實驗室環境下實現直流電能表檢定的關鍵技術設計

黃建鐘， 李銀銀

(1.深圳市星龍科技股份有限公司，廣東, 深圳 518052；2.襄陽市公共檢驗檢測中心，湖北, 襄陽 441000)

0 引言

直流電能表檢定裝置包括電能測量標準器、具體而言有標準電能表、功率表、電能變換器或電能測量電路、量限擴展電路、電參量監視電路(或儀表)等。在電能表檢定裝置中，直流電流源發揮著至關重要的作用，如何在實驗室環境內對電能表進行檢定，需要對其關鍵技術進行研究。文獻[1]研究了一種多表位直流電能表自動檢定裝置，該技術方案采用標準表法誤差計算公式實現了多表位直流電能表自動檢定，雖然也能夠實現電能表的檢定，但是該檢定采用誤差計算公式，其使用的電源部分精度比較低。文獻[2]研究了一種采用標準表法的多表位直流電能表校驗裝置，該方法采用標準表作為標準參數，通過直流的方法進行校驗，該方法雖然也能夠實現電能表的校驗，但是對于電能表的計量器件并未說明。

針對上述技術的不足，本研究討論了電能表直流檢定過程中的關鍵技術。

1 直流標準源設計

電能表在實現檢定時，離不開直流電源。本研究的電源為基于DMA及時基可編程的可疊加任意紋波的直流標準源(圖1)，在結構上包括DSP Core(內核)、以太網、波形RAM、計算機、定時器、DMA控制器 6A、DMA控制器 6B組成，還包括SPORT1 7A(同步串行通信)、SPORT1 7B(同步串行通信)、DA轉換器 8A、DM轉換器 8B、晶體 9、電壓功放 10、電流功放 11等[3]。在圖1中，晶體9為 1 ppm的10M的有源晶體，計算機4為帶網口的臺式機或筆記本計算機、波形RAM 3為32Mbyte(字節)SDRAM、型號為MT48LC32M8A2，以太網MAC+PHY采用AX88 796+RLY8201(10M/100M自適應)；DSP Core 1、DMA1控制器 6A、DMA2控制器6B、Timer 5、SPORT 1 7A、SPORT 1 7B為 DSP芯片ADSP-BF533 的片上資源；DA轉換器由DA芯片和外圍電路組成，DA轉換器由AD5543 U8_2、REF102 U8_1、AD8620 U8_3、AD8620、U8_4組成[4]；電壓功放由電壓功放芯片和外圍電路組成，電壓功放由高壓放大器 3483 U10和比例電阻R1和R2組成。電流功放由電壓功放芯片和外圍電路組成，電流功放由放大器 OPA548 U11和電阻R1、R2、R3、R4、R5組成。

1—DSP Core(內核)；2—以太網；3—波形RAM；4—計算機；5—定時器；6 A—DMA控制器；6B—DMA控制器；7A—SPORT1(同步串行通信)；7B—SPORT1(同步串行通信)；8A—DA轉換器；8B—DM轉換器；9—晶體；10—電壓功放；11—電流功放

電源工作時，計算機 4把帶紋波的直流波形(包括電壓和電流通道)通過以太網MAC+PHY 2以及DSPCore 1下載到波形RAM 3上，計算機上的帶紋波的直流波形可以由MATLAB(MathWorks公司的商業數學軟件)工具計算產生或人工擬合產生，波形也可以由示波器或錄波儀現場實際錄波產生，計算機4 波形下載到 RAM 3的速率由以太網的速率和DSPCore 20 的速度決定，當計算機4 把波形全部下載到 RAM 3后，DSP Core 1啟動 DMA1控制器6A、DMA2控制器6B、自動把RAM的波形通過DMA控制器以及 SPORT1 7A、SPORT2 7B送DA 8A、DA8B、DA把RAM存儲的波形直流轉為一個小模擬量信號(VIN1和 VIN2)[5]，模擬量VIN1通過電壓功放 10 輸出帶紋波的直流電壓信號、模擬量VIN2通過電流功放 10 輸出帶紋波的直流電流信號。

可編程時基(CLK)實現原理如下。一個DA轉換過程需要CS高電平至少一個CLK、D15—D0共 16個 CLK，所以完成一次DA轉換最少需要17個CLK，假如能夠對CLK實現可編程，則可以通過CLK時基的改變間接修改紋波的輸出頻率，CLK的改變通過定時器Timer 5編程實現[6-7]。設在紋波輸出每周波采樣點為N，則有：

(1)

