分析沖擊負(fù)荷電能表的電流采樣方法

李佳潞

引言：電能的測(cè)量通常采用常規(guī)的測(cè)量方法，但是對(duì)于一些特殊環(huán)境中的點(diǎn)才能測(cè)量再采用常規(guī)的方法時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。針對(duì)寬量程電能表常用的量程切換機(jī)制所產(chǎn)生的誤差，我們采用仿真計(jì)算分析了其產(chǎn)生原因，并針對(duì)沖擊負(fù)荷電能表提出了一種新的電流采樣方法。此方法運(yùn)用多調(diào)理采樣支路并列運(yùn)行的方式，消除了常規(guī)量程機(jī)制采樣過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差。通過(guò)此方法實(shí)現(xiàn)了沖擊負(fù)荷電能表的正確采樣。因此運(yùn)用此方法能夠幫助沖擊負(fù)荷電能表的設(shè)計(jì)。

一、沖擊性負(fù)荷的運(yùn)行特征

沖擊性負(fù)荷是一種不平穩(wěn)負(fù)荷，在其運(yùn)行過(guò)程中表現(xiàn)出劇烈、隨機(jī)、頻繁變化的特性，在其工作過(guò)程中還會(huì)受到大量電子設(shè)備的諧波干擾?？傮w來(lái)說(shuō)，沖擊性負(fù)荷的運(yùn)行過(guò)程中主要表現(xiàn)出一下幾點(diǎn)特征。

1、沖擊負(fù)荷的非線性運(yùn)行特征。沖擊性負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到同時(shí)運(yùn)行的諸多電子設(shè)備所產(chǎn)生的諧波影響，增加諧波電流的量，進(jìn)而加大諧波縣衙和總畸變率，產(chǎn)生嚴(yán)重的三相不平衡現(xiàn)象，導(dǎo)致電能質(zhì)量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的平衡度。

2、沖擊負(fù)荷的隨機(jī)變化特征。沖擊性負(fù)荷的波動(dòng)較大，從時(shí)間軸上來(lái)觀看沖擊負(fù)荷具有隨機(jī)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(zhuǎn)換器和其前后向處理功能模塊實(shí)現(xiàn)。前向處理功能主要用來(lái)處理模擬信號(hào)，主要表現(xiàn)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)。一個(gè)n為的A/D 轉(zhuǎn)換器其理想中的信噪比應(yīng)達(dá)到（6.02n+1.76）dB。當(dāng)n的數(shù)值增大時(shí)，其信噪比也會(huì)隨之增加，當(dāng)n的值一定時(shí)，擁有良好的前后向處理功能，能夠提供較高水平的A/D 轉(zhuǎn)換器信噪比。

安裝式電能表中使用的是Σ-Δ型A/D 轉(zhuǎn)換器，這一類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器是通過(guò)后巷功能模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理來(lái)提高其信噪比的水平。Σ-Δ型A/D 轉(zhuǎn)換器主要特征是利用數(shù)字處理，促進(jìn)集成。此類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器能夠在混合信號(hào)大規(guī)模的集成電路上實(shí)現(xiàn)ADC和后向處理功能模塊的耳機(jī)和，并依此降低外圍線路安裝的復(fù)雜程度，因此，此類(lèi)轉(zhuǎn)換器適用于安裝式電能表。但是，在實(shí)際的應(yīng)用黨總由于Σ-Δ型A/D 轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度和線性度指標(biāo)不能夠完全符合要求，因此在標(biāo)準(zhǔn)電表中很少使用此類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器。

目前，在測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)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(fù)載電流寬范圍內(nèi)快速波動(dòng)的運(yùn)行當(dāng)中，經(jīng)不可避免的出現(xiàn)電流采樣誤差。下面我們通過(guò)仿真計(jì)算做出具體分析。

