基于頻率非同步采樣方式下的交流電能表測試裝置研制

陳克緒，唐新宇，夏 鵬，朱 玉

（南昌科晨電力試驗(yàn)研究有限公司， 江西 南昌 330096）

0 引言

現(xiàn)用交流電能表普遍采用采樣計(jì)算的工作方式，通過精密電阻分壓變換、精密電流互感器變換和程控增益量程切換，將三相電壓和三相電流分別轉(zhuǎn)換成適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入電平要求的交流信號；通過硬件鎖相環(huán)電路追蹤信號頻率變化，控制三相電壓和三相電流六個(gè)通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器同時(shí)采樣；采樣數(shù)據(jù)通過DSP或MCU計(jì)算得到各電參數(shù)值，產(chǎn)生并輸出電能脈沖[1-3]。

采用采樣計(jì)算原理的電能表應(yīng)滿足采樣定理，采樣速率必須是測量頻率的整數(shù)倍，采樣點(diǎn)包含整個(gè)周期。非同步采樣會(huì)引起頻譜泄露，進(jìn)而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性[4-6]。硬件設(shè)計(jì)上宜采用低通濾波器、過零比較器和倍頻鎖相電路組成同步采樣信號發(fā)生器電路，用于產(chǎn)生整數(shù)倍于測量信號頻率的方波信號作為采樣信號，控制A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)同步采樣[7-8]。亦可采用軟件同步措施，由DSP或MCU根據(jù)A/D采樣結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，找出測量信號真實(shí)過零點(diǎn)，確定當(dāng)前電網(wǎng)頻率，并據(jù)此得到采樣頻率，用以控制ADC進(jìn)行下一周波的采樣。

為考核交流電能表在頻率波動(dòng)時(shí)的采樣同步性，需研制相應(yīng)的試驗(yàn)裝置。裝置應(yīng)滿足以下要求：輸出的測試信號其頻率波動(dòng)方式、范圍和變化速率均應(yīng)可控；試驗(yàn)裝置內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)表在測試信號下可實(shí)現(xiàn)完全同步采樣，其受動(dòng)態(tài)頻率波動(dòng)的影響可忽略不計(jì)。

現(xiàn)有的電能表檢驗(yàn)裝置可按照GB/T 17215.312、EN50470及OIML R46等的規(guī)定，完成頻率影響試驗(yàn)[9-11]。其輸出的電壓和電流信號的頻率要么是測試前設(shè)置的某個(gè)固定值，要么是隨裝置電源的市電頻率變化而變化，且頻率波動(dòng)是隨機(jī)和不可控的。此外檢驗(yàn)裝置內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)表均按照同步采樣模式設(shè)計(jì)，不管采用的是軟件同步方式還是硬件同步方式，跟隨頻率變化時(shí)都存在一定的時(shí)間延遲，無法實(shí)現(xiàn)完全同步采樣。

為此，文中構(gòu)建了頻率波動(dòng)測試信號，研制了試驗(yàn)裝置，并通過測試驗(yàn)證了試驗(yàn)裝置在頻率波動(dòng)下的各項(xiàng)指標(biāo)，解決了當(dāng)前無法定量評價(jià)電能表在頻率波動(dòng)下的計(jì)量性能的問題。

1 測試信號的構(gòu)建及實(shí)現(xiàn)

設(shè)測試信號的周期為Tf，則在Tf時(shí)間段內(nèi)的波形由n（n為不小于2的正整數(shù)）個(gè)完整且連續(xù)的工頻周波組成。頻率波動(dòng)范圍如公式（1）所示：

式中：fmin為頻率波動(dòng)的下限值；fmax為頻率波動(dòng)的上限值。

觀光農(nóng)業(yè)以農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)，以旅游為手段，以城市為市場，以參與為特點(diǎn)，以文化為內(nèi)涵，它的形式和類型很多，其中規(guī)模較大的主要有5種：觀光農(nóng)園、農(nóng)業(yè)公園、教育農(nóng)園、森林公園和民俗觀光村。

設(shè)第j個(gè)工頻周波的周期為Tj，1≤j≤n且j為整數(shù)，則：

如無特殊需求，工頻周波取正弦波。按等時(shí)間間隔Tj/k在工頻周波的波形函數(shù)上取k個(gè)瞬時(shí)值，得到k個(gè)離散化波形數(shù)據(jù)。k值越小，對硬件要求越低，但輸出信號的波形失真度越大，為滿足測試需求，一般不小于32；k取值越大，輸出信號的波形失真度越小，但對硬件要求越高，一般不大于3 600；因此，k值可取32～3 600之間的整數(shù)。n個(gè)工頻周波共有n×k個(gè)離散化波形數(shù)據(jù)，由此可構(gòu)建所需的測試信號。

