（测试计量技术及仪器专业论文）001级三相电能表标准装置的研制.pdf

邦卅大学硕士论文 摘要 摘要 电能是关系国计民生的重要能源，同时也是一种特殊的商品，在当今世界的经济 体系中占有显著地位。作为电能贸易结算中使用的计量器具，电能表的计量准确度直 接决定了贸易结算的公平程度。因此，一个国家电能计量标准准确度的提高，不仅可 以提高其整体电能计量水平，而日能促进能源工业进步，推动国民经济发展。 随着我国电能计量水平的大幅度提高，民用和工业用电能表的准确度已从原来的 2 0 级提高到1 0 级、0 5 级，甚至有些工业用表已经达到o 2 级，按照国家计量检定 规程的要求，急需研制o 叭级电能表标准装置，以解决电能计量标准的瓶颈问题。 本课题的研究目的在于总结已有技术，深入研究测量控制模式及环节对测量准确 度的影响，进一步探索高精度三相电能标准的构成原理，从而促进高准确度电能测量 技术的系统化、产业化，推动电能计量水平的提高。 本课题主要研究了多标准的构成与切换、多种误差计算模式以及高稳定度功率源 的实现等问题，其中重点研究了数字信号产生正弦波的方法及具体电路，采用数字的 方法实现正弦波幅度、频率、相位自动调节的方法及其实现电路，同时也对电压、电 流放大及功率放大的具体电路进行了研究。 本文以课题研究成果为基础，介绍了电能计量标准的发展以及国内外高精度电能 标准的现状，然后论述了在高精度单相电能标准迅速发展成熟的条件下，研制o 0 1 级三相电能表标准装置的基本情况：它是以功率变换器c 1 2 为主工作标准，配合精 密测试电源的高稳定、高精度的输出信号，在控制中心的作用下，实现了检定过程的 程控化。该系统采用了主标准、内附标准和外附标准的多标准工作模式，实现了各种 有功、无功的测量，而且采用了与以往刁i 同的误差计算方法，使得检定过程更加灵活、 方便。最后，文章对装置的各种工作模式进行了不确定度分析评定。 目前，课题研究成果已经通过国家计量科学研究院鉴定，并通过了省科委组织的 成果鉴定，获得了“该成果设计合理、测量准确度高，在计量性能和功能方面达到国 内同类领先水平，在系统组成原理、控制切换模式、误差计算方法方面有创新的良 好评价。 关键词：o 叭级电能计量检定c 卜2 数字信号 郑州大学硕十论文 a b s t r a c t e 1 e c 嘶c i t yi st h em o s tw i d e l yu s e de n e r g y ，w h i c hh a sa 铲e a ti n n u e n c eo nt h en a t i o n a l e c o n o m y 肌dt h ep e o p l e se v e r y d a yl i f e a sas p e c i a lk i n do fc o m m o d i t y ，i ta l s op l a y sa n i m p o r t a n tm l ei nt o d a y sw o r l de c o n o m i cs y s t e m a sm eb a s eo fe l e c t r i ce n e 培y 仃a d e ，t h e a c c u r a c yo fe l e c m c i t ym e t e r ss 圩o n g l yi n n u e c e st h ef a i m e s so ft h ec o m m e r c eb a l a n c e t h ei m p r o v e m 钮to f 也ea c c l l r a c yo fn a t i o n a le l e c 埘c i t ym e t e r i n gn o to n l yc a i lu p 掣a d et h e w h o l el e v e lo fm e t e r i n go fe l e c t r i cp o w e r ，b u ta i s oc a na c c e l e r a t e 血ep r o 斟e s so fe n e r g y i n d u s t r ya n dp r o m o t e t h ed e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m y w i t 量1t h ei m p r o v e m e n to fn a t i o n a le l e c 倒c i t ym e t e n ge c o n o m y t h ea c c u r a c yo fc i v i l a n di n d u s t a ie n e r g ym e t e r sh a sb e e nm i s e df b mg r a d e2 0t og r a d e1 oa n dg r a d e0 5 r c s p e c t i v e l ya n ds o m ei n d u s t r i a lm e t e r se v e nh a v ea na c c u r a c yo fg r a d eo 2 h o w e v e r m o s tv e r