CN106771556B - 一种基于量子技术的交流功率差分测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于量子技术的交流功率差分测量系统及方法，属于计量领域。该系统包括偏置电压产生单元、PJVS、被测系统及转换单元、时钟源、第一采样单元、第二采样单元、FPGA控制单元和PC上位机；所述时钟源分别连接偏置电压产生单元、被测系统及转换单元、FPGA控制单元，为偏置电压产生单元、被测系统及转换单元和FPGA控制单元提供时基频率；所述偏置电压产生单元为PJVS提供偏置电流，驱动PJVS输出所需波形；所述偏置电压产生单元为FPGA控制单元提供同步触发信号；所述PJVS分别与第一采样单元和第二采样单元连接；所述被测系统及转换单元分别与第一采样单元和第二采样单元连接；所述的FPGA控制单元分别与第一采样单元、第二采样单元以及PC上位机连接。

Description

一种基于量子技术的交流功率差分测量系统及方法

技术领域

本发明属于计量领域，具体涉及一种基于量子技术的交流功率差分测量系统及方法。

背景技术

在交流功率基准建立中，目前国内采用热偶的方式实现，首先由直流量子电压基准向直流电压实物标准进行量值传递，通过交直流转换器件将交流功率与直流功率直接比较后，溯源到直流电压实物标准，从而实现交流功率到直流量子电压的溯源。由于溯源路径较长，热电变换器作为实物标准，容易受到外界环境的影响，可能随时间和环境的变化而改变，因此给溯源过程带来大量不确定因素。工频量子功率基准建立在自然常数的基础上，基准量值不受时间和外界环境的影响而保持恒定，具有复现准确度高，稳定性好，易于复制的优势，是交流电能领域未来发展方向。建立交流工频量子功率基准的重要前提是通过正弦交流信号与交流量子电压量值的比较，实现交流量子电压量值的准确传递。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于量子技术的交流功率差分测量系统及方法，为交流功率的溯源提供一条新路径，通过交流电压采样，实现以交流量子电压为参考的交流功率精密测量，从而实现交流量子电压向被测交流功率的直接量值传递，提高了量值传递的稳定性和可靠性，缩短了交流功率的溯源路径。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于量子技术的交流功率差分测量系统，包括偏置电压产生单元、PJVS、被测系统及转换单元、时钟源、第一采样单元、第二采样单元、FPGA控制单元和PC上位机；

所述时钟源分别连接偏置电压产生单元、被测系统及转换单元、FPGA控制单元，为偏置电压产生单元、被测系统及转换单元和FPGA控制单元提供时基频率；

所述偏置电压产生单元为PJVS提供偏置电流，驱动PJVS输出所需波形；所述偏置电压产生单元为FPGA控制单元提供同步触发信号；

所述PJVS分别与第一采样单元和第二采样单元连接；

所述被测系统及转换单元分别与第一采样单元和第二采样单元连接；

所述的FPGA控制单元分别与第一采样单元、第二采样单元以及PC上位机连接。

所述被测系统及转换单元包括被测功率源和转换电路，所述转换电路将被测功率源输出的大电压和大电流分别转换成第一采样单元和第二采样单元的最大量程内的的小电压；

所述大电压的幅值范围为60V～380V，所述大电流的幅值范围为0.5A～20A，所述小电压的幅值小于2.5V。

所述被测系统及转换单元中的所述转换电路包括电压互感器、电流互感器和采样电阻，所述电压互感器、电流互感器分别与被测功率源连接，将被测功率源发出的大电压V和大电流I转换成小电压V_V和小电流I_I，小电流I_I再通过所述采样电阻被转换成小电压V_I；

