基于温度补偿的电能表全温度范围计量精度优化方法

光源®照明
■{ 2020年第10期]
基于温度补偿的电能表全温度范围计量精度优化方法
冯译德
徐州三新供电服务有限公司贾汪分公司（江苏徐州221000)
摘要：在智能电能表的使用过程中，通常很难精准调节温度，易出现温度范围过大的现象，导致在全温度范围内 调节温度时出现漂移和大量下降。

对于该问題，文章进行了电能表全温度范围计量精度的优化研究。

首先，对电能表 整机进行热仿真建模，获得不同环境温度和负载电流下电能表各处的发热情况，并根据所获得的温度数据建立计量芯 片与计量回路中影响计量结果关鍵元器件之间的温度映射关系。

其次，通过搭建电能表计量芯片的Simulink 仿真糢型, 评价其在全温度下的计量精度。

最后，通过编写温度补偿程序，并在实际中应用电能表，验证所述方法的有效性。

关键词：温度补偿：电能表；全温度范围；计量精度
Optimization Method of Metering Accuracy in Full Temperature Range of Electricity
Meters Based on Temperature Compensation
FENG Yide
Xuzhou Sanxin Power Supply Service Co., Ltd. Jiawang Branch (Xuzhou Jiangsu 221000)
Abstract : In the use of smart electricity meters, it is usually difficult to adjust the temperature accurately, and the
temperature range is easy to appear too large, which results in drift and substantial drop in temperature regulation over the full temperature range. To solve this problem, the thermal simulation modeling is carried out for the whole electric energy meter to obtain the heating situation of the electric energy meter at different ambient temperatures and load current. The temperature mapping relationship between the metering chip and the key components in the m etering circuit that affect the metering results is established according to the obtained temperature data. Secondly, the measurement accuracy of the meter at full temperature is evaluated by building the Simulink simulation model of the metering chip of the electricity meter. Finally, the effectiveness of the method is verified by writing a temperature compensation program and applying a watt-hour meter in practice.
Key words : temperature compensation, electric energy meter, full temperature range, measuring accuracy
〇引言
当前，城市电网快速发展，智能化程度不断加深， 智能电能表的作用也更加凸显。

为实现对温度的精准 调节，研究并优化电能表全温度范围计量精度十分有 必要[1'1
基于温度补偿的电能表计量精度优化流程
(1) 基于A n sy s 进行电能表整机热仿真建模，得
到对其计量精度产生重要影响的关键部件。

(2) 利用Simulink 构建计量模块的仿真模型，并 快速计算其计量精度。

同时，在仿真模型中，植入计 量芯片和电阻实测温度分布情况。

(3)
在计量精度的变化下，计算温度，分析在采 样中电能表电阻和计量芯片产生的自适应温度补偿系
数，设置计量系统[3)。

(4)有效验证系统的精度补偿方式。

2
电能表温度场仿真分析
构建热仿真的过程中，需要根据电能表之前的结 构，使用Altium Designer (AD )软件，绘制好PCB 板，在其中添加元器件3D 封装模型，最后形成完善的电能
表3D 模型构建流程。

文章主要针对某单相智能电能表
展开研究，这种电能表十分常用，其3D 模型参考如图
1所示。

为获得需要的仿真模型，在设置的电能表3D 热仿 真模型中，应做好网格划分：在仿真求解之后，得出电
能表温度场分布；在初步仿真之后，测量几个关键位置，
并在得到的测量结果的基础上，不断修正流程，优化
元器件的参数。

丨照明电器I (2020年第10期
3全温度范围下电能表计量精度评价
在实际的电能表使用中，随着温度的变化，其计量 精度也会产生很大的变化14_5]。

文章针对150k Q电阻和 680 Q电阻，以及计量芯片进行了温度特性的测量。

针 对计量芯片基准电压，得出其在全温度范围下的特性 曲线，如图2所示。

A+尺2+穴3+及4+及5+及6+穴7
式中：r为温度；心〜/?6均为150 k Q电阻；尺7为 680 Q电阻。

通过实测可知，由于两者之间的温度系 数不同，因此当温度发生变化时其电压也会发生相应 的改变。

在得到电压采样信号£/T之后，和电流采样信号J 一起，输入计量芯片，通过A/D进行转换，然后将二 者相乘，在f时间之后，形成计量电能值。

该过程 的表达式如下：
由公式（2)知，使用A/D转换能够得到电压信号，其和参考电压Vref呈反比。

这主要是因为锰铜温度系数 低，在所有温度条件环境下，其得到的电流采样信号/ 不会改变。

由此得出，电表在常温T W t中的计量电能 和在r温度下的WV中的计量电能存在以下关系：Wr Ur I：Vr lf Ur Vr lt
fVT UTI C UTV；^
式中：Ke产1.25 V。

