一种三相电能表动态性能检定装置及系统的制作方法

本发明涉及电能计量仪表测试技术领域，尤其涉及一种三相电能表动态性能检定装置及系统。

背景技术：

目前，电能表的检定主要是针对电能表的稳态正弦特性，并未考察电能表在动态负荷情况下的计量准确性，而在实际情况中的负载往往是非稳态、非正弦的，尤其是风力、太阳能、大型炼钢厂、大型金属冶炼厂的电能使用都是快变化、非正弦、非稳态的，因此电能表在实际应用中非稳态情况下的电能计量准确性急需检定。

传统的电能表动态性能检定装置，一般采用标准表法，高精度的标准表作为向上溯源设备，其结构一般是使用精度相对不高的功率源加高精度的标准表构成检定装置，将标准表作为溯源器件，通过溯源标准表，确定整个电能表检定装置的精度，对低两个等级的电能表进行计量精度检定。但是功率源的波动性、失真度较大、频率带宽低，难以精确复现非正弦、快变化的动态负荷模型，且对于非正弦、快变化的动态负荷，标准表需要使用超高速AD同步采样电压、电流，因此需要同时兼顾高带宽、高精度，对AD芯片的要求较高。

因此，寻找一种通过高精度、高带宽的标准功率源，模拟现场工况下，快变化、非正弦的动态负荷模型，对电能表的动态性能计量准确性进行检定的装置成为本技术领域人员所研究的重要课题。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种三相电能表动态性能检定装置及系统，用于解决现有技术中标准表法内功率源带宽低、精度低、响应速度慢，不能够完全模拟动态负荷波形的问题。

