寬量程標(biāo)準(zhǔn)電能表的設(shè)計(jì)

何建新，李立雄

（1.廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東廣州，510000；2.廣州市格寧電氣有限公司，廣東廣州，510000）

0 引言

在電能計(jì)量檢定工作開(kāi)展的過(guò)程中，經(jīng)常需要進(jìn)行寬范圍電流測(cè)試研究，為了確保測(cè)試數(shù)據(jù)的連續(xù)有效性，因此在測(cè)試過(guò)程中電流不能進(jìn)行電流檔位換擋；而目前國(guó)內(nèi)外主要的標(biāo)準(zhǔn)表為了保證寬量程測(cè)量精度以及性價(jià)比的需要均設(shè)置了多個(gè)檔位；盡管部分廠家宣稱寬量程設(shè)計(jì)單其只是在一次采用單匝或多匝CT采樣，因而一次無(wú)需換擋設(shè)計(jì)，但二次還是進(jìn)行了3檔、4檔甚至更多檔位設(shè)計(jì)，在測(cè)試過(guò)程無(wú)可避免的面對(duì)檔位切換帶來(lái)的數(shù)據(jù)損失，特別是動(dòng)態(tài)變化大的電流信號(hào)采集無(wú)法精準(zhǔn)測(cè)量，其原理框圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)電能表原理框圖

由于電子電路的科技發(fā)展，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電能表電流換檔及信號(hào)采集、處理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)處理，真正的寬量程標(biāo)準(zhǔn)電能表是可以實(shí)現(xiàn)的，采用最新的電子器件，從采樣CT、AD、FPGA、DSP、ARM、工控機(jī)進(jìn)行優(yōu)化組合設(shè)計(jì)，理論上就可以實(shí)現(xiàn)。其原理框圖如圖2所示。

圖2 寬量程標(biāo)準(zhǔn)電能表原理框圖

1 電流采樣電路

電流采樣是標(biāo)準(zhǔn)表研制的關(guān)鍵一環(huán)，它直接影響整機(jī)的性能，是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。為了確保電壓輸入通道的電隔離性，同時(shí)確保幅值及相位的準(zhǔn)確性；因此電流通道采用雙極鐵芯電流互感器采樣電流信號(hào)；通過(guò)有源阻抗的矢量電壓合成來(lái)消除互感器測(cè)量誤差的方法，帶補(bǔ)償繞組的雙級(jí)互感器的電流測(cè)量原理如圖3所示。

圖3 有源阻抗的矢量電壓合成原理圖

W3為檢測(cè)繞組，將激磁電流檢出，送入補(bǔ)償電路，通過(guò)補(bǔ)償繞組W2產(chǎn)生補(bǔ)償電流，使激磁磁通為0，而主回路電流I4可以準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)，即I2從理論上得到公式（1）：

采用檢測(cè)繞組的電流獨(dú)立電路檢測(cè)，使得檢測(cè)繞組的二次負(fù)載用電子電路容易設(shè)計(jì)為零。當(dāng)檢測(cè)繞組的二次負(fù)載為零時(shí)，互感器的合成誤差E在大量程范圍內(nèi)仍然有非常好的線性，使檢測(cè)繞組鐵芯仍處于可測(cè)量的線性范圍內(nèi)。

電流采集范圍從0.001A～100A，達(dá)到10萬(wàn)倍的變化量，為確保0.001A能達(dá)到1%的精度，因此需要采集到1uA的信號(hào)，也就是采集信號(hào)達(dá)到千萬(wàn)位數(shù)量級(jí)，因此選用24位ADC芯片LTC2380-24,2M采樣速率，ADC SNR為145dBFS，錯(cuò)碼率LSB達(dá)到8.4，逐次逼近型SAR采樣方式，差分采樣輸入接口。

采樣電路在微信號(hào)時(shí)達(dá)到微安級(jí)電流，因此運(yùn)算放大器選用需要考慮電流或電壓的差值較小并且需要予以精確測(cè)量低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器。使用這些運(yùn)算放大器時(shí)，放大器的輸入不會(huì)淹沒(méi)信號(hào)。低輸入偏置電流運(yùn)算放大器在電路設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵作用。例如ADA4625運(yùn)算放大器，輸入偏置電流可低至25pA，滿足設(shè)計(jì)需要。

