大功率直流電能表設(shè)備檢定裝置的研制

大功率直流電能表設(shè)備檢定裝置的研制

0充電樁電能計(jì)量電能表電動(dòng)汽車已經(jīng)成為國家新能源戰(zhàn)略的重要組成部分，正在迅速發(fā)展。根據(jù)電動(dòng)汽車使用的車載電池的特性,大中型電動(dòng)汽車一般采用直流方式充電。由于充電時(shí)的直流電壓為400~800V,電流為0~500A,市場上原有的直流電能表在功能上無法適應(yīng)充電樁電能計(jì)量的需要。如采用交流側(cè)使用交流電能表計(jì)量電能,會(huì)將整流時(shí)的電能損耗算在了用戶側(cè),增加用戶充電費(fèi)用,不利于電動(dòng)汽車個(gè)人用戶的普及。一些電能表生產(chǎn)廠家針對這種情況研制了用直流充電樁電能計(jì)量的直流電能表。由于該類電能表額定電壓和額定電流高,現(xiàn)有的計(jì)量檢定裝置無法根據(jù)直流電能表檢定規(guī)程的對電能表的性能進(jìn)行檢測。本文研制了充電樁直流電能表的檢定裝置,能夠有效滿足電能表的測量范圍,全面準(zhǔn)確地評估直流電能表電能計(jì)量性能。1電能表的檢定(1)本檢定裝置由電源、電流電壓比例標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、人機(jī)交互單元組成,檢定時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要選擇合適量程;(2)本檢定裝置采用實(shí)時(shí)脈沖周期比較法校準(zhǔn)電能,實(shí)時(shí)測量被檢電能表的脈沖周期,并與標(biāo)準(zhǔn)脈沖周期進(jìn)行比較,測量方便快捷;(3)本檢定裝置采用虛功率的方式實(shí)現(xiàn)電能表的校準(zhǔn)檢定工作,檢定裝置工作時(shí)無需消耗大量電能,節(jié)能環(huán)保;(4)本檢定裝置利用LabVIEW(虛擬儀器平臺(tái))作為數(shù)據(jù)處理和操作顯示平臺(tái),檢定時(shí)可以實(shí)時(shí)觀察檢定情況,測量數(shù)據(jù)和誤差分析可以根據(jù)需要保存為Excel等文件,無需在檢定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和后期數(shù)據(jù)處理,提高檢定效率;(5)為了滿足對0.5級、1.0級、2.0級及以下直流電能表的校準(zhǔn)檢定工作,本檢定裝置設(shè)計(jì)參數(shù):電源輸出電壓:0~10kV;電源輸出電流:0~500A;檢定裝置電能計(jì)量最大允許誤差:±(0.05%讀數(shù)+0.05%量程)。2被檢電能表電能值a和tJJG842-1993《直流電能表檢定規(guī)程》中14.2.1規(guī)定,標(biāo)準(zhǔn)電能表與被檢電能表在相同時(shí)間t內(nèi)的電能誤差δ滿足關(guān)系式:式中Ex為被檢電能表電能值,單位kWh;E為標(biāo)準(zhǔn)電能表電能值,單位kWh。被檢電能表電能值Ex滿足關(guān)系式:式中aH為被檢電能表脈沖常數(shù),單位imp/kWh;t1為被檢電能表脈沖周期,單位s;t為測量時(shí)間,單位s。標(biāo)準(zhǔn)電能表電能值E滿足關(guān)系式:式中U為回路電壓,單位V;I為回路電流,單位A;t為測量時(shí)間,單位s。將式(2)、(3)代入(1)式可得電能誤差δ滿足關(guān)系式:標(biāo)準(zhǔn)電能表以被檢電能表的脈沖常數(shù)aH工作時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖周期t0滿足關(guān)系式:將(5)代入(4)式化簡得到實(shí)時(shí)脈沖周期比較法電能誤差δ的計(jì)算公式:實(shí)時(shí)脈沖周期比較法的關(guān)鍵,在于被檢電能表和標(biāo)準(zhǔn)電能表要在相同的時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行測量和計(jì)算電能誤差。3試驗(yàn)裝置的硬件結(jié)構(gòu)3.1基本結(jié)構(gòu)直流電能表檢定裝置的硬件包括電源、電流電壓比例標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集單元。(1)檢定裝置電路設(shè)計(jì)檢定裝置的電源由電流源和電壓源組成,JJG842-1993《直流電能表檢定規(guī)程》的7.5節(jié)和7.6節(jié)中規(guī)定,檢定裝置的輸入電壓最大允許誤差±2%,輸入電壓、電流紋波系數(shù)小于2%。