本發(fā)明屬于計量領(lǐng)域，具體涉及一種基于量子技術(shù)的交流功率差分測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

在交流功率基準(zhǔn)建立中，目前國內(nèi)采用熱偶的方式實現(xiàn)，首先由直流量子電壓基準(zhǔn)向直流電壓實物標(biāo)準(zhǔn)進行量值傳遞，通過交直流轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)，從而實現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)，容易受到外界環(huán)境的影響，可能隨時間和環(huán)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(zhǔn)建立在自然常數(shù)的基礎(chǔ)上，基準(zhǔn)量值不受時間和外界環(huán)境的影響而保持恒定，具有復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，易于復(fù)制的優(yōu)勢，是交流電能領(lǐng)域未來發(fā)展方向。建立交流工頻量子功率基準(zhǔn)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(xiàn)交流量子電壓量值的準(zhǔn)確傳遞。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，提供一種基于量子技術(shù)的交流功率差分測量系統(tǒng)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(xiàn)以交流量子電壓為參考的交流功率精密測量，從而實現(xiàn)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(wěn)定性和可靠性，縮短了交流功率的溯源路徑。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于量子技術(shù)的交流功率差分測量系統(tǒng)，包括偏置電壓產(chǎn)生單元、PJVS、被測系統(tǒng)及轉(zhuǎn)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(chǎn)生單元、被測系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換單元、FPGA控制單元，為偏置電壓產(chǎn)生單元、被測系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換單元和FPGA控制單元提供時基頻率；

所述偏置電壓產(chǎn)生單元為PJVS提供偏置電流，驅(qū)動PJVS輸出所需波形；所述偏置電壓產(chǎn)生單元為FPGA控制單元提供同步觸發(fā)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(tǒng)及轉(zhuǎn)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(tǒng)及轉(zhuǎn)換單元包括被測功率源和轉(zhuǎn)換電路，所述轉(zhuǎn)換電路將被測功率源輸出的大電壓和大電流分別轉(zhuǎn)換成第一采樣單元和第二采樣單元的最大量程內(nèi)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(tǒng)及轉(zhuǎn)換單元中的所述轉(zhuǎn)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(fā)出的大電壓V和大電流I轉(zhuǎn)換成小電壓V_V和小電流I_I，小電流I_I再通過所述采樣電阻被轉(zhuǎn)換成小電壓V_I；

V_V的高端H_V連接第一采樣單元，V_V的低端L_V連接模擬地，V_I的高端H_I連接第二采樣單元，V_I的低端L_I連接模擬地。

所述PJVS的輸出高端H_J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L_J連接模擬地，H_J和L_J之間的電壓為V_J；

所述偏置電壓產(chǎn)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(chǎn)生單元里設(shè)置有相位調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA控制單元；

所述PC上位機向FPGA控制單元發(fā)送指令并接收FPGA控制單元里FIFO中的采樣數(shù)據(jù)；

所述PC上位機還與偏置電壓產(chǎn)生單元連接，將相位差反饋給偏置電壓產(chǎn)生單元，控制偏置電壓產(chǎn)生單元產(chǎn)生使PJVS正常工作的驅(qū)動電流。

一種利用上述基于量子技術(shù)的交流功率差分測量系統(tǒng)實現(xiàn)的測量方法，包括：

步驟1，將被測功率源產(chǎn)生的大電壓和大電流轉(zhuǎn)換成第一采樣單元和第二采樣單元的最大量程內(nèi)的小電壓和小電流；

步驟2，驅(qū)動PJVS產(chǎn)生與被測功率源產(chǎn)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(shè)置同步觸發(fā)信號；

步驟4，當(dāng)FPGA控制單元接收到同步觸發(fā)信號時，F(xiàn)PGA控制單元產(chǎn)生控制時序，控制第一采樣單元和第二采樣單元分別采集V_J與V_V的差分電壓和V_J與V_I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(fù)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(yōu)相位，在最優(yōu)相位的情況下，用采集到的差分電壓恢復(fù)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(xiàn)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(shè)置被測功率源的參數(shù)，產(chǎn)生大電壓和大電流，將大電壓經(jīng)過電壓互感器轉(zhuǎn)換成小電壓，將大電流經(jīng)過電流互感器轉(zhuǎn)換成小電流，小電流再經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換成小電壓；

所述被測功率源的參數(shù)包括：輸出電壓值、輸出電流值以及功率因數(shù)。

所述步驟2是這樣實現(xiàn)的：

連接PC上位機與偏置電壓產(chǎn)生單元，連接偏置電壓產(chǎn)生單元與PJVS；

PC上位機向FPGA控制單元發(fā)送指令，使FPGA控制單元產(chǎn)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(chǎn)生單元產(chǎn)生偏置電壓，將該偏置電壓輸送到PJVS，驅(qū)動PJVS產(chǎn)生相應(yīng)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(xiàn)的：

所述偏置電壓產(chǎn)生單元在產(chǎn)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(fā)信號。

所述步驟5是這樣實現(xiàn)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(fù)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(chǎn)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(diào)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(fù)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(shù)第二次差分信號的有效值對應(yīng)的相位作為最優(yōu)相位；

(54)將交流量子電壓信號的相位調(diào)整到最優(yōu)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(yōu)差分電壓，利用最優(yōu)差分電壓恢復(fù)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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

