电能表应用研究60年回忆录（第1篇:第1集）
中国现代电网量测技术平台
张春晖
2017年10月18日
第1篇1958年，山东电网电能表计量标准传递系统建设从零起步（第1集）
省级电网电能表计量标准传递系统建设的目标是实现电网的电能表计量检定技术与管理的现代化、法制化，保障电能量值的准确、统一。
本篇作为《电能表应用研究60年回忆录》的首篇，其缘由:
～1958年，山东省电力工业局成立，对全省发、供、用电实行统一管理。同时，也是本文作者从事电能表应用研究，需要铭记的年份。
～20世纪初，山东省首先在青岛、坊子、淄博地区建设发电厂向用户供电。安装应用电能表计量收费估计在1915年前后。但是，全省电能表进行统一管理，则是从1958年电能表计量标准传递系统建设开始。
～供电部门主营供电、计量、收费业务。电能表是连接配电网与用户的中间环节。强化电能表应用管理，首先要建立计量标准，提升电能表性能测试与维护能力。
～长期以来，电表行业重视新型电能表的开发应用。国内，计量标准产品开发滞后于电网计量部门的应用需求，特别是省级电网电能表最高计量标准产品，至今主要还是依靠进口，新型电能表检定技术尚处初级阶段。
本文通过回忆60年来山东电网电能表计量标准产品应用的演进情况，从多个方面反映全国省级电网对高端计量标准产品应用与计量新技术溯源的需求，期望全面推进国产高端计量检定技术产品的开发与应用。
本文采用叙事、技术论理、展望的撰写形式。可以说，这是撰写技术类回忆录的探索。
～叙事:主要是回忆山东电网省、地（市）、县3级计量标准开发项目的基本看点:包括检定原理、计量标准、稳压源、操作台、检定装置不确定度、更新周期等。
～技术论理:记录计量检定关键技术的发展，主要是标准表计量新原理、对检定装置的评价、国际/国内标准表技术走向等。
～展望:对未来省级电网电能表最高计量标准提升技术水准和解决新型电表检定技术难点的期望。
从时间进度上，本文重点回忆1958---1998年期间，由山东省电力工业局用电处（营销部）和山东省电力试验研究所/院协同组织与实施山东电网电能表计量标准传递系统建设的进程与初步成果。1998年本文作者退休后，经汇集资料和采访，作为续接计量史料，本文将叙述山东电网电能表最高计量标准后续发展的情况。
从1958---1998年之间，与本文作者协同组织与实施，和1998年后由山东电网计量管理部门组织与实施:山东电网电能表计量标准传递系统建设规划与设计的主要计量工作者有:山东省电力工业局用电处（营销部）的郭金英高级工程师、陈琳高级工程师、郭宝利高级工程师。山东省电力试验研究所/院的徐民高级工程师、王际强高级工程师、王运全高级工程师、夏卓明高级工程师、徐新光高级工程师、张红高级工程师等。
同期，山东省17个地（市）电业局用电管理部门负责协同组织与实施本地区电网电能表计量标准项目设计与改进的主要计量工作者有:烟台局的吴英军高级技师、淄博局的张秀丽高级技师和各地（市）局的计量专职工程师、计量科（班）负责人。
一、1958年之前，山东省供电与电能表校验设备配置情况
新中国成立初期，山东省只有青岛、鲁中（济南）2个地区电网进行供电管理和服务。全省进口单相感应式标准表8只，其中，青岛配置的GE公司产IB---10型、潍坊的IB--8型单相标准表和济南进口的兰吉尔公司产的单相感应式标准表特性较好。青岛、济南还各有1套进口的三相校验台，由日本、德国西门子公司产。
早期，青岛、潍坊、济南的单相感应式标准表，主要送上海电力表计工场进行检验、校准。
1958年初，山东省电力工业局成立后，新组建了济宁、惠民、泰安、临沂、聊城、荷泽等一批地（市）供电单位。随之，山东电网电能表计量标准传递系统建设工程逐步展开。其中，山东电网电能表最高计量标准建设项目由山东省电力试验研究所/院（现在更名:山东省电科院计量中心）组织实施。
二、山东电网单相电能表计量标准传递系统的规划与实施
