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

（南昌科晨電力試驗研究有限公司， 江西 南昌 330096）

0 引言

現用交流電能表普遍采用采樣計算的工作方式，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換成適合模數轉換器輸入電平要求的交流信號；通過硬件鎖相環電路追蹤信號頻率變化，控制三相電壓和三相電流六個通道的模數轉換器同時采樣；采樣數據通過DSP或MCU計算得到各電參數值，產生并輸出電能脈沖[1-3]。

采用采樣計算原理的電能表應滿足采樣定理，采樣速率必須是測量頻率的整數倍，采樣點包含整個周期。非同步采樣會引起頻譜泄露，進而影響測量結果的準確性[4-6]。硬件設計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生器電路，用于產生整數倍于測量信號頻率的方波信號作為采樣信號，控制A/D轉換器實現同步采樣[7-8]。亦可采用軟件同步措施，由DSP或MCU根據A/D采樣結果進行計算，找出測量信號真實過零點，確定當前電網頻率，并據此得到采樣頻率，用以控制ADC進行下一周波的采樣。

為考核交流電能表在頻率波動時的采樣同步性，需研制相應的試驗裝置。裝置應滿足以下要求：輸出的測試信號其頻率波動方式、范圍和變化速率均應可控；試驗裝置內的標準表在測試信號下可實現完全同步采樣，其受動態頻率波動的影響可忽略不計。

現有的電能表檢驗裝置可按照GB/T 17215.312、EN50470及OIML R46等的規定，完成頻率影響試驗[9-11]。其輸出的電壓和電流信號的頻率要么是測試前設置的某個固定值，要么是隨裝置電源的市電頻率變化而變化，且頻率波動是隨機和不可控的。此外檢驗裝置內的標準表均按照同步采樣模式設計，不管采用的是軟件同步方式還是硬件同步方式，跟隨頻率變化時都存在一定的時間延遲，無法實現完全同步采樣。

為此，文中構建了頻率波動測試信號，研制了試驗裝置，并通過測試驗證了試驗裝置在頻率波動下的各項指標，解決了當前無法定量評價電能表在頻率波動下的計量性能的問題。

1 測試信號的構建及實現

設測試信號的周期為Tf，則在Tf時間段內的波形由n（n為不小于2的正整數）個完整且連續的工頻周波組成。頻率波動范圍如公式（1）所示：

式中：fmin為頻率波動的下限值；fmax為頻率波動的上限值。

觀光農業以農業為基礎，以旅游為手段，以城市為市場，以參與為特點，以文化為內涵，它的形式和類型很多，其中規模較大的主要有5種：觀光農園、農業公園、教育農園、森林公園和民俗觀光村。

設第j個工頻周波的周期為Tj，1≤j≤n且j為整數，則：

如無特殊需求，工頻周波取正弦波。按等時間間隔Tj/k在工頻周波的波形函數上取k個瞬時值，得到k個離散化波形數據。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。n個工頻周波共有n×k個離散化波形數據，由此可構建所需的測試信號。

以特定頻率波動方式為例，給出測試信號構建的具體方法：

1）設定頻率波動方式，使測試信號的頻率在49.8 Hz～50.2 Hz范圍內往返波動，一個周期Tf時間段內波形由8個工頻周波構成，即n=8；各工頻周波的周期分別設定為：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）設定工頻周波的波形函數均為正弦波，各相電壓信號第j個工頻周波的波形函數表達式分別為：

式中：uaj、ubj、ucj分別是各相電壓信號第j個周波的瞬時值；M為有效值；Tj為第j個周波的周期。

當模擬的負荷為純阻性負載時，各相電流信號第個周波的波形函數表達式分別為：

式中：iaj、ibj、icj分別是各相電流信號第j個周波的瞬時值；N為電流有效值。

式中：m為正整數且1≤m≤2 048。

對8個工頻周波全部離散化處理后，共得到8×2 048個離散化波形數據，據此可得到所需的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建。

2 試驗裝置的總體設計

試驗裝置包括：控制系統、功率源、標準表、頻率控制單元、頻率轉換單元和被測表位，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 裝置的結構示意圖