2 電壓采樣電路

為了確保電壓輸入通道的電隔離性，避免電壓取樣長(zhǎng)時(shí)間高壓高溫引起電阻裱花從而影響電壓測(cè)量采集，同時(shí)確保幅值及相位的準(zhǔn)確性；因此電壓通道采用國(guó)內(nèi)某企業(yè)的專利技術(shù)設(shè)計(jì)的雙極鐵芯電壓互感器采樣電壓信號(hào)，達(dá)到從30V～480V連續(xù)信號(hào)幅值采樣精度由于十萬(wàn)分之二，相位采集精度優(yōu)于0.001度。電壓互感器變比設(shè)計(jì)為480V:3V；AD采集芯片采用24位ADC芯片LTC2380-24，由于AD片內(nèi)基準(zhǔn)的穩(wěn)定性較差，因此需要采用高精度外置電壓基準(zhǔn)LTC1000，保證電壓基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度也就保證了A/D采樣電路的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

3 信號(hào)處理

信號(hào)處理電路由FPGA+DSP為核心元件組成；FPGA選用ALTERA公司的Stratix系列高性能、大容量芯片，F(xiàn)PGA是作為連接AD芯片和DSP芯片的橋梁不二之選，采用FPGA作為AD信號(hào)讀取有著其他芯片無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，由于FPGA具有同步多AD并發(fā)讀取功能，因此相關(guān)聯(lián)信號(hào)采集相位準(zhǔn)確度得到很好的保障。原理框圖如圖4所示。

圖4 FPGA+DSP構(gòu)造框圖

DSP負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算以及采集數(shù)據(jù)輸出，選用TI公司TMS320C66X系列DSP，該系列是浮點(diǎn)DSP，浮點(diǎn)計(jì)算的速度高，閃光之處是可以通過(guò)循環(huán)提高運(yùn)行速度，主頻1.0GHz,單核能夠達(dá)到40GMACS和20GFLOPS；包含2個(gè)Viterbi處理器和1個(gè)Turbo協(xié)處理器，8192個(gè)多用硬件隊(duì)列，支持DMA傳輸；完全滿足前端信號(hào)采集的運(yùn)算量支持。

4 控制電路

控制電路采用獨(dú)特的ARM架構(gòu)芯片+工控機(jī)組合控制方式，基于ARM核的各種處理器具有高性能、低功耗、低價(jià)格，而且具有豐富的可選擇芯片，目前市面上型號(hào)有好幾百種，而且具有廣泛的第三方支持。ARM處理器最獨(dú)特之處是具有支持DMA傳輸功能，因此設(shè)計(jì)采用DMA傳輸方式讀取DSP信號(hào)處理數(shù)據(jù)，配合豐富的外設(shè)接口支持如以太網(wǎng)、觸摸屏等實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，此方式能夠在不影響DSP計(jì)算處理的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，真正實(shí)現(xiàn)“一芯二用”。

5 信號(hào)處理算法

標(biāo)準(zhǔn)電能測(cè)量的信號(hào)主要是低頻成分，它往往蘊(yùn)含著信號(hào)的主要特征，而高頻成分占比相對(duì)較小，但它的信息是否能準(zhǔn)確的抽取，則決定著信號(hào)處理的的細(xì)節(jié)。因此主要本設(shè)計(jì)采用快速傅里葉變換和離散小波變換兩種計(jì)算相結(jié)合方式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算處理。

5.1 快速傅里葉變換（FFT）

FFT是用分裂法（Divide & Conquer）的思想，用來(lái)優(yōu)化DFT 計(jì)算矩陣相乘的時(shí)間復(fù)雜度過(guò)高這一問(wèn)題的算法。FFT的過(guò)程大大簡(jiǎn)化了在DSP中進(jìn)行DFT的過(guò)程，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果原來(lái)計(jì)算DFT的復(fù)雜度是N*N次運(yùn)算（N代表輸入采樣點(diǎn)的數(shù)量），進(jìn)行FFT的運(yùn)算復(fù)雜度是N*lg10(N)，因此，計(jì)算一個(gè)1,000采樣點(diǎn)的DFT，使用FFT算法只需要計(jì)算3,000次，而常規(guī)的DFT算法需要計(jì)算1,000,000次。我們要討論的FFT也只不過(guò)是DFT的一種快速的算法。DFT的運(yùn)算過(guò)程如公式（2）：