1，山东省电力试验研究所/院承担山东电网单相标准电能表检定装置的设计与改进
1）1959年，本文作者参观上海电力表计工场:国内首家标准电能表检定机构
那时，上海电网采用”瓦秒”法的单相标准表检定装置:
—″瓦秒″计量标准
～功率:采用英国惠斯顿公司产的0.2级长指针形电动式瓦特表进行测量。
～秒信号:采用老式长条形座钟，加装一对接点发出秒信号。
—稳压电源
采用交流电动机—直流发电机—直流电动机—交流发电机组。利用直流电动机的调速特性，输出50Hz稳定的三相交流电，输出功率估计5kW。
—电工型人工操作台体
虚负荷的工作电流:采用水电阻器，人工调节两片碳板之间的距离，输出指定的检定工作电流。
—该单相标准表检定装置的不确定度估计为+/-0.3%。
2）1960---1961年，山东电网第一代单相标准表检定装置问世
第一代单相标准表检定装置采用″瓦秒″法原理设计
—″瓦秒″计量标准
～功率:采用美国西屋公司产的0.2级长指针形电动式瓦特表进行测量。
～60/120秒信号:应用老式长条形座钟，经加装一对接点发秒信号，选用电信局通信用的步进继电器累进出60/120秒信号。
～稳压电源
采用磁饱和式稳压器，电压、电流回路各1台。为改善波形，应用空心线圈和电力电容器滤去3次谐波，用示波器监测输出是否为正弦波。
—电工型人工操作台体
采用虚负荷的调压器调节输出的工作电压、电流。
功率因数0.5:通过三相电路倒相法粗略地获得60°，再用三相感应式移相器进行相位细调节。
—该单相标准表检定装置的不确定度估计为+/-0.3%。
3）1971---1972年，山东电网第一代单相标准表检定装置升级改进项目
第一代单相标准表检定装置升级改进，还是沿用″瓦秒″法原理设计。
—″瓦秒″计量标准
～功率:采用国产0.1级D4型双排、宽刻度光标的瓦特表进行测量。
～60/120秒信号:应用电子式频率计分频电路抽头方法，获得60/120秒时间标准。
—稳压电源
采用614---A型电子式稳压器，输出正弦波，稳压精度0.2%，输出容量1kVA。
—电工型人工操作台体
输出工作电压、电流的调节方式不变。
移相0°、60°、90°:改用变压器式移相器，
并可以相位细调节。
—第一代单相标准表检定装置升级改进后的不确定度为0.15%，实现0.5级单相标准表省内自检。
4）1986---1987年，山东电网第二代单相和三相三线标准表检定装置推出
第二代单相和三相三线标准表检定装置首次应用数字化″瓦秒″法原理设计。
—功率计量标准
采用日本横河公司（YEW）产0.02级2885---20型数字化单相功率转换器（2台），配套使用日本产2501型数字化直流电压表。
—稳压电源
配置江西电子仪器厂产JX1791三相稳压电源。
—第二代单相和三相三线标准表检定装置的不确定度估计为0.03%，用以检定0.1级单相和三相三线标准表。
—关键技术参考之一:日本横河公司产2885型标准功率转换器
1991年，能源部电测量标委会、上海电度表厂:《国外电子式标准电度表原理和使用》:
”日本横河（YEW）2885型标准功率转换器，配置可控时间基准时为电能测量标准”
”该变换器采用日本横河独创的时分割乘法器。两个电流互感器和低漂移的输入电路，保证了绝缘性能和所需的准确度”
该功率变换器的特点:
～”高准确度:频率为47---61C/S,准确度为+/-0.02%，63---400C/S时为0.05%”。
～”极好的频率特性和功率因数特性:对于畸变交流波形和低功率因数也可以准确的测量”
～”宽的测量范围:分压器和电流互感器设计量范，对电压从75---300V,电流从0.5---20A可直接从输入端接入”。
～”高稳定性:采用时分割乘法器对功率进行计算，无需可动线圈或热电偶，这样对于过载、振动或外磁场亦无影响”。
—关键技术参考之二:时分割乘法器工作原理
20世纪60年代末，日本的横河公司（YEW）/衫山桌发明了时分割乘法器的功率测量原理。
