一种基于量子技术的交流功率差分测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于量子技术的交流功率差分测量系统及方法，属于计量领域。该系统包括偏置电压产生单元、PJVS、被测系统及转换单元、时钟源、第一采样单元、第二采样单元、FPGA控制单元和PC上位机；所述时钟源分别连接偏置电压产生单元、被测系统及转换单元、FPGA控制单元，为偏置电压产生单元、被测系统及转换单元和FPGA控制单元提供时基频率；所述偏置电压产生单元为PJVS提供偏置电流，驱动PJVS输出所需波形；所述偏置电压产生单元为FPGA控制单元提供同步触发信号；所述PJVS分别与第一采样单元和第二采样单元连接；所述被测系统及转换单元分别与第一采样单元和第二采样单元连接；所述的FPGA控制单元分别与第一采样单元、第二采样单元以及PC上位机连接。

Differential measurement system and method for AC power based on quantum technology

The invention provides an AC power differential measurement system based on quantum technology and a method thereof, belonging to the metering field. The system includes a bias voltage generating unit, PJVS, system test and conversion unit, clock source, first sampling unit, second sampling unit, FPGA control unit and PC PC; the clock source is respectively connected with a bias voltage generating unit, the measured system and conversion unit, FPGA control unit, generating unit, measured system and conversion unit and FPGA control unit provides time base frequency bias voltage; the bias voltage generating unit provides a bias current of PJVS, the drive for the PJVS output waveform; the bias voltage generating unit for synchronous trigger signal to the FPGA control unit; the PJVS respectively with the first sampling unit and second sampling units are connected; the measured system and conversion unit are respectively connected with the first sampling unit and second sampling unit is connected with the FPGA; the control unit is respectively connected with the first sampling unit, second The sampling unit and the PC host computer are connected.

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子技术的交流功率差分测量系统及方法
本专利技术属于计量领域，具体涉及一种基于量子技术的交流功率差分测量系统及方法。
技术介绍
在交流功率基准建立中，目前国内采用热偶的方式实现，首先由直流量子电压基准向直流电压实物标准进行量值传递，通过交直流转换器件将交流功率与直流功率直接比较后，溯源到直流电压实物标准，从而实现交流功率到直流量子电压的溯源。由于溯源路径较长，热电变换器作为实物标准，容易受到外界环境的影响，可能随时间和环境的变化而改变，因此给溯源过程带来大量不确定因素。工频量子功率基准建立在自然常数的基础上，基准量值不受时间和外界环境的影响而保持恒定，具有复现准确度高，稳定性好，易于复制的优势，是交流电能领域未来发展方向。建立交流工频量子功率基准的重要前提是通过正弦交流信号与交流量子电压量值的比较，实现交流量子电压量值的准确传递。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于量子技术的交流功率差分测量系统及方法，为交流功率的溯源提供一条新路径，通过交流电压采样，实现以交流量子电压为参考的交流功率精密测量，从而实现交流量子电压向被测交流功率的直接量值传递，提高了量值传递的稳定性和可靠性，缩短了交流功率的溯源路径。