是一种更为可取的方式。而非车载的直流充电机也只能采取这种方式。针对电动汽车充电过程中电压电流范围比较宽的特点，与普通的直流电能表计量相比，对工作于电动汽车充电站的直流电能表的计量提出了更高的要求。

1 接入式直流电能表校验装置原理简述

直流电能表检定装置由程控电压源和电流源、标准直流表、误差显示器和PC电脑等构成。检定时通过PC电脑上的管理软件发出命令给直流标准源，直流源接收到命令后输出检定点的直流电压和电流，标准直流表和被检表同时对直流电压和电流进行连续采集，经过计算，两者一起发出电能脉冲给误差显示器，误差显示器计算电能误差后在显示屏上显示，同时把误差值通过通信线发给PC电脑，PC上运行的管理软件。

2 实现方法及原理

2.1 实验系统搭建

在没有专用直流电能表校验装置的情况下，目前最常用的还是瓦秒法。 本文就两种方法进行了一个对比。瓦秒法即在加于被测电能表功率恒定不变的情况下，在给定的时间内计算被测电能表示值与算定电能度数相比较的误差。在瓦秒法中，采用的直流电能表为四川启明星蜀达电气有限公司提供的 DJS99 型直流电能表， 其规格为： U n =700 V ， I b =200 A （经 75 mV 分流器输入），准确度等级为 2 级。为直流电能表提供 75 mV 信号的是 FLUKE 公司生产的高精度多功能校准器 5720 ，为直流电能表提供电压信号的是潍坊华光高科电子有限公司生产的DO30-E+ 型多功能校准仪。直流电能表通过外部交流电源 220 V 供电。 采用秒表计时，十分钟后，手动控制秒表停止计时，每个负载点测十个数据计算平均值， 由被测表计数器示数变化与算定电能之间的差，再除以算定电能值，得到被测直流电能表的相对误差。

2.2 实验原理

本实验系统的原理为：由高精度多功能校准器FLUKE5720 提供的毫伏信号计算出经过分流器之前接入电能表的电流值，再乘以 DO30-E+ 型多功能校准仪提供的电压值，得到提供给电能表的功率值。采用虚负荷方式工作的电能表检验台 PTC-8320M 设置为单相校验模式，并将 A 相电流端用短接片短接起来，使其输出对应的功率值。电能表校验的核心原理就是将功率转化为固定频率的脉冲数的输出，一定时间内累计的脉冲个数即代表了这段时间内累积的电能值，因此将电能值的比较转化为脉冲数的比较。理论上，如果功率恒定不变， 则一定时间内累计的脉冲数也为一恒定值，即功率与脉冲常数的乘积应该为一恒定值。因此本次实验采用在一定的时间内比较脉冲数的方法，即电能表脉冲常数与电能表所测直流功率的乘积和电能表校验台脉冲常数与电能表校验台功率乘积相比较的原理，利用电能表检验台的误差计算器，即在标准电能表与被测电能表都在连续工作的情况下，用被测电能表输出的脉冲控制标准电能表计数来确定被测电能表的相对误差。累积比较脉冲数的时间段取决于电能表校验台所设圈数，所设圈数越多，该时间越长，则测试精度越高。 电能表校验台虽然不能提供直流电能表实际所需的较大的功率值，但是其脉冲常数可以在很大的范围内任意设置，因此该方法简单而可行。

3 不确定度分析及实验结果验证

基于上述理论分析，在原理正确的前提下还需要进行不确定度分析，看是否测量结果的不确定度在允许的范围以内以证明该方法的可行性。如果采用瓦秒法，其不确定度来源有测量重复性引入的标准不确定度、数据化整引入的不确定度、多功能校准仪引入的标准不确定度、高精度多功能校准器引入的标准不确定度、秒表测量准确度引入的标准不确定度和手动测量时间误差引入的标准不确定度，在 700 V ， 200 A（对应 75 mV ） 负载点算得相对误差的扩展不确定度 U 为0.16%。采用新方法的测量结果 +0.041% 符合被测表的准确度等级 2 级要求，而扩展不确定度小于瓦秒法的测量结果的扩展不确定度0.16% ，并且满足小于被测电能表等级十分之一的要求，证明了該方法与瓦秒法相比较的优越性以及用于该型号的直流电能表校验的可行性。

4 国内外研究水平综述

由于以前基本没有直接接入式的大量程的直流电能表的应用，国家电网的各电网公司还没有建立对直接接入式直流电能表进行检定和校验的软件条件和硬件设备。国内目前也缺乏能对直接接入式直流电能表进行检定的设备。对于国内来讲，目前只有深圳科陆电子有一款产品，名称为：便携式直流电能表检定装置，型号为：CL6230。其功能较为简单，是一个直流稳压源和直流稳流源，其电压范围为30～700 V，电流可以输出到30 A，电流输出较小。从国际上看，美国福禄克（Fluke）公司的6100 A可以输出直流电压和直流电流，但是不能计量直流电能，不能用于直流电能表的检定，其可以用于直流电压或电流的单独溯源。福禄克的5520 A可以测量0～1020 V的直流电压，精度为50ppm，可以测量0～11 A的直流电流，并且可以校准功率，但是没有电能累计功能，不能用于电能比较。国外在直接接入式高精度直流标准源输出方面还没有相应的产品和研究。

5 结束语

本文介绍了一种全新的直流电能表校验方法，即用现有的传统的三相电能表校验装置作为误差比较器进行校验，与传统方法进行了比较，并对测量结果进行了不确定度分析。结果表明，所用实验系统的设计符合计量检定规程的要求，并用实验数据证明了该方法的可行性，数据准确可靠。在当前专用的直流电能表校验装置技术尚不成熟，并且普遍价格昂贵的背景下，这种利用传统装置的校验技术既大大节约了成本，又克服了瓦秒法中人为控制带来的较大的不确定度，在直流电能表的法制计量以及研发阶段的调试、试验过程中都具有广阔的应用前景。此方法可以推动电动汽车充电桩直流电能表计量工作在国内的发展，为我国的节能环保事业做出贡献。

参考文献：

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