分析沖擊負荷電能表的電流采樣方法

李佳潞

引言：電能的測量通常采用常規的測量方法，但是對于一些特殊環境中的點才能測量再采用常規的方法時可能會出現問題。針對寬量程電能表常用的量程切換機制所產生的誤差，我們采用仿真計算分析了其產生原因，并針對沖擊負荷電能表提出了一種新的電流采樣方法。此方法運用多調理采樣支路并列運行的方式，消除了常規量程機制采樣過程中所產生的誤差。通過此方法實現了沖擊負荷電能表的正確采樣。因此運用此方法能夠幫助沖擊負荷電能表的設計。

一、沖擊性負荷的運行特征

沖擊性負荷是一種不平穩負荷，在其運行過程中表現出劇烈、隨機、頻繁變化的特性，在其工作過程中還會受到大量電子設備的諧波干擾。總體來說，沖擊性負荷的運行過程中主要表現出一下幾點特征。

1、沖擊負荷的非線性運行特征。沖擊性負荷運行過程中會受到同時運行的諸多電子設備所產生的諧波影響，增加諧波電流的量，進而加大諧波縣衙和總畸變率，產生嚴重的三相不平衡現象，導致電能質量超過標準的平衡度。

2、沖擊負荷的隨機變化特征。沖擊性負荷的波動較大，從時間軸上來觀看沖擊負荷具有隨機變化的特征。

二、寬量程電能表的電流采樣

寬量程電能表中電流的采樣功能模塊主要是由A/D 轉換器和其前后向處理功能模塊實現。前向處理功能主要用來處理模擬信號，主要表現在量程控制、低通濾波等功能電路，后處理功能模塊主要是處理A/D 轉換器轉換后的數字信號。一個n為的A/D 轉換器其理想中的信噪比應達到（6.02n+1.76）dB。當n的數值增大時，其信噪比也會隨之增加，當n的值一定時，擁有良好的前后向處理功能，能夠提供較高水平的A/D 轉換器信噪比。

安裝式電能表中使用的是Σ-Δ型A/D 轉換器，這一類型的轉換器是通過后巷功能模塊對數字信號的處理來提高其信噪比的水平。Σ-Δ型A/D 轉換器主要特征是利用數字處理，促進集成。此類型的轉換器能夠在混合信號大規模的集成電路上實現ADC和后向處理功能模塊的耳機和，并依此降低外圍線路安裝的復雜程度，因此，此類轉換器適用于安裝式電能表。但是，在實際的應用黨總由于Σ-Δ型A/D 轉換器的響應速度和線性度指標不能夠完全符合要求，因此在標準電表中很少使用此類型的轉換器。

目前，在測試標準電能表的線性度是通常采用的是量程切換方法。采用此方法在負載電流寬范圍內快速波動的運行當中，經不可避免的出現電流采樣誤差。下面我們通過仿真計算做出具體分析。

假設某電能表中由4各電流量程，他們的量程范圍分別是0～0.625 A、0.625～1.25 A、1.25～2.5A、2.5～5A，各量程設置的通道增加按照從低到高的順序依次減半。電能表中電流量程是由電流的有效值據頂的。當計算所得的有效值高于目前量程的上限時，則輸入電流的通道增益就偏大，信號波峰在通道幅值的限制下而產生采樣誤差；若是有效值過低時，量程通道中的增益不足，轉換器的信噪比過小，進而影響到電流采樣精度。

這里我們在進行仿真計算時采用的有效值為57.7V的常規電壓信號、幅值線性增大的電流信號，功率因素取1，則得出的電力信號計算公式為：

（k：幅值變化系數；f：信號頻率；t：時間）

這里選用的f值為50Hz，k為21.33，采樣時我們假定采樣速率為128點/周波，可求得第k個周波的電能為：

（ 、 采樣轉換后的電壓、電流數據， 、 轉換系數，T工作周期）

若 、 分別是采樣時對應的輸出電壓、電流瞬時值，由此可得

取T=20ms 可得

則第k各周波的電流有效值計算公式為：

通過上述仿真計算我們可知采用量程切換機制產生差異的原因是，同一時段的采樣數據即用于量程判斷，又用于電能計算。因為電能表無法提前預測電流的白哪壺，因此在進行量程判斷計算時，前一段的存在誤差的采樣數據被應用到計算中，因此計算所得的數據誤差功能大。

三、沖擊負荷電能表的電流采樣方法

在現行帶能表檢定條件下無法表現出量程切換過程中所產生的誤差。因為在現行的規定中，只有等到輸出電壓電流信號穩定后才能夠對測量誤差進行檢測，此時檢測表彰的量程已經切換完成。為了在寬范圍快速波動的環境中測得準確的計量，同時改善電能表的動態性能，需要對上述電流采樣方案進行改善。下面我們將提出一種沖擊負荷電能表中電流采樣方法。圖1所示為此方法電流采樣部分的結構圖，和該采樣部分在電能表中的連接。

圖1 沖擊式電流采樣部分結構圖

此方法中的各相電流通道均有電流變換器和電流采樣兩部分組成，采樣部分設計為N調理采樣支路并列運行方式。在采樣支路中包含A/D轉換器和信號調理，而A/D轉換器結果數據都需要送計量單元的DSP 或MCU，在此期間由由CPLD編程實現組合邏輯的電路。

調理采樣支路在工作時首先運用緩沖器對小電壓信號進行調理，以消除輸出阻抗的影響，然后送放大器對信號進行方法處理并送至低通濾波進行抗混疊處理，最后進A/D轉換器獲取需要的數據。此阿勇調理采樣支路能夠保證數據的有效性。

四、結束語

對電能表數據進行采樣時，一般采用采用規的量程切換機制，但是當處于特殊環境中時采用常規的量程切換機制測量所得的數據存在較大的誤差。沖擊性負荷就是一種特殊工作環境，針對沖擊性負荷電能表，為了保證電流采樣數據的正確本文給出了一種調理采樣支路的方法進行電流采樣，采樣后的數據結構都會送至DSP 或MCU進行賽選，以獲取有效的數據。針對安裝式電能表盡可能選用Σ-Δ型A/D 轉換器，以減少調理采樣支路的數量，降低硬件的復雜度。

參考文獻

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（作者單位：國網遼寧省電力有限公司營口供電公司）