為了滿足檢定規(guī)程的要求,本檢定裝置的電壓源采用SpellmanSL10N150,最大輸出電壓為10kV,最大負(fù)載電流15mA,最大輸出功率150W,其中電壓最大允許誤差±0.005%,紋波系數(shù)為0.1%。電流源采用龍城SWL-500A/8V型伺服電源,紋波系數(shù)優(yōu)于0.01%,最大輸出電流為500A。(2)v分壓器選擇檢定裝置的電流電壓比較標(biāo)準(zhǔn)包括直流標(biāo)準(zhǔn)分壓器、電流比較儀和采樣電阻。其中直流標(biāo)準(zhǔn)分壓器采用GF-10kV電壓比例標(biāo)準(zhǔn),分壓比最大允許誤差±1×10-5,該分壓器有10000/10、10000/1、10000/0.1三種變比可以選擇。電流比較儀采用2LB-1A型直流電流比例標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)變比為10000A/5A,最大允許誤差±1×10-6,采樣電阻為10Ω/1W,最大允許誤差為±0.01%。(3)模擬通道采集卡的采樣數(shù)據(jù)采集單元組成如圖1所示,包括屏蔽接線盒、屏蔽電纜和采集卡和工控機(jī)。采集卡使用NI公司的18位高精度多通道采集卡PCI-6281,共有16路模擬輸入端口和24個(gè)數(shù)字I/O。模擬通道采樣速率可以達(dá)到500ks/s,輸入量程可以根據(jù)需要從±0.1V至±10V。選擇±10V量程時(shí),每通道采樣最大允許誤差為±(0.0072%讀數(shù)+0.0031%量程+21μV);采集卡數(shù)字通道的時(shí)間分辨力50ns,最大允許誤差±0.005%。3.2勞動(dòng)原理與測量不確定度的分析3.2.1數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)字通道設(shè)置電能表檢定裝置基本原理如圖2所示。檢定裝置采用虛擬功率的方式,使用直流電壓源和直流電流源分別為檢定回路提供高壓和大電流,數(shù)據(jù)采集單元的兩路模擬通道分別采集檢定回路中的電流和電壓信號,其中電壓采集通道與被檢電能表電壓端子并聯(lián)于測量回路,通過直流標(biāo)準(zhǔn)分壓器得到采樣信號;電流采集通道與被檢電能表電流端子串聯(lián)于測量回路,通過直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)和采樣電阻獲得采樣信號;數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)字通道采集被檢電能表的輸出脈沖。檢定裝置通過比較標(biāo)準(zhǔn)脈沖周期和被檢電能表脈沖周期實(shí)現(xiàn)對被檢電能表的檢定。3.2.2不確定度分量uu1檢定裝置的測量結(jié)果不確定度來源包括:直流標(biāo)準(zhǔn)分壓器分壓比誤差引入不確定度分量u1=1×10-4、電流比較儀比例誤差引入不確定度分量u2=1×10-6、采樣電阻阻值誤差引入不確定度分量u3=1×10-4、采集卡模擬通道1測量誤差引入不確定度分量u4=1×10-4、采集卡模擬通道2測量引入不確定度分量u5=1×10-4、采集卡數(shù)字通道引入不確定度分量u6=5×10-5。檢定裝置測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:4試驗(yàn)裝置和軟件檢定裝置的軟件基于LabVIEW編寫,本文詳細(xì)介紹檢定程序數(shù)據(jù)處理單元多通道同步采集、數(shù)據(jù)處理單元電能計(jì)量算法實(shí)現(xiàn)和人機(jī)交互單元。4.1電能誤差的計(jì)算實(shí)時(shí)脈沖周期比較法需要檢定裝置與被檢電能表在相同的時(shí)間窗內(nèi)測量計(jì)算脈沖周期并進(jìn)行比較。本文研制的檢定裝置實(shí)現(xiàn)了模擬通道與數(shù)字通道的同步采集、確保了檢定裝置與被檢電能表在相同時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行電能誤差的計(jì)算。智能電能表規(guī)范中要求,智能電能表產(chǎn)生的脈沖信號寬度不小于80ms,而模擬通道采樣速率大于10k/s,即采樣周期小于0.1ms,所以檢定裝置在設(shè)計(jì)時(shí)采用數(shù)字通道提供同步的觸發(fā)信號并控制模擬通道進(jìn)行同步采集。