電能表標準裝置量值傳遞方法的探究

王智，楊靜，蘇玉萍

（國網湖南省電力公司計量中心，湖南長沙410002)

電能表標準裝置量值傳遞方法的探究

王智，楊靜，蘇玉萍

（國網湖南省電力公司計量中心，湖南長沙410002)

本文闡述了電能表標準裝置量值傳遞自動化的實現方式，量值傳遞過程中脈沖輸出故障、脈沖頻率造成的誤差不穩定、脈沖常數無法確定、誤差不準確等問題，介紹了電能表標準裝置不確定度評定方法，以及當前電能表量傳技術發展趨勢，用以指導電能表標準裝置量值傳遞的實際工作。

電能表標準裝置；自動化；脈沖；不確定度

電能表作為電力公司與用戶進行經濟結算的計量器具，屬于國務院頒布的強制檢定目錄中的工作計量器具，強制檢定必須按照國家計量檢定系統表進行，并執行計量檢定規程。電能表標準裝置屬于“金字塔”型的檢定系統表中的第二層，即計量標準器具，也需執行強制檢定。管理好電能表標準裝置的量值傳遞工作，目的在于確保其下一級量傳對象電能表量值的準確可靠，從而保障電力公司與廣大客戶電力交易的公平公正，科學準確。

1 電能表標準裝置量值傳遞自動化

電能表標準裝置包含標準電能表即主標準器(以下簡稱標準表)的量值傳遞和電能表檢定裝置(以下簡稱裝置)的量值傳遞兩部分內容。標準電能表一般是由用戶單位拆卸后送至法定計量檢定機構進行溯源，執行JJG1085—2013《標準電能表檢定規程》。裝置由于拆卸和搬運困難，一般是由法定計量檢定機構派檢定員到現場完成溯源，執行JJG597—2005《交流電能表檢定裝置檢定規程》。

1.1 標準表量值傳遞自動化的方法

隨著電子技術的發展和應用需求的多樣化，寬量程標準表基本代替了單一量程的標準表。多量程標準電能表的量程和接線切換方式，多種多樣，有自動切換電壓電流量程的表計，有程控切換量程，還有人工改接線切換量程等方式〔1〕。標準表的脈沖常數隨著表計型號和電流、電壓量程的不同而大不相同。標準表多樣化的發展對自動檢定軟件提出了新的要求，但是由于標準表的誤差完全由脈沖這一單一性因素決定，也使得軟件設計在通訊和控制方面比較簡單，不需要對被檢的標準表進行控制，主要解決系統操作的簡便和檢定項目的完整性這兩方面。自動檢定軟件系統的主程序流程如圖1所示。

圖1 標準電能表自動檢定主程序流程

自動檢定軟件系統應能實現以下功能:

1)由于寬量程標準表需要檢定的負載點很多，系統能保存已設計完成的檢定方案，并能將已有的方案進行修改另存，這樣可以避免在每次檢定時花費大量時間設計檢定點。

2)系統能按照檢定方案設計的檢定順序連續、自動完成各負載點的檢定，并能根據需要在任意點設置暫停，以實現在檢定過程中人工切換量程、更換接線等操作。

3)系統在執行檢定過程中，能修改脈沖常數而不需暫停檢定。

4)與系統鏈接的檢定證書和原始記錄模板以word文檔的形式保存，方便用戶根據需要隨時修改格式和內容。

5)系統能完成被檢標準表參數及手動檢定結果的錄入，自動完成啟動和停止、基本誤差、標準偏差估計值、8 h連續工作基本誤差改變量等項目的測試。

1.2 裝置量值傳遞自動化的方法

裝置的檢定過程需要調節被檢裝置輸出符合要求的不同的電量，這就要求裝置的自動檢定軟件系統能控制被檢裝置按要求輸出，但是目前裝置的通訊協議并沒有統一，不同的型號、出產年代、廠家的裝置的通訊協議不同，控制方式不同，這使得裝置的全自動檢定難以實現，裝置的自動檢定基本都以半自動的方式實現。

裝置的自動檢定系統要能夠實現監視儀表、相互影響、對稱度、重復性、功率穩定度、基本誤差、多路輸出一致性等JJG597—2005《交流電能表檢定裝置檢定規程》規定的檢定項目的檢定。裝置的自動檢定系統雖不能完全實現全自動，但能將裝置繁多的檢定項目、檢定方法、合格限等參數統一在一個系統中，能夠自動讀取數據，計算判別誤差，數據定位填寫(即將讀到的數據定位填寫到相應量程處，避免填錯)、生成報告等，優化了檢定流程和檢定效率，提高了檢定的準確性。