本发明实施例提供了一种三相电能表动态性能检定装置，包括：工控机单元、主控单元、三相标准功率源和挂表架；

所述工控机单元与所述主控单元进行连接；

所述工控机单元与所述挂表架进行连接；

所述工控机单元用于运行检定装置控制的软件，用于人机交互模块，与主控单元、挂表架通讯，发送控制命令，读取检定数据，异常状态提示；

所述主控单元与所述三相标准功率源进行连接；

所述主控单元与所述挂表架进行连接，用于与挂表架进行通讯，计算需要输出的电压、电流波形、动态负荷波形的功率；

所述三相标准功率源与所述挂表架进行连接，用于输出三相动态电压、电流到挂表架。

可选地，所述工控机单元通过以太网口主控单元连接；

所述工控机单元通过以太网口与挂表架连接。

可选地，所述挂表架包括误差计算器；

所述误差计算器通过以太网口与工控机单元进行连接；

所述误差计算器与主控单元进行连接。

可选地，所述主控单元为DSP控制器。

可选地，所述三相标准功率源包括动态信号源和三相功率放大模块；

所述动态信号源包括所述DSP控制器的数字信号和双DA信号发生器，用于产生高精度的任意波形信号，为所述三相功率放大模块提供信号源。

可选地，所述三相功率放大模块由三个一样单相功率放大模块组成；

所述单相功率放大模块包括电流放大模块和电压放大模块；

所述电流放大模块包括变压器、整流滤波电路、电流功放、档位切换和告警信号输出；

所述电压放大模块包括开关电源组、电压功放1、电压功放2、电压功放3、档位切换、告警信号输出。

可选地，所述工控机单元包括人机交互模块和工控机主板。

可选地，还包括机柜；

所述机柜由所述工控机单元、所述主控单元、所述三相标准功率源组成。

本发明实施例提供了一种三相电能表动态性能检定系统，包括：上述的三相电能表动态性能检定装置和被检电能表；

所述被检电能表挂接于所述三相电能表动态性能检定装置的挂表架内；

所述被检电能表与所述三相电能表动态性能检定装置中的误差计算器进行连接。

可选地，所述被检电能表用于接收所述的三相电能表动态性能检定装置中的三相标准功率源提供的电压、电流，然后输出被检电能脉冲至所述的三相电能表动态性能检定装置中的误差计算器，进行误差计算。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供了一种三相电能表动态性能检定装置及系统，其中装置包括：工控机单元、主控单元、三相标准功率源和挂表架；所述工控机单元与所述主控单元进行连接；所述工控机单元与所述挂表架进行连接；所述工控机单元用于运行检定装置的控制软件，用于人机交互模块，与主控单元、挂表架通讯，发送控制命令，读取检定数据，异常状态提示；所述主控单元与所述三相标准功率源进行连接；所述主控单元与所述挂表架进行连接，用于与挂表架进行通讯，计算需要输出的电压、电流波形、动态负荷波形的功率；所述三相标准功率源与所述挂表架进行连接，用于输出三相动态电压、电流到挂表架。本实施例中的检定装置通过一个高精度的标准功率源作为向上溯源标准，无需标准表，通过标准功率源的高精度检定电能表动态负荷下的准确度，降低了系统的复杂度；能够从更接近电能表实际应用工况下检定电能表的计量准确度，为电能表的动态性能计量准确度提供检定依据，并且标准功率源输出的动态波形功率直接由波形算得，减少了标准表重复采样计算环节，因此标准功率源的精度即是检定装置的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供了一种三相电能表动态性能检定装置的一个实施例的具体结构示意图；

图2为本发明实施例提供了一种三相电能表动态性能检定装置的另一个实施例的动态信号源硬件图；

图3为本发明实施例提供了一种三相电能表动态性能检定装置的另一个实施例的单相标准功率源原理图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种三相电能表动态性能检定装置及系统，用于解决现有技术中标准表法内功率源带宽低、精度低、响应速度慢，不能够完全模拟动态负荷波形的问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种三相电能表动态性能检定装置，包括：工控机单元、主控单元、三相标准功率源和挂表架；

工控机单元与主控单元进行连接；

工控机单元与挂表架进行连接；

工控机单元用于运行检定装置的控制软件，用于人机交互模块，与主控单元、挂表架通讯，发送控制命令，读取检定数据，异常状态提示；

主控单元与三相标准功率源进行连接；

主控单元与挂表架进行连接，用于与挂表架进行通讯，计算需要输出的电压、电流波形、动态负荷波形的功率；

三相标准功率源与挂表架进行连接，用于输出三相动态电压、电流到挂表架；

本实施例中，工控机单元，控制软件的运行平台，运行检定装置控制软件，用于人机交互模块，与主控单元、挂表架通讯，发送控制命令，读取检定数据，异常状态提示。

主控单元，包括DSP控制器和动态信号发生，DSP控制器作为主控单元的核心，为动态信号源的发生DA电路提供数字信号，处理三相标准功率源上报的告警信号，包括电压的过载、过热，电流的过载、开路、过热。主控单元与挂表架连接，通过隔离的RS485与挂表架进行通讯，通过计算需要输出的电压、电流波形，计算输出动态负荷波形的功率，并输出相应的电能脉冲，作为标准脉冲送给挂表架的误差计算器。

三相标准功率源，包括动态信号源和三相功率放大模块。动态信号源在主控单元完成，动态信号经三相功率放大模块，输出三相动态电压、电流，送至挂表架的被检电能表。三相标准功率源作为本装置的关键，其精度决定了检验装置的精度，因此对于0.05级的电能表动态性能检定装置，其三相标准功率源的准确度要求至少达到0.05级，因此对于动态信号源和三相功率放大模块要求较高，动态信号源需要复现各种动态负荷模型，因此必须具备高精度、高带宽、低上升时间；动态信号源，包括DSP控制器输出的数字信号和双AD发生器，DSP控制器提供数字信号，即离散的模拟信号，输送至双DA发生器，经数模转换输出模拟信号，模拟信号的带宽、上升时间受限于数字信号的传输速率和双DA发生器的带宽及相关运放的压摆率；对于三相功率放大模块，传统的功率放大模块是通过PID调节控制，先输出一个近似值，通过高精度的回采电路采样输出值，送至控制器，做PID算法缓慢调节输出值至准确，在这个过程中，输出至稳定的时间很长，意味着上升时间长、带宽低，一般几百毫秒甚至更长，并且其精度依赖回采电路的精度，对于快变化、高精度的动态信号波形，其难以复现，因此对于快变化、高精度的动态信号波形，其功率放大最好采用纯硬件负反馈实现，其反馈时间是硬件级别，基本瞬间完成，相较压摆率的上升时间，可以忽略，三相功率放大采用纯硬件负反馈，精度高、稳定性好，其输出稳定度基本能跟随信号的稳定度，通过向上溯源，完全能够达到0.05级，并且功率放大采用集成运放，高带宽、高压摆率，能够高保真的复现快变化、非正弦的动态波形。

