基于量子電壓的數(shù)字化電能量值傳遞應(yīng)用技術(shù)研究

段梅梅，趙雙雙，徐晴，王磊，賈正森，黃洪濤，潘仙林

(1．國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司營(yíng)銷服務(wù)中心，南京 210019；2．國(guó)家電網(wǎng)有限公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210019； 3．中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

0 引 言

2019年5月20日國(guó)際單位制的七個(gè)基本單位開始以物理常數(shù)重新定義，拉開了計(jì)量單位常數(shù)化、量子化的進(jìn)程，基于量子技術(shù)研制新一代電能標(biāo)準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)電能單位量子化，是構(gòu)建量子化變革環(huán)境下的現(xiàn)代測(cè)量體系的重要內(nèi)容。

智能變電站中，數(shù)字化電能表接收以太網(wǎng)傳輸?shù)腎EC 61850協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀中包含電壓、電流模擬量的采樣值，數(shù)字化電能表的電能計(jì)算模塊計(jì)算采樣值所代表的功率及電能量值。數(shù)字化電能表不需模擬量采樣環(huán)節(jié)直接進(jìn)行積分運(yùn)算，因此，與傳統(tǒng)電子式電能表相比，數(shù)字化電能表不含采樣誤差，計(jì)量準(zhǔn)確度等級(jí)遠(yuǎn)高于電子式電能表[1]。

國(guó)家計(jì)量法規(guī)定，用于貿(mào)易結(jié)算的法定計(jì)量器具，必須經(jīng)強(qiáng)制檢定溯源至最高等級(jí)的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置。傳統(tǒng)電能標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出為模擬量，數(shù)字化電能表輸入為數(shù)字量，因此傳統(tǒng)電能標(biāo)準(zhǔn)裝置無(wú)法對(duì)數(shù)字化電能進(jìn)行直接量值傳遞。近年來(lái)，已有多個(gè)團(tuán)隊(duì)開展對(duì)數(shù)字化電能表進(jìn)行量值傳遞設(shè)備的研究工作，但是均需要借助AD采樣設(shè)備，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，傳輸給被測(cè)數(shù)字化電能表[2]。上述方法引入了AD采樣設(shè)備的誤差來(lái)源，量值傳遞過(guò)程的不確定度分量多，影響了數(shù)字化電能表準(zhǔn)確度高的優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。

文中基于約瑟夫森效應(yīng)激發(fā)的量子電壓，研究交流量子電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)，研究基于量子電壓的交流功率測(cè)量技術(shù)，建立新一代基于量子電壓的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電能直接量值傳遞。

1 交流量子電壓驅(qū)動(dòng)及其功率測(cè)量

1.1 約瑟夫森效應(yīng)

當(dāng)由超導(dǎo)材料-普通金屬導(dǎo)體-超導(dǎo)材料構(gòu)成的SNS型約瑟夫森結(jié)在4 K低溫條件下受到微波輻射時(shí)，可以產(chǎn)生直流量子電壓階躍，直流量子電壓的大小取決于微波輻射的頻率，每個(gè)約瑟夫森結(jié)產(chǎn)生的量子電壓階躍幅值大小固定，由式(1)中可以看出，當(dāng)微波頻率為18 GHz時(shí)，直流量子電壓階躍約為37.2 μV[3-8]。

(1)

式中VJ為量子電壓；e為電子電荷；h為普朗克常數(shù)；n為約瑟夫森結(jié)的個(gè)數(shù)；f0是輻射微波的頻率；h/2e≈2.07 μV/GHz。

偏置電流不同，量子電壓會(huì)產(chǎn)生正、負(fù)、零三個(gè)不同的偏置狀態(tài)如圖1所示。

1.2 交流量子電壓驅(qū)動(dòng)

將多個(gè)約瑟夫森結(jié)串連成結(jié)陣，通過(guò)驅(qū)動(dòng)交流量子電壓發(fā)生系統(tǒng)，控制結(jié)陣中不同結(jié)的正、負(fù)、零偏置狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)交流量子電壓的動(dòng)態(tài)合成。由于單個(gè)約瑟夫森結(jié)產(chǎn)生的直流量子電壓階躍很小，為提高電能標(biāo)準(zhǔn)裝置中交流信號(hào)的測(cè)量不確定度水平，交流量子電壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需產(chǎn)生有效值為1 V的交流量子電壓。文中采用的SNS型可編程約瑟夫森結(jié)陣由61 204個(gè)SNS結(jié)組成，6萬(wàn)多個(gè)結(jié)分成14段結(jié)陣，不同段結(jié)陣結(jié)的個(gè)數(shù)可組成三進(jìn)制序列。文中采用平衡三進(jìn)制驅(qū)動(dòng)算法[9]，將待生成的目標(biāo)交流量子電壓信號(hào)離散化，通過(guò)驅(qū)動(dòng)算法，快速有效地求解每個(gè)交流量子電壓臺(tái)階值對(duì)應(yīng)的14段結(jié)陣偏置狀態(tài)矩陣，實(shí)現(xiàn)交流量子電壓臺(tái)階波信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算和動(dòng)態(tài)輸出如圖2所示。

