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【摘 要】近年来直流电能表的应用不断加大，对于它准确计量的需求也在日益提高。目前已经有不少厂家研制了直接接入式直流电能表，国家电网公司也在2011年开始制定《直流电能表技术规范》《直流电能表校验装置技术规范》，可以预计将来对于直流计量的需求将越来越多，相应的对于计量装置校验的需求也将越来越多。而国内目前缺乏能对直接接入式直流电能表进行检定的设备。
【关键词】直流电能表；校验装置；直流电压；智能化设备
1 引言
直流电能表是针对直流屏、太阳能供电、电信基站、地铁等应用场合而设计的，已广泛用于太阳能电池板、直流电源等直流信号设备的电能值测试中，但其测量的电压电流范围往往较小，并很少作为贸易结算的依据。随着国民经济的发展，对交通工具的节能环保的要求日益迫切。以蓄电池为动力的电动汽车由于节能环保的特性，作为国家新能源战略的重要组成部分，正在越来越广泛的成为一种新型的交通工具[1]。电动汽车充电站内的计量器具能否符合法定管理要求直接关系到贸易结算的公平公正以及我国电动汽车产业的发展。目前，对电动汽车充放电所用的计量检测技术还不成熟，对电动汽车充电桩的计量，最常用的还是在整流前采用交流电能表进行计量，该方法的缺陷在于不可避免的带入整流所造成的误差，并会将整流时带来的电能损耗算在用户侧，增加用户用电费用。因此为了避免给用户带来不必要的损失，在直流侧直接进行直流电能的计量是一种更为可取的方式。而非车载的直流充电机也只能采取这种方式[1]。针对电动汽车充电过程中电压电流范围比较宽的特点，与普通的直流电能表计量相比，对工作于电动汽车充电站的直流电能表的计量提出了更高的要求。
2 国内外研究水平综述
由于以前基本没有直接接入式的大量程的直流电能表的应用，国家电网的各电网公司还没有建立对直接接入式直流电能表进行检定和校验的软件条件和硬件设备。国内目前也缺乏能对直接接入式直流电能表进行检定的设备。对于国内来讲，目前只有深圳科陆电子有一款产品，名称为：便携式直流电能表检定装置，型号为：CL6230。其功能较为简单，是一个直流稳压源和直流稳流源，其电压范围为30～700V，电流可以输出到30A，电流输出较小。从国际上看，美国福禄克（Fluke）公司的6100A可以输出直流电压和直流电流，但是不能计量直流电能，不能用于直流电能表的检定，其可以用于直流电压或电流的单独溯源。福禄克的5520A可以测量0～1020V的直流电压，精度为50ppm，可以测量0～11A的直流电流，并且可以校准功率，但是没有电能累计功能，不能用于电能比较。国外在直接接入式高精度直流标准源输出方面还没有相应的产品和研究。
3 直接接入式直流电能表校验装置原理简述
（如图1）直流电能表检定装置由程控电压源和电流源、标准直流表、误差显示器和PC电脑等构成。检定时通过PC电脑上的管理软件发出命令给直流标准源，直流源接收到命令后输出检定点的直流电压和电流，标准直流表和被检表同时对直流电压和电流进行连续采集，经过计算，两者一起发出电能脉冲给误差显示器，误差显示器计算电能误差后在显示屏上显示，同时把误差值通过通信线发给PC电脑，PC上运行的管理软件。
4 研究难点分析
直接接入式直流电能表校验装置的研究难点在于：直流标准表和直流源大电流传感器、大功率恒流源、直流电能的溯源这3个方面的设计。
4.1 直流标准表和直流源大电流传感器
根据电功率P=I2R可知，发热量增加倍数是电流量增加倍数的10倍。在设计过程中，最大电流一般设定为500A，如果使用电阻分流器，那么，500A以上的温度系数通常为2×10-5.如果电阻式分流器的温度系数为2×10-5，则要求它自身的温度不能超过5℃。但是，这样的条件只能在自然环境温度为20℃时实现。如此高精度的电阻式传感器的设计方法有3种：①通过增大传感器的体积来降低自身发热量。这样一来，装置的质量和体积有所增加，不方便携带和操作。②通过提升直流表或直流源模拟前端的信噪比来降低电阻阻值，但是，这样会增加直流表的设计难度。③设计一个恒温盒使其温度处于恒定状态，但是，要想实现温度的快速检测和补偿却是非常困难的。