进一步地，工控机单元通过以太网口与主控单元连接；

工控机单元通过以太网口与挂表架连接。

进一步地，挂表架包括误差计算器；

误差计算器通过以太网口与工控机单元进行连接；

误差计算器与主控单元进行连接。

进一步地，主控单元为DSP控制器。

进一步地，三相标准功率源包括动态信号源和三相功率放大模块；

动态信号源包括DSP控制器的数字信号和双DA信号发生器，用于产生高精度的任意波形信号，为三相功率放大模块提供信号源。

进一步地，三相功率放大模块由三个一样单相功率放大模块组成；

单相功率放大模块包括电流放大模块和电压放大模块；

电流放大模块包括变压器、整流滤波电路、电流功放、档位切换和告警信号输出；

电压放大模块包括开关电源组、电压功放1、电压功放2、电压功放3、档位切换、告警信号输出。

进一步地，工控机单元包括人机交互模块和工控机主板。

进一步地，还包括机柜；

机柜由工控机单元、主控单元、三相标准功率源组成。

上述是对本发明实施例提供的一种三相电能表动态性能检定装置的结构进行详细的描述，下面将以另一个实施例对本三相电能表动态性能检定系统的结构进行详细的描述，本发明实施例提供的一种三相电能表动态性能检定系统包括：上述的三相电能表动态性能检定装置和被检电能表；

被检电能表挂接于三相电能表动态性能检定装置的挂表架内；

被检电能表与三相电能表动态性能检定装置中的误差计算器进行连接。

进一步地，被检电能表用于接收的三相电能表动态性能检定装置中的三相标准功率源提供的电压、电流，然后输出被检电能脉冲至的三相电能表动态性能检定装置中的误差计算器，进行误差计算。

上述是对本发明实施例提供的一种三相电能表动态性能检定系统的结构进行详细的描述，下面将以一个应用方法对本检定装置及系统进行详细的描述，请参阅图1、图2和图3，本发明实施例提供的一种三相电能表动态性能检定装置及系统的一个应用例包括：

请参阅图1，本实施例三相电能表动态性能检定装置包含机柜、挂表台两部分：机柜是由工控单元、主控单元、三相功率放大模块组成，工控单元是上层软件的运行平台，包括人机交互模块、工控机底板，与主控单元、挂表架连接，通过网口通讯，发送控制命令，进行数据交互；主控单元运行底层控制软件，实现信号发生、标准脉冲发生、输出控制、告警处理等功能；三相功率放大模块包含三个一样的单相功率放大模块，放大动态信号源，输出动态负荷功率波形；挂表架包括被检电能表、误差计算器，误差计算器接收被检电能脉冲和标准电能脉冲，计算误差，通过以太网口发送至工控机单元。

动态信号源包括DSP控制器的数字信号、双DA信号发生器，产生高精度的任意波形信号，为三相功率放大模块提供信号源，其硬件结构如图2示，为单路信号发生，以一个DSP为核心，通过数字隔离芯片将DSP控制器和信号处理单元隔离，隔离后的数字信号送至双DA电路，产生动态信号，双DA包括两个DA芯片、一个基准芯片，DA芯片采用ADI的AD5545，16位高精度DA，双DA电路的基准参考采用TI的基准芯片ADR444，双DA电路，一个为幅值DA，控制幅值大小的调节，一个为波形DA，控制输出波形形状，加数字隔离是为了保证每路信号隔离，经隔离供电的三相放大电路，输出隔离的电压、电流功率信号，因为电压输出为多电压模块串联方案，所以必须要三路隔离的电压动态信号，并且输出电压、电流相隔离，可以隔绝电压、电流之间的相互影响，确保输出的精度。本发明装置需要12路动态信号，其发生是通过一个DSP控制器产生数字信号，接入12个单相信号发生单元产生12路动态信号。

