基于溫度補(bǔ)償?shù)碾娔鼙砣珳囟确秶?jì)量精度優(yōu)化方法

馮譯德

徐州三新供電服務(wù)有限公司賈汪分公司（江蘇 徐州 221000）

0 引言

當(dāng)前，城市電網(wǎng)快速發(fā)展，智能化程度不斷加深，智能電能表的作用也更加凸顯。為實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，研究并優(yōu)化電能表全溫度范圍計(jì)量精度十分有必要[1-2]。

1 基于溫度補(bǔ)償?shù)碾娔鼙碛?jì)量精度優(yōu)化流程

（1）基于Ansys進(jìn)行電能表整機(jī)熱仿真建模，得到對(duì)其計(jì)量精度產(chǎn)生重要影響的關(guān)鍵部件。

（2）利用Simulink構(gòu)建計(jì)量模塊的仿真模型，并快速計(jì)算其計(jì)量精度。同時(shí)，在仿真模型中，植入計(jì)量芯片和電阻實(shí)測(cè)溫度分布情況。

（3）在計(jì)量精度的變化下，計(jì)算溫度，分析在采樣中電能表電阻和計(jì)量芯片產(chǎn)生的自適應(yīng)溫度補(bǔ)償系數(shù)，設(shè)置計(jì)量系統(tǒng)[3]。

（4）有效驗(yàn)證系統(tǒng)的精度補(bǔ)償方式。

2 電能表溫度場(chǎng)仿真分析

構(gòu)建熱仿真的過(guò)程中，需要根據(jù)電能表之前的結(jié)構(gòu)，使用Altium Designer（AD）軟件，繪制好PCB板，在其中添加元器件3D封裝模型，最后形成完善的電能表3D模型構(gòu)建流程。文章主要針對(duì)某單相智能電能表展開(kāi)研究，這種電能表十分常用，其3D模型參考如圖1所示。

圖1 電能表整機(jī)3D模型

為獲得需要的仿真模型，在設(shè)置的電能表3D熱仿真模型中，應(yīng)做好網(wǎng)格劃分；在仿真求解之后，得出電能表溫度場(chǎng)分布；在初步仿真之后，測(cè)量幾個(gè)關(guān)鍵位置，并在得到的測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上，不斷修正流程，優(yōu)化元器件的參數(shù)。

3 全溫度范圍下電能表計(jì)量精度評(píng)價(jià)

在實(shí)際的電能表使用中，隨著溫度的變化，其計(jì)量精度也會(huì)產(chǎn)生很大的變化[4-5]。文章針對(duì)150 kΩ電阻和680 Ω電阻，以及計(jì)量芯片進(jìn)行了溫度特性的測(cè)量。針對(duì)計(jì)量芯片基準(zhǔn)電壓，得出其在全溫度范圍下的特性曲線(xiàn)，如圖2所示。

圖2 計(jì)量芯片參考電壓（Vref）溫度曲線(xiàn)

由于儀表通常是大批量生產(chǎn)，因此其計(jì)量精度很容易出現(xiàn)問(wèn)題，且容易在計(jì)量回路元器件的變動(dòng)下產(chǎn)生變化。在評(píng)價(jià)計(jì)量精度時(shí)，需要基于電能表的制造，對(duì)實(shí)際物料進(jìn)行實(shí)測(cè)。如在150 kΩ和680 Ω電阻的設(shè)置上，需要增加波動(dòng)范圍的設(shè)置，控制在±1%；對(duì)于錳銅阻值，需要保證其在±6%；針對(duì)計(jì)量芯片，設(shè)定其基準(zhǔn)電壓波動(dòng)范圍為±0.13%[6]。

4 電能表計(jì)量精度的溫度補(bǔ)償

假定輸入電壓U，在分壓電路實(shí)現(xiàn)采樣流程，同時(shí)得到電壓采樣信號(hào)UT，其表達(dá)式如下：

式中：T為溫度；R1～R6均為150 kΩ電阻；R7為680 Ω電阻。通過(guò)實(shí)測(cè)可知，由于兩者之間的溫度系數(shù)不同，因此當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)其電壓也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。