4.2 大功率恒流源
大功率恒流源的设计方式有2种，即开关功放方式和线性功放方式。开关功放方式的设计难点在于精度和波纹控制，而大功率和大电流的输出比较容易解决。与开关功放方式相比，线性功放方式具有较高的稳定性，精确度也高，却难以输出较大的功率和电流。要想输出大功率和大电流，可以通过功率管并联来实现。但是，功率管并联的设计难度比较大，线性功放方式本身就具有功率低的缺点，所以，要想解决这一问题是非常困难的。
4.3 直流电能的溯源
对于理想的直流电能表直流电能，只要能够追溯到U和I的来源，就能够追溯到直流电能的来源。从理论上讲，将U和I的溯源精度提高1倍就可以实现直流电能溯源。但是，在实际操作过程中，这二者是极难控制的，电流、电压采样电路延时一般都存在差异，。解决的方法主要有两种。（1）电压和电流的输出纹波足够小，小于准确度等级。比如电压输出100V，其纹波小于0.02V，这样电压和电流信号可以近视為理想的直流信号，直流电能可以通过电压和电流的有效值来溯源。当然这会提高直流信号源的功放的设计难度，要求直流源纹波要足够小。（2）同步采样。直流标准的电压和电流采用严格同步采样，这要求电压回路的延时，电流回路的延时，模拟前端的延时，以及AD的采样时刻要严格一致。
5 结束语
近年来，直流电能表的市场在不断扩大，因其电流计量的准确度比较高，所以，在电能表装置这个大舞台上，未来它也将占据重要的地位。在安装直流电能表时，需要校验装置，这是安装电能表装置必不可少的步骤。在此过程中，必须要想办法解决设计中存在的问题。
参考文献：
[1]严伟，耿睿，李燕.100A交、直流电流表校验仪的研制[J].中国计量，2016（3）：75-77.
[2]吴敏婕，王一丽，朱剑平.直流微弱电流表/源自动校准系统的设计及实现[J].电测与仪表，2016，53（S1）：138-141.
[3]范维平.XF30A*数字多用表校准仪电压、电流测量不确定度的分析与评定[J].计量与测试技术，2017（7）.
（作者单位：广东电网有限责任公司揭阳供电局）
【关键词】直流电能表；校验装置；直流电压；智能化设备
1 引言
直流电能表是针对直流屏、太阳能供电、电信基站、地铁等应用场合而设计的，已广泛用于太阳能电池板、直流电源等直流信号设备的电能值测试中，但其测量的电压电流范围往往较小，并很少作为贸易结算的依据。随着国民经济的发展，对交通工具的节能环保的要求日益迫切。以蓄电池为动力的电动汽车由于节能环保的特性，作为国家新能源战略的重要组成部分，正在越来越广泛的成为一种新型的交通工具[1]。电动汽车充电站内的计量器具能否符合法定管理要求直接关系到贸易结算的公平公正以及我国电动汽车产业的发展。目前，对电动汽车充放电所用的计量检测技术还不成熟，对电动汽车充电桩的计量，最常用的还是在整流前采用交流电能表进行计量，该方法的缺陷在于不可避免的带入整流所造成的误差，并会将整流时带来的电能损耗算在用户侧，增加用户用电费用。因此为了避免给用户带来不必要的损失，在直流侧直接进行直流电能的计量是一种更为可取的方式。而非车载的直流充电机也只能采取这种方式[1]。针对电动汽车充电过程中电压电流范围比较宽的特点，与普通的直流电能表计量相比，对工作于电动汽车充电站的直流电能表的计量提出了更高的要求。
2 国内外研究水平综述