假設(shè)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(shè)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(jù)頂?shù)摹．?dāng)計(jì)算所得的有效值高于目前量程的上限時(shí)，則輸入電流的通道增益就偏大，信號(hào)波峰在通道幅值的限制下而產(chǎn)生采樣誤差；若是有效值過(guò)低時(shí)，量程通道中的增益不足，轉(zhuǎn)換器的信噪比過(guò)小，進(jìn)而影響到電流采樣精度。

這里我們?cè)谶M(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)采用的有效值為57.7V的常規(guī)電壓信號(hào)、幅值線性增大的電流信號(hào)，功率因素取1，則得出的電力信號(hào)計(jì)算公式為：

（k：幅值變化系數(shù)；f：信號(hào)頻率；t：時(shí)間）

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

（ 、 采樣轉(zhuǎn)換后的電壓、電流數(shù)據(jù)， 、 轉(zhuǎn)換系數(shù)，T工作周期）

若 、 分別是采樣時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓、電流瞬時(shí)值，由此可得

取T=20ms 可得

則第k各周波的電流有效值計(jì)算公式為：

通過(guò)上述仿真計(jì)算我們可知采用量程切換機(jī)制產(chǎn)生差異的原因是，同一時(shí)段的采樣數(shù)據(jù)即用于量程判斷，又用于電能計(jì)算。因?yàn)殡娔鼙頍o(wú)法提前預(yù)測(cè)電流的白哪壺，因此在進(jìn)行量程判斷計(jì)算時(shí)，前一段的存在誤差的采樣數(shù)據(jù)被應(yīng)用到計(jì)算中，因此計(jì)算所得的數(shù)據(jù)誤差功能大。

三、沖擊負(fù)荷電能表的電流采樣方法

在現(xiàn)行帶能表檢定條件下無(wú)法表現(xiàn)出量程切換過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差。因?yàn)樵诂F(xiàn)行的規(guī)定中，只有等到輸出電壓電流信號(hào)穩(wěn)定后才能夠?qū)y(cè)量誤差進(jìn)行檢測(cè)，此時(shí)檢測(cè)表彰的量程已經(jīng)切換完成。為了在寬范圍快速波動(dòng)的環(huán)境中測(cè)得準(zhǔn)確的計(jì)量，同時(shí)改善電能表的動(dòng)態(tài)性能，需要對(duì)上述電流采樣方案進(jìn)行改善。下面我們將提出一種沖擊負(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)為N調(diào)理采樣支路并列運(yùn)行方式。在采樣支路中包含A/D轉(zhuǎn)換器和信號(hào)調(diào)理，而A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)果數(shù)據(jù)都需要送計(jì)量單元的DSP 或MCU，在此期間由由CPLD編程實(shí)現(xiàn)組合邏輯的電路。

調(diào)理采樣支路在工作時(shí)首先運(yùn)用緩沖器對(duì)小電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以消除輸出阻抗的影響，然后送放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行方法處理并送至低通濾波進(jìn)行抗混疊處理，最后進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器獲取需要的數(shù)據(jù)。此阿勇調(diào)理采樣支路能夠保證數(shù)據(jù)的有效性。

四、結(jié)束語(yǔ)

對(duì)電能表數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣時(shí)，一般采用采用規(guī)的量程切換機(jī)制，但是當(dāng)處于特殊環(huán)境中時(shí)采用常規(guī)的量程切換機(jī)制測(cè)量所得的數(shù)據(jù)存在較大的誤差。沖擊性負(fù)荷就是一種特殊工作環(huán)境，針對(duì)沖擊性負(fù)荷電能表，為了保證電流采樣數(shù)據(jù)的正確本文給出了一種調(diào)理采樣支路的方法進(jìn)行電流采樣，采樣后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都會(huì)送至DSP 或MCU進(jìn)行賽選，以獲取有效的數(shù)據(jù)。針對(duì)安裝式電能表盡可能選用Σ-Δ型A/D 轉(zhuǎn)換器，以減少調(diào)理采樣支路的數(shù)量，降低硬件的復(fù)雜度。

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（作者單位：國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司營(yíng)口供電公司）