在得到電壓采樣信號(hào)UT之后，和電流采樣信號(hào)I一起，輸入計(jì)量芯片，通過(guò)A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后將二者相乘，在t時(shí)間之后，形成計(jì)量電能值WT。該過(guò)程的表達(dá)式如下：

由公式（2）知，使用A/D轉(zhuǎn)換能夠得到電壓信號(hào)，其和參考電壓Vref呈反比。這主要是因?yàn)殄i銅溫度系數(shù)低，在所有溫度條件環(huán)境下，其得到的電流采樣信號(hào)I不會(huì)改變。由此得出，電表在常溫下WT中的計(jì)量電能和在T'溫度下的WT'中的計(jì)量電能存在以下關(guān)系：

式中：Vref=1.25 V。由實(shí)際測(cè)量可知，在實(shí)際工作中，芯片參考電壓和其當(dāng)前所處的溫度TV呈現(xiàn)以下關(guān)系：

采樣電壓與各處電阻的溫度及溫度系數(shù)之間的關(guān)系表達(dá)式如下：

式中：TR150、TR680分別為電阻為150 kΩ和680 kΩ時(shí)所處的溫度；C為變電阻模型中形成的溫度系數(shù)。

由上文的熱仿真模型可知，分析不同溫度下的電能表的溫度，并在相關(guān)映射模型下，針對(duì)計(jì)量芯片的溫度進(jìn)行計(jì)算，分析整個(gè)工作過(guò)程中的電流情況，經(jīng)過(guò)最后的計(jì)算，確定電能表各部分的實(shí)際溫度有一集任意時(shí)刻時(shí)的溫度電壓UT'。由此可以得出，溫度為T(mén)'時(shí)電能表的理論測(cè)量值與實(shí)際測(cè)量值之比如下：

式（6）所示為溫度下的補(bǔ)償系數(shù)，通過(guò)在計(jì)量芯片中嵌入該模型，便能夠?qū)崿F(xiàn)在全溫度環(huán)境下對(duì)電能表計(jì)量功率的校正。

5 電能表計(jì)量精度溫度補(bǔ)償方法驗(yàn)證

應(yīng)用該計(jì)算模型生產(chǎn)電能表，并開(kāi)展產(chǎn)品的性能測(cè)試，實(shí)踐證明，效果顯著[7-9]。在補(bǔ)償優(yōu)化前和優(yōu)化后，其精度參數(shù)參考如圖3、表1所示。

圖3 優(yōu)化前后各溫度下計(jì)量誤差（精度）對(duì)比圖

表1 優(yōu)化前后計(jì)量精度變化

從圖3、表1可以看出，使用溫度補(bǔ)償系統(tǒng)之后，電能表的計(jì)量精度產(chǎn)生了顯著變化，平均優(yōu)化了4.20倍，其計(jì)量誤差是之前的1/4.20，說(shuō)明效果顯著。另外，從整體上看，在補(bǔ)償優(yōu)化之后，計(jì)量精度也十分穩(wěn)定，變化逐漸減小。

6 結(jié)論

文章論述了基于溫度補(bǔ)償?shù)碾娔鼙砣珳囟确秶?jì)量精度優(yōu)化方法，主要結(jié)論如下：

（1）構(gòu)建了智能電能表的熱仿真模型，能夠仿真并計(jì)算各個(gè)溫度范圍內(nèi)的溫度場(chǎng)，從而得出各個(gè)關(guān)鍵位置存在的問(wèn)題；

（2）基于溫度變化的情況，能夠計(jì)算出電能表計(jì)量精度；

（3）構(gòu)建了溫度補(bǔ)償模型，并且得出在全溫度范圍內(nèi)，對(duì)電能表計(jì)量精度使用的是自適應(yīng)補(bǔ)償。通過(guò)實(shí)踐可知，利用電能表開(kāi)展補(bǔ)償優(yōu)化后，電能表的計(jì)量精度明顯提升。