圖2 交流量子電壓臺(tái)階波Fig.2 AC quantum voltage step wave

1.3 基于量子電壓的功率測(cè)量

交流量子電壓具有10-8準(zhǔn)確度量級(jí)，將交流量子電壓作為高準(zhǔn)確度標(biāo)尺，對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行采樣校準(zhǔn)，差分采樣方法被廣泛應(yīng)用。差分采樣法利用采樣系統(tǒng)對(duì)交流源產(chǎn)生的正弦電壓和交流量子電壓的差值進(jìn)行采樣，通過(guò)對(duì)差值信號(hào)的采樣測(cè)量結(jié)果和已知的量子電壓波形，能夠重構(gòu)被測(cè)的正弦信號(hào)的幅值和相位[10-19]。

V(n)=VJ(n)+VΔ(n)

(2)

式中V(n)為被測(cè)交流信號(hào)采樣值；VJ(n)為交流量子電壓臺(tái)階波采樣值；VΔ(n)為可測(cè)差分信號(hào)。

由于一個(gè)約瑟夫森結(jié)陣芯片只能輸出一路交流量子電壓，在功率測(cè)量過(guò)程中，需要同時(shí)對(duì)電壓、電流兩路信號(hào)的幅值和相位進(jìn)行測(cè)量，并且還需保證其可溯源性。為滿足這一要求，文章提出分段式驅(qū)動(dòng)方案，如圖3所示，將某一段時(shí)間內(nèi)的量子電壓信號(hào)分段，前一段用來(lái)測(cè)量電壓信號(hào)(或電流信號(hào))，后一段用來(lái)測(cè)量電流信號(hào)(或電壓信號(hào))，這就要求模擬功率源具有高穩(wěn)定性，確保測(cè)量時(shí)段內(nèi)電壓、電流信號(hào)的穩(wěn)定性，。通過(guò)交流量子電壓對(duì)功率源發(fā)出的電壓、電流信號(hào)同時(shí)差分采樣重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基于量子電壓的功率測(cè)量。

圖3中Vv表示待測(cè)電壓信號(hào)，電流信號(hào)需經(jīng)過(guò)分流器轉(zhuǎn)換為可以采用差分方法進(jìn)行測(cè)量的電壓信號(hào)Vi，Vj為約瑟夫森結(jié)陣輸出臺(tái)階波信號(hào)。

圖3 分段式驅(qū)動(dòng)原理圖Fig.3 Sectional drive schematic diagram

分段式驅(qū)動(dòng)方案將電壓信號(hào)和電流信號(hào)分段進(jìn)行測(cè)量。驅(qū)動(dòng)結(jié)陣輸出量子電壓臺(tái)階波時(shí)，也需要分段計(jì)算，將計(jì)算好的電壓分段波形和電流分段波形組合成一個(gè)臺(tái)階波信號(hào)。組合后的臺(tái)階波信號(hào)如圖4所示。

圖4 分段式驅(qū)動(dòng)量子電壓臺(tái)階波信號(hào)Fig.4 Quantum voltage step wave signal of segmental driven

2 數(shù)字化電能計(jì)量特性

在新一代智能變電站中，數(shù)字化電能表的輸入信號(hào)為模擬信號(hào)采樣之后的數(shù)字量，新一代智能變電站中的就地?cái)?shù)字化模塊對(duì)模擬電壓、電流信號(hào)進(jìn)行每周波80點(diǎn)或每周波256點(diǎn)的采樣，合并單元將采樣值進(jìn)行協(xié)議打包后發(fā)送給數(shù)字化電能表，如圖5所示。

圖5 數(shù)字化電能計(jì)量原理Fig.5 Schematic diagram of digital electrical power metering

數(shù)字化電能表通過(guò)對(duì)采樣值進(jìn)行點(diǎn)積和來(lái)計(jì)算電能，有功功率計(jì)算公式如下：

(3)

傳統(tǒng)電子式電能表標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出為模擬量，需要借助AD采樣器對(duì)數(shù)字化電能進(jìn)行量傳，該量傳方法引入了AD采樣器的不確定度，不確定度分量大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電能的直接量傳，不利于數(shù)字化電能表準(zhǔn)確度高優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。

3 基于量子電壓的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置

基于量子電壓，建立新型電能標(biāo)準(zhǔn)裝置，裝置中的模擬功率源輸出被測(cè)電能表所需的模擬電壓和電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)比例變換器轉(zhuǎn)換成1 V電壓信號(hào)，經(jīng)換向差分采樣測(cè)量及信號(hào)重構(gòu)后得到標(biāo)準(zhǔn)的功率電能量值，實(shí)現(xiàn)量子電壓對(duì)交流電壓、功率的高準(zhǔn)確度量值標(biāo)定，如圖6所示。

