适合高精度关口电能表检定的小电流标准功率源设计

杨静，曾伟杰，王智，申丽曼，苏玉萍

(国网湖南省电力有限公司供电服务中心(计量中心)，湖南 长沙410004)

0 引言

智能电能表是智能电网和能源互联网高级量测体系的基础元件之一，承担电能数据采集、计量、传输和处理的功能，支撑智能电网和能源互联网实现用电负荷管理、分布式能源计量、电网运行调度、电力市场交易和电能质量监测等环节[1－3]。电能表的准确度直接影响到电力系统中的结算公平性，关系到电厂、供电公司和用户的切身利益[4－6]。

关口电能表(以下简称“关口表”)是安装运行在发电企业上网、跨区联络线、省网联络线等关口电能计量装置中的电能表[7－9]。关口表记录的电能量作为技术经济指标统计、核算的基础数据，是电力市场能否正常运行的关键，其计量的准确性直接关系到发供电企业的经济利益和社会效益[10－11]。

关口表准确度等级一般为0.2S级。相对用户计费电能表而言，关口计量的电能量值巨大，负荷变化快速频繁，功率因数变化范围也较宽，有时甚至工作在轻载条件下。这就要求关口表的设计不但要具有高的准确度，而且要有宽的动态范围和快速响应的特性，尤其是在低负荷轻载条件下，负荷特性仍应平坦，保持高准确度，特性曲线不应上翘或下凹。轻载特性是衡量关口表性能的重要指标[12－13]。由于现有电能表检定装置小电流点准确度不够，一般只能满足关口表100 mA以上检定点要求，对于关口表100 mA以下小电流点无法准确计量。因此，研究适合于关口表检定的小电流标准功率源，对于确保小电流点电能计量准确性具有重要意义[14－16]。

基于此，设计一种小电流标准功率源，电压输出范围6～576 V，电流输出范围0.2～120 mA，功率/电能准确度等级0.05级，且在0.3 mA点的电能计量准确度要达到0.5%，在3 mA点的电能计量准确度要达到0.05%。以此解决0.3(1.5)A关口表小电流点的检定溯源要求，确保关口表的小电流点计量准确性。

1 关口表小电流电能计量性能要求

根据相关技术规范要求，0.2S级关口表的电流规格有1(6)A或0.3(1.2)A两种，其中300 mA标称电流的小电流关口表对小电流电能计量提出较高的要求。目前关口表的检定主要参考JJG 596—2012《电子式交流电能表检定规程》和JJF 1245—2019《交流电能表型式评价大纲》，检定溯源标准器采用的是0.05级甚至更高等级的交流电能表检定装置。根据JJG 596—2012《电子式交流电能表检定规程》要求，对于0.3(1.2)A的0.2S级关口表，其起动电流Ist＝0.001In＝0.001×0.3 A＝0.3 mA。

对于关口表的基本误差，JJG 596—2012《电子式交流电能表检定规程》只规定了最小0.01In(3 mA)检定点的要求。根据国家电网有限公司最新技术规范，对于0.3(1.2)A的0.2S级关口表，其最大电流Imax＝1.2 A，最小电流Imin＝3 mA，其在起动电流0.3 mA点的最大允许误差γ＝±0.2%×3/0.3＝±2%，在最小电流3 mA点的最大允许误差为±0.2%。

通常情况下，为保证被检关口表的准确性，一般要求交流电能表检定装置的基本最大允许误差优于被检表最大允许误差的1/3，因此为保证被检关口表在0.3 mA起动电流点和3 mA最小电流点的电能计量准确度分别达到2%和0.2%，检定装置在0.3 mA点的电能计量准确度需达到0.5%，在3 mA点的电能计量准确度需达到0.05%。由此可见，关口表小电流检定点对电能计量装置的准确度要求极高。

2 小电流标准源设计方案

交流电能表检定装置主要用于交流电能表的检定，是向被检电能表提供电能并能测量此电能的器具的组合，也是电能表量值溯源体系中最基础的环节。通常装置由电能输出电路、电能测量标准器(标准电能表、功率表、电能变换器)或电能测量电路、量限扩展电路、电量监视电路(或仪表)，以及辅助测量电路组成。交流电能表检定装置的核心为标准功率源。

设计的标准功率源主要由微处理器、大规模集成电路芯片FPGA、多路A/D和D/A转换电路、功率放大器等组成。FPGA电路芯片可由程控组成系统中的误差计数电路，控制所需的I/O接口，将数字信号传输给DAC，再传输给功放，产生三相电压和电流信号，反馈电路相用于采样输出的U(t)或I(t)信号，传输给ADC变换为数字信号。最终微处理器根据反馈信号对测量的信号进行失真度补偿后，与设定值进行比对，再修正输出量值，以确保输出信号的稳定度和准确性。其原理如图1所示。