2 量值傳遞過程常見問題及解決方案

2.1 脈沖的問題

1)脈沖頻率的影響。對電能表標準裝置進行量值傳遞的裝置和標準表對輸入脈沖頻率有要求，每種類型的裝置和標準表都有一個輸入脈沖頻率的上限值M。當輸入脈沖頻率大于M時會出現檢定誤差不穩定現象，其原因是輸入電路有丟失脈沖現象發生造成的。由于電能表脈沖輸出頻率較高會導致誤差計算模塊工作速度跟不上，致使算出的誤差不穩定〔1〕，可以通過改變被檢表輸出的脈沖頻率來解決這個問題。例如美國雷電公司生產的RD系列的標準表脈沖常數為108P/kWh，根據脈沖常數，可以計算出220 V，10 A時脈沖輸出頻率為183.33 kHz，一般小于M，檢定誤差正常；220 V，100 A時脈沖輸出頻率為1 833.3 kHz，一般遠大于M，檢定誤差超差或不正常。所以在對RD系列的標準表和配套裝置的大電流負載進行量傳時，可以使用分頻器，RD電能表輸出脈沖經過一個脈沖分頻器進行10分頻后再接入標準裝置，設置參數輸入電表常數時，輸入參數應等于原電表常數值除以分頻系數值；也可以通過對RD電能表的脈沖常數進行設置，修改脈沖常數變為107P/kWh，從而減小脈沖輸出頻率。

2)脈沖無法輸出的情況。在對電能表標準裝置進行檢定的過程中，經常會碰到脈沖無法輸出的情況。脈沖輸出分為有源和無源兩種情況，如果是無源脈沖輸出，應有5 V的直流工作電源，但是由于被檢電能表使用年限較久，5 V的直流工作電源會有損壞，這時可以在將一個5 V直流電源接入被檢電能表脈沖輸出回路上，具體接線如圖2所示。電源的正極通過1個2～5 kΩ限流電阻，接到脈沖輸出的正極，負極直接與脈沖負極(地)相連，再將正、負極接到標準儀器脈沖的輸入端〔2〕。

圖2 脈沖無法輸出時解決方案接線

5 V直流電源可以用一個獨立的外界電源，也可以從被檢電能表脈沖輸入口的5 V直流電源取得:對于無源脈沖的被檢電能表，脈沖的輸入輸出都為無源方式，配套的脈沖線至少包括3條:脈沖正極，脈沖負極，電源正極，如圖2所示，在被檢電能表的脈沖輸入端的＋5 V電源上，接上一個限流電阻，并連接在脈沖輸出線的正端；同時將脈沖輸入端的地連接在脈沖輸出線的地端，然后，再將其連接到檢定裝置的脈沖輸入端即可〔3〕。同理，也可以從檢定裝置的脈沖輸入口取得，這種情況就比較簡單了，即將被檢表的脈沖線及電源線與檢定裝置的脈沖線及電源線對應連接即可。

現場檢定時，有被檢裝置脈沖輸出故障或輸出狀態不滿足標準設備的參數要求的情況，這時候用反校法，可以很好地解決問題。將標準測試儀器的低頻脈沖反送到被檢裝置的脈沖接收端口，然后將被檢裝置的高頻脈沖與標準測試儀器的低頻脈沖相比較，計算出相對誤差并通過被檢裝置的誤差顯示部分顯示出來〔2〕。

脈沖無法正常輸出，除了以上情況以外，還可能由于脈沖輸出的插座與插頭接觸不良或插座的接線與插頭的接線不匹配，或者脈沖輸出線連接銅片的氧化，從而使脈沖輸出地線與輸出插口的外皮接觸不良，導致了脈沖無法輸出。只要找到了癥狀，問題都將迎刃而解。

3)脈沖常數推算方法。在對電能表標準裝置進行檢定的過程中必須要知道被檢裝置的脈沖常數，否則無法正確計算誤差，但是并不是每臺設備的常數在檢定現場都易于得到，掌握一些簡單有效的常數推算方法，對檢定員來說是必備技能。

誤差計算公式:在檢定電能表標準裝置時，主要使用標準表法，即用更高精度的標準電能表與被檢表比較，輸入被檢表的脈沖常數CX，設定n個脈沖出一個誤差，由誤差計數器自動計算出相對誤差r(%)〔4〕。在不知道被檢裝置的脈沖常數時，先估計一個脈沖常數C1，此時計數器計算出的相對誤差rl，根據以上兩個參數，由公式(1)計算可得到被檢表的脈沖常數CX。

