一種基于量子技術的交流功率差分測量系統及方法與流程
本發明屬于計量領域，具體涉及一種基于量子技術的交流功率差分測量系統及方法。
背景技術：
在交流功率基準建立中，目前國內采用熱偶的方式實現，首先由直流量子電壓基準向直流電壓實物標準進行量值傳遞，通過交直流轉換器件將交流功率與直流功率直接比較后，溯源到直流電壓實物標準，從而實現交流功率到直流量子電壓的溯源。由于溯源路徑較長，熱電變換器作為實物標準，容易受到外界環境的影響，可能隨時間和環境的變化而改變，因此給溯源過程帶來大量不確定因素。工頻量子功率基準建立在自然常數的基礎上，基準量值不受時間和外界環境的影響而保持恒定，具有復現準確度高，穩定性好，易于復制的優勢，是交流電能領域未來發展方向。建立交流工頻量子功率基準的重要前提是通過正弦交流信號與交流量子電壓量值的比較，實現交流量子電壓量值的準確傳遞。
技術實現要素：
本發明的目的在于解決上述現有技術中存在的難題，提供一種基于量子技術的交流功率差分測量系統及方法，為交流功率的溯源提供一條新路徑，通過交流電壓采樣，實現以交流量子電壓為參考的交流功率精密測量，從而實現交流量子電壓向被測交流功率的直接量值傳遞，提高了量值傳遞的穩定性和可靠性，縮短了交流功率的溯源路徑。
本發明是通過以下技術方案實現的：
一種基于量子技術的交流功率差分測量系統，包括偏置電壓產生單元、PJVS、被測系統及轉換單元、時鐘源、第一采樣單元、第二采樣單元、FPGA控制單元和PC上位機；
所述時鐘源分別連接偏置電壓產生單元、被測系統及轉換單元、FPGA控制單元，為偏置電壓產生單元、被測系統及轉換單元和FPGA控制單元提供時基頻率；
所述偏置電壓產生單元為PJVS提供偏置電流，驅動PJVS輸出所需波形；所述偏置電壓產生單元為FPGA控制單元提供同步觸發信號；
所述PJVS分別與第一采樣單元和第二采樣單元連接；
所述被測系統及轉換單元分別與第一采樣單元和第二采樣單元連接；
所述的FPGA控制單元分別與第一采樣單元、第二采樣單元以及PC上位機連接。
所述被測系統及轉換單元包括被測功率源和轉換電路，所述轉換電路將被測功率源輸出的大電壓和大電流分別轉換成第一采樣單元和第二采樣單元的最大量程內的的小電壓；
所述大電壓的幅值范圍為60V～380V，所述大電流的幅值范圍為0.5A～20A，所述小電壓的幅值小于2.5V。
所述被測系統及轉換單元中的所述轉換電路包括電壓互感器、電流互感器和采樣電阻，所述電壓互感器、電流互感器分別與被測功率源連接，將被測功率源發出的大電壓V和大電流I轉換成小電壓VV和小電流II，小電流II再通過所述采樣電阻被轉換成小電壓VI；
VV的高端HV連接第一采樣單元，VV的低端LV連接模擬地，VI的高端HI連接第二采樣單元，VI的低端LI連接模擬地。
所述PJVS的輸出高端HJ同時連接第一采樣單元和第二采樣單元，所述PJVS的輸出低端LJ連接模擬地，HJ和LJ之間的電壓為VJ；
所述偏置電壓產生單元通過D-SUB接口為PJVS提供偏置電流；
在所述偏置電壓產生單元里設置有相位調節電路。
所述FPGA控制單元為第一采樣單元、第二采樣單元提供控制時序，第一采樣單元、第二采樣單元采集的數據傳輸到FPGA控制單元；
所述PC上位機向FPGA控制單元發送指令并接收FPGA控制單元里FIFO中的采樣數據；
所述PC上位機還與偏置電壓產生單元連接，將相位差反饋給偏置電壓產生單元，控制偏置電壓產生單元產生使PJVS正常工作的驅動電流。
一種利用上述基于量子技術的交流功率差分測量系統實現的測量方法，包括：
步驟1，將被測功率源產生的大電壓和大電流轉換成第一采樣單元和第二采樣單元的最大量程內的小電壓和小電流；
步驟2，驅動PJVS產生與被測功率源產生的大電壓和大電流同頻率同幅度的交流量子電壓；
步驟3，設置同步觸發信號；
步驟4，當FPGA控制單元接收到同步觸發信號時，FPGA控制單元產生控制時序，控制第一采樣單元和第二采樣單元分別采集VJ與VV的差分電壓和VJ與VI的差分電壓；
步驟5，通過FPGA將步驟4采集的差分電壓送到PC上位機，PC上位機利用所述差分電壓恢復出正弦電壓信號和正弦電流信號，并找到正弦電壓信號和正弦電流信號和交流量子電壓之間的最優相位，在最優相位的情況下，用采集到的差分電壓恢復出正弦電壓信號和正弦電流信號，并計算電壓和電流的幅值和相位差，進而計算出功率。
所述步驟1是這樣實現的：
連接被測功率源與電壓互感器、電流互感器，將電壓互感器的高端連接第一采樣單元，低端連接模擬地，在電流互感器的兩個輸出端連接采樣電阻，同時采樣電阻的高端連接第二采樣單元，低端連接模擬地；