i f i c a t i o nd e v i c e sm a d ea n du s e di no l l rc o u n 仃yc u r r e n t l yc a n n o tm e e t 也i s d e v e l o p m e n t s ot h ev e r i 矗c a t i o nd e v i c e sw i t ha 1 1a c c u t a c yo f 舻a d eo 0 1h a v et ob e i n v e n t e dt ob r e a kt h eb o t t l e n e c ko fe l e c m c i t ym e t e r i n g t h ep u r p o s ei st or e v i e wt h ec u n e n tt e c h n 0 1 0 9 y ，e v a l u a t et h ei n n u e n c eo ft h em o d e s o fm e a s u r e m e n ta n do p e r a t i o no nt h em e a s u r e m e n ta c c u m c y ，a n dd e v e l o pt h ep r i n c i p l eo f h i g ha c c u r a t et h r e e 巾h a s ee n e r g ys t a n d a r d s ，i no r d e rt oa d v a n c et h es y s t e m ，h e l pt h e i n d u s 岫a l i z a t i o no f m et e c h n o l o g ya n di m p r o v e 也el e v e lo f t h ee l e c m c i _ 【) ，m e t e r i n g t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l ys t i l d i e st h ep m b l e m si n c l u d i n gm ec o n s t i t u t i o na n ds w i t c ho f p o l y s t a n d a r c l ，v 撕o u se r r o rc o m p u t em o d e sa n dh i 曲l ys t a b l ep o w e rs u p p ly tt h ef o c u s e s a r eh o wt og e n e r a t es i n ew a v e sb yd i g i t a ls i g n a l ，h o wt oa d j u s tt h ea m p l i t u d e ，p h a s e ， 矗e q u e n c yo fm ep o w e rs o u r c ei nd i 矛t a lw a y ，a n dt h ee l e c 埘cc i r c u i to ft h ea m p l i f i c a t i o no f v o l t a g e ，c u r r e n ta n dp o w e l b a s e do nt h er e s e a r c h ，m ed i s s e r t a t i o ni n 仃o d u c e sm ed e v e l o p m e n to fm e t e r i n go f e l e c m cp o w e ra n dm ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a le n e 糟ys t a l l d a r d s t h e ni t p r e s e m sa v 捌f i c a t i o nd e v i c ef o rt 1 1 r e e p b a s ee l e c 砸c i t ym e t e r sb a s e do nt h ec l 一2p o w e rc o n v e r t e r w i t ha na c c u m t et e s tp o w e r s u p p l yw j 协t h ei n 仃o d u c t i o no fs y s t e m i cc o n 虹d l ，a t la u t o m a t i c v e r i f i c a t i o ni sa c h i e v e d t h ed e v i c ec a nm e a s u r ea uk i n d so fa c t i v ea n dr e a c t i v ee l e c 白r i c e n e 唱yu s i n gd i f f 音r e n tm o d e so fe 1 1 e 唱ys t a n d a r d si n c l u d i n gm a i ns t a n d a r d ，s t a n d a r d s a p p e n d