適合高精度關口電能表檢定的小電流標準功率源設計

楊靜，曾偉杰，王智，申麗曼，蘇玉萍

(國網湖南省電力有限公司供電服務中心(計量中心)，湖南 長沙410004)

0 引言

智能電能表是智能電網和能源互聯網高級量測體系的基礎元件之一，承擔電能數據采集、計量、傳輸和處理的功能，支撐智能電網和能源互聯網實現用電負荷管理、分布式能源計量、電網運行調度、電力市場交易和電能質量監測等環節[1－3]。電能表的準確度直接影響到電力系統中的結算公平性，關系到電廠、供電公司和用戶的切身利益[4－6]。

關口電能表(以下簡稱“關口表”)是安裝運行在發電企業上網、跨區聯絡線、省網聯絡線等關口電能計量裝置中的電能表[7－9]。關口表記錄的電能量作為技術經濟指標統計、核算的基礎數據，是電力市場能否正常運行的關鍵，其計量的準確性直接關系到發供電企業的經濟利益和社會效益[10－11]。

關口表準確度等級一般為0.2S級。相對用戶計費電能表而言，關口計量的電能量值巨大，負荷變化快速頻繁，功率因數變化范圍也較寬，有時甚至工作在輕載條件下。這就要求關口表的設計不但要具有高的準確度，而且要有寬的動態范圍和快速響應的特性，尤其是在低負荷輕載條件下，負荷特性仍應平坦，保持高準確度，特性曲線不應上翹或下凹。輕載特性是衡量關口表性能的重要指標[12－13]。由于現有電能表檢定裝置小電流點準確度不夠，一般只能滿足關口表100 mA以上檢定點要求，對于關口表100 mA以下小電流點無法準確計量。因此，研究適合于關口表檢定的小電流標準功率源，對于確保小電流點電能計量準確性具有重要意義[14－16]。

基于此，設計一種小電流標準功率源，電壓輸出范圍6～576 V，電流輸出范圍0.2～120 mA，功率/電能準確度等級0.05級，且在0.3 mA點的電能計量準確度要達到0.5%，在3 mA點的電能計量準確度要達到0.05%。以此解決0.3(1.5)A關口表小電流點的檢定溯源要求，確保關口表的小電流點計量準確性。

1 關口表小電流電能計量性能要求

根據相關技術規范要求，0.2S級關口表的電流規格有1(6)A或0.3(1.2)A兩種，其中300 mA標稱電流的小電流關口表對小電流電能計量提出較高的要求。目前關口表的檢定主要參考JJG 596—2012《電子式交流電能表檢定規程》和JJF 1245—2019《交流電能表型式評價大綱》，檢定溯源標準器采用的是0.05級甚至更高等級的交流電能表檢定裝置。根據JJG 596—2012《電子式交流電能表檢定規程》要求，對于0.3(1.2)A的0.2S級關口表，其起動電流Ist＝0.001In＝0.001×0.3 A＝0.3 mA。

對于關口表的基本誤差，JJG 596—2012《電子式交流電能表檢定規程》只規定了最小0.01In(3 mA)檢定點的要求。根據國家電網有限公司最新技術規范，對于0.3(1.2)A的0.2S級關口表，其最大電流Imax＝1.2 A，最小電流Imin＝3 mA，其在起動電流0.3 mA點的最大允許誤差γ＝±0.2%×3/0.3＝±2%，在最小電流3 mA點的最大允許誤差為±0.2%。

通常情況下，為保證被檢關口表的準確性，一般要求交流電能表檢定裝置的基本最大允許誤差優于被檢表最大允許誤差的1/3，因此為保證被檢關口表在0.3 mA起動電流點和3 mA最小電流點的電能計量準確度分別達到2%和0.2%，檢定裝置在0.3 mA點的電能計量準確度需達到0.5%，在3 mA點的電能計量準確度需達到0.05%。由此可見，關口表小電流檢定點對電能計量裝置的準確度要求極高。

2 小電流標準源設計方案

交流電能表檢定裝置主要用于交流電能表的檢定，是向被檢電能表提供電能并能測量此電能的器具的組合，也是電能表量值溯源體系中最基礎的環節。通常裝置由電能輸出電路、電能測量標準器(標準電能表、功率表、電能變換器)或電能測量電路、量限擴展電路、電量監視電路(或儀表)，以及輔助測量電路組成。交流電能表檢定裝置的核心為標準功率源。

設計的標準功率源主要由微處理器、大規模集成電路芯片FPGA、多路A/D和D/A轉換電路、功率放大器等組成。FPGA電路芯片可由程控組成系統中的誤差計數電路，控制所需的I/O接口，將數字信號傳輸給DAC，再傳輸給功放，產生三相電壓和電流信號，反饋電路相用于采樣輸出的U(t)或I(t)信號，傳輸給ADC變換為數字信號。最終微處理器根據反饋信號對測量的信號進行失真度補償后，與設定值進行比對，再修正輸出量值，以確保輸出信號的穩定度和準確性。其原理如圖1所示。

