佘寻峰 韩志强 周碧红 石雷兵 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

随着新能源产业的发展，在太阳能供电、风力发电、轨道交通、储能技术等领域对直流电能计量的需求日益迫切，特别在电动汽车充电站内直流电能表被广泛应用。测量直流电能的计量器具越来越多，不仅需要研制生产校准工作计量器具的校准装置，更有必要研制建立更高溯源要求的直流电能校准装置，确保量值溯源的准确性，为直流电能准确计量提供技术保障。

1 直流电能表校准装置

直流电能表的产量和使用量逐年增加的同时，国内陆续颁布相关的直流电能表技术规范，如：国家电网公司发布Q/GDW 1825-2013 《直流电能表技术规范》，国际上，IEC 62053-41 《电测量设备 特殊要求第41部分：静止式直流电能表（0.2级、0.5级和1级）》标准也即将颁布实施，于此对应的GB/T 17215.305《静止式直流电能表》国家标准也在起草过程中，这些规则的实施将有序规范直流电能表的生产和使用[1][2]。

目前，计量技术机构极少建立直流电能计量校准装置，无法满足逐渐增加的直流电能表校准需求。国际上，一些发达国家逐渐重视直流电能计量技术的研究，有些国家正在研发直流电能表校准装置。近几年，我国部分企业为了满足社会对直流电能表校准装置的需求，积极投入装置的研发。

直流电能表分为安装式直流电能表和标准直流电能表。安装式直流电能表准确度较低、脉冲常数较小。目前成熟的直流电能表校准装置，采用脉冲比较法校准安装式直流电能表，实时同步测量被检电能表的电能输出，并与标准电能表进行比较[4][5]。它的检测系统一般由直流电压源、直流电流源、直流标准电能表、误差计算单元、控制单元等部件组成，该直流电能表校准装置适用于同时校准多个安装式直流电能表。由于目前更高等级的校准标准直流电能表的装置都在研发过程中，为了满足溯源的需求，实验室可以利用通用标准仪器，组合搭建校准标准直流电能表的装置。

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，本文基于电压、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1所示。

图1 直流电能表校准装置构成图

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。

2.1 硬件设计

根据图1所示的校准装置构成图，各个组成部分的硬件条件分述如下。

1）直流电压信号源

直流电压信号源采用线性电源制成，具有稳定性高、纹波小、可靠性高的特点。有效调节范围为（10 μV ～ 1111.11 V），电压输出稳定度（10 min）≤0.005%F.S.+3个字。

2）直流电流信号源

直流电流信号源采用比较仪器技术和线性恒流源电路，从而可以达到较高的稳定度和准确度，漂移≤50×10-6/30 min，功耗≤5 000 W。

3）数字多用表

工作于实验室的3458A型8.5位数字多用表有较低的内部噪声、较好的线性度和短期稳定度，其多斜模数转换器的线性度高。10 V电压量程的线性度在±0.05×10-6以内，在1 h，±0.5 ℃条件下，3458A的10 V电压传递准确度达到0.1×10-6，在使用8.5位分辨力时的内部噪声小于0.01×10-6rms。

3458A有两种实现波形数字化的功能：直接采样和序列或子采样。对于直接采样，3458A先使用提供16位分辨力的2 ns跟踪保持，再使用12 MHz路径。最大采样率为50 000次采样/s或20 μs。样本的间隔依据0.01%准确度的时基，其时间增量以100 ns步进。数据以全速直接传送至计算机，或进入数字多用表内部读数缓存区。

4）直流比较仪

直流比较仪具有较高的电流测量准确度，在一次电流1 000 A，二次电流1 A时，比例准确度优于1×10-6；在一次电流1 A，二次电流1 A时，比例准确度优于1×10-7，二次侧配标准电阻使用可以实现直流电流高准确度测量。

5）频率计数器

Keysight 53230A频率计可以提供12位/s频率测量分辨力，20 ps时间间隔测量分辨力，配有双路350 MHz输入通道，可以实现包括频率和周期、时间间隔、积算等测量，同时配有触发和测量门控功能为时间间隔测量提供了方便。

6）函数信号发生器

Agilent 33250A提供11种标准波形以及脉冲和任意波形，频率稳定，失真小。80 MHz正弦波和方波输出，正弦波、方波、斜波、噪声和其他波形，50 MHz脉冲波形，上升/下降时间可调12 bit，200 MSa/s，64 k点深度的任意波形。

7）GPIB通信模块

计算机通过NI GPIB-USB-HS的IEEE488.2控制器，控制本装置中的数字多用表、频率计数器等可编程GPIB仪器。

2.2 装置测量软件

为便于对校准装置中各仪器设备的控制和数据处理，装置测量软件采用LabVIEW开发平台编写，主要程序流程图如图2所示，LabVIEW程序界面如图3所示。

3 装置工作原理

本装置采用相同时间间隔内的平均功率比较法测量电能基本误差。由于测量过程中直流电压、直流电流和采样测量设备易受交流供电电源的干扰，同时直流信号的输出纹波及稳定性、采样测量设备的工频噪声也是不容忽视的。如果把3458A的采样时间间隔设置为与工频周期相关，可有效消除工频噪声，提高交流共模抑制比[6][7]。同时利用3458A数字多用表ADC积分型原理，测量得到该积分时间间隔的平均测量值，在测量时间间隔内连续多次采样示值，如图4所示，可以计算得到该时间间隔内的平均功率，减少源输出的纹波和不稳定性引入的误差，提高测量的准确度。

图2 直流电能表校准程序流程图

图3 直流电能表校准程序界面

图4 信号采样示意图

由于受源的稳定性影响，在时间 [t1，t2] 内输出功率P非恒定值，可以通过式（1）得到平均功率

离散化变为

式中：m—— 测量时间间隔内的采样个数；

(n) ——第n个采样点的经过分压器测得的电压平均值；

(n) —— 第n个采样点的电流经过采样电阻变换后的电压平均值；

ku—— 电压的比例系数；ki—— 电流的比例系数采用平均功率法测量的标准电能E0可以表示为式中：t—— 测量时间间隔，s

在用数字多用表采样的同时，采样触发信号同时通知频率计数器对被检电能表的电能输出进行采样，得到被检电能表的平均功率可用式（4）表示

这样被检电能表的电能值Ex可以表示为

式中：C—— 被检表电能表的脉冲常数，imp/kWh被检电能表基本误差可用式（7）计算

将式（3）、式（6）代入式（7），并约掉测量时间间隔t，则化为

从式（8）可知在测量过程中，首先利用两台数字多用表3458A采样积分原理，测出测量时间间隔内的实际平均功率，然后通过频率计数器53230A测出被检电能表在这段时间内的平均频率（被检表电能脉冲常数C已知），就可以准确测量出被检电能表误差。3458A积分型ADC的采样测量值为其积分时间内的被测信号平均值。测量时应使测量时间为采样时间的整数倍，以实现同步测量。根据图5 3458A技术手册所示的可选读数率，系统综合考虑测量准确度和速度。本次采样选择表第4行采样设置，即将采样间隔设为2 ms，六位半的测量准确度，测量时间设为10 s，即每次测量采样5 000个点。

图5 数字多用表读数率

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。

5 结语

本文的直流电能表校准装置采用3458A数字多用表和直流比较仪器为主要计量标准器，采用瓦秒法计算电能误差，不同于一般采用直流标准电能表为主要计量器具，采用比较法计算电能误差的直流电能表校准装置。该装置具有经费投入少、准确度等级高、易于后续升级维护等特点。