e di n s i d ea n do u t s i d e t h eu n i q u ee r r o rc o m p u t em e 也o dm a k e si tm o r ec o n v e n i e n t a sw e l l f i n a l l y t h eu n c e r t a i n t yf o rt h em e a s u r e m e n tr e s u l t so fv a r i o u so p e r a t i n gm o d e s t 郑州大学硕= b 论文 p a p e rl se v a l u a t e d a tp r e s e n t ，t h ep m d u c t i o nh a sb e e na p p r a i s e db yn a t i o n a li n s t i t i l t eo fm e t r o l o g ya n d h e n a ns c i e n t m ca n dt e c h n o l o g ya s s o c i a t i o n i tw a sh i 曲l ya p p r a i s e dd u et oi t sg o o d d e s i g n e da 1 1 dh i 曲a c c u r a cy ，w h i c hh a sa1 e a d i n gp e r 壬b 肋a n c ei no u rc o u n t r yw i n lt e c h n i c a i i 衄o v a t i o n si ns t n 】c t i l r cp r i n c i p l e ，o p e r a t i n gm o d ea n de o rc o m p u t em e t h o d k e y w o r d s ：鲥m e0 0 1 ；e l e c 埘ce n e 唱ym e t e 曲g ：v e r m c a t i o n ：c 1 2 ：d 晒t a ls i g n a l i l 郑卅i 大学硕士论文 郑重声明 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等 违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任 和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：朔融i # j ，口# 年l 乡月弦 日 郑州大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 建立高准确度电能计量标准的必要性 电能在各类能源中使用最为广泛，它与国民经济的发展和人民的日常生活有着不 可分割的关系；同时，电能又是一种特殊的商品，在当今世界的经济体系中占有显著 的地位。截至2 0 0 5 年底，我国总装机容量达到5 1 亿千瓦，发电量达到2 4 万亿千 瓦时，装机容量和发电量均届世界第二位，全社会用电量达到2 4 6 8 9 亿千瓦时。因此， 提高电能利用效率、节约能源、保证电网的安全和电能的公平交易，对于国民经济和 社会的发展具有重要的意义“。 电能表是电能贸易结算中使用的计量器具，其计量准确度关系到千家万户的经济 利益，也关系到众多企业的经济效益和能源利用率，因此电能计量水平直接决定了电 能贸易结算的公平程度；并且随着我国电力行业的进一步改革，相继推出的政企分开、 厂网分离等一系列改革措施，使得原有电力行业分割为多个相对独立、灵活、竞争的 经济实体，这些实体间的输送电量很大，因此不论是电力供应的安全运转，还是经济 核算的准确合理都要求有高精度的电能计量保证体系。而电能标准作为电能计量的源 头，始终起着“车头”的作用，所以，提高电能计量标准的准确度，能够推动电能计 量水平的提高，从而促进能源工业的进步，推动国民经济的发展。 1 2 我国电能计量标准的发展 1 ) 电能计量标准的组成原理从单相传三相到三相传三相的发展 相对于单相电能标准来说，三相电能标准存在着设备结构复杂、投入研制资金 大等问题，所以在开始时，人们自然想到用单相标准进行三相工作计量器具的检测， 但是单相检测三相的办法却与三相表的实际工作状态大相径庭，而且三相标准的最终 溯源又必须回到单相标准，随着对电能计量准确度需求的不断提高，这种单相传三相 的办法越来越局限于更高精度范围内，因为此时相间的影响会更小一些。例如我国单 相传三相的历史基本上可分为o 2 级、o 1 级、0 0 2 级等几个发展阶段，而现在大量 0 0 2 级三相标准表的使用，要求我们只能在更高等级才能进行单相传三相的工作，这 郑卅l 大学硕j 论文 第一章绪论 就要求尽快建立0 0 l 级三相标准，而不能简单地在o o l 级展开。 