一种直流电能表检定装置及检测方法

摘要

一种直流电能表检定装置及检测方法，该装置的32位微处理器通过控制总线分别与FPGA、数据存储模块、通讯模块、显示模块、按键输入模块、报警保护模块连接；FPGA分别与32位微处理器、控制模块、电能脉冲模块、温补时标模块、数据采集模块连接；控制模块分别与六路电压驱动模块、电流驱动模块、反馈模块连接；输出模块与六路电压驱动模块、电流驱动模块、反馈模块连接；反馈模块分别与输出模块、控制模块、数据采集模块连接。该装置短期稳定度优于0.005%/分钟，交流纹波很小，调节细度高达5ppm，可靠性特别高，可24小时连续工作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种直流电能表检定装置及检测方法。

背景技术

根据电动汽车车载电池的特性，大中型电动汽车一般采用直流方式充电。 由于充电时的直流电压为400～800V，电流为0～500A，现有的直流电能表已 经不能满足该需求，因此国内一些电能表生产厂家研制了用于直流充电桩电能 计量的新型直流电能表。相应地，由于该类直流电能表额定电压和额定电流高， 现有的普通的计量检定装置无法对其进行检定，因此需要研制高精度、输出范 围宽广的直流电能表检定装置。

目前市场上的直流电表检定装置采用的方案主要有：

一、电压使用电阻分压采样，电流使用分流器直接取电流信号进行采样。 这种方案不符合大电流、高电压的检定需求。

二、采用功率较大的直流电源给被检表输入检定时所需的电压、电流值， 被检电表输出端接标准负载，然后采用等效折算或实时脉冲比较法进行检定。 这种方案在检定时消耗电能较大。

三、大电流测量采用电阻法或者霍尔法，这类方案精度比较低，分别为0.2% 年和0.5%/年。行业内还有一种测量方式，采用直流比较仪，其精度可以达到 5ppm/年。但传统的直流比较仪只能作为慢速测量比较用，不能作为捕捉电流快 速变化用，因此不能作为大电流发生器的一个反馈部件，严重限制了高精度电 流源的研制。

另外现有该类装置基本上只针对单表的检定，对于多表位的检定装置未见 相关的技术文献报道。现有该类装置大多数需要人工记录，并进行大量的数据 处理工作，检定效率低，容易出现人为操作误差。现有该类装置大多数只有按 键输入模式，没有触摸屏输入，操作步骤繁琐，界面不友好。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流电能表检定装置及检测方法，能够作为0.05 级直流电能标准，检定0.2级和0.2级以下的直流电能表、直流功率表。作为0.01 级直流电压标准，检定0.05级及以下的直流电压表。作为0.02级直流电流标准， 检定0.1级及以下的直流电流表。能够将校准结果溯源到国家标准。能够输出6 路直流电压，相互隔离、单独控制，同时检定6块直流电能表。即可检定直接 接入式电能表，又可检定分流器接入式电能表。直接接入式的电流检测范围可 达600A，分流器接入式的最小电压测量分辨率为10nV，适合于《JB/T  9288-1999》中推荐的所有分流器型号。具有很宽的输出范围，直接接入式电压 输出：3V～900V，分流器接入式电流输出：1mA～600A；100μV～360mV。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：一种直流电能表检定装置，包括 32位微处理器、FPGA、电源模块、通讯模块、显示模块、按键输入模块、报警 保护模块、数据存储模块、电能脉冲模块、温补时标模块、数据采集模块、控 制模块、六路电压驱动模块、电流驱动模块、输出模块和反馈模块，该装置的 32位微处理器通过控制总线分别与FPGA、数据存储模块、通讯模块、显示模 块、按键输入模块、报警保护模块连接；FPGA分别与32位微处理器、控制模 块、电能脉冲模块、温补时标模块、数据采集模块连接；控制模块分别与六路 电压驱动模块、电流驱动模块、反馈模块连接；输出模块与六路电压驱动模块、 电流驱动模块、反馈模块连接；反馈模块分别与输出模块、控制模块、数据采 集模块连接。

所述输出模块可单独输出6路电压，相互隔离，并单独控制。

所述报警保护模块包括电压源短路保护、电流源开路保护、过载保护。

一种适用于所述的直流电能表检定装置的检测方法，包括如下步骤：

（1）将上位机、直流电能表检定装置和被检电能表正确连接后通电，确保 三者之间通讯正常；

（2）打开上位机，设置电压、电流输出值以及被检表电能脉冲常数的检定 方案；

（3）启动测试，将设定参数值发送至检定装置，检定装置自动输出电压、 电流至被检电能表，直流电能表检定装置实时采集被检电能表光脉冲或电脉冲， 将采集的脉冲数换算成被检电能表电能值，同时计算自身输出的标准电能，进 行误差比较，将误差值发送至上位机。

（4）读取误差值，上位机通过RS232接口读取误差值，并生成报表，进行 打印。

所述的上位机是装有WINDOWS操作系统且具备无线网卡的便携式电脑。

工作原理及过程：

所述32位微处理器是整个装置的指挥中心，通过SPI与FPGA进行通讯。 通过RS232或者RS485通讯接口与外设进行通讯。接收面板按键或触摸屏输入 数据，对数据进行分析处理，将采样数据、校准数据和电能测试数据等存储在 数据存储模块中，并将相关数据通过高清彩色触摸屏显示。报警信号通过32位 微处理器控制报警保护模块输出。