以特定頻率波動(dòng)方式為例，給出測試信號構(gòu)建的具體方法：

1）設(shè)定頻率波動(dòng)方式，使測試信號的頻率在49.8 Hz～50.2 Hz范圍內(nèi)往返波動(dòng)，一個(gè)周期Tf時(shí)間段內(nèi)波形由8個(gè)工頻周波構(gòu)成，即n=8；各工頻周波的周期分別設(shè)定為：T1=1/49.8（s）、T2=T8=1/49.9（s）、T3=T7=1/50.0（s）、T4=T6=1/50.1（s）、T5=1/50.2（s）。

2）設(shè)定工頻周波的波形函數(shù)均為正弦波，各相電壓信號第j個(gè)工頻周波的波形函數(shù)表達(dá)式分別為：

式中：uaj、ubj、ucj分別是各相電壓信號第j個(gè)周波的瞬時(shí)值；M為有效值；Tj為第j個(gè)周波的周期。

當(dāng)模擬的負(fù)荷為純阻性負(fù)載時(shí)，各相電流信號第個(gè)周波的波形函數(shù)表達(dá)式分別為：

式中：iaj、ibj、icj分別是各相電流信號第j個(gè)周波的瞬時(shí)值；N為電流有效值。

式中：m為正整數(shù)且1≤m≤2 048。

對8個(gè)工頻周波全部離散化處理后，共得到8×2 048個(gè)離散化波形數(shù)據(jù)，據(jù)此可得到所需的B相電流測試波形，其他各相電壓和電流測試波形按照同樣的方法構(gòu)建。

2 試驗(yàn)裝置的總體設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置包括：控制系統(tǒng)、功率源、標(biāo)準(zhǔn)表、頻率控制單元、頻率轉(zhuǎn)換單元和被測表位，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

每相電壓源都包括波形數(shù)據(jù)單元、DA轉(zhuǎn)換器、濾波器及電壓功放單元，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 電壓源結(jié)構(gòu)示意圖

每相電流源都包括波形數(shù)據(jù)單元、DA轉(zhuǎn)換器、濾波器及電流功放單元，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 電流源結(jié)構(gòu)示意圖

控制系統(tǒng)通過串口A將n×k個(gè)時(shí)間間隔值依次存入頻率控制單元，通過串口B將n×k個(gè)離散化波形數(shù)據(jù)存入各相電壓各波形數(shù)據(jù)單元，將存儲(chǔ)的n×k個(gè)離散化波形數(shù)據(jù)傳輸給對應(yīng)的DA轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換后的模擬信號經(jīng)濾波器濾波，再分別由對應(yīng)的電壓功放單元和電流功放單元進(jìn)行信號放大，給標(biāo)準(zhǔn)表及被測表提供測試信號。

標(biāo)準(zhǔn)表包括：輸入單元、AD轉(zhuǎn)換單元和運(yùn)算顯示單元。輸入單元將功率源輸出的測試信號調(diào)理成適合AD采樣的小模擬信號并傳輸給AD轉(zhuǎn)換單元的6個(gè)AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的6路數(shù)字采樣信號傳輸給運(yùn)算顯示單元，計(jì)算得到測量值并將其顯示或輸出。

圖4所示是頻率轉(zhuǎn)換單元的電路圖，頻率轉(zhuǎn)換單元包括分頻電路和隔離電路，分頻電路接頻率控制單元的輸出，對頻率控制單元輸出的DA控制脈沖進(jìn)行分頻；分頻后的信號經(jīng)隔離電路電氣隔離后得到AD控制脈沖并輸出給標(biāo)準(zhǔn)表的6個(gè)AD轉(zhuǎn)換器。

圖4 頻率轉(zhuǎn)換單元電路圖

設(shè)DA控制脈沖數(shù)為NDA，AD控制脈沖數(shù)為NAD，則頻率轉(zhuǎn)換單元使得二者的關(guān)系如公式（11）所示：

以前文所述的特定波動(dòng)方式為例，此時(shí)n=8，為產(chǎn)生一個(gè)工頻周波，控制單元輸出2 048個(gè)DA控制脈沖，即NDA=2 048；由公式（11）可得：NAD=256，頻率轉(zhuǎn)換單元輸出256個(gè)AD控制脈沖，啟動(dòng)6個(gè)AD轉(zhuǎn)換器同時(shí)執(zhí)行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，使其在每個(gè)工頻周波均能準(zhǔn)確采樣256個(gè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)表在測試信號頻率波動(dòng)時(shí)的完全同步采樣。

