姜荣华 王 莉

国网山东省电力公司电力科学研究院 山东 济南 250002

0 引言

三相交流仪表标准装置作为电力行业电测计量专业的主标准，担负着交流电压、交流电流、交流功率及频率、相位等电参量的量值溯源与传递任务，其准确与否直接关系到电网的安全运行。

目前，在国内科研院所使用的0.01级三相交流仪表标准装置，大多采用国外设备或国产电源配国外三相多功能标准表。成套的进口标准装置准确度高、稳定性好、故障率低，但价格昂贵，其软件设计具有局限性，不适应种类繁多的电测量仪表的检定。早期的国产装置受当时硬件技术、计算机技术发展水平的限制，在装置的操控便捷性、程序的稳定性方面存在着不足，在校准过程中存在死机现象，且三相功率源易出现三相电压极不平衡现象。为此，研制了一种新型的0.01级双标准表交流仪表标准装置（以下简称标准装置）。

此标准装置是一套集交流电压、交流电流、交流功率及频率、相位输出与测量功能于一体的多功能电测仪表标准装置，可以完成三相多功能仪表及三相多功能仪表检定装置的检定校准工作。为了提高装置的准确性和可靠性，方便于计量标准的内部质量控制及期间核查，本装置配备了双标准表，一只为国产TD3300型三相多功能标准表，另一只为进口的稳定性高的0.01级RD33型三相标准功率电能表。两只标准表采用专门设计的接线装置进行切换，可以完成使用任意一只标准表作为标准进行不同等级的被试品的检定校准工作，或者同时接两只标准表进行标准设备的比对以及期间核查等工作。使该标准装置成为具有双标准表的新型交流仪表标准装置。

1 标准装置的结构及技术性能

标准装置以创新的结构设计、齐全的检定功能、方便的使用接线与全自动的结果处理为研制宗旨，采用了高稳定度的功率模块设计、全数字校准和自动温度补偿等先进技术，具有线性度好、稳定度高、准确度高和输出响应速度快等特点，并且能实现在规定值内任意点的高精度输出。

1.1 标准装置的结构

装置主要由主控制台、三相交流源、三相多功能标准表和计算机等部分组成，其结构框图如图1所示。

图1 装置的结构框图

该装置在结构上采用台体设计，所有设备如主控台、三相交流源、三相多功能标准表、计算机以及被检表／源均置于台体中，简洁美观，操作便捷，集成度高。标配一只TD3300型三相多功能标准表，作为工作标准。为了提高装置的准确性和可靠性，方便于计量标准的内部质量控制及期间核查，另配一只进口的RD33型三相多功能标准表，实现了具有双标准表的标准装置。标准装置所有设备按图1所示连接好后，可由运行在计算机中的上位机软件控制，实现交流电压表、电流表、功率表、频率表、相位表及其中任意功能组合的电测量仪表及仪表检定装置的全自动检定。

1.2 标准装置的技术性能

标准装置具有电流、电压、功率、相位和频率等输出和测量功能。配备的三相标准功率电能表的电压、电流全量程无继电器、无档位切换。

标准装置的电流量程为0.01～120A，电压量程为30～600V，最大输出功率为120VA，最大允许误差小于等于±0.01%，能够完成0.05级及以下数字式、指针式交流电流表、电压表包括宽范围数字式电能表的电流、电压功能的检定及校准工作。功率量程为电压量程、电流量程任意组合组成的所有量程，当功率因数为 1.0、0.5L、0.5C、0.8L、0.8C条件下，均能满足最大允许误差小于等于±0.01%，输出功率稳定度满足±0.003%FS／min （FS-满量程），能够完成0.05级及以下指针式交流功率表、数字式单三相交流功率表包括宽范围数字式电能表的功率功能的检定及校准工作。相位的移相范围：0.000°～359.999°，分辨率：0.001°，最大允许误差小于等于0.01°，能够满足0.05°及以下相位表的检定校准工作。

2 标准装置硬件设计的先进性

2.1 高稳定度的精密交流源

作为0.01级交流电压电流及功率标准，交流源的稳定度是最大的研究难点，而幅度稳定电路是保证输出稳定的重要措施。本装置设计了独特的稳幅电路，它的基本思路是将输出的变化量取出，补偿到输入端。当输出增大时，补偿的作用是负反馈，使输出信号被抵消一部分。当输出减小时，补偿的作用是正反馈，使输入信号增大一部分，以保证输出不变。稳幅电路采用20位电压型高精度调幅D／A实现精细调幅，保证了输出的三相高稳定恒压源和恒流源特性。选用的ROM表可使相位调节细度达到0.005°，频率细度达到0.001 Hz，总谐波失真小于0.2%。

其原理框图如图2所示：

图2 稳幅电路原理框图

如图2所示，输出信号经衰减和交直流变换后与直流给定值相比较，误差经积分器放大控制压控放大器（乘法器）的增益，由压控放大器改变功放信号的幅度，以稳定输出。此种电路输出信号与给定信号没有静差，直流给定值由直流基准电压产生，具有极高的稳定度和极好的线性，所以交流输出信号也有很好的稳定度和很好的线性。其稳定性指标用最严格的最大最小法测试可达到30ppm（0.003%／1分钟），完全满足组建0.01级交流标准装置的要求。

