关于高精度电能表现场校验仪设计探析

刘芬

摘 要：由于智能电网的普及，传统的电能表现场校验仪已不能满足当前电力供应的需求，而三相电能表现场校验仪由于其高精度、多功能、低成本的特点，已成为目前被业界普遍看好的适用于新的电力供应环境的电能表现场校验仪。从三相电能表现场校验仪的设计原理入手，对其硬件结构和电路设计进行了阐述，并对其测量算法进行了分析，深入探讨了其在电能表现场校验方面的优势。

关键词：现场校验仪；高精度；电能表；A/D转换器

中图分类号：TM933.4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.046

1 系统工作原理和硬件结构分析

1.1 电参量测量

三相电能表现场校验仪在进行电参量测量时，经过精密电阻分压、电流互感器的变换和高性能程控增益量程切换后，三相电压和三相电流即被转换成满足ADC输入要求的交流信号；然后以精确的电序在倍频锁相电路、高带DSP和FPGA的控制下再转换为数字信号输送到DSP芯片中进行数字化交流信号的分析、运算，经过处理最终得到电参量的测量值，并进行输出显示打印。

1.2 电能表校验

将被测电能表的低频脉冲通过校验仪的电能脉冲输入接口接收，然后通过对电表常数和转数的设定，利用电能表的输出电能脉冲时间间隔换算出电能表的电能量，并与校验仪检测出的电能量进行对比，从而得出电能表实际的误差百分比。

1.3 电能脉冲输出

三相电能表现场校验仪可以利用其DSP芯片的高速优势，结合软件方法快速提升电能表的瞬时功率，使电能值得到不断累加并输出一个高频脉冲，而通过对高频脉冲的分频可得到低频脉冲，输出标准高低频电能脉冲为fH=100 kHz 或10 kHz，fL=1 Hz。这种方法只需少量占用DSP的定时器资源即可完成标准高低脉冲的产生。

1.4 其他功能

三相电能表现场校验仪的功能不仅仅是对电能表进行单纯的校验工作，还可显示三相电压和电流的向量图，也可反映电能电中出现的接线错误等，同时还具有存储和查询数据的功能，并将这些数据向控制终端输送。

2 核心部件工作原理与电路设计

2.1 倍频锁相电路

倍频锁相电路的设计原理是根据采样速率与测量频率之间的整倍数关系，采用DFT频谱分析以达到完全消除误差的理论进行相关电路的设计，由此产生基于测量信号整倍数的方波来实现对A/D转换器的控制，获得对同步整周期和跟踪滤波的采样数据。

三相电能表现场校验仪采用了74HC4046A作为中倍频锁相电路的主芯片。由于相关电路具有实时跟踪性，即使是被测信号的频率发生了变化，倍频锁相电路依然可以在短时间内迅速锁定被测信号，并使其始终满足采样速率与测量频率之间的整倍数关系，从而实现一周内对多个点进行同步间隔采样。

2.2 AD73360及其与DSP的接口

2.2.1 A/D转换器的选择

在对电参量的运算公式中，对于电压和电流提出了同一时刻的对应值要求，因此需要同时进行电压和电流的采样工作，而实现对这两个量值的同时采样的方法主要有2种：①用一片单通道高速A/D转换器与多片采样保持器、多路模拟开关进行电路组合对6路信号采样，然后利用模拟开关将信号送到A/D转换器转换。这种方法对成本要求不高，但对电路布置和编程的要求很高。②采用多通道高速A/D转换器进行信号采集。目前，一种由AD公司推出的具有编程16位Σ-ΔA/D转换器AD73360虽然存在速度较低的问题，但是由于其采样率达到了64 K且抗干扰能力强、量化噪声小、分辨率高和线性度好等优点，足以满足高精度仪表的采样要求，因此选定AD73360为三相电能表现场校验仪的A/D转换器。

2.2.2 TMS320LF2407与AD73360接口电路设计

TMS320LF2407与AD73360都拥有16位的同步串行口。这一点满足了校验仪的设计要求，但是TMS320LF2407的4总线结构不符合AD73360的6总线结构的通信标准。为满足设计要求，必须进行对TMS320LF2407接口的总线扩展工作，以使其能与AD73360实现结构串行口的相连，从而满足对数据的同步传输工作。

根据不同总线结构同步串行口的工作原理和时序分析，将TMS320LF2407的SPISTE接地，IOPE5与AD73360的RESET和CE相连接，控制AD73360的复位和串行口；AD73360的2个帧同步信号接成帧同步返回环方式，即输出帧同步SDOFS作为输入帧同步SDIFS，同时连接DSP的XINT1输入端，作为DSP的收/发数据的帧同步信号，再通过软件设计使DSP与AD73360实现有效的数据通信。

2.3 MCU与FPGA

MCU采用的是美国ATEML公司的产品ATmega16L，其特点是低功耗、低价格，由于其利用了RISC精简指令集，在运行速度上明显高于其他普通单片机，可以实现对液晶显示器、打印机、键盘、串行E2PROM和挡位切换等的控制，且在抗干扰能力方面表现优秀。

FPGA则采用了xc2s30tq144-6。该设备是XILINX公司生产的SPARTAN2系列中一种，可以配合DSP完成对A/D转换器的控制，完成电能表频率、相位的测量。

3 软件测量算法

高精度电能表现场校验仪的功能一方面体现在对电能表相关电能数据的准确测量上，另一方面也体现在对相关数据的处理、运算上。以下对校验仪主要测量项目的运算方法进行说明。

3.1 U，I测量

确定电压、电流的周期性均方根值，其定义公式为：

如果将一个周期内连续变化的电压值用一个周期内有限的电压采样数据量来代替，那么公式则变为：

式（2）中：ΔTn为连续2次采样的间隔时间；un为第n次采样时测得的电压瞬时值；N为周期内的采样点数。

由于锁相电路进行的是周期定点采样，因此可以确定采样的间隔时间始终相等，由此得出根据周期内采样点数计算电压有效值的公式为：

3.2 有功功率测量

基于一相有功功率离散化测量公式：

得出三相有功功率测量公式为：

式（6）中：un，in分别为同一时刻测量采样到的电压和电流值。

3.3 无功功率测量

无功功率的测量是将电流进行数字式的移相90°，再与电压乘积的周期性积分获得，其公式为：

3.4 功率因数测量

相关公式为：

3.5 累计电能

累计电能分为有功电能和无功电能2类，可通过对有功功率和无功功率的连续累计获得。

3.6 谐波分析

将采样数据的离散序列进行基2.128点的DFT变换，可获得各次谐波的有效值。在进行相关分析时，测量公式中都使用了多种数字滤波手段，以保证测量的精度。

4 结束语

针对供电部门为实现更高效的供电能力提升而提出的对电能表的高精度校验要求，本文根据数字电能表的工作原理和方式，并结合了当前供电系统对电能表现场校验仪的功能标准，提出了符合目前对各类型电能表进行现场校验的高精度校验仪的设计方案。由该方案设计制造出的三相电能表现场校验仪经过实际运用，其精准度可达到0.05级，并且在抗干扰性、便携性和适应复杂的测量环境方面表现出了优于其他同类设备的优势，完全能够满足日常工作中对电能表的现场校验要求，是有推广价值的新型数字化高精度电能表现场校验仪设计方案。

参考文献

[1]杨华云，艾兵，江波，等.数字电能表现场校验仪的研制[J].电测与仪表，2013（06）：53-57.

[2]徐祎卉.数字化电能表现场校验技术研究现狀分析[J].通信电源技术，2016（02）：163-166.

〔编辑：刘晓芳〕