可見(jiàn)，在DSP里進(jìn)行的DFT，使用的輸入值是經(jīng)過(guò)ADC后采集到的采樣值，也就是時(shí)域的信號(hào)值，輸入采樣點(diǎn)的數(shù)量決定了轉(zhuǎn)換的計(jì)算規(guī)模。變換后的頻譜輸出包含同樣數(shù)量的采樣點(diǎn)，但是其中有一半的值是冗余的，通常不會(huì)顯示在頻譜中，所以真正有用的信息是N/2+1個(gè)點(diǎn)。采用FFT算法能夠使用運(yùn)算效率提高200倍，如圖5所示FFT算法和直接計(jì)算DFT所需復(fù)數(shù)乘法次數(shù)CM與變換點(diǎn)數(shù)N的關(guān)系曲線。由此圖更加直觀地看出FFT算法的優(yōu)越性，顯然，當(dāng)N越大時(shí)優(yōu)越性就越明顯。

圖5 FFT算法和直接計(jì)算DFT所需復(fù)數(shù)乘法次數(shù)比較曲線

5.2 離散小波變換（DWT）

離散小波變換在數(shù)值分析和時(shí)頻分析中很有用，一維小波變換，二維小波變換小波分解:意義就在于能夠在不同尺度上對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，使人們?cè)谌我獬叨扔^察信號(hào)，將信號(hào)分解為近似分量和細(xì)節(jié)分量。

雖然快傅里葉變換可以反映出信號(hào)的整體特征，但細(xì)節(jié)諧波分量的表現(xiàn)形式往往不夠直觀，并且噪聲會(huì)使得信號(hào)頻譜復(fù)雜化。在信號(hào)處理領(lǐng)域一直都是使用一族帶通濾波器將信號(hào)分解為不同頻率分量，即將信號(hào)f(x)送到帶通濾波器族Hi(x)中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解、剔除、重構(gòu)處里來(lái)完成信號(hào)的降噪，降噪流程圖如圖6所示。

圖6 信號(hào)降噪算法流程圖

小波分析應(yīng)用在本設(shè)計(jì)的小信號(hào)處理降噪中及電能諧波信號(hào)處理中，需要將連續(xù)的小波及其小波變換離散化。一般計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)中使用二進(jìn)制離散處理，將經(jīng)過(guò)這種離散化的小波及其相應(yīng)的小波變換成為離散小波變換（簡(jiǎn)稱DWT）。實(shí)際上，離散小波變換是對(duì)連續(xù)小波變換的尺度、位移按照2的冪次進(jìn)行離散化得到的，所以也稱之為二進(jìn)制小波變換。

小波分解的意義就在于能夠在不同尺度上對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，而且對(duì)不同尺度的選擇可以根據(jù)不同的目標(biāo)來(lái)確定。通過(guò)不斷的分解過(guò)程，將近似信號(hào)連續(xù)分解，就可以將信號(hào)分解成許多低分辨率成分。理論上分解可以無(wú)限制的進(jìn)行下去，但事實(shí)上，分解可以進(jìn)行到細(xì)節(jié)（高頻）只包含單個(gè)樣本為止。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，一般依據(jù)信號(hào)的特征或者合適的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇適當(dāng)?shù)姆纸鈱訑?shù)。離散小波變換就是對(duì)尺度a和偏移b進(jìn)行離散化，而不是通常意義上的時(shí)間離散化。因?yàn)殡x散的間隔小，數(shù)據(jù)量和計(jì)算量就相當(dāng)大，因此需要研究降低計(jì)算量和加快運(yùn)算速度的算法。通常把尺度a和偏移b取做冪級(jí)數(shù)的形式表示。

6 結(jié)束語(yǔ)

在JJF1245型評(píng)大綱的最新要求下，寬量程、高精度的標(biāo)準(zhǔn)電能表將會(huì)是今后電能計(jì)量檢測(cè)研究的主要方向及潮流。本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)將為數(shù)據(jù)測(cè)試準(zhǔn)確度提供有效準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，是一種值得全面推廣應(yīng)用的設(shè)計(jì)理念。