2 ) 电能计量标准的结构原理从电工到电子的发展 根据不同结构原理的装置占据的比例来划分：第一代装置是机械电气式仪表组成 的装置，发展起于六十年代，经小断完善，直到八十年代后期仍较为广泛的使用，这 其中后期较为完善的代表是上海电度表厂一生产的x d b 一1 型和桂林电表厂生产的 x d b 一1 6 型装置：第二代是电子式仪表和模拟源组成的电子式( 半自动) 检定装置， 代表产品是江西电子仪器厂生产的；第三代是以微处理器或p c 为核心控制器件的全 电子式自动检定装置，发展于9 0 年代中后期，目前有逐渐占据绝对地位的趋势，数 量规模较大的生产商现有思达等。 1 3 高精度电能标准的现状 由于高精度电能标准存一个国家和区域具有的重要意义，各国都投入了很大的精 力从事这方面的研究。高精度单相电能标准的研制在8 0 年代中后期达到0 o l 0 0 0 5 水平，存近二十年来一直处于个相对稳定的时期，主要是从工艺、功能上做一些 改进。这些产品的代表主要有z e r a 公司的i l m 0 3 和h e g 公司的c 1 1 系列。 近十多年来，各国投入了更多的精力在三相电能标准的研究上，前期这方面取得 的成果主要有：中国计量科学研究院利用三套c 1 1 、数字电压表、o 0 0 0 5 级标准p t 、 c t 构成了国家电能基准，不确定度等小于3 3 个p p m ；加拿大的n r c 利用高准确度 的采样电压表( 工作在直流模式下) 作为模拟转换器，研制了真正意义上的三相电能 表，达到了5 0 1 0 4 的准确度水平，但由于是将三个电压输入一个共同的采样电压表， 三相电流输入一一个共同的采样电压表，用多开关切换，相互影响没有定论；俄罗斯的 v n i z m 采用热电转换方法研制了一个单通道的三相表；德国的e m h 、h e g 、z e r a i 乜先后采用a d c 采样，d p s 和s h i n t 技术生产了l o o l o 。6 的三相电能表。 1 4 课题的提出及意义 由于河南省是国内电能计量产业发达省份，省内有大批成熟的电能标准生产企 业和电能表生产企业，随着电能计量水平的迅速提高，电力部门、生产企业、计量部 门对三相0 0 1 级电能标准技术平台的需求越来越迫切，为了能够进行更精准的量值 传递，加强电能表的计量监督管理，保证电能的公平交易，建立一套高精度的电能计 郑州大学硕士论文 第一章绪论 量标准已是一项刻不容缓的工作。 因此，我们提出了建立一套高精度三相电能表标准装置，它主要是使用o 0 0 5 级 c 1 2 标准表、o o 0 0 5 级互感器、高精度8 位半数表等标准器，配合精密测试电源， 并采用系统化的控制与整体功能规划设计，辅以计算机的自动控制，最终形成一套完 善的高精度的三相o o l 级电能标准。该装置已于2 0 0 5 年1 2 月通过国家计量科学研 究院鉴定。0 o l 级三相电能表标准装置如图1 1 ： 幽1 10 o l 级三相电能表标准装置图 本课题的意义在于总结发展已有技术，深入研究测量控制模式及环节对测量准 确度的影响，系统探索高准确度三相电能标准构成原理，促进高准确度电能测量技术 系统化、产业化，推动电能计量水平提高，适应经济发展需要。 1 5 技术指标 1 ) 电能准确度等级：0 o l 级； 2 ) 电压i 虽：程：3 1 0 0 5 7 7 v y 、3 1 0 0 v 、3 3 8 0 v 2 2 0 v y 、3 3 8 0 v 、3 1 0 0 v y 、 3 1 5 0 v y ： 3 ) 电流输出量程：( 0 1 l o o ) a ，分l o o m a 、5 0 0 m a 、1 a 、2 5 a 、5 a 、1 0 a 、2 0 a 、 郑卅i 大学坝 ：论义 第一章绪论 5 u a 、l u u a ： 4 ) 电压、电流的输出范围：每档的0 1 2 0 调节细度：最小0 o o l ； 5 ) 相位：o o 。3 5 9 9 9 。，调节细度：o 0 1 。； 6 ) 输出频率范围：4 5 6 5 h z ，调节细度：o 0 1 h z ； 7 1 输出容量：电压回路每相3 0 0 v a 、电流回路每相3 0 0 v a ； 8 ) 输出负载调整率：装置电压输出端存最大输出和空载时，其幅值调整率0 1 装置电流输出端在最大输出和短接时，其幅值调整率o 1 ： 9 、输出功率稳定度：1 0 0 秒钟功率稳定度o 0 0 5 ，2 0 分钟功率稳定度0 0 l 1 0 ) 输出电压、电流波形失真度： 1 0 0 m q 。 1 6 本课题的主要工作 本课题的主要工作是0 o l 级三相电能表标准装置的研制，提出并讨论的主要问 题如下吲【4 】： 1 ) 整体精度的保证。由于该装置是作为高精度的电能计量标准而研制，承担了电 能量值传递的工作，所以，必须保证装置的综合误差在允许的范围内； 2 ) 电磁兼容性设计。系统在工作的过程中会受到电磁干扰，当干扰达到一定程度， 轻则引起测量误差，重则导致系统无法工作，为此要对元器件要选用抗干扰能 力强和稳定性好的，电路板布线过程中也要注意对干扰的抑制； 3 ) 多标准的构成。本装置采用了多标准的工作模式，能适应多种标准的组合，适 应性强； 4 ) 配套电源的设计。针对高精度、高标准的应用，设计一套全自动电能测试电源， 使其不仅能够适用于本装置，更能适用于其它标准装置； 存研制0 0 1 级三相电能表标准装置的过程中，本人负责的主要工作是标准装置 中高稳定度功率源的分析与设计，装置整体精度的保证及以及系统的电磁兼容性问 题，并参与了整个系统的测试调试工作。 