图1 标准功率源原理框图

标准功率源工作原理如下:

1)上位机软件设定电压电流各次波形幅度、相位等基本参量。

2)微处理器接收参数设置后，通过以下公式运算绘制波形，并将信号传输给FPGA。

3)FPGA将数字信号传输给DAC，再传输给功放输出U(t)或I(t)波形。

4)反馈电路用于采样输出的U(t)或I(t)信号，传输给ADC变换为数字信号，实现反馈测量。

5)FPGA对测量的信号进行失真度补偿后，与设定值进行比对，再修正输出量值。

为了精准测量输出电流，需要引入反馈测量模块，将微弱电流转换为ADC易采集的电压信号。因此反馈测量模块的一个重要功能是进行I/V变换，该模块也是小电流标准源的核心功能模块，直接决定了仪器的测量精度。

由于传统的反馈测量电路无法对小电流进行准确测量，因此反馈电路采用基于跨阻负反馈的I/V变换模块，其原理是利用跨阻放大器将待测输入小电流转换为电压信号再进行测量，其灵敏度的理论极限由反馈电阻决定，该方法原理如图2所示。

图2 反馈跨阻I/V变换原理

理想的输入－输出的相关性是:

现实运用中，因不存在完美的运算放大器，其开环增益Ad并非无限大，而且，不可避免地暴露出偏置电流IB及输入失调电压VOS的问题。因此，I－V转换的真实输出是:

式中，VOS为放大器的失调电压；IB为放大器的输入偏置电流；Ad为放大器的开环放大倍数。真实的测量出的V0误差是:

运放的三个变量引起的噪声对V0存在一定程度的作用。在测量极为微弱的电流情况下，通常要求放大倍数Ad及反馈电阻Rf的数值足够大。可Rf的值过大会强化偏置电流及失调电压的反作用力，进而加剧热噪声，对稳定性及一致性也构成影响，影响测量的精准性及复现性，所以反馈电阻Rf的阻值选取尤其重要。经过反复试验，最终确定了合理的Rf阻值。最终设计出基于跨阻负反馈的I/V变换模块，如图3所示。

图3 基于跨阻负反馈的I/V变换模块

与电容积分法相比，跨阻法不需要电荷累积的过程，因此其优点在于实时性好，适合测量快速、连续变化的微弱电流，最小测量电流可达到微安级并保证较高的准确度。

被测的电压电流信号需要经过电压转换模块、电流转换模块转换为ADC可以采集的模拟信号，该信号需要经过硬件滤波器，获得ADC可采集的稳定可靠信号。该系统采用有源滤波器，对转换后的信号进行处理。

信号通过截止频率为1 kHz的巴特沃斯LPF滤波器模块。第一级是1阶LPF，第2级和第3级是2阶LPF，3级合起来构成5阶LPF(如图4所示)。各级滤波器的输出阻抗与截止频率无关，输出阻抗很低。

图4 正反馈型5阶巴特沃斯LPF

经过滤波器后，信号进入增益调节电路，调理后的信号为差分信号，抗共模干扰能力强，信噪比高，可有效补偿互感器小电流测量的误差。通过上述处理，采样信噪比达到126 dB，实现了高稳定度测量。

3 实验结果与分析

考虑到关口表工作电压一般为3×(57.7/100)V，在60 V下对小电流标准功率源各电流量程功率进行测试，以此验证小电流标准功率源的技术指标。校准器具为0.01级三相标准电能表，校准方法为标准表法。

不同电压、频率、相角、电流测试条件下的小电流功率源实际输出结果见表1。其中，功率输出值为本文设计的小电流功率源实际输出；功率测量值为标准表测量值，采用0.01级标准表对不同电流下小电流标准源的功率进行了测试；三相电能误差采用脉冲法进行测试，测试结果较好，满足关口表检定需求。

表1 不同电压、频率、相角、电流测试条件下的小电流功率源实际输出结果

4 结语

针对0.3(1.5)A关口表小电流点检定溯源要求，研制小电流标准功率源，给出总体设计方案，完成硬件设计、信号调理模块设计、信号滤波器设计。实验结果表明小电流标准功率源准确度高，达到预期指标，解决了0.3(1.5)A关口表小电流点溯源困难的问题，确保关口表的计量准确、电力贸易结算公平公正。