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于量子技术的交流功率差分测量系统，包括偏置电压产生单元、PJVS、被测系统及转换单元、时钟源、第一采样单元、第二采样单元、FPGA控制单元和PC上位机；所述时钟源分别连接偏置电压产生单元、被测系统及转换单元、FPGA控制单元，为偏置电压产生单元、被测系统及转换单元和FPGA控制单元提供时基频率；所述偏置电压产生单元为PJVS提供偏置电流，驱动PJVS输出所需波形；所述偏置电压产生单元为FPGA控制单元提供同步触发信号；所述PJVS分别与第一采样单元和第二采样单元连接；所述被测系统及转换单元分别与第一采样单元和第二采样单元连接；所述的FPGA控制单元分别与第一采样单元、第二采样单元以及PC上位机连接。所述被测系统及转换单元包括被测功率源和转换电路，所述转换电路将被测功率源输出的大电压和大电流分别转换成第一采样单元和第二采样单元的最大量程内的的小电压；所述大电压的幅值范围为60V～380V，所述大电流的幅值范围为0.5A～20A，所述小电压的幅值小于2.5V。所述被测系统及转换单元中的所述转换电路包括电压互感器、电流互感器和采样电阻，所述电压互感器、电流互感器分别与被测功率源连接，将被测功率源发出的大电压V和大电流I转换成小电压VV和小电流II，小电流II再通过所述采样电阻被转换成小电压VI；VV的高端HV连接第一采样单元，VV的低端LV连接模拟地，VI的高端HI连接第二采样单元，VI的低端LI连接模拟地。所述PJVS的输出高端HJ同时连接第一采样单元和第二采样单元，所述PJVS的输出低端LJ连接模拟地，HJ和LJ之间的电压为VJ；所述偏置电压产生单元通过D-SUB接口为PJVS提供偏置电流；在所述偏置电压产生单元里设置有相位调节电路。所述FPGA控制单元为第一采样单元、第二采样单元提供控制时序，第一采样单元、第二采样单元采集的数据传输到FPGA控制单元；所述PC上位机向FPGA控制单元发送指令并接收FPGA控制单元里FIFO中的采样数据；所述PC上位机还与偏置电压产生单元连接，将相位差反馈给偏置电压产生单元，控制偏置电压产生单元产生使PJVS正常工作的驱动电流。一种利用上述基于量子技术的交流功率差分测量系统实现的测量方法，包括：步骤1，将被测功率源产生的大电压和大电流转换成第一采样单元和第二采样单元的最大量程内的小电压和小电流；步骤2，驱动PJVS产生与被测功率源产生的大电压和大电流同频率同幅度的交流量子电压；步骤3，设置同步触发信号；步骤4，当FPGA控制单元接收到同步触发信号时，FPGA控制单元产生控制时序，控制第一采样单元和第二采样单元分别采集VJ与VV的差分电压和VJ与VI的差分电压；步骤5，通过FPGA将步骤4采集的差分电压送到PC上位机，PC上位机利用所述差分电压恢复出正弦电压信号和正弦电流信号，并找到正弦电压信号和正弦电流信号和交流量子电压之间的最优相位，在最优相位的情况下，用采集到的差分电压恢复出正弦电压信号和正弦电流信号，并计算电压和电流的幅值和相位差，进而计算出功率。所述步骤1是这样实现的：连接被测功率源与电压互感器、电流互感器，将电压互感器的高端连接第一采样单元，低端连接模拟地，在电流互感器的两个输出端连接采样电阻，同时采样电阻的高端连接第二采样单元，低端连接模拟地；设置被测功率源的参数，产生大电压和大电流，将大电压经过电压互感器转换成小电压，将大电流经过电流互感器转换成小电流，小电流再经过采样电阻转换成小电压；所述被测功率源的参数包括：输出电压值、输出电流值以及功率因数。所述步骤2是这样实现的：连接PC上位机与偏置电压产生单元，连接偏置电压产生单元与PJVS；PC上位机向FPGA控制单元发送指令，使FPGA控制单元产生控制第一采集单元和第二采集单元采集的时序，PC上位机控制偏置电压产生单元产生偏置电压，将该偏置电压输送到PJVS，驱动PJVS产生相应的交流量子电压；将PJVS的高端分别连接到第一采样单元和第二采样单元，低端连接到模拟地。所述步骤3是这样实现的：所述偏置电压产生单元在产生偏置电压的同时，通过逻辑电路生成与交流量子电压同频的脉冲信号作为同步触发信号。所述步骤5是这样实现的：(51)通过FPGA将步骤4采集的差分电压送到PC上位机，PC上位机利用所述差分电压恢复出正弦电压信号和正弦电流信号，并计算正弦电压信号和正弦电流信号与交流量子电压的相位差，计算此时差分信号的有效值；然后将该相位差反馈到偏置电压产生单元，通过改变交流量子电压的第一个台阶电压值大小，调整交流量子电压信号的相位，使正弦电压信号和正弦电流信号与交流量子电压信号的交点靠近交流量子电压信号台阶的中心位置；(52)重复步骤(51)得到差分信号的有效值；(53)对比两个差分信号的有效值，若后一次的差分信号的有效值小于上一次的差分信号的有效值，则返回步骤(52)，否则将倒数第二次差分信号的有效值对应的相位作为最优相位；(54)将交流量子电压信号的相位调整到最优相位，通过FPGA将采集的差分电压送到PC上位机，此时的差分电压即为最优差分电压，利用最优差分电压恢复出被测正弦电压、电流的幅值大小和相位角，从而计算出功率。