CN105334487A - 一种直流电能表检定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种直流电能表检定装置，包括标准直流表模块、直流电压程控源模块、直流电流程控源模块和系统控制模块，所述系统控制模块将检测的电压和电流信号分别输入到直流电压程控源模块和直流电流程控源模块中，所述直流电压程控源模块和直流电流程控源模块根据输入的电压和电流信号进行测量和计量，并输出直流电压标准源和直流电流标准源，所述标准直流表模块与直流电压标准源输出端之间设置有电压输出端测量回路，所述标准直流表模块与直流电流标准源输出端之间设置有电流输出端测量回路。其能对直流电能表进行现场检测，提高了检测的效率和安全性。

Description

一种直流电能表检定装置

技术领域

本发明涉及电能表检测领域，特别涉及一种直流电能表检定装置。

背景技术

电动汽车行业是全球目前最热门的发展行业，从美国的特斯拉到中国的比亚迪E系列、秦系列车型均已推入市场，并获得了良好的市场反应。根据国家工信部推出的《汽车与新能源汽车产业发展规划》，到2020年，我国新能源汽车保有量达到500万辆，以混合动力汽车为代表的节能汽车达到1500万辆以上。

对于电动汽车充电用的直流计量装置，各个厂家相继开发出相关产品，如以威胜、科陆为代表的电能表制造企业研发出了专用于电动汽车直流充电的计量装置，并挂网运行。另一方面，多个计量检测研究机构已研制出高等级的直流电能表标准对电动汽车直流充电计量装置进行实验室检定。相应的检测标准和技术规范也不断出台，比如：国网公司企业标准Q/GDW11165-2014《电动汽车非车载充电机直流计量技术要求》中要求直流充电计量装置由直流电能表、直流电阻分压器、直流分流器组成，相关检定工作也以此为目标展开；国家计量检定规程JJG842-1993《直流电能表》、JJG513-2003《直流电阻分压箱》、JJG1069-2003《直流分流器》对直流充电计量装置的检定做出了具体要求。

在专利公开号为：CN102062849A，专利名称为：一种直流电能表检定装置及方法的专利文献中，公开了一种直流电能表检定装置，包括人机交互界面、主控模块、电压功放模块、电流功放模块、电压测量模块、电流测量模块、电能计算模块、标准脉冲输出接口以及被检脉冲输入接口；所述人机交互界面与所述主控模块连接，所述主控模块通过控制总线依次通过所述电压功放模块、电压测量模块连接到所述电能计量模块；所述主控模块通过控制总线依次通过所述电流功放模块、电流测量模块连接到所述电能计量模块；所述电能计算模块分别与所述标准脉冲输出接口和被检脉冲输入接口连接；所述电压功放模块设有与被检电能表的电压信号相连的接口，所述电流功放模块设有与被检电能表的电流信号相连的接口。工作时对于被检表而言，需要将其从工作现场卸下，然后置于检定校验台才能完成检定，无法实现对被检表的现场检定。因此有必要研制一种现场检定装置，便于计量装置周期检定工作的开展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种直流电能表检定装置，其能对直流电能表进行现场检测，提高了检测的效率和安全性。