V_V的高端H_V连接第一采样单元，V_V的低端L_V连接模拟地，V_I的高端H_I连接第二采样单元，V_I的低端L_I连接模拟地。

所述PJVS的输出高端H_J同时连接第一采样单元和第二采样单元，所述PJVS的输出低端L_J连接模拟地，H_J和L_J之间的电压为V_J；

所述偏置电压产生单元通过D-SUB接口为PJVS提供偏置电流；

在所述偏置电压产生单元里设置有相位调节电路。

所述FPGA控制单元为第一采样单元、第二采样单元提供控制时序，第一采样单元、第二采样单元采集的数据传输到FPGA控制单元；

所述PC上位机向FPGA控制单元发送指令并接收FPGA控制单元里FIFO中的采样数据；

所述PC上位机还与偏置电压产生单元连接，将相位差反馈给偏置电压产生单元，控制偏置电压产生单元产生使PJVS正常工作的驱动电流。

一种利用上述基于量子技术的交流功率差分测量系统实现的测量方法，包括：

步骤1，将被测功率源产生的大电压和大电流转换成第一采样单元和第二采样单元的最大量程内的小电压和小电流；

步骤2，驱动PJVS产生与被测功率源产生的大电压和大电流同频率同幅度的交流量子电压；

步骤3，设置同步触发信号；

步骤4，当FPGA控制单元接收到同步触发信号时，FPGA控制单元产生控制时序，控制第一采样单元和第二采样单元分别采集V_J与V_V的差分电压和V_J与V_I的差分电压；

步骤5，通过FPGA将步骤4采集的差分电压送到PC上位机，PC上位机利用所述差分电压恢复出正弦电压信号和正弦电流信号，并找到正弦电压信号和正弦电流信号和交流量子电压之间的最优相位，在最优相位的情况下，用采集到的差分电压恢复出正弦电压信号和正弦电流信号，并计算电压和电流的幅值和相位差，进而计算出功率。

所述步骤1是这样实现的：

连接被测功率源与电压互感器、电流互感器，将电压互感器的高端连接第一采样单元，低端连接模拟地，在电流互感器的两个输出端连接采样电阻，同时采样电阻的高端连接第二采样单元，低端连接模拟地；

设置被测功率源的参数，产生大电压和大电流，将大电压经过电压互感器转换成小电压，将大电流经过电流互感器转换成小电流，小电流再经过采样电阻转换成小电压；

所述被测功率源的参数包括：输出电压值、输出电流值以及功率因数。

所述步骤2是这样实现的：

连接PC上位机与偏置电压产生单元，连接偏置电压产生单元与PJVS；

PC上位机向FPGA控制单元发送指令，使FPGA控制单元产生控制第一采集单元和第二采集单元采集的时序，PC上位机控制偏置电压产生单元产生偏置电压，将该偏置电压输送到PJVS，驱动PJVS产生相应的交流量子电压；

将PJVS的高端分别连接到第一采样单元和第二采样单元，低端连接到模拟地。

所述步骤3是这样实现的：

所述偏置电压产生单元在产生偏置电压的同时，通过逻辑电路生成与交流量子电压同频的脉冲信号作为同步触发信号。

所述步骤5是这样实现的：

(51)通过FPGA将步骤4采集的差分电压送到PC上位机，PC上位机利用所述差分电压恢复出正弦电压信号和正弦电流信号，并计算正弦电压信号和正弦电流信号与交流量子电压的相位差，计算此时差分信号的有效值；然后将该相位差反馈到偏置电压产生单元，通过改变交流量子电压的第一个台阶电压值大小，调整交流量子电压信号的相位，使正弦电压信号和正弦电流信号与交流量子电压信号的交点靠近交流量子电压信号台阶的中心位置；

(52)重复步骤(51)得到差分信号的有效值；

(53)对比两个差分信号的有效值，若后一次的差分信号的有效值小于上一次的差分信号的有效值，则返回步骤(52)，否则将倒数第二次差分信号的有效值对应的相位作为最优相位；

(54)将交流量子电压信号的相位调整到最优相位，通过FPGA将采集的差分电压送到PC上位机，此时的差分电压即为最优差分电压，利用最优差分电压恢复出被测正弦电压、电流的幅值大小和相位角，从而计算出功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过采样单元将量子交流电压发生装置产生的准确阶梯波信号，与通过特殊设计制成的电压互感器、电流互感器输出的高准确度低相移交流信号进行直接比较，从而准确地获得模拟电压、电流信号产生的电功率值。通过以上方法，既可以得到准确的模拟电功率量值，也可以得到校准数字化电能计量仪表所需的数字量信号，完成模拟量转换为数字量的工作，提高电压、电流模拟量转换为数字量的精度，减小从数字量到模拟基准溯源链路的不确定度。该装置可作为数字量电能计量的溯源基准。