3 試驗(yàn)裝置的性能測試

采用時(shí)分割乘法器原理的電能表，其核心部件采用的是模擬型的乘法器和I/F（或V/F）變換器，因此不存在采樣不同步的問題[12-14]。將采用時(shí)分割乘法器原理的標(biāo)準(zhǔn)表作為電能校準(zhǔn)器，通過標(biāo)準(zhǔn)法可校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置在頻率波動(dòng)信號下的技術(shù)指標(biāo)。如圖5所示是基于常規(guī)電能校準(zhǔn)器的試驗(yàn)裝置性能測試方法的原理圖。

圖5 動(dòng)態(tài)性能溯源方法示意圖

測試方法的具體步驟如下：

1）選擇一款在穩(wěn)態(tài)測試信號下準(zhǔn)確度等級為0.01級的標(biāo)準(zhǔn)裝置；

2）選擇一款基于時(shí)分割乘法器原理且準(zhǔn)確度等級為0.05級的三相標(biāo)準(zhǔn)電能表，作為0.05級常規(guī)電能校準(zhǔn)器；

3）在穩(wěn)態(tài)測試信號條件下，用所述0.01級的標(biāo)準(zhǔn)裝置對所述0.05級常規(guī)電能校準(zhǔn)器進(jìn)行常規(guī)校準(zhǔn)，確認(rèn)0.05級常規(guī)電能校準(zhǔn)器滿足穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要求；

4）選取一款需被校準(zhǔn)的0.1級電能表動(dòng)態(tài)性能測量裝置；

5）在動(dòng)態(tài)測試信號條件下，通過電能比對，用0.05級常規(guī)電能校準(zhǔn)器來校準(zhǔn)所述0.1級及以下等級電能表動(dòng)態(tài)性能測量裝置的動(dòng)態(tài)性能準(zhǔn)確度指標(biāo)。

所述的0.1級電能表動(dòng)態(tài)性能測量裝置是基于瞬時(shí)功率計(jì)算產(chǎn)生電能脈沖，而所述的0.05級常規(guī)電能校準(zhǔn)器是基于平均功率計(jì)算產(chǎn)生電能脈沖。為了克服這兩種電能脈沖輸出方式不同對測量結(jié)果造成的影響可達(dá)到基本忽略的程度，需要較長的測試時(shí)間來獲取每個(gè)誤差測試結(jié)果。在實(shí)際測試時(shí)，可先取一個(gè)測試時(shí)間，按此時(shí)間測試的誤差結(jié)果，若標(biāo)準(zhǔn)偏差能滿足標(biāo)準(zhǔn)表的規(guī)程規(guī)定，則測試結(jié)果有效，否則，應(yīng)加大測試時(shí)間。

對所研制的準(zhǔn)確度等級為0.1級的試驗(yàn)裝置進(jìn)行測試，設(shè)定頻率范圍為47 Hz～53 Hz，波動(dòng)速率為0.75 Hz每周波，每個(gè)負(fù)載點(diǎn)測量6次且每次測量時(shí)間大于1 min，測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果

由表1可知，試驗(yàn)裝置在頻率波動(dòng)測試信號下的誤差均在±0.1%范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)偏差值均小于0.01%，仍然滿足準(zhǔn)確度等級為0.1級的要求。

4 結(jié)語

針對基于采樣計(jì)算原理的交流電能表，非同步采樣會(huì)引起頻譜泄露進(jìn)而影響其準(zhǔn)確計(jì)量。文中構(gòu)建了頻率波動(dòng)測試信號，設(shè)計(jì)并研制了相應(yīng)的試驗(yàn)裝置，采用基于時(shí)分割乘法器原理的標(biāo)準(zhǔn)表對試驗(yàn)裝置進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明：在頻率波動(dòng)信號下，試驗(yàn)裝置滿足準(zhǔn)確度等級為0.1級的要求。

所構(gòu)建的測試信號在一個(gè)周波內(nèi)由8個(gè)頻率呈等間隔變化的周期信號構(gòu)成，信號的頻率按先增加后減小。為更加全面的考核電能表在頻率往返波動(dòng)下的計(jì)量準(zhǔn)確性，可對現(xiàn)場采集到的信號波形進(jìn)行特征量提取，利用所研制的裝置輸出適應(yīng)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的測試信號，考核交流電能表的動(dòng)態(tài)性能。