本发明的解决方案是这样实现的：一种直流电能表检定装置，包括标准直流表模块、直流电压程控源模块、直流电流程控源模块和系统控制模块，所述系统控制模块将检测的电压和电流信号分别输入到直流电压程控源模块和直流电流程控源模块中，所述直流电压程控源模块和直流电流程控源模块根据输入的电压和电流信号进行测量和计量，并输出直流电压标准源和直流电流标准源，所述标准直流表模块与直流电压标准源输出端之间设置有电压输出端测量回路，所述标准直流表模块与直流电流标准源输出端之间设置有电流输出端测量回路。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述直流电压程控源模块包括电压信号源模块、差值调节模块和电压功放标准源模块，所述系统控制模块的电压信号经电压信号源模块依次发送到差值调节模块和电压功放标准源模块处理后，由直流电压标准源输出端输出，所述直流电压标准源输出端与所述差值调节模块之间设置有电压测量负反馈回路。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述电压信号源模块为基于数字信号处理器DSP和高速数模转换器组成的可控制的正弦波、畸变波电压信号源。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述电压功放标准源模块包括PWM控制器、输出变压器、整流滤波电路和取样反馈电路，所述电压功放标准源模块的输入信号经PWM控制器处理后，输入到输出变压器进行变压处理，再经整流滤波电路处理后输出，并在输出端由取样反馈电路取样反馈给PWM控制器。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述直流电流程控源模块包括电流信号源模块、差值调节模块和电流功放标准源模块，所述系统控制模块的电流信号经电流信号源模块依次发送到差值调节模块和电流功放标准源模块处理后，由直流电流标准源输出端输出，所述直流电流标准源输出端与所述差值调节模块之间设置有电流测量负反馈回路。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述电流信号源模块为基于数字信号处理器DSP和高速数模转换器组成的可控制的正弦波、畸变波电流信号源。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述电流功放标准源模块包括功放电路、光耦隔离模块、直流互感器模块和大功率电源生成电路，所述电流功放标准源模块的输入信号经功放电路进行运放后，由光耦隔离模块进行光耦隔离，再经直流互感器模块进行功率放大并与大功率电源生成电路进行耦合输出稳定的电流源。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述电流功放标准源模块为模拟分流器输出mV发生模块，模拟分流器输出mV发生模块包括功放驱动电路、三极管和反馈电路，所述模拟分流器输出mV发生模块的输入信号为模拟小电压量，输入信号通过功放驱动电路控制三极管的输入阻抗，反馈电路基于电阻分压方式得到电压信号，实现对输出电压的动态调节。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述直流互感器模块包括方波激励模块、信号调理模块和功率放大模块，所述方波激励模块信号作用于高导磁率铁芯线圈，经信号调理模块和功率放大模块处理后由测量电阻接地。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述信号调理模块包括带通滤波器、检波电路、低通滤波器和直流放大电路，所述带通滤波器去除检测信号中的基波和其他次谐波成分，使偶次谐波得以放大独立出来，再经检波电路解调出偶次谐波信号的幅值和相位，经低通滤波和放大产生出成正比的直流电流。

与现有技术相比，本发明所述的直流电能表检定装置的优点在于：所述直流电能表检定装置，包括标准直流表模块、直流电压程控源模块和直流电流程控源模块，并在标准直流表模块与直流电压标准源输出端之间设置有电压输出端测量回路，在标准直流表模块与直流电流标准源输出端之间设置有电流输出端测量回路，即将直流功率源与标准直流表模块集于一体，实现了对直流电能表进行现场检测，提高了检测的效率和安全性。另外，直流电能表检定装置通过外部回路与被检表计电流、电压模块串并联以实现加量和误差校验。并且直流电能表检定装置的传感器输出信号送至直流电压程控源模块和直流电流程控源模块，用于电流、电压量的测量和计量；然后再送至差值调节模块，用于对直流电压程控源模块和直流电流程控源模块输出的电流、电压量进行负反馈控制，使实际输出值与设定值一致。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明所述直流电能表检定装置的原理框图；

图2为图1中所示直流电能表检定装置中电压功放标准源的原理图；

图3为图1中所示直流电能表检定装置中电流功放标准源的原理图；

图4为图3中所示电流功放标准源的一种实施方式的原理图；

图5为图3中所示直流互感器模块的原理图；

图6为图5中所示方波激励模块产生出的正负对称方波电流波形图；

图7为图5中所示方波激励模块产生出的丧失对称性的方波电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。