郑州大学顿+ 论文 第二章电能表的t 作原理 第二章电能表的工作原理 作为测量电能的专用仪表电能表，自诞生至今已有一百多年的历史，随着电 力系统及相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善，电能表的结构和性能也经历 了4 i 断更新、优化的发展过程。 2 1 感应系电能表 感应系电能表5 】l ”是利用处于交变磁场的金属圆盘中的感应电流与磁场的相互作 用原理制成的。随着电力系统的不断扩大以及对电能合理利用的探索，感应系电能表 逐渐暴露出准确度低、适用频率范围窄、功能单一等缺点。 感应系脉冲电能表【7 】仍采用感应系电能表的测量机构作为工作元件，由光电传感 器完成电能脉冲转换，然后经电子电路对脉冲进行处理，从而实现对电能的测量。但 以感应系测量机构作为其测量主回路而存在的原理性缺陷，决定了它具有感应系电能 表同样的准确度低、适用频率范围窄等缺点。 2 2 电子式电能表 随着微电子技术的飞速发展，电子式电能表 8 】将逐步取代感应式电表，对电子式 电表的研究也日益成为电能测量领域的一大课题。 2 2 1 基本工作原理 电能的基本表达式如式( 2 1 ) 所示： e ( f ) 2j p ( 伽扣j “( f ) f ( ，) 冼 ( 2 1 ) 式中，“( ，) ，讹) ，p ( ，) 分别是瞬时电压、电流、功率值，所以测量电能的基本 方法是将电压、电流相乘，然后存时间上累加( 即积分) 起来。为了便于自动化测量， 将功率转换为脉冲频率输出，得到电能计量单元，如图2 一l ： 郑州人学硕士论文 第= 章电能袭的工作原理 电能计量单元 h 五 图2 - 1 电能计量单兀：1 = 怍原理 也就是说，被测电压、电流接八电子式电能表后，电能表都能输出个电能计量 标准脉冲厶( 或 ) ，这是电子式电能表有别于感应式电能表的一个重要标志。在 额定电压、电流输入下，即输入功率一定时，厶( 或 ) 也是固定值。输入改变时， - ，_ 也随之改变，厶正比于输入功率，这是电子式电能表的基本工作原理。 最后需要说明的是，电子式电能表的电能计量标准高频脉冲厶和标准低频脉冲 ， 的关系是兀= 盟，这里n 取整数。兀相当于厶又存n 个里面取平均值，所以兀 “ 代表平均功率，常用作显示计量脉冲，而厶则代表瞬时有功功率，常用作校验脉冲。 2 2 2 电路基本组成 电子式电能表应用微电子技术，把被测电能转换成一串脉冲，由电子讨数器计数 然后累加，得到消耗的电能值，电路基本组成如图2 2 ： 电能计量单，l 几m v ； t 讣数 乘 p f 法 变换 显示 几m a ： 器 控制 图2 - 2 电子式电能表的基本组成 输入级电路将被测的高电压( 一般几十伏、几百伏) 、大电流( 几安、几十安) 按比例变为电子线路能处理的低电压( 几v 、几十m v ) 、小电流( 几m a ) 。输入级 电路一般是由测量用的电压或电流互感器、精密分压电阻或取样电阻组成。 乘法器是将仪表被测电压、电流乘起来变为功率，是电能表的关键电路。常用的 乘法器分为模拟乘法器和数字乘法器，模拟乘法器又分为时分割乘法器和变跨导乘法 塑型奎兰堡主堡苎笙三里垫壁至塑三笪堕塑i 一 器，数字乘法器又分为硬件乘法器( 由移位寄存器和加法器组成) 和软件乘法器( 利 用乘法指令实现) 。 p f 变换电路的功能是将乘法器输出的代表被测功率的电压( 或电流) 信号变为 标准脉冲信号，脉冲信号的频率正比于被测功率的大小。这样，在单位时间内对脉冲 计数，就可测得功率的大小，在一定时间内对脉冲计数，即累加起来，就可测得电能 值。 计数、显示、控制器就是将与功率成正比的标准脉冲数累计起来变为电能值，并 显示出来，显示器可以是字轮计度器、液晶显示器或l e d 显示器。 2 3 电能表检定的基本原理 电能表州作为国家强制检定管理的一种计量器具，在投入使用前，必须按照国家 计量检定规程的要求对其性能进行检定，只有检定合格的电能表才能准予使用。 所谓检定”h “1 ( 又叫检验) ，就是依据检定规程，对电能表的性能进行测试，看 它在规定条件下工作时，其性能是否达到技术规范要求，特别是准确度，是否达到标 定值。 + 2 3 1 检定方法 l 、虚负荷法和实负荷法 根据检定装置使用测试电源的不同，检定方法可分为虚负荷法和实负荷法： 实验室用的检定装置常采用虚负荷法。为了节约电能和技术上容易实现，测试电 源分别输出测试电压、测试电流。由于电压回路的电流小，电流回路的电压低，所以 使用这种测试电源在检定额定电压很高、额定电流很大的电能表时，电源实际供给的 功率( 或电能) 仍然不大，能够节约电能，并且易于实现不同负荷点的试验，电压、 电流间的相位可任意设置，以模拟感性和容性负荷。 现场用的检定装置常采用实负荷法。现场校验时4 i 用测试电源，直接测试电网电 压，流过仪表电流线圈的电流是由加在相应电压线圈上的电压在负荷上产生的，这样， 电能表所指示的电能值与负荷实际消耗的电能相同。由于现场环境比较复杂，存在多 种干扰，测量误差比较大，并且由于频率和负荷= _ i f i 能调节，所以只能在当时负荷点进 行比对测试，不能进行全面检定。 