式中，A為幅值，N為紋波一個周期的捏合點數，i為擬合序列點，φ為初始相位。所以紋波輸出的頻率為

f=CLK/17/N

(2)

通過修改CLK的值可實現對紋波的間接頻率控制。CLK由DSP內部的32 Bit的定時器 Timer 5控制，定時器的輸入為DSP Core 1把晶體 8倍頻為80 MHz，Timer可以在232內的任意值進行分頻。這樣紋波的輸出頻率情況如下。

(a)當輸出高頻紋波時候，Timer的定時器最大分頻為2。輸出40 MHz，為了波形保真度取最小擬合N為100。如式(2)，f=CLK/17/N=40M/17/100=23.5 kHz[8-9]。

(b)輸出低頻紋波時候Timer的定時器最大分頻為232。輸出0.001 8 Hz, 其中N最大可取8M(由RAM的大小確定)如式(2)，f=CLK/17/N=0.000 9 Hz/17/8M=0.001 8 Hz/17/8×106=0.001 8 Hz/17/8×106=1.32×10-9Hz，可實現超低頻輸出,用于模擬類似緩慢上升的直流信號。

2 基于嵌入式技術的電能表計量芯片

采用基于CS5464的計量芯片。CS5464是美國Cirrus Logic公司推出的多功能、高精度電能測量集成芯片。CS5464采用CMOS制造工藝，低功耗，集成度高，組成電能表所需的外圍器件少[10-12]。同時，片內集成有電能、電壓、電流的計算和電能脈沖轉換功能。基于該芯片的電能表配置靈活、應用方便。芯片架構如圖2所示。

圖2 CS5464芯片示意圖

該芯片能夠在動態范圍1 000：1內線性度為±0.1%，能夠測量瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率、電壓有效值、電流有效值、功率等參數，具有電流故障和電壓下跌檢測、系統校準、多樣化配置方式等功能，能夠與E2PROM配合實現系統Auto-boot功能，還能夠提供簡單的三線數字串行接口，并且內置電源監視器[13-14]。

該芯片在工作時，CS5464的XOUT、XIN為晶振輸入輸出腳，為系統提供時鐘，也可以通過XIN引入外部時鐘；SCLK為串行通信的時鐘信號；SDO、SDI為串行通信的輸出輸入腳；VIN+、VIN-為電壓通道的輸入引腳；IIN+、IIN-為電流通道的輸入引腳[15]；PFMON為電壓下降檢測腳。通過RMS值利用最近的N(N值放在周期計數寄存器中)瞬態電壓/電流采樣值計算，這些值可從VRMS和IRMS的寄存器中讀出。計算式如下：

(3)

(4)

瞬態電壓、電流的采樣數據相乘，得到瞬時功率。N個瞬時功率平均計算出的平均有功功率PActive用來驅動電能脈沖E1輸出。電能輸出E2是可選的，可指示電能方向，在交流電能表設計中也可以輸出與視在功率S成正比的脈沖。E3還表示為電壓通道的電壓符號[16]，或作為PFMON比較器輸出。通過式(3)、式(4)計算出來的VRMS、IRMS相乘得有功功率S，如式(5)，

S=VRMS×VRMS

(5)

通過上述設計后，再設計單片機微處理器。采用超低功耗的16位MCU內核、內置程序內存和數據內存、優秀的EMC性能；外加獨立的LCD控制器，用電量可以通過液晶屏顯示出來，且使用低成本的簡易工具就可以實現便捷開發。同時，R8C/Tiny還提供了接受遙控器信號的紅外線輸入/輸出、序列號輸出和LED驅動端口，使用戶可以根據自己的實際情況靈活選擇。此外，很多型號還集成了A/D轉換器、A/D轉換器、D/A轉換器、RTC模塊、上電復位(POR)、低電壓檢測(LVD)等，非常適合于電能表應用[17]。采用的單片機如圖3所示。

圖3 單片機 R5R0C028FA內部結構圖

該單片機MSP430FG4619為美國德州儀器(TI)公司推出的16為超低功耗、高性能MSP430系列單片機之一，R5R0C028為單相智能電能表常用MCU。它是采用高性能硅柵CMOS工藝以及搭載R8C/Tiny系列CPU內核的單片機微型計算機。該芯片既有高功能指令也有高效率指令，并且具有1M字節的地址空間和高速執行指令的能力；具有64K FLASH ROM、1.5K RAM、41個用戶可配置IO口、4個定時器、2個串行接口、12通道10位AD口，內置看門狗定時器和低速晶振，可接外部晶振[18-19]。