通過采樣單元將量子交流電壓發(fā)生裝置產(chǎn)生的準(zhǔn)確階梯波信號，與通過特殊設(shè)計制成的電壓互感器、電流互感器輸出的高準(zhǔn)確度低相移交流信號進行直接比較，從而準(zhǔn)確地獲得模擬電壓、電流信號產(chǎn)生的電功率值。通過以上方法，既可以得到準(zhǔn)確的模擬電功率量值，也可以得到校準(zhǔn)數(shù)字化電能計量儀表所需的數(shù)字量信號，完成模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的工作，提高電壓、電流模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的精度，減小從數(shù)字量到模擬基準(zhǔn)溯源鏈路的不確定度。該裝置可作為數(shù)字量電能計量的溯源基準(zhǔn)。

附圖說明

圖1交流功率差分測量系統(tǒng)總體框圖

圖2被測系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換單元

圖3基于量子技術(shù)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(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述：

本發(fā)明提供了一種基于量子技術(shù)的交流功率測試裝置及方法，用于實驗室環(huán)境下，對數(shù)字化電能表進行功率準(zhǔn)確度的精密測量。量子電壓基準(zhǔn)直流不確定度達(dá)到了10^-9量級，交流不確定度達(dá)到10^-6，甚至更高。因此采用交流量子電壓作為基準(zhǔn)電壓進行功率源的檢定可以提高測量精度。本發(fā)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(zhuǎn)換成采樣系統(tǒng)可測的小電壓(幅值小于2.5V)，大電流通過電流互感器轉(zhuǎn)換成采樣系統(tǒng)可測的小電壓(幅值小于2.5V)。

本發(fā)明的交流功率差分測量系統(tǒng)如圖1所示，包括偏置電壓產(chǎn)生單元、可編程約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)芯片(PJVS)、被測系統(tǒng)及轉(zhuǎn)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(chǎn)生單元、被測系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換單元、FPGA控制單元，并為偏置電壓產(chǎn)生單元、被測系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換單元和FPGA控制單元提供時基頻率，即基礎(chǔ)時鐘信號。

如圖2所示，所述被測系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換單元包括被測功率源和轉(zhuǎn)換電路，所述轉(zhuǎn)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(fā)出的大電壓V和大電流I轉(zhuǎn)換成小電壓V_V和小電流I_I，小電流I_I再通過采樣電阻轉(zhuǎn)換成小電壓V_I。V_V的高端H_V連接第一采樣單元1，V_V的低端L_V連接模擬地，V_I的高端H_I連接第二采樣單元2，V_I的低端L_I連接模擬地。

所述偏置電壓產(chǎn)生單元通過D-SUB接口為PJVS提供偏置電流，驅(qū)動PJVS輸出所需波形；PJVS輸出高端H_J同時連接第一采樣單元1和第二采樣單元2，PJVS輸出低端L_J連接模擬地，H_J和L_J之間的電壓為V_J。

所述偏置電壓產(chǎn)生單元為PJVS提供偏置電流，驅(qū)動PJVS輸出所需波形；PJVS輸出高端H_J同時連接第一采樣單元1和第二采樣單元2，低端L_J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，F(xiàn)PGA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(shù)據(jù)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(fā)送指令并接收FPGA控制單元里FIFO中的采樣數(shù)據(jù)，PC上位機還與偏置電壓產(chǎn)生單元連接，控制偏置電壓產(chǎn)生單元產(chǎn)生驅(qū)動PJVS工作的偏置電壓。

本發(fā)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(chǎn)生模塊、正弦電壓信號產(chǎn)生模塊、信號采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。

正弦電壓信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的電壓信號是由被測功率源經(jīng)過電壓互感器和電流互感器轉(zhuǎn)換得到，PJVS交流量子電壓模塊分別產(chǎn)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(yīng)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(yīng)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(shù)的工頻交流功率差分測量系統(tǒng)實現(xiàn)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(shè)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(shè)置被測系統(tǒng)參數(shù)，產(chǎn)生大電壓和大電流，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將大電壓和大電流轉(zhuǎn)換成采樣單元最大量程內(nèi)的小電壓和小電流。

(2)交流量子電壓產(chǎn)生部分設(shè)置：連接PC上位機與偏置電壓產(chǎn)生單元，連接偏置電壓產(chǎn)生單元與PJVS；設(shè)置上位機，控制偏置電壓產(chǎn)生單元產(chǎn)生偏置電壓，將該偏置電壓輸送到PJVS，驅(qū)動PJVS產(chǎn)生相應(yīng)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(shè)置同步觸發(fā)信號，產(chǎn)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(fā)信號。

(4)啟動采集，當(dāng)FPGA控制單元接收到同步觸發(fā)信號，啟動第一采樣單元1和第二采樣單元2采集進行數(shù)據(jù)采集；采樣數(shù)據(jù)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(chǎn)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(diào)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(diào)，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(shù)，再開平方)，并反饋到偏置電壓產(chǎn)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(diào)整交流量子電壓信號的相位，繼續(xù)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(xù)微調(diào)相位，直至調(diào)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(diào)節(jié)，并將倒數(shù)第二次調(diào)整的相位作為最優(yōu)相位。

這部分的目的是調(diào)節(jié)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(dāng)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(fù)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(yōu)相位，當(dāng)相位調(diào)整到最優(yōu)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(fù)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(fù)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(xù)采集，得到最優(yōu)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(shù)方案只是本發(fā)明的一種實施方式，對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言，在本發(fā)明公開了應(yīng)用方法和原理的基礎(chǔ)上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限于本發(fā)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(yōu)選的，而并不具有限制性的意義。