本部分内容摘录于1984年张春晖译文:《采用时分割乘法器的电子式标准电度表》。原文刊载于《SiemensReview》MAY1974
单相电子式标准电能表使用一个乘法器部件。
乘法器的功能是形成一个电流与电压瞬时值的乘积，其输出量表示有功功率。脉冲转换器是将乘法器的输出量按比例转换成频率。乘法器与脉冲转换器由同一个电源部件供电。
选用时分割原理的原因，是由于它的测量精度仅仅取决于少数几个结构元件（电阻、基准二极管）。
下面简要描述时分割乘法器的工作原理:
输入的测量电流I和电压U，通过仪用电流互感器W1和W2连接到电子设备上。
在测量电压回路内，一个与测量电压成比例的电流经串联电阻R1后，注入仪用电流互感器W2的初级线圈。仪用电流互感器W2的误差（比差/=0.02%，角差/=0.5’），要用电子学上的方法来补償。在仪用电流互感器W2的环形铁心上，除初级和次级线圈，还有一个附加线圈。这个附加线圈连接到放大器V2，V2输出又与次级线圈相串联后，输出与测量电压U成比例的电流Iu。假设理想放大器的增益是无限的，那么附加线圈两端的电压就趋近于零。
在测量电流回路内，测量电流I流经仪用电流互感器W1的初级线圈。它除了初级线圈和次级线圈，也有一个附加线圈。这个附加线圈连接到放大器V1，V1的输出并联变压器T。仪用电流互感器W1输出信号的极性，通过双极性开关S2不断地反转。因此，必须借助于变压器T，使放大器V1的输出与次级线圈隔离。T的二次输出与W1的次级线圈串联后，输出与测量电流I成比例的电流Ii。
（说明，本括号下列内容，由本文作者为注釋原文图例而补充:
在Iu与斯密特触发器Gw之间的连线上，接入并联电容器C1。双极性开关S1在C1的接入点，注入并控制参考电流Io的极性）。
电容器C1由参考电流Io和测量电压回路的电流Iu之和（即Io+Iu）进行充电，直到Gw到达触发电压的上限。后者，使双极性开关S1和S2改变工作位置。C1立刻又随着Io与Iu之差（即Io--Iu）而放电，直到Gw到达触发电压的下限。以上过程重复出现，其周期的时间大约为100微秒。由于电容器总是放电到同一电位，在充电时间T1内的电荷等于放电时间T2内的电荷:
（Io+Iu）·T1=（Io--Iu）·T2
由此得出:
（T1--T2）/（T1+T2）=Iu/Io---（A）式
斯密特触发器Gw既控制S1又控制S2，因而也控制Ii。Ii与测量电流回路的电流I成正比，并被换向输出，则输出电流的平均值Im为:
Im=（Ii·T1--Ii·T2）/（T1+T2）=Ii【（T1--T2）/（T1+T2）】
用方程式（A）代入，得出:
Im=（Iu·Ii）/Io，即近似等于U·I
这种系统，其输出电流的平均值Im与所测量的电流I和电压U的瞬时值的乘积成正比，因而也与有功功率成正比。在输出平均电流Im的回路上，并联电容器C2和电阻R2，用以平滑输出电流。
5）1990年，山东电网第三代单相标准表检定装置项目开发
第三代单相标准表检定装置首次采用”电能比较”法原理设计
—电能计量标准:应用兰吉尔公司产的0.01级型电子式单相标准表。
—稳压电源:江西电子仪器厂产JX2043型电子式单相稳压电源。
—第三代单相标准表检定装置的准确度为0.01级，用以检定0.05级单相标准表。
—关键技术参考:兰吉尔公司产0.01级型电子式单相标准表。
1991年，山东省电力试验研究所:《国内外电子式标准电能表发展概况》:
我所于1990年10月进口兰吉尔公司产0.01级型单相标准表。经验收合格，其主要性能、指标:
作为单相标准功率和电能转换器与数字电压表连用，可以测量有功功率、无功功率，与脉冲计数器连用可以测量有功电能、无功电能。
注:型电子式单相标准表采用时分割乘法器技术。
～输入额定电压Un:60---300V
—输入额定电流In（配TAM1型电流补偿器）:0.1---100A共10个量程。
～输入频率范围:15---70Hz。
