直流电能计量检测系统的准确性分析

计光荣 王 恩 马敏军 黄祖祥 段吉春 陈文华

（1.云南电力技术有限责任公司；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院）

近年来，随着清洁能源建设的推进和电动汽车的发展，对充电站、充电桩等相关基础设施的研究逐步深入，直流电能表作为直流输出的测量仪器， 其准确性对确保能源交易的公平公正、推进清洁能源建设具有重要意义。 在直流领域的研究，国外起步较早，技术相对成熟，国内对直流技术和检定研究较少，但由于电网结构和参数的差异，不能直接引用，现存的检定系统存在差异，相关的规程和标准在检测方法和指标方面需要进一步完善［1］，同时，保证脉冲采样的精确性、实现高幅值和低纹波的电源等技术难题制约着直流电能表的发展［2］。

国内尚无直流计量检测系统的行业标准，相关的检定试验主要依据直流电能表的相关标准和规程，缺少准确性保证测试方法和技术［3～5］。 为了保证直流计量检测系统检测结果的准确性，对直流电能计量中存在的影响因素，以及量值传递和不确定度进行研究，分析直流电能计量检测系统的计量特性，结合相关规程和标准，提供准确性试验方案。

1 直流电能计量检测系统

国内现有的直流电能计量检测系统主要采用两种方式进行计量：专用电能计量芯片［6，7］和ADC采集芯片［8］，二者的主要区别在于控制器所处理的信息，采用专用计量芯片方式的控制器处理计量芯片输出的电能信息，采用高速ADC采集芯片所设计的直流电能计量检测系统如图1所示。 在采集直流信号时需要将大电流和大电压信号转换成弱电信号。 另外，考虑到数据安全性方面的影响， 采用冗余设计使测试数据不易丢失，提高系统的可靠性［5］。

直流参数相比交流参数要简单很多，直流电能计量系统的主要参数是电压、电流和功率。

2 计量准确性研究

2.1 电能测量方法和误差

根据测试仪测量的电量不同，测量方法主要有瓦秒法和脉冲法。

瓦秒法的相对误差γ的计算式为：

式中 P——测定的功率值；

t——测定的被检表累计电能所需时间；

W0——设定的电能，测量时间段内功率值是恒定的。

脉冲法电能误差测量原理是将测量的电能值转化为脉冲， 并利用脉冲数得出电能相对误差，即：

图1 直流电能计量检测系统结构框图

式中 C0——测试仪的脉冲常数；

CL——被检电能表的脉冲常数；

m——实测脉冲数；

m0——算定脉冲数；

N——被检电能表转的圈数。

传统的瓦秒法在功率上有稳定性和准确度的要求。 文献［8］针对电能表的功率在检测时间段内会产生波动的问题，采集实时电压、电流和检测时间数据， 在检测时间段内进行积分来计算与显示值之间的电能误差。 实测电能W的计算式为：

相比较而言，采用改进的瓦秒法的测量结果更接近于实际输出电能，其误差主要来源于测试仪。

2.2 纹波对计量性能的影响分析

直流信号中存在一定含量的纹波会导致直流电能表的计量结果产生偏差，目前，在纹波影响下的直流电能计量处于起步阶段［9］。 现有的直流电能计量方式主要有两种：利用电压和电流的有效值计算功率， 以及采集电压和电流的瞬时值，再利用积分运算得到功率［10］。 当直流信号中含有纹波时，狭义上，将纹波视为叠加在直流信号上的h次谐波信号，则实时的电压信号u（t）和电流信号i（t）可表示为：

采用电压、 电流平均值法计算的直流功率P1和瞬时积分算得的功率P3的相对误差ε31为：

采用电压、 电流有效值法算得的直流功率P2与瞬时积分算得的功率P3的相对误差ε32为：

假设a=Uh/U0，b=Ih/I0（0≤a、b≤1），h次谐波电压与电流的相位差ψ=αh-βh（0°＜ψ≤360°），则：

针对纹波导致的计量偏差，文献［10］的分析结果显示采用专用电能计量芯片和低速ADC的检测系统对纹波信号的衰减程度存在差异，文献［11］着重从电能计量方法上分析纹波对直流计量准确度的影响，该文献中的试验结果表明当纹波含量大于10%时，电能误差明显增大，且采用平均值法的纹波误差分布具有一定的规律，后期可采用软件进行误差补偿。 相关文献也针对纹波提供了抑制方法［12，13］。