頻率測量法:將被檢電能表通以相對恒定的功率P，用頻率計測得電能表脈沖輸出頻率f，用公式(2)計算出被檢表的脈沖常數CX。

2.2 誤差超差

在檢定電能表標準裝置時，有時會出現三相四線制誤差正常，而三相三線時誤差超差的現象。這時需要核對標準表與被檢表的功率，如果功率一致，就說明是脈沖輸出有問題，可以更換脈沖輸出口，或者脈沖輸出方式。如果功率相差比較遠，就說明是接線方式有問題，其原因是標準表的內部沒有真正地將電壓B相切換到地上，形成三相三線的V形接法，這時人為地將檢定裝置電壓輸出的B端接入被檢表的電壓輸入N端，將B相電流線拆除，誤差就能恢復正常。

由于運輸震動、磕碰等使得被檢表內部插件松動，芯片接觸不良也會造成誤差超差的現象，此時，打開儀器表蓋，將所有插件插牢，固定，就能解決該類問題。

裝置的散熱不好，例如功放和升流器安裝在一起，即一個單元中既有功放又有升流器，空間很小，熱量散不出去，也會影響到誤差，如果出現類似的情況，應該對裝置進行改裝，使裝置能夠正常散熱，不會影響到誤差。

在對檢定裝置進行首檢時，裝置的磁場會高于規程規定的限值，有兩種方法可以減小裝置的磁場；使用加厚的鐵磁材料制作磁場屏蔽外殼，加強對內部元器件產生的磁場的隔離；優化布線，是電流的流入和流出的兩個不同方向的電流線均勻布置，使得磁場相互抵消，從而減小磁場。

3 電能表標準裝置值傳遞過程不確定度的評定

為了促進在不同國家和地區，以及在不同實驗室進行的測量可以相互比較，國際計量委員會使用測量不確定度來表示測量結果的質量，測量不確定度的評定與表示在中國應用也越來越多，電能關系到經濟貿易，測量質量的好壞直接關系到金錢利益，電能表標準裝置的測量不確定評定在量值傳遞過程中是一個重要的技術環節。下面簡單介紹三相電能表檢定裝置基本誤差測量的不確定度評定過程。

3.1 數學模型

式中 E0為檢驗標準表的已定系統誤差；M0為假定裝置沒有誤差時，檢驗標準表的計算脈沖數；M為實測脈沖數。

由于脈沖的采集和比較過程自動完成，所以式(3)可改寫為:

式中 ε0為檢驗標準表的已定系統誤差，由上級計量檢定部門給定；εx為被檢表的測定誤差值。

3.2 標準不確定度來源及評定過程

3.2.1 測量重復性引入的標準不確定度u(εx)

在選定的工況，重復性條件下對檢定裝置進行連續6－10次的測量，用貝塞爾公式計算出標準偏差估計值S，即u(εx):

式中 n為對每個負載點進行重復測量的次數；εi為第i次測量得出的相對誤差(%)；ε－為各次測量得出的相對誤差的平均值(%)。

3.2.2 三相標準電能表允許誤差引入的標準不確定度uB1

設三相標準電能表等級為0.02級，經上級計量部門檢定合格，符合其技術指標要求。則最大允許誤差為±0.02%，在區間內服從均勻分布，包含因子，則期間半寬aB1＝0.02%，則標準不確定度為:uB1＝aB1/k＝0.02%/＝0.011 6%

3.2.3 被檢裝置同名端電位差引入的標準不確定度uB2

根據規程的要求，無接入電壓互感器裝置，裝置標準表與三相標準電能表的兩隊電壓同名但間電位差之和與輸出電壓的比例不應超過裝置最大允許誤差的1/6(設裝置等級為0.05級)，所以引入的附加誤差不會大于0.05%×1/6＝0.008 3%，在區間內服從均勻分布，包含因子k＝3，則期間半寬B2＝0.008 3%/2＝0.004 2%。

則標準不確定度為:uB2＝aB2/k＝0.004 2%/＝0.002 4%。

3.2.4 被檢裝置電流回路產生的交變磁場標準不確定度uB3

根據規程的要求，裝置任一相(或兩相)電流回路產生的交變磁場，引起其他相電能測量誤差的變化，不應超過裝置最大允許誤差的1/6(設裝置等級為0.05級)，所以引入的附加誤差不會大于0.05%×1/6＝0.008 3%，在區間內服從均勻分布，包含因子，則期間半寬aB3＝0.008 3%/2＝0.004 2%，則標準不確定度為:uB3＝aB3/k＝0.004 2%/＝0.002 4%