32位微处理器将所设置的电压、电流输出值，计算对应的D/A输出值， 通过FPGA送入控制模块的D/A部分，输出的电压值作为六路电压驱动模块和 电流驱动模块的输入信号，驱动模块连接至输出模块。输出模块可输出6路相 互隔离的直流电压、1路直流电流﹙分为大电流、小电流和微小电压，其中大电 流≥24A，小电流＜24A，微小电压为四线测量模式，用于检定带分流器的直流 电能表﹚。在输出端，有电压、电流信号测试电路，测得的值一方面作为负反 馈信号，稳定输出电压电流；另一方面作为测量值，用于显示和数据运算。测 量值经过数据采集模块进行A/D转换，通过FPGA输入至32位微处理器，计算 出电压、电流值，用于显示。

在进行电能测量时，被检电能表的直流电压和直流电流信号经AD转换后 输入至FPGA，经FPGA处理后，输入32位微处理器，计算得出直流功率。根 据《直流电能表检定规程》的相关规定，将直流功率转换为标准电能表电能脉 冲，分为高频电能脉冲和低频电能脉冲，每个电压和电流当前量程的满量程值 对应的标准电能表脉冲高频为12kHz、低频为1.2Hz。开始电能测量后，从检测 到被检表脉冲开始对标准表脉冲进行计数。检测到规定被检表脉冲个数后，计 算电能误差。电能脉冲误差采用标准法进行测量，被检表的误差计算公式如下：

$\delta =\frac{E_X-E}{E}\times 100\%...............\left(1\right)$

式中：E_x─被检表所指示的电能值，kWh；

E─标准表所指示的电能值，kWh。

当用测量标准电能表发出脉冲数的方法检定时，被检电能表的相对误差计 算公式如下：

$\delta =\frac{m_o-m}{m}\times 100\%...............\left(2\right)$

式中：m─实测脉冲数；

m₀─算定脉冲数，即假定被检电能表没有误差时，计数器变化N个 字，标准电能表应发出的脉冲数。

为检测电能表的时钟准确度，本装置可以输出占空比为50%、频率为1Hz 的标准秒脉冲。

电源模块提供所有电路的工作电源。

本装置采用四线测量模式检定分流器接入式直流电能表，可提供50μV以 下信号，年精度高达1%左右，并且整机设计去掉了热电偶和接触电动势等干扰 信号的影响。

与现有技术相比，本发明的突出优点在于：

1、采用了独特的大电流发生器和大电流测量技术，符合大电流、高电压 的检定需求。

2、精度高，可作为0.05级直流电能标准、0.01级直流电压标准和0.02级 直流电流标准，并可以将校准结果溯源到国家标准。

3、能够检定直接接入式和分流器接入式直流电能表。

4、同时支持按键输入和触摸屏输入，界面友好，操作便捷。

5、能够同时对6块直流电能表进行自动检定，自动保存检定数据，用户 可自定义打印模板，并根据模板生成检定证书或检定结果通知书。

附图说明

图1为本发明所述的直流电能表检定装置的原理框图。

图2为本发明所述的直流电能表检定装置的6表位并检原理框图。

图3为本发明所述的直流电能表检定装置的检测流程图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明所述的直流电能表检定装置，包括32位微处理器、 FPGA、电源模块、通讯模块、显示模块、按键输入模块、报警保护模块、数据 存储模块、电能脉冲模块、温补时标模块、数据采集模块、控制模块、六路电 压驱动模块、电流驱动模块、输出模块和反馈模块，该装置的32位微处理器通 过控制总线分别与FPGA、数据存储模块、通讯模块、显示模块、按键输入模块、 报警保护模块连接；FPGA分别与32位微处理器、控制模块、电能脉冲模块、 温补时标模块、数据采集模块连接；控制模块分别与六路电压驱动模块、电流 驱动模块、反馈模块连接；输出模块与六路电压驱动模块、电流驱动模块、反 馈模块连接；反馈模块分别与输出模块、控制模块、数据采集模块连接。

如图2所示，客户通过人机对话界面对32位微处理器发送命令，32位微处 理器计算对应的D/A输出值，通过FPGA送入控制模块的D/A部分，输出的电 压值作为六路电压驱动模块和电流驱动模块的输入信号，驱动模块连接至输出 模块。为了使输出稳定，输出模块采样进行负反馈调节。输出模块可输出6路 相互隔离的直流电压和1路直流电流，能够同时检定6路电能表。FPGA通过通 讯接口同时采集6路被检表光脉冲或电脉冲，根据被检表电能脉冲常数计算出 电能作为被检电能值；并计算装置输出的电能值作为标准电能值。6路电能误差 计算模块根据公式（1）进行6路电能误差计算，并通过6表位误差显示模块显 示。

本发明经过近一年的试验和测试，其稳定性和可靠性良好。直流电压范围 可达3V～900V，直流电流输出范围可达1mA～600A，最大负载可达5kW，可 同时检定6块直流电能表，大大提高了检定效率。精度达到预期目标，可作为 0.05级直流电能标准、0.01级直流电压标准和0.02级直流电流标准，并可以将 校准结果溯源到国家标准。

如图3所示，一种适用于所述的直流电能表检定装置的检测方法，包括如 下步骤：

（1）将上位机、直流电能表检定装置和被检电能表正确连接后通电，确 保三者之间通讯正常。

（2）打开上位机，设置检定方案，其中包括设置电压、电流输出值以及 被检表电能脉冲常数等。

（3）启动测试，上位机将设定参数值发送至检定装置，电能表检定装置 自动输出电压、电流至被检电能表，电能检定装置实时采集被检表光脉冲或电 脉冲。电能表检定装置将采集的脉冲数换算成被检表电能值，同时计算自身输 出的标准电能，进行误差比较，将误差值发送至上位机。

（4）读取误差值，上位机通过RS232接口读取误差值。并生成报表，可 进行打印。