由实际测量可知，在实际工作中，芯片参考电压和其当前所处的温度7V呈现以下关系：
1.240 4 ____
1.240 2 ■,•
> 1.240 0 .Z
S 1.239 8 .
^ 1.239 6 ./ 、'
1.239 4
# 1.239 2 /
1.239 0
1.238 8 ,
1.238 6 L------.------,------.------.--------------—
-40 -20 0 20 40 60 80
温度/t
图2计量芯片参考电压（K a f)温度曲线
由于仪表通常是大批量生产，因此其计量精度很容 易出现问题，且容易在计量回路元器件的变动下产生 变化。

在评价计量精度时，需要基于电能表的制造，对 实际物料进行实测。

如在150 k f i和680 Q电阻的设置 上，需要增加波动范围的设置，控制在±1%;对于锰 铜阻值，需要保证其在±6%;针对计量芯片，设定其 基准电压波动范围为±0.13%[6]。

4电能表计量精度的温度补偿
假定输入电压在分压电路实现采样流程，同时 得到电压采样信号t/T，其表达式如下：
=2.005 X1〇-9 X r v3 - 4.23237X 1 〇-7 X r v2 +1.6118 X 1〇-5x7；+1.24017=/(7；) (4)采样电压与各处电阻的温度及温度系数之间的关 系表达式如下：
U' =U x__________(7~ct?680 x 7^680 + 1)/?680____________
6x(T C R tS0 x TRl50+ l)/f l5〇+ (TC R6S0 x TR6S0+ l)R6m = /H X(5)式中：T■、：T_分别为电阻为150 k C2和680 k Q 时所处的温度；C为变电阻模型中形成的温度系数。

由上文的热仿真模型可知，分析不同温度下的电能 表的温度，并在相关映射模型下，针对计量芯片的温 度进行计算，分析整个工作过程中的电流情况，经过 最后的计算，确定电能表各部分的实际温度有一集任 意时刻时的温度电压t/r。

由此可以得出，温度为r•时电能表的理论测量值与实际测量值之比如下：
f\T,)
%/(U680)><f(6)
式（6)所示为温度下的补偿系数，通过在计量芯 片中嵌入该模型，便能够实现在全温度环境下对电能 表计量功率的校正。

^5
T
应用该计算模型生产电能表，并开展产品的性能测 试，实践证明，效果显著17_9]。

在补偿优化前和优化后, 其精度参数参考如图3、表1所示。

6
结论
文章论述了基于温度补偿的电能表全温度范围计 量精度优化方法，主要结论如下：
(1)
构建了智能电能表的热仿真模型，能够仿真
并计算各个温度范围内的温度场，从而得出各个关键 位置存在的问题；
(2)
基于温度变化的情况，能够计算出电能表计
量精度；
(3)
构建了温度补偿模型，并且得出在全温度范
围内，对电能表计量精度使用的是自适应补偿。

通过 实践可知，利用电能表开展补偿优化后，电能表的计
量精度明显提升。

参考文献
作者简介：冯译德，本科，助理工程师，研究方向为电 气自动化技术。

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温度/C
图3优化前后各温度下计量误差（精度）对比图
表1优化前后计量精度变化
温度/°c 补偿前补偿后优化倍数-45-0.011 0700.004 2602. 60-35-0.010 3500.001 920 5.40-25-0.007 0400.000 7699. 20-15-0.007 2300.000 56812. 70-5-0.004 690-0. 000 8705. 405-0.003 720-0. 000 5007.4015-0.001 8200.002 0740.9025-0. 000 920-0.000 380 2.40350.002 375-0.002 1501. 10450.002 4550. 000 8602. 90550.005 4850.001 665 3.3065
-0.006 975-0.001 1306. 20平均数
-0.003 625
0.000 590
4. 20
从图3、表1可以看出，使用温度补偿系统之后, 电能表的计量精度产生了显著变化，平均优化了 4.20 倍，其计量误差是之前的1/4.20,说明效果显著。

另外， 从整体上看，在补偿优化之后，计量精度也十分稳定，
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