3.2.5 相對誤差數據修約引入的標準不確定度uB3

由于證書中給出的測量結果是化整后的測量結果，因此，數據修約將產生不確定度，0.05級裝置的化整間距為0.005%，在區間內服從均勻分布，包含因子k＝3，則期間半寬aB4＝0.005%/2＝0.002 5%，則標準不確定度為:

3.3 合成標準不確定度

合成標準不確定度uc按下式計算

3.4 擴展不確定度

按慣例，取包含因子k＝2，擴展不確定度按式(7)計算

4 電能表標準裝置量值傳遞的發展方向

隨著電動汽車充換電、分布式電源接入、多表合一采集等新型業務快速擴展，電能表的量傳技術也突破了傳統的領域，從傳統的、單一的、低效率的檢定檢測方式向智能新型、集中高效的檢定技術發展。電能表標準裝置量值傳遞技術，從模擬量向數字量、低壓向高壓、單一化向集中化、自動化向機器人智能化拓展，直流計量所占比重也日益提升。

智能變電站的普及使得數字式計量方式成為一種趨勢，數字式電能表量值溯源體系目前雖未完全建立起來，但也勢在必行。

直流電能表分為直接介入式電能表和間接接入式電能表，檢定直接接入式電能表需要對300 A乃至更高的電流負載進行測量，間接接入式電能表需要對小電壓，一般為75 mV的1%的負載也就是0.75 mV或更小的電壓進行測量。而對直流電能表標準裝置進行溯源的標準體系，要求對大電流和小電壓輸出和測量具有更寬的范圍和更高的技術指標，未來直流電能量值傳遞發展的方向，一是精密直流大電流輸出和測量技術，二是微小精密直流電壓輸出與測量技術。

電能表國際建議IR46的出臺，將給電能量傳體系帶來一場革命，現在使用的電能表以及各等級電能表標準裝置都將更換或者升級，以適用IR46標準的要求，電能表標準裝置的量傳也需增加IR46寬頻、諧波、小電流等方面的技術和項目。

近年，國家電網公司各個省級計量中心建立起來的 “四線一庫”，以流水線的方式對電能表的檢定實現完全智能化。而對流水線的量傳還停留在單臺操作的低效率狀態，無法滿足 “四線一庫”生產任務和生產效率的要求，對傳統電能表標準裝置的量傳也將朝著流水線全智能化的方向發展。

5 結論

電能表標準裝置的量傳工作，雖然參數很單一，主要以脈沖方式測量電能，但過程需要有著豐富的經驗積累來解決各種難題，并且隨著社會的發展，電能計量技術推陳出新，需要用新的思維和知識來迎接新技術的挑戰。

〔1〕張麗偉，申秀香，賈立平.0.01級標準電能表檢定裝置的組成與應用 〔J〕.河北電力技術，2012，31(3):18-20.

〔2〕劉潤民，劉華.標準電能表脈沖輸出常見問題解析 〔J〕.河北電力技術，2007，26(4):28-29.

〔3〕劉潤民，劉亞濤，張秦.標準電能表誤差的應急測試方法〔J〕.計量技術，2010(11):53-55.

〔4〕鄭萬紅.標準電能表脈沖常數巧知道 〔J〕.計量與測試技術，2006，33(3):30.

Research for Value Dissemination of Verification Equipments for Electrical Energy Meters

WANG Zhi，YANG Jing，SU Yuping
(State Grid Hunan Electric Power Company Metrology Center，Changsha 410002，China)

The article expounds the value dissemination automation implementation of verification equipment for electrical energy meters，the problems such as output fault of pulse，instability error caused by the pulse frequency，uncertainty of pulse constant and maccuracy of error encountered in the process of dissemination；the assessment method for the uncertainty of verification equipment for electrical energy meters；and the development trend of dissemination of this technology.It has a very good role in guiding the actual work of dissemination of the watt-hour meter standard device.

verification equipment for electrical energy meters；automation；pulse；uncertainty

TM933

B

1008-0198(2017)04-0045-04

王智(1985)，女，湖南寧鄉人，工程師，研究生，主要從事電能計量及管理工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.04.013

2017-06-12