本发明所述的直流电能表检定装置，采用如下技术方案实现：

1)将直流功率源与标准直流表模块集于一体的工作原理

将直流功率源与标准直流表模块集于一体，其中直流功率源由电压源和电流源组成。与现有技术相比，所述直流电能表检定装置的内部设置有电压输出端测量回路和电流输出端测量回路，该电路分别内嵌在电压功放和电流功放中，与功放电路合为一体，即将直流功率源与标准直流表模块集于一体。所述直流电能表检定装置通过外部回路与被检表计电流、电压模块串并联以实现加量和误差校验。所述直流电能表检定装置的功率计量模块和电源控制模块采用同一套传感器，电流测量基于零磁通测量技术，电压测量基于精密电阻分压技术。传感器输出信号送至电压和电流信号分别输入到直流电压程控源模块和直流电流程控源模块中，所述直流电压程控源模块和直流电流程控源模块根据输入的电压和电流信号进行测量和计量，并输出直流电压标准源和直流电流标准源，所述标准直流表模块与直流电压标准源输出端之间设置有电压输出端测量回路，所述标准直流表模块与直流电流标准源输出端之间设置有电流输出端测量回路。

2)基于数字信号处理器DSP和高速数模转换器组成的信号源

信号源分为电压信号源模块和电流信号源模块，实现电路完全一致。信号源采用32位DSP和16位高速数模转换器组成可控制的正弦波、畸变波信号源，在DSP和可调时钟电路控制下，由波形合成电路输出数字信号，经D/A变换、低通滤波后得到连续低失真的具有一定幅值的模拟直流电压、电流信号。信号源输出直流电压为5V，幅值调节细度为5×10^-5。该信号源的特点是：采用运算速度和运算效率都很高的DSP取代单片机，实现任意波形的全数值运算方式，可方便地得到任意波形，通过16位高速数模转换器(又称D/A)实现，转换最大分辨率：200uV。

3)差值调节模块、功放标准源模块、测量模块

作用：信号源发生的信号经过差值调节模块、功放标准源模块实现功率放大，产生出最终的与被检直流电能表相适应的各量程电压电流。

功率标准源模块分为电压功放标准源模块和电流功放标准源模块两部分

3.1)电压功放标准源模块

采用PWM脉宽调制原理，包括PWM控制器、输出变压器、整流滤波电路、取样反馈电路。电压的输出控制过程结合了深度负反馈技术和差值调节技术，由功放电路和输出变压器组合进行功率放大并耦合输出稳定的电压源。内部置有电压输出端测量回路，该电路内嵌在电压功放中，与功放电路合为一体。

电压输出端测量回路测量取样值U2，U2反馈至功率产生模块和电压差值调节模块，进入差值调节模块的测量值U2与用户设定值U1进行比较，根据两者比较的差值来调节实际源的输出值，以保证源的输出值时刻与设定值一致，保证源的负载调整率控制在±0.01％RG之内(负载从空载至满载)。例如，信号源输入为零时，内部振荡器组合产生方波，经输出变压器、整流滤波电路、取样电阻输出零值；信号源有输入时，输入电压调理后和方波调制，调制波形脉宽与输入信号源成正比，再经输出变压器、整流滤波电路输出。输出端采用四线方式，取出电压值经取样负反馈电路至输入端,与输入比较形成深度负反馈再进入PWM控制器形成整体闭环。通过电阻、电容网络组成滤波网络。四个继电器的动作用于选择四个输出量程，电压功放设计量程为100V、350V、500V、700V，允许各量程最大超调120％，极限设计为840V，稳定度：0.01％/2min。

3.2)电流功放标准源模块

使用直流电流互感器，结合深度负反馈技术和差值调节技术。信号源经过运放、光耦隔离、直流互感器组合进行功率放大并耦合输出稳定的电流源。内部置有电流输出端测量回路测量取样值I2，I2反馈至功率产生模块和电流差值调节模块，进入电流差值调节模块的测量值I2与用户设定值I1进行比较，根据两者比较的差值来调节实际源的输出值，以保证源的输出值时刻与设定值一致，保证源的负载调整率控制在±0.01％RG之内(负载从空载至满载)。测量回路内嵌在电流功放中，与功放电路合为一体，通过磁通反馈调节原理，使可控的直流电流与被测直流电流呈固定比例关系且磁通方向相反，从而测量直流电流大小和方向。