附图说明

图1交流功率差分测量系统总体框图

图2被测系统及转换单元

图3基于量子技术的交流功率总体测试方法框图

图4正弦(电压、电流)信号与交流量子电压信号的台阶中心相交示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明提供了一种基于量子技术的交流功率测试装置及方法，用于实验室环境下，对数字化电能表进行功率准确度的精密测量。量子电压基准直流不确定度达到了10^-9量级，交流不确定度达到10^-6，甚至更高。因此采用交流量子电压作为基准电压进行功率源的检定可以提高测量精度。本发明的总体思路是被测功率源输出大电压(幅值范围：60V～380V)和大电流(幅值范围：0.5A～20A)，大电压通过电压互感器转换成采样系统可测的小电压(幅值小于2.5V)，大电流通过电流互感器转换成采样系统可测的小电压(幅值小于2.5V)。

本发明的交流功率差分测量系统如图1所示，包括偏置电压产生单元、可编程约瑟夫森电压标准芯片(PJVS)、被测系统及转换单元、时钟源、第一采样单元1、第二采样单元2、FPGA控制单元、PC上位机。

所述时钟源连接偏置电压产生单元、被测系统及转换单元、FPGA控制单元，并为偏置电压产生单元、被测系统及转换单元和FPGA控制单元提供时基频率，即基础时钟信号。

如图2所示，所述被测系统及转换单元包括被测功率源和转换电路，所述转换电路包括电压互感器、电流互感器和采样电阻，所述电压互感器、电流互感器分别将被测功率源发出的大电压V和大电流I转换成小电压V_V和小电流I_I，小电流I_I再通过采样电阻转换成小电压V_I。V_V的高端H_V连接第一采样单元1，V_V的低端L_V连接模拟地，V_I的高端H_I连接第二采样单元2，V_I的低端L_I连接模拟地。

所述偏置电压产生单元通过D-SUB接口为PJVS提供偏置电流，驱动PJVS输出所需波形；PJVS输出高端H_J同时连接第一采样单元1和第二采样单元2，PJVS输出低端L_J连接模拟地，H_J和L_J之间的电压为V_J。

所述偏置电压产生单元为PJVS提供偏置电流，驱动PJVS输出所需波形；PJVS输出高端H_J同时连接第一采样单元1和第二采样单元2，低端L_J连接模拟地。

所述的FPGA控制单元与第一采样单元1、第二采样单元2连接，FPGA控制单元为第一采样单元1、第二采样单元2提供控制时序，第一采样单元1、第二采样单元2采集的数据送到FPGA控制单元。

所述PC上位机与FPGA控制单元连接，用以向FPGA控制单元发送指令并接收FPGA控制单元里FIFO中的采样数据，PC上位机还与偏置电压产生单元连接，控制偏置电压产生单元产生驱动PJVS工作的偏置电压。

本发明测试方法如图3所示，主要包含四个模块，PJVS交流量子电压产生模块、正弦电压信号产生模块、信号采集模块和数据处理模块。

正弦电压信号产生模块产生的电压信号是由被测功率源经过电压互感器和电流互感器转换得到，PJVS交流量子电压模块分别产生与电压和电流同频率同幅度的交流量子电压，信号采集模块采集所述电压信号与交流量子电压的差分信号，信号处理部分通过差分信号和交流量子电压计算出每个台阶上对应的正弦电压的电压值，通过FFT分析计算出正弦信号的幅值和相位信息，从而得到对应的电压和电流信息，进而计算出待测功率源的功率。

利用所述基于量子技术的工频交流功率差分测量系统实现以交流量子电压为参考的工频交流功率精密测量的方法，包括：

(1)设置被测功率源：连接被测功率源与电压互感器、电流互感器，将电压互感器的输出端一端接在第一采样单元1，另一端连接模拟地，在电流互感器的两个输出端连接采样电阻，同时采样电阻的高端连接第二采样单元2，另一端连接模拟地。设置被测系统参数，产生大电压和大电流，经过转换电路将大电压和大电流转换成采样单元最大量程内的小电压和小电流。

(2)交流量子电压产生部分设置：连接PC上位机与偏置电压产生单元，连接偏置电压产生单元与PJVS；设置上位机，控制偏置电压产生单元产生偏置电压，将该偏置电压输送到PJVS，驱动PJVS产生相应的交流量子电压。将PJVS的高端连接到第一采样单元和第二采样单元，低端连接到模拟地。