～有功功率和电能测量的误差限:
功率因数为1时，测量误差+/—0.01%
功率因数1时，0.01%/功率因数
目前，该标准已基本配套完善，并开展网内0.05级标准表的测试工作。
6）续接计量史料:1998年后，山东电网单相标准电能表检定装置技术的后续发展
—2000年后，山东省电力试验研究院进口德国汉堡市HEG公司产0.005级C1--2型单相高准确度功率转换器，用以检定0.02级单相标准表。
—关键技术参考:德国C1-2型高准确度功率转换器
～2009年，褚大华:《电子式电能表》:
～产品资料:C1--2技术性能:
C1--2应用领域
a1对功率和电能精密测量系统的校准和检测。
a2功率和电能测量的国际比对标准
a3在高等级的功率电能校验设备中，用作设备内部的参考基准。
C1--2技术规范
a1输入电压:120V
a2输入电流:5A
a3频率范围:45---65Hz
a4准确度:
测量功率范围/直流电压输出的准确度/标准频率输出的准确度:
/=0.005%/0.01%（相对值）
0.5/=0.01%/0.02%（相对值）
0.1Pn--0/=0.001%/0.002%（相对标称功率）
a5稳定性（相对标称视在功率）:
24h,=0.001%
年，=0.007%
说明:2001年，德国HEG公司由德国EMH公司收购，C1--2转换器转由EMH公司负责销售和技术支持。
2、山东电网地（市）、县级供电单位单相电能表检定装置开发与应用
1）标准电能表
—前面已经叙述，新中国成立之初，青岛、潍坊、济南供电单位已经进口GE公司/兰吉尔公司产的感应式单相标准表（8只）。
—1958年，山东省电力工业局成立后，继续为地（市）、县级供电单位配置标准电能表
～1959年，山东省电力工业局进口兰吉尔公司产0.5级CF3E1型三相标准电能表（12只）。
～1963---1964年，青岛电业局利用GE公司产的I--14型单相感应式电能表，改制成测量误差小于1%的单相标准表，供部分地（市）、县级供电单位应急使用。
～1965年，山东省电力工业局进口英国新加莫公司产0.5级S·12·113型感应式单相标准表（24只）。水电部拨给兰吉尔公司产C2FPSE1型感应式三相标准表（3只），分配给济南、淄博、青岛、烟台、新汶、潍坊、济宁等地（市）供电单位使用。
—1985年后，山东省内地（市）、县级供电单位陆续采用国产0.1级、0.2级电子式单相标准表，用于检定1级、2级单相电能表。
关键技术参考:电子式单相标准表
1991年，山东省电力试验研究所:《国内外电子式标准电能表发展概况》:
～高精度的电子式功率电能表，一般是以时分割乘法器为中心器件研制而成。这类乘法器分为两种:
a1一种是电压输入型，为日本横河公司的2885型功率转换器、日本大畸公司的OE4AH型及国产PS4、PE3---1型等，其特点是输入阻抗高，一般在10千欧姆以上。输入信号电流较小，一般在20---100微安间，优点是能用电压来整定。缺点是由于开关场效应管尖峰效应和导通电阻的影响，以及较多的运放漂移影响的存在，使得满度和零点的稳定问题不能很好解决。因此，这类乘法器为核心器件组成的仪表，在不同量限需要重新调整，并且零点漂移比较严重。
a2另一种是采用电流平衡原理的时分割乘法器，如兰吉尔公司产的TVH、TVL系列仪表、北京无线电研究所的BY2462等就是使用这类乘法器。此类乘法器克服了电压输入型时分割乘法器存在的尖峰效应及由于使用较多运算放大器所引起的零漂问题。具有电路简单、精确度高和性能稳定的特点。不足之处在于使用互感器、变压器作隔离，输入工作频率范围较小，限于工频使用。
～北京无线电研究所产的2461、2462系列电表，由于在生产中采用引进的新工艺技术，保证表计具有稳定可靠的性能。据检测，0.1级BY2461型单相标准电能表，7个月的稳定性最大变化0.04%。