3 應用與分析

下面對上述關鍵技進行驗證。實驗的環境溫度為22.4 ℃，相對濕度為70%，供電電源為電壓220 V[20]，頻率為50±0.5 Hz，波形畸變系數不大于5%。

試驗的參比條件如表1所示。

表1 參比條件

在本研究的技術方案中，通過DMA模塊實現數據傳輸，通過電腦 2把帶紋波含量的直流信號(含畸變或其他的直流錄波信號)通過低速的網絡接口送到RAM 1。后利用SPORT的高速DMA控制器把RAM 3的波形自動循環送到D/A完成直流紋波或其他的直流任意波形的數字量轉換為真實模擬量輸出。DMA傳輸示意圖如圖4所示。

在圖4中，DA輸出時序圖如圖5所示。

圖4 DMA傳輸示意圖

圖5 DA輸出時序圖

由于使用DMA控制器為硬件自動控制，不消耗DSPCore的時間，通過硬件實現了高速的波形擬合輸出，并且DMA實現的時序波形抖動和1 ppm的晶體波形的抖動一致，確保DA輸出的的穩定度，通過16 Bit高分辨率D/A時序高保真輸出，準確度指標可達到 0.05級直流功率源準確度的要求。

然后再將本研究的電源與常規技術的sbw系列的直流電源進行對比分析。在試驗時，分別在參比條件下進行不少于10次的測量。采用同樣的三相標準表作為試驗對象，試驗的重復次數不少于10次，并按式(6)計算檢驗裝置的電能標準差估計值S：

(6)

表2為文獻[1]的裝置測試數據。

表2 測試數據記錄表

表3為文獻[2]的測試數據。

表3 測試數據記錄表

表4為本研究裝置的測試數據。

通過表2～表4觀測本研究方法與文獻[1]、文獻[2]方法的電能表檢測的誤差百分比，結果如圖6所示。

表4 測試數據記錄表

由圖6可知，當測試達到將近1 h時，文獻[1]方法電能表檢測的誤差百分比為12%，文獻[2]方法電能表檢測的誤差百分比為31%，本研究方法電能表檢測的誤差百分比為2%；當檢測時間接近4 h時，文獻[1]方法電能表檢測的誤差百分比為28%，文獻[2]方法電能表檢測的誤差百分比為48%，本研究方法電能表檢測的誤差百分比為1.9%；當檢測時間接近7h時，文獻[1]方法電能表檢測的誤差百分比為41%，文獻[2]方法電能表檢測的誤差百分比為62%，本研究方法電能表檢測的誤差百分比為2.9%。由此可知，本研究方法誤差較低。

圖6 3種方法的電能表檢測的誤差百分比對比

下面對本研究的穩定度進行試驗，其中的穩定度計算式為

(2)

為驗證本研究方法的準確性高，檢測時間為40 s，采樣頻率為22.05 kHz，采用文獻[1]、文獻[2]方法與本研究方法的電量計量裝置運行穩定度進行對比分析，對比示意圖如圖7所示。

圖7 3種方法穩定度對比

由圖7可知，當檢測的數據信息量為1 MB時，文獻[1]方法穩定度為21%，文獻[2]方法穩定度為51%，本研究方法穩定度為89%；當檢測到的數據量為5 MB時，文獻[1]方法穩定度為42%，文獻[2]方法穩定度為72%，本研究方法穩定度為95%；當檢測到的數據量為10 MB時，文獻[1]方法穩定度為42%，文獻[2]方法穩定度為69%，本研究方法穩定度為94%。由此可見，本研究方法的穩定度較高。

然后通過本研究的控制方法與文獻[1]和文獻[2]的控制方法分別進行對比，得出如圖8所示的對比示意圖。

圖8 電能表計量精度示意圖

通過100 h的測量，以8 000只智能電能表作為最終的測試個數，則隨著電能表數量的增多，本研究的誤差計算量最小。

4 總結

本發明使用高速DMA和可編程時基可調節原理設計了帶紋波輸出的直流標準功率源，克服了以前直流紋波頻率無法任意設置的缺點，可實現低頻紋波到高頻紋波的高準確度輸出，且可實現雙極性輸出(正或負電壓/電流)，可以廣泛應用于低速模擬信號的仿真，包括PLC控制的模擬量輸出，以及光伏逆變器輸出等直流帶紋波信號的仿真和測試，并為《GB/T 33708 直流標準表》的紋波影響量測試提供測試手段和測試工具。本研究為下一步技術的研究奠定基礎。