2.3 直流电能计量检测系统的不确定度分析

2.3.1 直流电能计量检测系统的量值传递体系

直流电能量值溯源体系还在建设完善中，现存的溯源方法主要采用同步溯源方案， 文献［5］将直流电能量值向电压、电流、频率进行同步溯源，利用功率与三者之间的关联性对装置的准确性进行评估，其溯源的量值传递框图如图2所示，文献［14］采用标准电能表对电动汽车的充电机进行直接测量， 同时利用高精度的标准源Fluke 5700A和5502A对比测量标准电能表进行溯源。

2.3.2 直流电能计量检测系统的不确定度评定

文献［15］分析了检测系统的误差来源，对系统的不确定度进行评定， 采用A类评定方法计算被检表测量重复性误差γ1引入的标准不确定度u（γ1），采用B类评定方法分别计算检定装置测量误差γ2引入的标准不确定度u（γ2）和被检表误差数据修约γ3引入的标准不确定度u（γ3），则被检表对电能的测量误差γ（%）为：

灵敏系数为：

图2 溯源的量值传递框图

则不确定度为：

2.3.3 直流电能计量检测系统的检定

依据JJG 842—2017《直流电能表检定规程》，将直流电能表分为直接接入式和间接接入式两类，其原理结构示意图分别如图3、4所示。

图3 直接接入式直流电能表原理结构框图

图4 间接接入式直流电能表原理结构框图

实际应用中，由于直接接入式的计量特性会容易受内部空间和元件自热的影响［16］，目前大多数采用间接接入的方式。 针对间接接入式直流电能表的计量准确性，文献［17］分别对采用单独检定方法和整体检定方法所引入的误差进行了分析，试验结果表明在不同的负载点，两种检定方法均存在较大的偏差，并且被检表的小信号电压的输入阻抗会直接影响电能计量的准确性。

2.4 直流电能表的校准和准确性保证试验

装置的准确性保证需要考虑装置的精度和测量的影响因素，对装置的精度进行评价时需要依据溯源结构图计算电能的相对误差，但为了减少噪声对测量准确性的影响，需要根据装置电气结构采取相应的措施和测量方案。 文献［18］根据电压电流功率与输出频率的关联性进行了不确定度评估，考虑到电压、电流脉冲频率在测量过程中会引入较大的误差，在测量时，分别采取了相应的抑制措施和测量方案。

在对装置进行校准时，根据不同的量程选择对应的分压器和分流器， 得到两个采样电压，将它们均经过缓冲器缓冲，最后用矢量分析仪进行测量分析， 引入的误差主要来自于电压分压器、分流器、缓冲器和电压矢量分析仪［18，19］。 此外，考虑到装置的电磁兼容性、 高低温等因素的影响，准确性的评价应综合考虑装置的内部结构和测试环境影响因素。

综上， 直流电能检测系统的准确性保证试验，不仅需要依据DL/T 1484—2015《直流电能表技术规范》、JJG 842—2017《电子式直流电能表》、GB/T 33708—2017《静止式直流电能表》的要求，测量参比电压、参比电流的基本误差，以及进行纹波影响试验， 还应该注意以下4个方面的影响因素：

a. 量化误差。在小信号情况下量化误差可能远大于电能计量算法误差，因此在考虑检测系统的不确定度时，量化误差也是数字电能计量系统中重要的组成部分［20，21］。

b. 参比电压、电流下的基本误差。 相对于交流电能表，直流电能表的检定需要较宽的电流测量范围和电压测量范围，文献［22］表明直流电能表在进行测试时由于负载和电压的变化范围较大，不能只局限于额定电压。

c. 电能计量稳定性实验。 依据JJF 1033—2016《计量标准考核规范》对于稳定性考核的要求，以及文献［23］的研究表明，电能表由于长时间工作元器件发热会影响电能计量准确度，因此有必要进行电能计量稳定性试验。

d. 电气间隙和爬电距离。设备的绝缘性能和瞬态过电压或峰值电压对于设备的整体性能有很大的影响，文献［22］对直流电能表产品电气间隙和爬电距离进行了分析与测试，对整体的计量器具进行了考核。

3 结束语

除了进行纹波测试以及计算参比电压、电流下的基本误差外，依照标准和规程，需要进行外观检查、绝缘电阻试验、潜动试验、起动实验、暂停中断试验及正反向计量试验等，测试并记录复杂实验室环境下的各部分计量参数。 更进一步地，为了深层次保证仪表的准确性，将对系统的静态性能、动态性能进行分析，对小信号电压的计量特性进行研究，完善试验评估体系。