檢定程序的同步時(shí)序如圖3所示,采集卡數(shù)字通道接收到被檢電能表的第一個(gè)脈沖信號上升沿時(shí),觸發(fā)模擬通道開始采樣,接收到最后一個(gè)脈沖信號后,控制模擬通道結(jié)束采樣,采集的數(shù)據(jù)會(huì)保存在緩存區(qū)等待數(shù)據(jù)處理。4.2實(shí)驗(yàn)1.2電能誤差檢定程序邏輯圖如圖4所示,檢定程序讀取采集卡模擬通道1和模擬通道2的采樣信號,則檢測回路內(nèi)的電壓U滿足關(guān)系式:式中U1為模擬通道1電壓;U為電壓源輸出電壓。檢測回路內(nèi)的電流I滿足關(guān)系式:式中U2為模擬通道2電壓;R為模擬通道2采樣電阻;I為電流源輸出電流。為了減少電壓源、電流源波動(dòng)對測量結(jié)果的影響,檢定程序采用多次測量取平均值的方式計(jì)算電能誤差。檢定裝置的數(shù)字通道和模擬通道分別測量計(jì)算每個(gè)采樣值之和,再根據(jù)采樣個(gè)數(shù)進(jìn)行平均。以圖3所示情況,模擬通道的電壓平均值U軍、電流平均值I軃滿足關(guān)系式:數(shù)字通道被檢電能表脈沖周期t1滿足關(guān)系式:將電壓平均值U軍、電流平均值I軃帶入公式(5)中得到標(biāo)準(zhǔn)電能表脈沖周期t0,通過公式(6)計(jì)算得到被檢電能表誤差。為了更好地觀察和分析測量回路中的諧波情況,檢定程序還對回路電壓、電流進(jìn)行FFT分析,得到回路中的直流含量、基波含量和各次諧波含量。4.3設(shè)置測量設(shè)備人機(jī)交互單元操作界面及數(shù)據(jù)顯示如圖5所示,由于檢定裝置需要設(shè)置和顯示的參量較多,設(shè)計(jì)界面時(shí)將測量參量根據(jù)類型分區(qū)放置。采樣信號區(qū)實(shí)時(shí)顯示采集系統(tǒng)的輸入波形;輸入設(shè)置區(qū)可以根據(jù)實(shí)際需要,設(shè)置采樣速率,測量時(shí)間等參數(shù);檢定顯示區(qū)顯示測量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),便于操作人員實(shí)時(shí)了解檢定情況;數(shù)據(jù)記錄區(qū)保存了整個(gè)測量過程中的數(shù)據(jù),測量結(jié)束后可以保存為Excel文件,方便操作人員數(shù)據(jù)處理,節(jié)省了記錄數(shù)據(jù)帶來的人為錯(cuò)誤和大量勞動(dòng);電壓回路諧波顯示區(qū)和電流回路顯示區(qū)實(shí)時(shí)顯示了測量回路中的諧波情況,顯示直流、基波和各次諧波的含量。表2電能表計(jì)量穩(wěn)定性檢定結(jié)果舉例Tab.2ThecalibrationstabilitydataforDCelectricalenergymeter5車直流充電樁電能表校準(zhǔn)國網(wǎng)電力科學(xué)研究院于2010年9月使用本電能表檢定裝置對某公司研制中的準(zhǔn)確度1級電動(dòng)汽車直流充電樁電能表進(jìn)行了校準(zhǔn)。電能表的參數(shù):(1)額定電壓:750V;(2)標(biāo)定電流:(外接分流器)100A;(3)分流器型號:0.2級100A/75mV;檢定依據(jù)JJG842-1993《直流電能表檢定規(guī)程》并考慮了電能表的實(shí)際工作特點(diǎn)進(jìn)行,校準(zhǔn)內(nèi)容分述如下。5.1標(biāo)定電流上升至100%標(biāo)定電流校準(zhǔn)時(shí)檢測回路電壓為電能表額定電壓750V,回路電流從電能表5%標(biāo)定電流上升至100%標(biāo)定電流,校準(zhǔn)結(jié)果舉例如表1。從校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可知,被檢電能表在(5%~100%)標(biāo)定電流內(nèi),電能計(jì)量準(zhǔn)確度均滿足1級電能表的準(zhǔn)確度要求,并且在電能表額定工況時(shí)計(jì)量準(zhǔn)確度達(dá)到最佳。5.2校準(zhǔn)測試回路電能表電能計(jì)量穩(wěn)定性檢定的目的在于檢測電能表在長時(shí)間工作時(shí)元器件發(fā)熱對電能計(jì)量準(zhǔn)確度的影響。測試回路電壓為電能表額定電壓750V,電流為50%標(biāo)定電流,校準(zhǔn)數(shù)據(jù)舉例如表2所示。從校準(zhǔn)數(shù)據(jù)看,電能表在600s的測試時(shí)間內(nèi)電能計(jì)量誤差均在允許范圍內(nèi),沒有出現(xiàn)元器件發(fā)熱引起電能計(jì)量超差情況出現(xiàn),可以滿足在電動(dòng)汽車充電樁上長時(shí)間電能計(jì)量用。6電能表