塑些盔兰堡主笙兰 笙三兰皇壁查堕三堑堡里一 2 、瓦秒法和标准表法 根据检定装置使用的标准器的一i 同，可以分为瓦秒法和标准表法： 瓦秒法检定装置的标准器是标准功率表( 瓦) 和标准计时器( 秒) ，测试原理是 e ：p t ，即用标准功率表测量调定的恒定功率，同时用标准计时器测量被检表累计电能 所需的时间，这个时间与恒定功率的乘积为实际电能值，再与被检电能表所累计的电 能值相比较，即可确定被检电能表的误差。由此可见，只有功率( 尸= c o s 妒) 很 稳定，再累计以高准确度的时间，才能测得正确的电能。所以，采用瓦秒法，要求有 高稳定度的电源和高精度的计时器，以保证功率在测定时间内稳定不变，这是最基本 的校验方法。现在已有准确度很高的时间标准，例如石英钟，其误差可以在1 0 1 以内， 所以测量误差主要来源于功率表。在高准确度的计量中，就要设法解决高准确度的功 率测量问题。 标准表法，又叫比较法。检定装置的标准器是标准表。由于标准表法实现了被检 电能和已知电能的直接比较，所以，由各种影响量带来的测量误差大大减少。目前使 用的检定装置，无论是虚负荷或实负荷，大都采用标准表法。采用标准表法检定的基 本原理如图2 3 ： 被校表标准表 、 、 、 j 负载 c 、 一 、 电源 幽2 3 检定基本原理 基本方法是将标准表与被校表按同方法接线，在被校表转动一定圈数的同时， 计取被校表与标准表的电能值e x 、e 0 ，代入公式( 2 2 ) ，计算被校表的相对误差。 需要说明的是，检定时一般采用虚负荷，即将测试电源的电压、电流分开输出，并且 使它们相差一个相位巾，以模拟各种负荷。 ，：皇些1 0 0 ( 2 - 2 ) 丘0 由此可见，检定装置的基本组成为：测试电源、标准表、控制器( 误差计算器) 。 郑卅l 大学硕士论文 第二章电能表的t 作原理 测试电源产生工频信号，要求该信号波形失真小，频率、幅度、相位可调，有一定功 率容量，月稳定可靠：标准表具有要求的准确度；控制器主要用来计算误差。 值得一提的是，随着电能计量技术的不断发展，在有些电能标准中，瓦秒法和标 准表法正在相互融合，即在整个测量周期中，可将测量周期分割成许多小的单元周期 ( 如l s ) ，由计算机按瓦秒法计算出各单元周期内的电能，然后将这些电能值累计起 来再得到总的电能值。 2 3 2 检定装置的发展 检定装置有单相检定装置和三相检定装置，有普通检定装置和多功能检定装置， 但主要还是根据测试电源的变革，分为电工式和电子式校验装置两大类。 l 、电工式检定装置 电工式检定装置的主要特征是采用电工源。电工源的输出直接取自供电市电电 压，它利用调压器、升压器、变流器、升流器和移相器将供电电压转换成电压、电流 供给被校表和标准表，组成如图2 4 所示： 图2 - 4 电工式检定装置 其中，调压器、升压器、升流器调节电压、电流的大小：移相器( 多用变压器移 相器) 调节电压、电流的相位，以模拟各种虚负荷的大小；频率不可调节。为了方便 移相，= _ ：f i 论单相或三相检定装置都是由三相电源供电，并且用三台交流稳压器稳压， 以便得到稳定的电压、电流输出。 标准电能表早期是采用感应式电能表，准确度只能达到o 1 级，且需调至水平位 置使用。现在也采用电子式电能表。标准表一般为单量程输入( 1 0 0 v ，5 a ) ，在校验 各种量程的被检表时，必须配备多量程高准确度互感器。 9 塑型尘兰塑土鲨苎 塑三兰皂! ! 查盟三堡堡些 特点是：由于调节设备都是电磁元件，体积庞大、笨重；电源频率不可调节：标 准互感器笨重、昂贵、小便送检；电压、电流稳定性差；人工调节，劳动量大，不能 实现自动化检定；准确度低，一般不超过0 1 级。 2 、电子式检定装置 随着科技的进步，电子源得到了越来越广泛的应用。电子源是应用电子技术产生 良好的波形，输出稳定的电压、电流正弦交流信号，并且信号的幅度、相位、频率均 可以由微机控制调节。采用电子源后，简化了检定操作，提高了检定准确度( 可达 o 0 l 级) ，也便于实现检定的全自动化。如图2 5 所示： 图2 5 电子式检定装置 它由电子源、标准电能表、( 标准互感器) 、控制器和p c 机等组成。 电子式检定装置根据标准表和互感器还可具体分为：半电子式、准全电子式和全 电子式。 若标准电能表为单量程( 1 0 0 v ，5 a ) ，在检定不同电能表时仍需配备多量程、高 精度的互感器，这种检定装置可称为半电子式；准全电子式检定装置是指标准表的电 压为多量程( 6 0 ，1 0 0 ，2 0 0 ，4 0 0 v ) ，电流为单量程( 5 a ) ，电子源内附精密电流互 感器c t ，c t 在给不同的被校表提供不同档位电流的同时，给标准表仅提供5 a 档位 电流：全电子式检定装置是指标准表的电压、电流都为宽量程( 4 5 v 4 5 0 v ， 1 r n a 1 2 0 a ) ，电子源为大电流、大功率( 1 2 0 a ，6 0 0 w 以上) ，取消了互感器，并配 以p c 机，可实现检定过程的全部自动化。 