(3)设置同步触发信号，产生偏置电压的同时，通过逻辑电路生成与交流量子电压同频的脉冲信号作为同步触发信号。

(4)启动采集，当FPGA控制单元接收到同步触发信号，启动第一采样单元1和第二采样单元2采集进行数据采集；采样数据通过FPGA控制单元送到PC上位机软件，计算正弦信号与交流量子台阶波信号的相位差，将该相位差反馈到偏置电压产生单元，通过改变交流量子电压第一个台阶电压值的大小，调整交流量子电压信号的相位，使正弦信号与台阶波信号的交点靠近台阶的中心位置。

(5)相位微调，再次采集，计算此时差分信号有效值有效值(计算差分电压每个采样点的平方和，除以总的采样点数，再开平方)，并反馈到偏置电压产生单元，通过改变交流量子电压第一个台阶电压值的大小，调整交流量子电压信号的相位，继续采集并计算差分信号的有效值。对比此次的差分信号有效值与上次差分电压有效值，若小于上次，继续微调相位，直至调整后的差分电压有效值大于上次的差分电压有效值，停止相位调节，并将倒数第二次调整的相位作为最优相位。

这部分的目的是调节正弦(电压、电流)信号和交流量子电压信号的相位差，使正弦(电压、电流)信号与交流量子电压信号的台阶中心相交(如图4所示)，只有当正弦(电压、电流)信号与交流量子电压信号的台阶中心位置相交时恢复出的正弦信号精度才最高，因此需要找到正弦(电压、电流)信号与交流量子电压信号的最优相位，当相位调整到最优相位时，才开始真正的测量。测量过程：首先采集正弦电压和交流量子电压的差分信号，通过差分信号恢复出正弦电压信号，并计算出正弦电压信号的幅值和相位；再采集正弦电流信号与交流量子电压的差分信号，通过该差分信号恢复出正弦电流信号，计算出正弦信号的幅值和相位。最后利用正弦电压信号的幅值相位和正弦电流信号的幅值相位计算出功率。

(6)继续采集，得到最优差分电压，通过差分电压计算出被测正弦电压、电流的幅值大小和相位角，从而计算出功率。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种基于量子技术的交流功率差分测量系统，其特征在于：所述基于量子技术的交流功率差分测量系统包括偏置电压产生单元、PJVS、被测系统及转换单元、时钟源、第一采样单元、第二采样单元、FPGA控制单元和PC上位机；

所述时钟源分别连接偏置电压产生单元、被测系统及转换单元、FPGA控制单元，所述时钟源为偏置电压产生单元、被测系统及转换单元和FPGA控制单元提供时基频率；

所述偏置电压产生单元为PJVS提供偏置电流，驱动PJVS输出所需波形；所述偏置电压产生单元为FPGA控制单元提供同步触发信号；

所述PJVS分别与第一采样单元和第二采样单元连接；

所述被测系统及转换单元分别与第一采样单元和第二采样单元连接；

所述的FPGA控制单元分别与第一采样单元、第二采样单元以及PC上位机连接。

2.根据权利要求1所述的基于量子技术的交流功率差分测量系统，其特征在于：所述被测系统及转换单元包括被测功率源和转换电路，所述转换电路将被测功率源输出的大电压和大电流分别转换成第一采样单元和第二采样单元的最大量程内的的小电压；

所述大电压的幅值范围为60V～380V，所述大电流的幅值范围为0.5A～20A，所述小电压的幅值小于2.5V。

3.根据权利要求2所述的基于量子技术的交流功率差分测量系统，其特征在于：所述被测系统及转换单元中的所述转换电路包括电压互感器、电流互感器和采样电阻，所述电压互感器、电流互感器分别与被测功率源连接，将被测功率源发出的大电压V和大电流I转换成小电压V_V和小电流I_I，小电流I_I再通过所述采样电阻被转换成小电压V_I；