动态信号源发生，隔离后的DSP控制器数字信号发送给双DA电路，产生动态信号。动态信号发生的关键是任意波形信号的发生，任意波信号的发生包括模数转换、数模转换：模数转换即AD转换，一个模拟信号通过一定时间间隔抽样转变为离散信号，即D(n)＝S(t),其中S(t)为模拟的连续信号，t＝n*T，T为抽样间隔，起始时刻为0时刻，经过量化编码为数字信号，根据采样定理，采样频率大于信号频率的两倍，在频谱中就能够保证信号的频谱无失真，完全保留原信号的特征，经过量化编码存在量化误差，所得的数字信号丢失一部分原信号的特征，因此想更精确的还原信号，需要采用过采样技术提高离散数字信号精度，采样率提高对应每周波采样点数必然增加，每周波数据量也必然增加，本发明的DSP控制器的数字信号输出速率最高可达30M，周波基于工频50Hz，可实现每周波5万点的数据量，因此对于每周波5万点的数字信号的抽样，即抽样间隔最小为0.4uS，抽样频率为2.5MHz,可通过软件设置抽样频率，本发明的任意波形的抽样是在工控机上进行，通过上层软件实现，用户输入需要输出的任意波形，其特征为相关波形函数表达式或者高数据量的数字存储的波形，可以是现场电能表动态负荷的录波数据，也可以是动态负荷波形的数学模型，由于DSP数字信号的输出频率有限，因此对于数据量过大的波形数据，需要根据设置的抽样频率进行再次抽样，减少为DSP可处理的数据量，工控机运行抽样算法，通过0.4uS的抽样间隔，离散为数字信号；数模转换即DA转换，本实例中DA转换采用的是ADI的16位DAC，通过双DA提高转换精度，一个幅值DA，一个波形DA，理论上能够将DA的有效位数提高两倍，本实例的DA转换使用的是TI芯片OPA2277，其压摆率0.8V/us，决定了信号的阶跃响应不高于0.8V/us，实际中动态信号源的阶跃响应约15us。因此在上升时间允许的范围内，动态信号源可以产生谐波、次谐波、指数包络、斜线包络、现场录波等波形，完全可以实现动态负荷波形信号的发生。

请参阅图3，三相功率放大电路由三个一样单相功率放大模块组成，每个单相功率放大模块包括电流放大、电压放大。电流放大包括变压器、整流滤波电路、电流功放、档位切换、告警信号输出，变压器、整流滤波电路构成电流功放的主电源，电流功放通过档位切换保证输出各个区间段电流的精度，告警电路检测到电流的开路、过载、过热状态，输出相应的告警信号至主控单元，并且为硬件、软件双重保护；电压放大包括开关电源组、电压功放1、电压功放2、电压功放3、档位切换、告警信号输出，开关电源组为电压功放1、电压功放2、电压功放3供电，通过档位切换保证输出电压的精度，告警电路检测电压的过载、过热状态，输出相应的告警信号至主控单元，并且为硬件、软件双重保护。现有的高压放大器一般供电只能到100V，输出最多60V AC，因此本发明的电压功放是由三个电压功放组成，分别为电压功放1、电压功放2、电压功放3，通过三个电压功放的串联实现高压输出，三个电压功放通过档位切换电路，实现串联高压输出、单块低压输出，保证电压全范围输出的准确度。

本发明采用的是标准源法，标准功率源是检定装置实现0.05级的关键，而标准功率源0.05级的关键在于动态信号源、三相功率放大模块。动态信号源的关键在于任意波形的发生，三相功率放大的关键在于电压放大、电流放大，本发明的电压放大和电流放大均采用线性功放技术，线性功放具有纹波小、失真小、线性度好等特点，纹波小有利于动态负荷在低端的时候输出准确度，失真小表示放大输出的波形畸变程度小，可以更好的、高保真放大输入的动态信号源，线性度好表明放大输出在不同百分比点输出时的一致性，线性度越好一致性越好，可保证动态波形幅值非正弦、快变化情况下的准确度。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。