电流功放标准源模块可分为“模拟分流器输出mV发生模块”和“额定电流发生模块”。mV发生模块用于模拟分流器输出，可发生额定75mV小电压信号，能检带外置分流器的电能表。电流发生模块产生各量程直流电流，设计电流量程为：2A、20A、50A、100A，允许各量程最大超调120％，极限设计为120A，稳定度：0.01％/2min。

4)标准功率表模块、电能频率转换模块

内嵌在功放标准源中的电流、电压传感器和DSP芯片组成标准功率表模块，传感器将测量量值输出给DSP芯片进行乘法计算，进而得到直流功率P。电能频率转换模块根据直流功率值大小发生输出脉冲，该脉冲频率与功率P值大小成固定比例。脉冲额定输出频率20000Hz，对应额定直流功率；脉冲最高输出频率24000Hz，对应额定输出功率的120％，对应额定功率时为20000Hz。例如：电压输出量程为100V，电流输出量程为2A，额定功率输出为200W时，脉冲输出频率20000Hz。程控源的稳定度非常高，可以认为虚拟负载功率保持恒定，从而保证能用“瓦秒法”对被检电能表的误差进行检测。

本发明的实施例具体如下，请参见图1，为发明所述直流电能表检定装置的原理框图。

1)CPU发出量程控制信号和输出量值信号，分别对应电压功放标准源和DSP/数模转换器信号源，在数字领域中确定输出量值的大小。DSP/数模转换器信号源将微小值模拟量输出给差值调节模块，电压/电流测量模块将测量量的缩小值输出给差值调节模块，两个微小模拟量值通过减法运算后输出给给电压/电流功放标准源。电压/电流测量模块的输出量与电压/电流功放标准源输出量成固定比例，差值调节模块的输出量与功放标准源输出量成固定比例。上述过程即电压/电流源的反馈控制和调节机理。信号源采用32位DSP和16位高速数模转换器组成可控制的波形信号源，在DSP和可调时钟电路控制下，由波形合成电路输出数字信号，经D/A变换、低通滤波后得到连续低失真的具有一定幅值的模拟直流电压、电流信号。

2)电压/电流测量模块的标准源输出值除了用于反馈控制和调节，还有另外功能。电压/电流测量模块的标准源输出值第二路输出量送给功率产生模块，通过电压、电流和功率的关系计算直流功率大小、方向。功率产生模块由高精度电压/电流传感器、高速模数转换器、DSP芯片和周边电路构成，将测量模块输出的模拟量值变为对应关系的数字信号送入DSP芯片进行计算。

3)功率产生模块计算得到的功率值经电能频率转换模块输出脉冲F，F的频率与功率成固定比例关系。脉冲额定频率为20000Hz，对应额定功率，最高频率24000Hz，对应120％额定功率。因为频率值在整个负载范围内始终能同步于设定值，故认为设定值能实时反映输出实际情况。

另外，如图2所示，为所述直流电能表检定装置中电压功放标准源的原理图。其中，电压发生采用PWM脉宽调制原理，电压功放标准源由PWM控制器、输出变压器、整流滤波电路、取样反馈电路组成。PWM控制器接受信号源与测量反馈值的控制。电压输出端测量取样值U2，U2反馈至PWM控制器，并与用户设定值U1进行比较，根据两者比较的差值来调节实际源的输出值，以保证源的输出值时刻与设定值一致，保证源的负载调整率控制在±0.01％RG之内(负载从空载至满载)。