圖6 基于量子電壓的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置Fig.6 Electrical power standard equipment based on quantum voltage

4 基于量子電壓的數(shù)字化電能量值傳遞技術(shù)

4.1 基于量子電壓的數(shù)字化電能檢測(cè)原理分析

基于量子電壓的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置一方面將量子電壓校準(zhǔn)后的采樣信號(hào)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換生成數(shù)據(jù)幀，對(duì)被測(cè)數(shù)字化電能表進(jìn)行量值傳遞；同時(shí)，還可在模擬源輸出端直接接被測(cè)模擬電能表，直接對(duì)模擬電能表進(jìn)行量值傳遞，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量與模擬量的雙溯同源量值傳遞。

如圖7所示，傳統(tǒng)電子式電能標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行交流功率測(cè)量時(shí)，是通過(guò)熱電變換的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)溯源至直流量，標(biāo)準(zhǔn)裝置的輸出為模擬量，無(wú)法對(duì)輸入信號(hào)為數(shù)字量的數(shù)字化電能表進(jìn)行直接量值傳遞；如果測(cè)數(shù)字化電能表，需要把熱電變換器、AD轉(zhuǎn)換器誤差納入考慮，不確定度分量增多，測(cè)量不確定度會(huì)變大。

圖7 傳統(tǒng)電能標(biāo)準(zhǔn)裝置與基于量子電壓的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置量傳方法比較Fig.7 Comparison of standard value transmission between traditional and novel electrical power standard based on quantum voltage

基于量子電壓建立的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置，傳遞給被檢數(shù)字化電能計(jì)量裝置的數(shù)字量是經(jīng)交流量子電壓采樣校準(zhǔn)后的標(biāo)準(zhǔn)量值，不需借助熱電變換器，不需借助AD轉(zhuǎn)換器，減少了量值傳遞路徑中的誤差引入環(huán)節(jié)，量傳鏈路扁平化，測(cè)量不確定度小，量值傳遞更短更快。

4.2 檢測(cè)試驗(yàn)及不確定度分析

數(shù)字功率檢測(cè)比對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中，首先采用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)信號(hào)理論值，經(jīng)過(guò)IEC 61850-9-2協(xié)議發(fā)送到數(shù)字化電能表，對(duì)數(shù)字化電能表進(jìn)行標(biāo)定，再利用新一代電能標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)得的結(jié)果發(fā)送到該數(shù)字化電能表，與理論信號(hào)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。

采用計(jì)算機(jī)生成的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)1 000 V和電流信號(hào)1 000 A，通過(guò)IEC 61850 9-2 協(xié)議發(fā)送給數(shù)字電能表，得到結(jié)果如表1所示。可以看出，數(shù)字電能表接收到的電壓電流信號(hào)幅值和計(jì)算的功率大小與計(jì)算機(jī)發(fā)出理論值大小相等。

表1 數(shù)字化電能表示值與信號(hào)理論值比對(duì)結(jié)果Tab.1 Comparison results between digital electricity meter representation value and signal theoretical value

為確保數(shù)字化電能的溯源性，數(shù)字化電能表接收的IEC 61850數(shù)字信號(hào)需與模擬量建立聯(lián)系。在基于量子電壓的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置中，模擬功率選用某公司的RS933，輸出電壓為100 V、電流為5 A的模擬信號(hào)，經(jīng)比例變換、差分采樣、信號(hào)重構(gòu)環(huán)節(jié)后，得到經(jīng)量子電壓校準(zhǔn)后的模擬信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)值。同時(shí)，將得到的電壓采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)10倍電壓變比轉(zhuǎn)換成1 000 V電壓信號(hào)，電流采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)200倍電流變比生成1 000 A數(shù)字電流信號(hào)，將瞬時(shí)采樣值通過(guò)IEC 61850 9-2 協(xié)議發(fā)送給數(shù)字電能表，得到結(jié)果如下表所示。由于模擬功率源、比例變換環(huán)節(jié)的固有誤差，以及感性負(fù)載和容性負(fù)載時(shí)的誤差不平衡，功率因數(shù)為0.5C時(shí)，電能標(biāo)準(zhǔn)裝置的電壓誤差稍微大于感性負(fù)載時(shí)的電壓誤差。從表中得出，數(shù)字電能表的電壓、電流及功率的誤差均小于4×10-6，新一代電能標(biāo)準(zhǔn)裝置數(shù)字化電能測(cè)量結(jié)果合理。

表2 數(shù)字化電能表檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Test results of digital electricity meter

5 結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)際單位制量子化變革的趨勢(shì)下，為解決數(shù)字化電能量值傳遞難題，本文探索了基于量子電壓的數(shù)字化電能量值傳遞方法，研究了交流量子電壓分段式驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于一路量子電壓的功率測(cè)量，并建立了新一代電能標(biāo)準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化電能和模擬電能的雙溯同源量值傳遞。