設置被測功率源的參數，產生大電壓和大電流，將大電壓經過電壓互感器轉換成小電壓，將大電流經過電流互感器轉換成小電流，小電流再經過采樣電阻轉換成小電壓；
所述被測功率源的參數包括：輸出電壓值、輸出電流值以及功率因數。
所述步驟2是這樣實現的：
連接PC上位機與偏置電壓產生單元，連接偏置電壓產生單元與PJVS；
PC上位機向FPGA控制單元發送指令，使FPGA控制單元產生控制第一采集單元和第二采集單元采集的時序，PC上位機控制偏置電壓產生單元產生偏置電壓，將該偏置電壓輸送到PJVS，驅動PJVS產生相應的交流量子電壓；
將PJVS的高端分別連接到第一采樣單元和第二采樣單元，低端連接到模擬地。
所述步驟3是這樣實現的：
所述偏置電壓產生單元在產生偏置電壓的同時，通過邏輯電路生成與交流量子電壓同頻的脈沖信號作為同步觸發信號。
所述步驟5是這樣實現的：
(51)通過FPGA將步驟4采集的差分電壓送到PC上位機，PC上位機利用所述差分電壓恢復出正弦電壓信號和正弦電流信號，并計算正弦電壓信號和正弦電流信號與交流量子電壓的相位差，計算此時差分信號的有效值；然后將該相位差反饋到偏置電壓產生單元，通過改變交流量子電壓的第一個臺階電壓值大小，調整交流量子電壓信號的相位，使正弦電壓信號和正弦電流信號與交流量子電壓信號的交點靠近交流量子電壓信號臺階的中心位置；
(52)重復步驟(51)得到差分信號的有效值；
(53)對比兩個差分信號的有效值，若后一次的差分信號的有效值小于上一次的差分信號的有效值，則返回步驟(52)，否則將倒數第二次差分信號的有效值對應的相位作為最優相位；
(54)將交流量子電壓信號的相位調整到最優相位，通過FPGA將采集的差分電壓送到PC上位機，此時的差分電壓即為最優差分電壓，利用最優差分電壓恢復出被測正弦電壓、電流的幅值大小和相位角，從而計算出功率。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
通過采樣單元將量子交流電壓發生裝置產生的準確階梯波信號，與通過特殊設計制成的電壓互感器、電流互感器輸出的高準確度低相移交流信號進行直接比較，從而準確地獲得模擬電壓、電流信號產生的電功率值。通過以上方法，既可以得到準確的模擬電功率量值，也可以得到校準數字化電能計量儀表所需的數字量信號，完成模擬量轉換為數字量的工作，提高電壓、電流模擬量轉換為數字量的精度，減小從數字量到模擬基準溯源鏈路的不確定度。該裝置可作為數字量電能計量的溯源基準。
附圖說明
圖1交流功率差分測量系統總體框圖
圖2被測系統及轉換單元
圖3基于量子技術的交流功率總體測試方法框圖
圖4正弦(電壓、電流)信號與交流量子電壓信號的臺階中心相交示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述：
本發明提供了一種基于量子技術的交流功率測試裝置及方法，用于實驗室環境下，對數字化電能表進行功率準確度的精密測量。量子電壓基準直流不確定度達到了10-9量級，交流不確定度達到10-6，甚至更高。因此采用交流量子電壓作為基準電壓進行功率源的檢定可以提高測量精度。本發明的總體思路是被測功率源輸出大電壓(幅值范圍：60V～380V)和大電流(幅值范圍：0.5A～20A)，大電壓通過電壓互感器轉換成采樣系統可測的小電壓(幅值小于2.5V)，大電流通過電流互感器轉換成采樣系統可測的小電壓(幅值小于2.5V)。
本發明的交流功率差分測量系統如圖1所示，包括偏置電壓產生單元、可編程約瑟夫森電壓標準芯片(PJVS)、被測系統及轉換單元、時鐘源、第一采樣單元1、第二采樣單元2、FPGA控制單元、PC上位機。
所述時鐘源連接偏置電壓產生單元、被測系統及轉換單元、FPGA控制單元，并為偏置電壓產生單元、被測系統及轉換單元和FPGA控制單元提供時基頻率，即基礎時鐘信號。
如圖2所示，所述被測系統及轉換單元包括被測功率源和轉換電路，所述轉換電路包括電壓互感器、電流互感器和采樣電阻，所述電壓互感器、電流互感器分別將被測功率源發出的大電壓V和大電流I轉換成小電壓VV和小電流II，小電流II再通過采樣電阻轉換成小電壓VI。VV的高端HV連接第一采樣單元1，VV的低端LV連接模擬地，VI的高端HI連接第二采樣單元2，VI的低端LI連接模擬地。
所述偏置電壓產生單元通過D-SUB接口為PJVS提供偏置電流，驅動PJVS輸出所需波形；PJVS輸出高端HJ同時連接第一采樣單元1和第二采樣單元2，PJVS輸出低端LJ連接模擬地，HJ和LJ之間的電壓為VJ。