PWM控制器内部带有振荡器产生方波。控制器信号源不为0时，该信号经调理后和标准方波信号调制产生具有一定占空比的方波信号，占空比与输入信号源成正比。再经输出变压器、整流滤波电路输出，输出端采用四线方式。取出电压值经取样负反馈电路至输入端,与输入比较形成深度负反馈再进入PWM控制器形成整体闭环.R18-R21结合C18-C21组成滤波网络，J1-J4继电器分别选择四个输出量程。

如图3所示，为所述直流电能表检定装置中电流功放标准源原理图。其中，直流电流由大功率电源生成电路产生，电流回路串联大功率场效应管T1和直流互感器，经限流电阻和量程选择继电器输出。场效应管T1的控制级输入电压由功放电路提供，信号发生源输出和直流互感器反馈信号两者共同影响功放电路输出电压的大小。场效应管控制级功放电路根据给定信号输出控制电压，使电流回路电流上升，直流互感器检测到直流电流大小将测量信号送入反馈电路并与给定信号比较，比较差值作为功放电路输出调节量，实现对直流电流大小的动态调节。输出量程有四个，分别为2A，20A，50A，100A，对应四个不同的限流电阻，由继电器控制各量程回路的导通和关断。该电路中T1为多个大功率场效应管并联结构，额定电流为110A，供电电源55V，大功率电源生成电路提供3.3V电源。

如图4所示，为所述电流功放标准源的一种实施方式的原理图，具体的为模拟分流器mV发生模块原理图。其中，经分流器接入的直流电能表的电流环节采样为额定75mV电压信号，因此检定装置也能模拟分流器提供mV级电压信号。

mV电压发生模块以差分比例放大原理实现，输入信号为模拟小电压量，通过功放驱动电路控制三极管的输入阻抗，进一步由电阻分压网络得到成一定比例放大的直流电压信号。由于使用差分比例放大器，输出电压的温飘很小，具有优异的共模抑制比。反馈电路基于电阻分压方式得到电压信号，实现对输出电压的动态调节。该mV电压发生模块的精度由功放驱动电路的输入阻抗和反馈电路的电阻分压比保证。

如图5所示，为所述直流互感器模块原理图。其采用闭环零磁通检测原理，利用高导磁率铁芯在方波激励下的非线性特性来探测微弱磁场的变化。线圈N3为激励线圈，N2为检测线圈。当线圈N3通以交变对称的方波电流，磁芯就会反复饱和，如果原边电流(也就是直流被测电流)I1＝0，那么在检测线圈N2上就可以出现正负峰值对称的方波波形，如图6所示。若原边N1有I1通过，则会加入新的直流偏置磁场，产生磁调制，使得检测线圈N2中方波发生相位偏移，方波的对称性被破坏，波形的频谱中出现了偶次谐波，丧失对称性的方波波形图如图7所示。偶次谐波的幅值和极性可以反映直流被测电流的大小和方向。利用这一原理，将偶次谐波放大、调制，进而产生副边直流电流I2，抵消I1对磁芯产生的磁偏置影响，通过测量I2值实现简介测量I1的目的。

为了不让周期性的驱动电流反过来向原边注入，采用了双磁芯结构，激励绕组N3分成两半，分别反向串联绕制，绕向相反，匝数相等。实际绕制中将检测线圈N2绕制在最里层，原边线圈N1绕在最外层，中间间隔铜屏蔽和磁芯屏蔽。方波激励源用LM555电路实现，产生出正负对称方波电流，使磁芯处于饱和状态。此时电流如图6所示，该电流经过测量电阻产生对称电压，峰值为+V＝-V。若I1有出现使得磁通不为零，方波电流不再正负对称，如图7所示，采样电阻上出现偶次谐波电压信号。通过带通滤波器抑制去除检测信号中的基波和其他次谐波成分，使偶次谐波得以放大独立出来，再经检波电路解调出被测信号的幅值和方向，经有效的低通滤波和放大，产生出成正比的直流电流I2。