由于以前基本没有直接接入式的大量程的直流电能表的应用，国家电网的各电网公司还没有建立对直接接入式直流电能表进行检定和校验的软件条件和硬件设备。国内目前也缺乏能对直接接入式直流电能表进行检定的设备。对于国内来讲，目前只有深圳科陆电子有一款产品，名称为：便携式直流电能表检定装置，型号为：CL6230。其功能较为简单，是一个直流稳压源和直流稳流源，其电压范围为30～700V，电流可以输出到30A，电流输出较小。从国际上看，美国福禄克（Fluke）公司的6100A可以输出直流电压和直流电流，但是不能计量直流电能，不能用于直流电能表的检定，其可以用于直流电压或电流的单独溯源。福禄克的5520A可以测量0～1020V的直流电压，精度为50ppm，可以测量0～11A的直流电流，并且可以校准功率，但是没有电能累计功能，不能用于电能比较。国外在直接接入式高精度直流标准源输出方面还没有相应的产品和研究。
3 直接接入式直流电能表校验装置原理简述
（如图1）直流电能表检定装置由程控电压源和电流源、标准直流表、误差显示器和PC电脑等构成。检定时通过PC电脑上的管理软件发出命令给直流标准源，直流源接收到命令后输出检定点的直流电压和电流，标准直流表和被检表同时对直流电压和电流进行连续采集，经过计算，两者一起发出电能脉冲给误差显示器，误差显示器计算电能误差后在显示屏上显示，同时把误差值通过通信线发给PC电脑，PC上运行的管理软件。
4 研究难点分析
直接接入式直流电能表校验装置的研究难点在于：直流标准表和直流源大电流传感器、大功率恒流源、直流电能的溯源这3个方面的设计。
4.1 直流标准表和直流源大电流传感器
根据电功率P=I2R可知，发热量增加倍数是电流量增加倍数的10倍。在设计过程中，最大电流一般设定为500A，如果使用电阻分流器，那么，500A以上的温度系数通常为2×10-5.如果电阻式分流器的温度系数为2×10-5，则要求它自身的温度不能超过5℃。但是，这样的条件只能在自然环境温度为20℃时实现。如此高精度的电阻式传感器的设计方法有3种：①通过增大传感器的体积来降低自身发热量。这样一来，装置的质量和体积有所增加，不方便携带和操作。②通过提升直流表或直流源模拟前端的信噪比来降低电阻阻值，但是，这样会增加直流表的设计难度。③设计一个恒温盒使其温度处于恒定状态，但是，要想实现温度的快速检测和补偿却是非常困难的。
4.2 大功率恒流源
大功率恒流源的设计方式有2种，即开关功放方式和线性功放方式。开关功放方式的设计难点在于精度和波纹控制，而大功率和大电流的输出比较容易解决。与开关功放方式相比，线性功放方式具有较高的稳定性，精确度也高，却难以输出较大的功率和电流。要想输出大功率和大电流，可以通过功率管并联来实现。但是，功率管并联的设计难度比较大，线性功放方式本身就具有功率低的缺点，所以，要想解决这一问题是非常困难的。
4.3 直流电能的溯源
对于理想的直流电能表直流电能，只要能够追溯到U和I的来源，就能够追溯到直流电能的来源。从理论上讲，将U和I的溯源精度提高1倍就可以实现直流电能溯源。但是，在实际操作过程中，这二者是极难控制的，电流、电压采样电路延时一般都存在差异，。解决的方法主要有两种。（1）电压和电流的输出纹波足够小，小于准确度等级。比如电压输出100V，其纹波小于0.02V，这样电压和电流信号可以近视為理想的直流信号，直流电能可以通过电压和电流的有效值来溯源。当然这会提高直流信号源的功放的设计难度，要求直流源纹波要足够小。（2）同步采样。直流标准的电压和电流采用严格同步采样，这要求电压回路的延时，电流回路的延时，模拟前端的延时，以及AD的采样时刻要严格一致。
5 结束语
近年来，直流电能表的市场在不断扩大，因其电流计量的准确度比较高，所以，在电能表装置这个大舞台上，未来它也将占据重要的地位。在安装直流电能表时，需要校验装置，这是安装电能表装置必不可少的步骤。在此过程中，必须要想办法解决设计中存在的问题。
参考文献：
[1]严伟，耿睿，李燕.100A交、直流电流表校验仪的研制[J].中国计量，2016（3）：75-77.
[2]吴敏婕，王一丽，朱剑平.直流微弱电流表/源自动校准系统的设计及实现[J].电测与仪表，2016，53（S1）：138-141.
[3]范维平.XF30A*数字多用表校准仪电压、电流测量不确定度的分析与评定[J].计量与测试技术，2017（7）.
（作者单位：广东电网有限责任公司揭阳供电局）