每相電壓源都包括波形數據單元、DA轉換器、濾波器及電壓功放單元，結構示意圖如圖2所示。

圖2 電壓源結構示意圖

每相電流源都包括波形數據單元、DA轉換器、濾波器及電流功放單元，結構示意圖如圖3所示。

圖3 電流源結構示意圖

控制系統通過串口A將n×k個時間間隔值依次存入頻率控制單元，通過串口B將n×k個離散化波形數據存入各相電壓各波形數據單元，將存儲的n×k個離散化波形數據傳輸給對應的DA轉換器，數模轉換后的模擬信號經濾波器濾波，再分別由對應的電壓功放單元和電流功放單元進行信號放大，給標準表及被測表提供測試信號。

標準表包括：輸入單元、AD轉換單元和運算顯示單元。輸入單元將功率源輸出的測試信號調理成適合AD采樣的小模擬信號并傳輸給AD轉換單元的6個AD轉換器，轉換后的6路數字采樣信號傳輸給運算顯示單元，計算得到測量值并將其顯示或輸出。

圖4所示是頻率轉換單元的電路圖，頻率轉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控制脈沖進行分頻；分頻后的信號經隔離電路電氣隔離后得到AD控制脈沖并輸出給標準表的6個AD轉換器。

圖4 頻率轉換單元電路圖

設DA控制脈沖數為NDA，AD控制脈沖數為NAD，則頻率轉換單元使得二者的關系如公式（11）所示：

以前文所述的特定波動方式為例，此時n=8，為產生一個工頻周波，控制單元輸出2 048個DA控制脈沖，即NDA=2 048；由公式（11）可得：NAD=256，頻率轉換單元輸出256個AD控制脈沖，啟動6個AD轉換器同時執行一次模數轉換，使其在每個工頻周波均能準確采樣256個點，實現了標準表在測試信號頻率波動時的完全同步采樣。

3 試驗裝置的性能測試

采用時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]。將采用時分割乘法器原理的標準表作為電能校準器，通過標準法可校準試驗裝置在頻率波動信號下的技術指標。如圖5所示是基于常規電能校準器的試驗裝置性能測試方法的原理圖。

圖5 動態性能溯源方法示意圖

測試方法的具體步驟如下：

1）選擇一款在穩態測試信號下準確度等級為0.01級的標準裝置；

2）選擇一款基于時分割乘法器原理且準確度等級為0.05級的三相標準電能表，作為0.05級常規電能校準器；

3）在穩態測試信號條件下，用所述0.01級的標準裝置對所述0.05級常規電能校準器進行常規校準，確認0.05級常規電能校準器滿足穩態指標要求；

4）選取一款需被校準的0.1級電能表動態性能測量裝置；

5）在動態測試信號條件下，通過電能比對，用0.05級常規電能校準器來校準所述0.1級及以下等級電能表動態性能測量裝置的動態性能準確度指標。

所述的0.1級電能表動態性能測量裝置是基于瞬時功率計算產生電能脈沖，而所述的0.05級常規電能校準器是基于平均功率計算產生電能脈沖。為了克服這兩種電能脈沖輸出方式不同對測量結果造成的影響可達到基本忽略的程度，需要較長的測試時間來獲取每個誤差測試結果。在實際測試時，可先取一個測試時間，按此時間測試的誤差結果，若標準偏差能滿足標準表的規程規定，則測試結果有效，否則，應加大測試時間。

對所研制的準確度等級為0.1級的試驗裝置進行測試，設定頻率范圍為47 Hz～53 Hz，波動速率為0.75 Hz每周波，每個負載點測量6次且每次測量時間大于1 min，測試結果如表1所示。

表1 測試結果

由表1可知，試驗裝置在頻率波動測試信號下的誤差均在±0.1%范圍內，標準偏差值均小于0.01%，仍然滿足準確度等級為0.1級的要求。

4 結語

針對基于采樣計算原理的交流電能表，非同步采樣會引起頻譜泄露進而影響其準確計量。文中構建了頻率波動測試信號，設計并研制了相應的試驗裝置，采用基于時分割乘法器原理的標準表對試驗裝置進行了測試，測試結果表明：在頻率波動信號下，試驗裝置滿足準確度等級為0.1級的要求。

所構建的測試信號在一個周波內由8個頻率呈等間隔變化的周期信號構成，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下的計量準確性，可對現場采集到的信號波形進行特征量提取，利用所研制的裝置輸出適應現場實際運行環境的測試信號，考核交流電能表的動態性能。