堑型查兰堡土笙苎 塑三里j 堑型垦墨一 3 1 系统原理概述 第三章设计原理 整个系统由三相精密测试电源、主控制中心、标准互感器、主标准、工作标准、 高精度外附标准表等组成，如图3 1 所示： 三相精 密电源 主控 l 且s 4 8 5 一 操作键盘 箍鬻蓝蠢器 i e e e 4 8 8 1 1 浸筹显示1醍葺显i 2 j 一一 图3 1 系统组成 基本原理：电源输出3 ( 5 7 7 3 8 0 ) v 、3 ( o 1 1 0 0 ) a 的三相电量，经过 标准电压、电流互感器，转换为1 2 0 v 、5 a 的三个单相电量，提供给三只c 1 2 标准 功率变换器( c 1 2 为单一量限的1 2 0 v 、5 a 、o 0 0 5 级功率电压变换器) ，由c 1 2 转 换成与输入功率成正比的直流电压( c l 一2 的额定输出电压为直流1 v ) 并送给三只1 2 8 1 数字表，主控制中心负责读取1 2 8 1 的测量结果，按瓦秒法计算出小的时间单元内的 电能，把整个此电压测量过程中每个时间单元内的电能累计后，与被测电能表测得的 电能值相比较，从而得出被测电能表的误差。 郑州人学硕士论文 第三章设计原理 3 2 系统组成 本系统主要由主标准、三相精密测试电源、主控制中心、标准互感器、标准互感 器、标准功率变换器c 1 2 、8 位半数字多用表1 2 8 l 、标准计时器等组成。 3 2 1 标准功率变换器 l 、功率电压变换器c 1 2 旧 c l 一2 是由德国h e g 公司生产的，把交流电能转换为直流输出电压的高精度功率 变换器。c 1 2 的输入范围是电压1 2 0 v ，电流5 a ，准确度0 0 0 5 ( 1 0 v 直流输出， 1 0 k h z 和1 0 h z 频率输出) ，它能够测量4 5 6 5 h z 频率范围内的单相有功功率。 与其系列产品c l 一1 ( 被我国国家三相电能基准采用) 一样，c 1 2 可以输出一个 高精度的、与输入功率成正比的直流电压信号，但是与c 1 1 相比，c l 一2 还具有一个 与输入功率成正比的高频频率输出。 由于单相标准功率变换器c 1 2 代表了当今世界对单相电能的最高标准，所以采 用三个单相变换器c l 一2 组成系统的核心，便于向单相基准溯源，易于考核和控制三 相的相互影响，并且也为后来研究不同接线方式的三相标准创造了条件。 2 、c 1 2 的输出测量 c 1 - 2 具有两种输出：0 0 0 5 的直流电压和0 o l 的频率。 当使用频率输出时，方式简单，只需一个脉冲总加器，即可得到三相脉冲，然后 采用标准表法可以进行检测，但这时准确度会受到影响：由于单相为0 0 1 ，三相总 加后再考虑其它因素，整体准确度将限制在o 0 1 5 以下，因此，这个方式在系统中 保留使用，只作核查和低等级检测使用：当进行高准确度测量时，本系统采用三个 1 2 8 1 测量c l 一2 的输入，并由计算机求出瞬时单元的电能值( 此单元一般在1s 以内) ， 然后再叠加各单元的电能，得到总电能。由于1 2 8 1 的直流电压测量精度可达到 o 0 0 1 5 左右，整套电能系统的准确度可达到0 0 0 7 5 左右，准确度比使用频率测量 提高一倍。 3 2 2 数字多用表 8 位半数字多用表1 2 8 1 是美国f l u k e 生产的，高精度数字多用表中的杰出代表 郑州大学硕上论文 第三章设计原理 产品。它采用了先进的转换原理，可分为模拟电路和数字电路两部分：模拟电路以多 斜率多重积分式a d 转换器为核心，数字电路以1 6 位微处理器m c 6 8 0 0 0 为核心， 两部分之间以光电耦合的串行通讯进行信息交换，并且两部分在电气上是完全隔离 的，仅靠光实现信息的传送。采用多斜率多重积分式a ，d 转换器，解决了转换时间 与高分辨率的矛盾，也解决了积分电路失调、噪声积分电容介质吸附效应等不理想因 素对转换精度的影响。 3 2 3 高精度互感器 互感器是能按比例地变换被测交流电压或电流的仪器，其中，变换交流电压的称 为电压互感器( p t ) ，变换交流电流的称为电流互感器( c t ) 。 在测量中，采用互感器变换量限，与采用分流器和附加电阻变换量限比较起来， 具有以下优点： 1 ) 降低仪表功耗。因为互感器本身的功耗数值较小； 2 ) 隔离高压。测量高压电路的电压或电流时，只有互感器的一次绕组接高压， 两绕组间仅有磁的耦合，所以接测量仪表的二次绕组电压较低，从而保证了 测量仪表和操作人员的安全，同时也降低了对仪表绝缘程度的要求； 3 ) 可以做到一表多用。单一量限的仪表，配以不同量限的互感器，就可以扩展 仪表的测量范围，特别是当所用仪表是准确度较高的标准表时，采用这种方 法，能够最大限度地发挥仪表的作用。而且对于生产厂家来说，同一量限的 仪表配上彳i 同的刻度和互感器，就成为不同量限的另一种仪表，便于生产的 标准化。 4 ) 节约设备费用。一个仪用互感器可以同时接入几种仪表，而采用分流器和附 加电阻时，必须每台配上各自的分流器和附加电阻。 由于c l 一2 的输入范围为单一量程( 1 2 0 v 、5 a ) ，在实际使用中，为了进行量限 扩展，采用了高精度的电子补偿式互感器，由于补偿过程是自动调节的，所以也可称 为自动补偿式互感器或自平衡式互感器。