～有的0.1级、0.2级电子式标准表，设计外形尺寸相似于感应式单相标准表DDB7，可直接替代校表台中的感应式单相标准表使用，同时，可方便的使用于电能表现场校验，如上海电度表厂的DDB10---S型、南昌无线电六厂的EEI---P型、江西电子仪器厂的DEMI型，以及九江仪表厂的PS41型等仪表。
2）单相电能表检定装置
—新中国成立之初，有些地（市）供电单位自制简易单相校表台，用″瓦秒″法校表。
—1963---1964年，在山东省电力试验研究所指导下，泰安、聊城、荷泽、惠民等地（市）电业局和威海、临清、即墨、莱阳、掖县、北镇、文登等县级供电单位安装了一批单相电能表检定装置，采用”电能比较”法进行感应式单相电能表的检定，三相电能表按单相法进行检定。
至此，即在20世纪60年代中期，山东电网初步建立省、地（市）和县两级单相电能表计量标准传递系统。
—1973年后，省内的地（市）、县级供电单位陆续配置国产0.6级单相电能表检定装置，采用国产0.5级感应式单相标准表，用于检定2级单相电能表。
—1985年后，山东省的地（市）、县级供电单位相继配置国产0.2级、0.3级单相电能表检定装置，按”电能比较”法原理设计，采用国产0.1级、0.2级电子式单相标准表，用于检定1级、2级单相电能表。
—关键技术参考之一:北京无线电研究所产电子式单相电能表检定装置
～BYX05---1型单相电能表检定装置
该单相电能表检定装置用于检定0.5级以下交流单相电能表。
主要特点:
a1采用数字波形合成、数字移相、数字变频及微处理器设计技术。
a2输出电压、电流软启停。
a3设有黑影捕捉功能，提高启动和潜动的检测效率
a4可同时检测3只电子式或感应式单相电能表。
主要技术指标:
a1装置准确度等级:0.1级、0.2级
a2电压输出:220V,0---120%连续可调。
a3电流输出:0.1---50A8个量程，0---120%连续可调。
a4输出功率:电压回路30VA,电流回路60VA。
a5电压、电流、功率的稳定度优于0.1%（3min）。
a6相位:0---359.9°，调节细度0.1°。
a7频率:45.0---65.0Hz
~BY2462A---2B型电子式单相标准表
该仪表主要用于电能表检定装置:
主要特点:
a1电压、电流输入采用无源互感器隔离，并有保护措施。
a2时分割乘法器，采用一片专用集成厚膜电路
a3采用先进的表面贴装技术
a4整机电压量程测量范围宽，输出频率高。
主要技术指标:
a1电压量程:220V，输出范围180---260V,过载能力150%。
a2电流量程:5A,输出范围0---6A,过载能力200%。
a3准确度等级:0.05级、0.1级。
—关键技术参考之二:单相电能表检定装置的结构
2010年，湖北省电力试验研究院:《电能计量新技术与应用》:
~电子式单相电能表检定装置由程控信号源、功率放大器、隔离电压互感器、标准表、误差处理系统、时钟基准、GPS授时器、专用手控键盘、PC机控制软件、条码器等组成。
挂表架可以根据需要，订制做成背靠背、左右排开或者一字排开。专门设计相应的压接式快速接表器，以适应检定上进下出的单相电能表。
~标准电能表:前面已经叙述。
~单相程控功率源:
该功率源主要工作于工频，对其主要要求:
a1输出波形应为正弦波，其失真度应不大于0.5%。
a2正弦波的频率、幅度、相位，均可以任意调节。
a3输出有一定功率容量。功率容量视检定表位而定。
单相程控功率源一般由信号产生、功率放大与变换、输出控制单元组成。
a1信号产生电路:现在的程控源基本上都采用数字信号电路。它是以数字电路（如计数器、存储器）为基础构成的信号源，包括数字波形的产生、数字变频、数字移相3个单元。
a2放大与变换电路:将信号产生电路所产生的正弦波加以放大，输出一定功率容量的电压和电流。
常用的电压放大器和电流放大器，每个放大器由基本放大器、稳幅电路、幅度显示电路、故障报警电路及输出变换电路等组成。