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：通过采样单元将量子交流电压发生装置产生的准确阶梯波信号，与通过特殊设计制成的电压互感器、电流互感器输出的高准确度低相移交流信号进行直接比较，从而准确地获得模拟电压、电流信号产生的电功率值。通过以上方法，既可以得到准确的模拟电功率量值，也可以得到校准数字化电能计量仪表所需的数字量信号，完成模拟量转换为数字量的工作，提高电压、电流模拟量转换为数字量的精度，减小从数字量到模拟基准溯源链路的不确定度。该装置可作为数字量电能计量的溯源基准。附图说明图1交流功率差分测量系统总体框图图2被测系统及转换单元图3基于量子技术的交流功率总体测试方法框图图4正弦(电压、电流)信号与交流量子电压信号的台阶中心本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于量子技术的交流功率差分测量系统，其特征在于：所述基于量子技术的交流功率差分测量系统包括偏置电压产生单元、PJVS、被测系统及转换单元、时钟源、第一采样单元、第二采样单元、FPGA控制单元和PC上位机；所述时钟源分别连接偏置电压产生单元、被测系统及转换单元、FPGA控制单元，为偏置电压产生单元、被测系统及转换单元和FPGA控制单元提供时基频率；所述偏置电压产生单元为PJVS提供偏置电流，驱动PJVS输出所需波形；所述偏置电压产生单元为FPGA控制单元提供同步触发信号；所述PJVS分别与第一采样单元和第二采样单元连接；所述被测系统及转换单元分别与第一采样单元和第二采样单元连接；所述的FPGA控制单元分别与第一采样单元、第二采样单元以及PC上位机连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于量子技术的交流功率差分测量系统，其特征在于：所述基于量子技术的交流功率差分测量系统包括偏置电压产生单元、PJVS、被测系统及转换单元、时钟源、第一采样单元、第二采样单元、FPGA控制单元和PC上位机；所述时钟源分别连接偏置电压产生单元、被测系统及转换单元、FPGA控制单元，为偏置电压产生单元、被测系统及转换单元和FPGA控制单元提供时基频率；所述偏置电压产生单元为PJVS提供偏置电流，驱动PJVS输出所需波形；所述偏置电压产生单元为FPGA控制单元提供同步触发信号；所述PJVS分别与第一采样单元和第二采样单元连接；所述被测系统及转换单元分别与第一采样单元和第二采样单元连接；所述的FPGA控制单元分别与第一采样单元、第二采样单元以及PC上位机连接。2.根据权利要求1所述的基于量子技术的交流功率差分测量系统，其特征在于：所述被测系统及转换单元包括被测功率源和转换电路，所述转换电路将被测功率源输出的大电压和大电流分别转换成第一采样单元和第二采样单元的最大量程内的的小电压；所述大电压的幅值范围为60V～380V，所述大电流的幅值范围为0.5A～20A，所述小电压的幅值小于2.5V。3.根据权利要求2所述的基于量子技术的交流功率差分测量系统，其特征在于：所述被测系统及转换单元中的所述转换电路包括电压互感器、电流互感器和采样电阻，所述电压互感器、电流互感器分别与被测功率源连接，将被测功率源发出的大电压V和大电流I转换成小电压VV和小电流II，小电流II再通过所述采样电阻被转换成小电压VI；VV的高端HV连接第一采样单元，VV的低端LV连接模拟地，VI的高端HI连接第二采样单元，VI的低端LI连接模拟地。4.根据权利要求3所述的基于量子技术的交流功率差分测量系统，其特征在于：所述PJVS的输出高端HJ同时连接第一采样单元和第二采样单元，所述PJVS的输出低端LJ连接模拟地，HJ和LJ之间的电压为VJ；所述偏置电压产生单元通过D-SUB接口为PJVS提供偏置电流；在所述偏置电压产生单元里设置有相位调节电路。5.根据权利要求4所述的基于量子技术的交流功率差分测量系统，其特征在于：所述FPGA控制单元为第一采样单元、第二采样单元提供控制时序，第一采样单元、第二采样单元采集的数据传输到FPGA控制单元；所述PC上位机向FPGA控制单元发送指令并接收FPGA控制单元里FIFO中的采样数据；所述PC上位机还与偏置电压产生单元连接，将相位差反馈给偏置电压产生单元，控制偏置电压产生单元产生使PJVS正常工作的驱动电流。6.一种利用权利要求1-5任一所述的基于量子技术的交流功率差分测量系统实现的测量方法，其特征在于：所述方法包括：步骤1，将被测功率源产生的大电压和大电流转换成第一采样单元和第二采样单元的最大量程内的小电压和小电流；步骤2，驱动PJVS产生与被测功率源产生的大电压和大电流同频率同幅度...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾正森，王磊，刘志尧，王曾敏，黄洪涛，刘丽娟，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11