该互感器采用了双级补偿，准确度达到 5 1 0 ，量限分别为电压6 0 v 、1 5 0 v 、2 2 0 v 、3 8 0 、6 5 0 v 1 0 0 v ，电流o 5 a 、l a 、2 5 a 、 5 a 、1 0 a 、2 5 a 、5 0 a 、1 0 0 a 5 a 。 堑型查兰堡主兰茎 一兰兰重l 垡堕堡里i 一 3 2 4 标准计时器 f 岩警蠹振il ： ；始 5 7 卜1 拳 一一。、 l 苏嗣。1 图3 2 标准计时器原理图 高精度、高稳定度的1 0 m h z 恒温石英晶体振荡器作为标准计时器的基准，其技 术指标如下： 短期稳定性优于士1 1 0 8 输出准确度士8 x1 0 。7 8 小时变差士5 x 1 0 8 开机预热时间3 0 分钟 3 2 5 测试电源 由于测试电源要为整个测试系统提供持续、高质量、高稳定度，并能灵活控制的 测试信号，特别是在高等级的测试装置中，电源的稳定性、失真度更是影响装置整体 精度和测试结果的关键因素。为了提供稳定的电源，我们专门研制了高稳定的电源， 电源输出功率为每相3 0 0 v a ，功率稳定度为5 0 p p m ，波形失真度小于0 0 8 。 测试电源有关内容，将在第四章中做详细介绍。 郑州大学硕士论文 第三三章设计原理 3 3 主控箱 3 。3 1 主控箱工作原理 主控箱工作原理如图3 3 所示 1 、模块实现功能： 1 1 2 1 3 ) 实现多种误差计算模式功能 建立标准r s 2 3 2 串口， 建立标准r s 2 3 2 串口， 与计算机软件通讯 与外接副标准通讯 4 ) 建立r s 4 8 5 通讯模块，与标准电压切换箱、标准电流切换箱、小液晶模块之 间增加握手控制； 5 ) 建立e e 4 8 8 总线接口，与3 块1 2 8 1 通讯； 6 ) 标准2 2 0 v 供电，内部建立多个电源模块，主工作回路和对外接口实现全部 隔离。 2 、接口设计： 1 ) 主标准c 1 2 脉冲输入( 3 个) ； ”_ 2 ) 3 个被检表脉冲输入； 3 ) 工作标准m d p 2 0 0 0 脉冲输入； 4 ) 外附标准脉冲输入； 5 ) 合成主标准高频脉冲输出； 6 ) 合成主标准低频脉冲输出： 7 ) p c 软件r s 2 3 2 通讯； 8 ) 外附标准r s 2 3 2 通讯； 9 ) r s 4 8 5 通讯接口： 1 0 ) i e e e 4 8 8 通讯接口。 望型鳖篁! ! 生笙兰 蔓三主堂：! 壁型 图3 3 主控箱原理图 1 6 一 逝锄避窿蒋群是錾懈球藉留l 蛰甘簿是鸶懈犁耧留 澳辍州 兰型型苎堑坠塑垒堇一 苎三兰堡生堡望 3 3 2 主控箱工作流程图 图3 - 4 主控箱r 作流程图 1 7 塑型查兰堡主堡兰 一至兰皇j 墅型重堡一 主控箱通过r s 2 3 2 和计算机通讯，在计算机管理软件的控制下，实现自动切换 标准电压互感器档位、标准电流互感器档位，实现各种标准的切换，实现各种计算模 式的切换，实现对1 2 8 1 的实时控制，实现对电源的各种设置，对电源的控制等：通 过i e e e 4 8 8 总线和3 块1 2 8 1 通讯，完成对1 2 8 l 的设置、读数、清零等操作：通过 r s 4 8 5 总线实现对标准电压互感器切换箱、标准电流互感器切换箱、液晶小显示模块 的控制，并增加了实时查询功能，实时监控各个模块的工作状态，保证系统的可靠性； 通过扩展r s 2 3 2 串口实现对标准电压的控制，将计算机控制软件的设置电源信息、 控制信息传递到标准电源，并增加了实时握手控制，保证标准电源的工作可靠性、稳 定性、安全性。 主控箱内部有4 个c p u ，一个主控c p u ，3 个分控c p u ，它们之间采用1 2 c 总 线工作模式，通讯速度快，工作效率高，可靠性高。主控箱内部采用3 个c p u ，一 个c p u 对应一路被校表脉冲，解决了同时校验3 块被校表出现竞争的问题。 3 4 多标准系统 3 4 1 标准的构成 1 、采用c 1 。2 ，标准p t 、标准c t 、数字多用表、标准计时器等组成主标准【1 5 1 ： 采用以c 1 2 为核心标准，标准p t 、c t ，数字多用表、标准计时器等组成主标 准是目前能够达到的最高测量准确度的配置，这些配置的最大误差如表3 1 所示： 表3 一l 主标准备部分误差 名称最大误差 c 1 2 功率变换器 0 0 0 5 1 2 8 l 数字多用表o 0 0 1 标准p t o 0 0 0 5 标准c t0 o 0 0 5 标准计时器o 0 0 0 0 8 表l 中各项的简单代数和是0 0 0 8 ，实际上，当存在多个误差来源时，绝对值 为极限值，通常情况下要优于这个结果。这种配置从原理上要优于一块0 0 1 级三相 电能表和辅助电源系统组成的三相装置。 郑卅 大学硕士论文第三章设计原理 概括说来，三相标准的组成模式主要有三种：一是一块三相宽量限标准表；二 是一块三相窄量限标准表配以标准p t 、标准c t 组成的三相标准；三是用三块单相 标准表配以标准p t 、标准c t 等组成的三相标准。但是在一般情况下，采用一只三 相宽量限标准表，难以获得所有量程的量传数据，这种量传结果的溯源往往会中断， 而日所有三相标准表中相问的相互影响都是比较复杂的，当上一级不存在三相标准或 基准时，这种量值的溯源也变得比较困难；因此采用标准