2.2 采用数字信号源

信号发生电路是三相电源的核心，本装置采用数字信号源，是以数字电路为基础构成的，正弦信号采用数字波合成的方法产生，谐波含量较大，可以通过低通滤波器予以改善。

数字波形合成的原理是，将理想信号波形的一个周期进行若干等分，将每个等分线所对应的信号幅值变成数字信息存到存储器里，合成时按照固定的频率和相同的顺序从存储器里取出幅值信号，经DA电路变成模拟信号，即可得到与理想波形近似的阶梯波形，经低通滤波器滤除高频分量，得到正弦波形。信号频率、相位、幅度调节用计数方法通过键盘来进行，因此不能连续调节，但可减小步进值，提高调节细度。输出信号频率、相位、幅度稳定性好，相位调节对信号幅度没有影响。

2.3 报警保护功能

为了保护功放管，电路中选用耐压高、额定电流大的器件，并设计了保护电路。该装置采用预功放加功放对管来实现功率放大，它具有集成度高、故障率低和维修方便等特点，同时具有电压／电流过载、电压短路、电流开路保护等功能。

2.4 创新的人机交互设计

国内主流的产品目前均采用按键输入，操作繁琐，且屏幕较小，不利于查看。该装置采用高清彩色液晶触摸屏，尺寸大小为7寸，分辨率为800*600，高亮清晰，且功耗低。大屏幕的设计，使用户可以全面直观的查看当前所需的各种信息。而采用触摸屏为行业内首创，可以便捷的进行各项操作，人机交互界面友好。该装置具有旋转编码器调节、按位调节、百分比步进调节等多种量值调节方式，方便用户手动校验，大大提高了检定效率。

3 标准装置软件设计的先进性

该装置配套设计了功能完备的检定软件，可以方便地实现全自动和半自动检定，装置的嵌入式软件采用C语言进行编程，具有占用空间小、效率高、实时性强、功耗低和可靠性高等优点，其软件结构图如图3所示。

3.1 具有多种工作模式

该装置具有多种工作模式，既有以源检表的工作模式，又有以表检源的工作模式。工作模式通过软件可自由选定和设置，大大提高工作效率。

图3 嵌入式软件结构图

3.2 具有软件自动保护功能

过压或过流时软件能自动控制电源的升降以确保标准表不被损坏，并可根据需要或输出电压电流值自动选择标准表量程，安全性高。

3.3 具有多种调节方式

具有三相调节、分相调节、模拟调节3种调节方式，满足不同检定需求下量值的设定。其中A相、B相、C相的电压、电流、相位同时调节，是系统开机默认的调节方式。分相调节是A相、B相、C相单独调节，相互不受影响，分相调节时调节的对象是主显示框显示的当前电量。模拟调节通过遥控调节箱同时调节三相交流电压、电流输出。此时电压和电流数字调节无效，但频率和相位使用数字调节依然有效。

3.4 可实现全自动检定

传统的电测仪表检定与校准方法，需要检定人员按照检定规程的步骤进行操作，被检仪器和标准仪器的操作与读数、计量结果的记录和处理，均需人工来完成。部分电测仪表由于其功能多，检定校准点繁杂，存在着大量的重复劳动，使得仪表校准的工作效率极低。同时要求检定人员素质高，使得测试结果重复性和一致性比较差，从而检定可靠性得不到保证。该装置配套的上位机软件，可实现电量的自动控制、被检表读数和标准值的自动获取、存储计算并自动生成校准证书，可实现以源检表和以表检源的功能，和整个系统的其他各功能模块实现通讯，以组建0.01级全自动检定系统。

3.5 可完成装置的期间核查与比对工作

标准装置可以完成双标准表之间的期间核查与比对工作，方便计量设备的内部质量控制。装置的标准表可分别设置为核查标准、核查设备，按照一定的核查周期进行数据采集，按核查要求进行数据处理，并给出数据控制线、画出核查图表，便于标准表质量性能的分析控制，确保其可信度保持在可控线的区间之内。如果测量结果有偏离数据控制线的趋势，可做出预警，以便于查找原因，确保标准装置的准确可靠。

4 结束语

目前，该0.01级三相交流仪表标准装置，可实现对0.05级及以下等级各种电测量仪表、仪表装置以及标准源等仪器设备的检定校准。双标准表的设计，有效地保证了装置的准确性和可靠性。功能完备的检定软件，可以实现全自动和半自动检定，避免了人工操作引入的误差，重复性和一致性好。强大的数据管理功能，便于检定人员进行数据存储、检索和打印等操作，大大提高了检定效率。

［1］国家质量监督检验检疫总局计量司，重庆市计量质量检测研究院.计量标准考核规范［S］.2008.

［2］范巧成 .简化的测量过程统计控制方法［J］.计量学报，2012，33（3）：284-288.

［3］中国计量科学研究院，航空航天部三○四研究所.交流数字功率表检定规程［S］.1992.