直流电能表检定装置校准结果的不确定度评定分析

崔瑛妤 谢长君 姜海洋

摘 要：通过间接溯源的方式对直流电能检定装置进行校准，使用高精度数字多用表同时校准装置电压、电流、脉冲频率量值，利用功率定义和高频脉冲频率与功率的关系计算装置误差，并考虑高精度多用表误差、分辨力、被校装置输出量的不稳定度进行校准结果的不确定度评定。结果表明此校准方法具有较高的可信度。

关键词：直流电能;标准装置;间接溯源;准确度;不确定度评定

引言

目前直流电能表的运用范围远没有交流电能表广泛。目前直流电能表的溯源体系不够完整，特别是高准确度的直流标准电能表存在溯源难等问题，其主要原因在于没有相应的检定规程、校准规范，同时高精度的国家基准也没有建立。随着电动汽车充电站的发展，使用直流电能表对充电电能进行计量并结算已成为趋势。国家电网公司相继发布多个企业标准规范充电站直流计量工作，直流电能计量装置的溯源越来越重要。现有的直流电能标准装置分为两种类型，一种是独立式标准表，仅能计量直流功率，输出电能脉冲;另一种是表源一体化检定装置，该装置内嵌标准电能表，能输出稳定的直流电压、电流，可直接对低准确度等级的直流电能表进行量值传递。文中针对第二种装置的溯源展开论述，第一种装置的溯源思路与之类似。

1 工作原理

直流电能表检定装置的测量方法参考JJG1085-2013《标准电能表》及JJG842-2017《电子式直流电能表》检定规程相关内容进行试验。试验参比条件：温度20℃、相对湿度为58%，用直流电能表检定装置校准0.01级直流标准电能表，通过直流电能表检定装置与被检直流标准电能表同时测得的电能值进行比较，计算被检直流标准电能表的相对误差。

2 直流电能表校准装置的构成

为了解决高准确度标准直流电能表的校准问题，本文基于電压、电流采样的方法来设计直流电能表校准装置。该装置主要由直流电压源和直流电流源构成直流功率源、直流比较仪、标准电阻、3458A数字多用表（两台）、53230A频率计数器、33250A函数发生器和测量控制系统组成。装置构成如图2所示。装置的工作原理为：功率源的直流电压输出测量直流电压信号给被检直流电能表和数字多用表3458A;直流电流输出测量直流电流信号给被检直流电能表和直流电流比较仪，直流电流比较仪次级输出直流电流，经过标准电阻后转换后由数字多用表3458A进行测量;频率计数器53230A接收被检标准直流电能表的电能输出;函数发生器33250A输出同步信号至数字多用表和频率计数器，产生同步采样时钟信号;通过IEEE488（GPIB）接口将数字多用表、函数发生器、频率计数器与计算机相连。在一定的测量时间间隔内，利用两台数字多用表3458A的积分型ADC同时采样测量变换后的电压信号，并由测量软件计算得到平均标准功率值，同频率计计算得到的被检标准直流电能表的平均功率值进行比较，得到直流电能表的基本误差。

3 校准结果

按照上述方法对直流电能检定装置开展校准，以100V，20A量程，脉中输出5V量程为例，校准数据如表1所示。从单个项目来看，被校装置的电流、电压、脉冲频率均达到了0.01%的准确度水平，按照式（3）计算得到的电能功率计量误差如表2所示。校准结果表明电能功率计量的准确度优于0.05%，且不同负载点下的计量误差均较稳定。对于校准结果的不确定度，按照式（5）再转变为相对不确定度来计算。功率计量校准结果的最大合成相对不确定度为：

取扩展系数为k=2，置信概率95%，校准结果的扩展不确定度为：U=2×uc=0.02%。

4 装置应用前景和社会效益

直流电能表校准装置建立后可以满足华东地区直流电能表量值传递需要，可以提供直流电能表量值溯源服务，为直流电能贸易结算提供技术保障。该装置建立后可以支持太阳能、新能源汽车、风力发电、轨道交通、储能电池等新能源产业的发展。保障能源交易的公平公正，为实现清洁能源建设提供技术支持。同时为直流电能表生产企业、上海电力公司以及华东地区直流电能表生产和使用单位提供技术帮助。

结语

在直流电能国家基准尚未建立，直流电能计量溯源体系尚不完备的情况下，通过分部式溯源方法，将直流电能表检定装置的电压输出、电流输出、脉冲频率量值经高精度多用表进行分部校准，再通过功率定义来计算装置的相对误差。不确定度的评定考虑了标准装置的误差、分辨力、被校装置输出的不稳定度。校准结果表明，直流电能表检定装置各环节输出量值的相对误差达到了0.01%，功率计量相对误差优于0.05%，可以对0.2级及以下准确度等级的直流电能表展开溯源。另外，校准结果的扩展不确定度也较低，这说明校准过程规范、正确，结果具有较高的可信度。文中使用的方法对其他等级直流电能标准的溯源也具有借鉴作用，该方法在直流电能计量溯源体系的建设中也能起到辅助和验证。

参考文献：

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（本溪市计量测试所，辽宁 本溪  117000）