所述偏置電壓產生單元為PJVS提供偏置電流，驅動PJVS輸出所需波形；PJVS輸出高端HJ同時連接第一采樣單元1和第二采樣單元2，低端LJ連接模擬地。
所述的FPGA控制單元與第一采樣單元1、第二采樣單元2連接，FPGA控制單元為第一采樣單元1、第二采樣單元2提供控制時序，第一采樣單元1、第二采樣單元2采集的數據送到FPGA控制單元。
所述PC上位機與FPGA控制單元連接，用以向FPGA控制單元發送指令并接收FPGA控制單元里FIFO中的采樣數據，PC上位機還與偏置電壓產生單元連接，控制偏置電壓產生單元產生驅動PJVS工作的偏置電壓。
本發明測試方法如圖3所示，主要包含四個模塊，PJVS交流量子電壓產生模塊、正弦電壓信號產生模塊、信號采集模塊和數據處理模塊。
正弦電壓信號產生模塊產生的電壓信號是由被測功率源經過電壓互感器和電流互感器轉換得到，PJVS交流量子電壓模塊分別產生與電壓和電流同頻率同幅度的交流量子電壓，信號采集模塊采集所述電壓信號與交流量子電壓的差分信號，信號處理部分通過差分信號和交流量子電壓計算出每個臺階上對應的正弦電壓的電壓值，通過FFT分析計算出正弦信號的幅值和相位信息，從而得到對應的電壓和電流信息，進而計算出待測功率源的功率。
利用所述基于量子技術的工頻交流功率差分測量系統實現以交流量子電壓為參考的工頻交流功率精密測量的方法，包括：
(1)設置被測功率源：連接被測功率源與電壓互感器、電流互感器，將電壓互感器的輸出端一端接在第一采樣單元1，另一端連接模擬地，在電流互感器的兩個輸出端連接采樣電阻，同時采樣電阻的高端連接第二采樣單元2，另一端連接模擬地。設置被測系統參數，產生大電壓和大電流，經過轉換電路將大電壓和大電流轉換成采樣單元最大量程內的小電壓和小電流。
(2)交流量子電壓產生部分設置：連接PC上位機與偏置電壓產生單元，連接偏置電壓產生單元與PJVS；設置上位機，控制偏置電壓產生單元產生偏置電壓，將該偏置電壓輸送到PJVS，驅動PJVS產生相應的交流量子電壓。將PJVS的高端連接到第一采樣單元和第二采樣單元，低端連接到模擬地。
(3)設置同步觸發信號，產生偏置電壓的同時，通過邏輯電路生成與交流量子電壓同頻的脈沖信號作為同步觸發信號。
(4)啟動采集，當FPGA控制單元接收到同步觸發信號，啟動第一采樣單元1和第二采樣單元2采集進行數據采集；采樣數據通過FPGA控制單元送到PC上位機軟件，計算正弦信號與交流量子臺階波信號的相位差，將該相位差反饋到偏置電壓產生單元，通過改變交流量子電壓第一個臺階電壓值的大小，調整交流量子電壓信號的相位，使正弦信號與臺階波信號的交點靠近臺階的中心位置。
(5)相位微調，再次采集，計算此時差分信號有效值有效值(計算差分電壓每個采樣點的平方和，除以總的采樣點數，再開平方)，并反饋到偏置電壓產生單元，通過改變交流量子電壓第一個臺階電壓值的大小，調整交流量子電壓信號的相位，繼續采集并計算差分信號的有效值。對比此次的差分信號有效值與上次差分電壓有效值，若小于上次，繼續微調相位，直至調整后的差分電壓有效值大于上次的差分電壓有效值，停止相位調節，并將倒數第二次調整的相位作為最優相位。
這部分的目的是調節正弦(電壓、電流)信號和交流量子電壓信號的相位差，使正弦(電壓、電流)信號與交流量子電壓信號的臺階中心相交(如圖4所示)，只有當正弦(電壓、電流)信號與交流量子電壓信號的臺階中心位置相交時恢復出的正弦信號精度才最高，因此需要找到正弦(電壓、電流)信號與交流量子電壓信號的最優相位，當相位調整到最優相位時，才開始真正的測量。測量過程：首先采集正弦電壓和交流量子電壓的差分信號，通過差分信號恢復出正弦電壓信號，并計算出正弦電壓信號的幅值和相位；再采集正弦電流信號與交流量子電壓的差分信號，通過該差分信號恢復出正弦電流信號，計算出正弦信號的幅值和相位。最后利用正弦電壓信號的幅值相位和正弦電流信號的幅值相位計算出功率。
(6)繼續采集，得到最優差分電壓，通過差分電壓計算出被測正弦電壓、電流的幅值大小和相位角，從而計算出功率。
上述技術方案只是本發明的一種實施方式，對于本領域內的技術人員而言，在本發明公開了應用方法和原理的基礎上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限于本發明上述具體實施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是優選的，而并不具有限制性的意義。
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