V_V的高端H_V连接第一采样单元，V_V的低端L_V连接模拟地，V_I的高端H_I连接第二采样单元，V_I的低端L_I连接模拟地。

4.根据权利要求3所述的基于量子技术的交流功率差分测量系统，其特征在于：所述PJVS的输出高端H_J同时连接第一采样单元和第二采样单元，所述PJVS的输出低端L_J连接模拟地，H_J和L_J之间的电压为V_J；

所述偏置电压产生单元通过D-SUB接口为PJVS提供偏置电流；

在所述偏置电压产生单元里设置有相位调节电路。

5.根据权利要求4所述的基于量子技术的交流功率差分测量系统，其特征在于：所述FPGA控制单元为第一采样单元、第二采样单元提供控制时序，第一采样单元、第二采样单元采集的数据传输到FPGA控制单元；

所述PC上位机向FPGA控制单元发送指令并接收FPGA控制单元里FIFO中的采样数据；

所述PC上位机还与偏置电压产生单元连接，将相位差反馈给偏置电压产生单元，控制偏置电压产生单元产生使PJVS正常工作的驱动电流。

6.一种利用权利要求1-5任一所述的基于量子技术的交流功率差分测量系统实现的测量方法，其特征在于：所述方法包括：

步骤1，将被测功率源产生的大电压和大电流转换成第一采样单元和第二采样单元的最大量程内的小电压和小电流；

步骤2，驱动PJVS产生与被测功率源产生的大电压和大电流同频率同幅度的交流量子电压；

步骤3，设置同步触发信号；

步骤4，当FPGA控制单元接收到同步触发信号时，FPGA控制单元产生控制时序，控制第一采样单元和第二采样单元分别采集V_J与V_V的差分电压和V_J与V_I的差分电压；

步骤5，通过FPGA将步骤4采集的差分电压送到PC上位机，PC上位机利用所述差分电压恢复出正弦电压信号和正弦电流信号，并找到正弦电压信号和正弦电流信号和交流量子电压之间的最优相位，在最优相位的情况下，用采集到的差分电压恢复出正弦电压信号和正弦电流信号，并计算电压和电流的幅值和相位差，进而计算出功率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤1是这样实现的：

连接被测功率源与电压互感器、电流互感器，将电压互感器的高端连接第一采样单元，低端连接模拟地，在电流互感器的两个输出端连接采样电阻，同时采样电阻的高端连接第二采样单元，低端连接模拟地；

设置被测功率源的参数，产生大电压和大电流，将大电压经过电压互感器转换成小电压，将大电流经过电流互感器转换成小电流，小电流再经过采样电阻转换成小电压；

所述被测功率源的参数包括：输出电压值、输出电流值以及功率因数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤2是这样实现的：

连接PC上位机与偏置电压产生单元，连接偏置电压产生单元与PJVS；

PC上位机向FPGA控制单元发送指令，使FPGA控制单元产生控制第一采集单元和第二采集单元采集的时序，PC上位机控制偏置电压产生单元产生偏置电压，将该偏置电压输送到PJVS，驱动PJVS产生相应的交流量子电压；

将PJVS的高端分别连接到第一采样单元和第二采样单元，低端连接到模拟地。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤3是这样实现的：

所述偏置电压产生单元在产生偏置电压的同时，通过逻辑电路生成与交流量子电压同频的脉冲信号作为同步触发信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤5是这样实现的：

(51)通过FPGA将步骤4采集的差分电压送到PC上位机，PC上位机利用所述差分电压恢复出正弦电压信号和正弦电流信号，并计算正弦电压信号和正弦电流信号与交流量子电压的相位差，计算此时差分信号的有效值；然后将该相位差反馈到偏置电压产生单元，通过改变交流量子电压的第一个台阶电压值大小，调整交流量子电压信号的相位，使正弦电压信号和正弦电流信号与交流量子电压信号的交点靠近交流量子电压信号台阶的中心位置；

(52)重复步骤(51)得到差分信号的有效值；

(53)对比两个差分信号的有效值，若后一次的差分信号的有效值小于上一次的差分信号的有效值，则返回步骤(52)，否则将倒数第二次差分信号的有效值对应的相位作为最优相位；

(54)将交流量子电压信号的相位调整到最优相位，通过FPGA将采集的差分电压送到PC上位机，此时的差分电压即为最优差分电压，利用最优差分电压恢复出被测正弦电压、电流的幅值大小和相位角，从而计算出功率。