圖1 標準功率源原理框圖

標準功率源工作原理如下:

1)上位機軟件設定電壓電流各次波形幅度、相位等基本參量。

2)微處理器接收參數設置后，通過以下公式運算繪制波形，并將信號傳輸給FPGA。

3)FPGA將數字信號傳輸給DAC，再傳輸給功放輸出U(t)或I(t)波形。

4)反饋電路用于采樣輸出的U(t)或I(t)信號，傳輸給ADC變換為數字信號，實現反饋測量。

5)FPGA對測量的信號進行失真度補償后，與設定值進行比對，再修正輸出量值。

為了精準測量輸出電流，需要引入反饋測量模塊，將微弱電流轉換為ADC易采集的電壓信號。因此反饋測量模塊的一個重要功能是進行I/V變換，該模塊也是小電流標準源的核心功能模塊，直接決定了儀器的測量精度。

由于傳統的反饋測量電路無法對小電流進行準確測量，因此反饋電路采用基于跨阻負反饋的I/V變換模塊，其原理是利用跨阻放大器將待測輸入小電流轉換為電壓信號再進行測量，其靈敏度的理論極限由反饋電阻決定，該方法原理如圖2所示。

圖2 反饋跨阻I/V變換原理

理想的輸入－輸出的相關性是:

現實運用中，因不存在完美的運算放大器，其開環增益Ad并非無限大，而且，不可避免地暴露出偏置電流IB及輸入失調電壓VOS的問題。因此，I－V轉換的真實輸出是:

式中，VOS為放大器的失調電壓；IB為放大器的輸入偏置電流；Ad為放大器的開環放大倍數。真實的測量出的V0誤差是:

運放的三個變量引起的噪聲對V0存在一定程度的作用。在測量極為微弱的電流情況下，通常要求放大倍數Ad及反饋電阻Rf的數值足夠大。可Rf的值過大會強化偏置電流及失調電壓的反作用力，進而加劇熱噪聲，對穩定性及一致性也構成影響，影響測量的精準性及復現性，所以反饋電阻Rf的阻值選取尤其重要。經過反復試驗，最終確定了合理的Rf阻值。最終設計出基于跨阻負反饋的I/V變換模塊，如圖3所示。

圖3 基于跨阻負反饋的I/V變換模塊

與電容積分法相比，跨阻法不需要電荷累積的過程，因此其優點在于實時性好，適合測量快速、連續變化的微弱電流，最小測量電流可達到微安級并保證較高的準確度。

被測的電壓電流信號需要經過電壓轉換模塊、電流轉換模塊轉換為ADC可以采集的模擬信號，該信號需要經過硬件濾波器，獲得ADC可采集的穩定可靠信號。該系統采用有源濾波器，對轉換后的信號進行處理。

信號通過截止頻率為1 kHz的巴特沃斯LPF濾波器模塊。第一級是1階LPF，第2級和第3級是2階LPF，3級合起來構成5階LPF(如圖4所示)。各級濾波器的輸出阻抗與截止頻率無關，輸出阻抗很低。

圖4 正反饋型5階巴特沃斯LPF

經過濾波器后，信號進入增益調節電路，調理后的信號為差分信號，抗共模干擾能力強，信噪比高，可有效補償互感器小電流測量的誤差。通過上述處理，采樣信噪比達到126 dB，實現了高穩定度測量。

3 實驗結果與分析

考慮到關口表工作電壓一般為3×(57.7/100)V，在60 V下對小電流標準功率源各電流量程功率進行測試，以此驗證小電流標準功率源的技術指標。校準器具為0.01級三相標準電能表，校準方法為標準表法。

不同電壓、頻率、相角、電流測試條件下的小電流功率源實際輸出結果見表1。其中，功率輸出值為本文設計的小電流功率源實際輸出；功率測量值為標準表測量值，采用0.01級標準表對不同電流下小電流標準源的功率進行了測試；三相電能誤差采用脈沖法進行測試，測試結果較好，滿足關口表檢定需求。

表1 不同電壓、頻率、相角、電流測試條件下的小電流功率源實際輸出結果

4 結語

針對0.3(1.5)A關口表小電流點檢定溯源要求，研制小電流標準功率源，給出總體設計方案，完成硬件設計、信號調理模塊設計、信號濾波器設計。實驗結果表明小電流標準功率源準確度高，達到預期指標，解決了0.3(1.5)A關口表小電流點溯源困難的問題，確保關口表的計量準確、電力貿易結算公平公正。