检测绕组通过电流I2构建了补偿磁通，与原边回路通过电流I1构成的偏置磁通相互抵消，达到磁芯中正负磁通相互对称的目的。此时检测绕组中的电流I2不再变化，通过分流电阻检测I2从而间接检测出I1的值。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种直流电能表检定装置，其特征在于，包括标准直流表模块、直流电压程控源模块、直流电流程控源模块和系统控制模块，所述系统控制模块将检测的电压和电流信号分别输入到直流电压程控源模块和直流电流程控源模块中，所述直流电压程控源模块和直流电流程控源模块根据输入的电压和电流信号进行测量和计量，并输出直流电压标准源和直流电流标准源，所述标准直流表模块与直流电压标准源输出端之间设置有电压输出端测量回路，所述标准直流表模块与直流电流标准源输出端之间设置有电流输出端测量回路。

2.根据权利要求1所述的直流电能表检定装置，其特征在于，所述直流电压程控源模块包括电压信号源模块、差值调节模块和电压功放标准源模块，所述系统控制模块的电压信号经电压信号源模块依次发送到差值调节模块和电压功放标准源模块处理后，由直流电压标准源输出端输出，所述直流电压标准源输出端与所述差值调节模块之间设置有电压测量负反馈回路。

3.根据权利要求2所述的直流电能表检定装置，其特征在于，所述电压信号源模块为基于数字信号处理器DSP和高速数模转换器组成的可控制的正弦波、畸变波电压信号源。

4.根据权利要求2所述的直流电能表检定装置，其特征在于，所述电压功放标准源模块包括PWM控制器、输出变压器、整流滤波电路和取样反馈电路，所述电压功放标准源模块的输入信号经PWM控制器处理后，输入到输出变压器进行变压处理，再经整流滤波电路处理后输出，并在输出端由取样反馈电路取样反馈给PWM控制器。

5.根据权利要求1所述的直流电能表检定装置，其特征在于，所述直流电流程控源模块包括电流信号源模块、差值调节模块和电流功放标准源模块，所述系统控制模块的电流信号经电流信号源模块依次发送到差值调节模块和电流功放标准源模块处理后，由直流电流标准源输出端输出，所述直流电流标准源输出端与所述差值调节模块之间设置有电流测量负反馈回路。

6.根据权利要求5所述的直流电能表检定装置，其特征在于，所述电流信号源模块为基于数字信号处理器DSP和高速数模转换器组成的可控制的正弦波、畸变波电流信号源。

7.根据权利要求5所述的直流电能表检定装置，其特征在于，所述电流功放标准源模块包括功放电路、光耦隔离模块、直流互感器模块和大功率电源生成电路，所述电流功放标准源模块的输入信号经功放电路进行运放后，由光耦隔离模块进行光耦隔离，再经直流互感器模块进行功率放大并与大功率电源生成电路进行耦合输出稳定的电流源。

8.根据权利要求7所述的直流电能表检定装置，其特征在于，所述电流功放标准源模块为模拟分流器输出mV发生模块，模拟分流器输出mV发生模块包括功放驱动电路、三极管和反馈电路，所述模拟分流器输出mV发生模块的输入信号为模拟小电压量，输入信号通过功放驱动电路控制三极管的输入阻抗，反馈电路基于电阻分压方式得到电压信号，实现对输出电压的动态调节。

9.根据权利要求7所述的直流电能表检定装置，其特征在于，所述直流互感器模块包括方波激励模块、信号调理模块和功率放大模块，所述方波激励模块信号作用于高导磁率铁芯线圈，经信号调理模块和功率放大模块处理后由测量电阻接地。

10.根据权利要求9所述的直流电能表检定装置，其特征在于，所述信号调理模块包括带通滤波器、检波电路、低通滤波器和直流放大电路，所述带通滤波器去除检测信号中的基波和其他次谐波成分，使偶次谐波得以放大独立出来，再经检波电路解调出偶次谐波信号的幅值和相位，经低通滤波和放大产生出成正比的直流电流。