實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)直流電能表檢定的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

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(yáng)市公共檢驗(yàn)檢測(cè)中心，湖北, 襄陽(yáng) 441000)

0 引言

直流電能表檢定裝置包括電能測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器、具體而言有標(biāo)準(zhǔn)電能表、功率表、電能變換器或電能測(cè)量電路、量限擴(kuò)展電路、電參量監(jiān)視電路(或儀表)等。在電能表檢定裝置中，直流電流源發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，如何在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)對(duì)電能表進(jìn)行檢定，需要對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[1]研究了一種多表位直流電能表自動(dòng)檢定裝置，該技術(shù)方案采用標(biāo)準(zhǔn)表法誤差計(jì)算公式實(shí)現(xiàn)了多表位直流電能表自動(dòng)檢定，雖然也能夠?qū)崿F(xiàn)電能表的檢定，但是該檢定采用誤差計(jì)算公式，其使用的電源部分精度比較低。文獻(xiàn)[2]研究了一種采用標(biāo)準(zhǔn)表法的多表位直流電能表校驗(yàn)裝置，該方法采用標(biāo)準(zhǔn)表作為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，通過(guò)直流的方法進(jìn)行校驗(yàn)，該方法雖然也能夠?qū)崿F(xiàn)電能表的校驗(yàn)，但是對(duì)于電能表的計(jì)量器件并未說(shuō)明。

針對(duì)上述技術(shù)的不足，本研究討論了電能表直流檢定過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 直流標(biāo)準(zhǔn)源設(shè)計(jì)

電能表在實(shí)現(xiàn)檢定時(shí)，離不開直流電源。本研究的電源為基于DMA及時(shí)基可編程的可疊加任意紋波的直流標(biāo)準(zhǔn)源(圖1)，在結(jié)構(gòu)上包括DSP Core(內(nèi)核)、以太網(wǎng)、波形RAM、計(jì)算機(jī)、定時(shí)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(zhuǎn)換器 8A、DM轉(zhuǎn)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(jì)算機(jī)4為帶網(wǎng)口的臺(tái)式機(jī)或筆記本計(jì)算機(jī)、波形RAM 3為32Mbyte(字節(jié))SDRAM、型號(hào)為MT48LC32M8A2，以太網(wǎng)MAC+PHY采用AX88 796+RLY8201(10M/100M自適應(yīng))；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(zhuǎn)換器由DA芯片和外圍電路組成，DA轉(zhuǎn)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(nèi)核)；2—以太網(wǎng)；3—波形RAM；4—計(jì)算機(jī)；5—定時(shí)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(zhuǎn)換器；8B—DM轉(zhuǎn)換器；9—晶體；10—電壓功放；11—電流功放

電源工作時(shí)，計(jì)算機(jī) 4把帶紋波的直流波形(包括電壓和電流通道)通過(guò)以太網(wǎng)MAC+PHY 2以及DSPCore 1下載到波形RAM 3上，計(jì)算機(jī)上的帶紋波的直流波形可以由MATLAB(MathWorks公司的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件)工具計(jì)算產(chǎn)生或人工擬合產(chǎn)生，波形也可以由示波器或錄波儀現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際錄波產(chǎn)生，計(jì)算機(jī)4 波形下載到 RAM 3的速率由以太網(wǎng)的速率和DSPCore 20 的速度決定，當(dāng)計(jì)算機(jī)4 把波形全部下載到 RAM 3后，DSP Core 1啟動(dòng) DMA1控制器6A、DMA2控制器6B、自動(dòng)把RAM的波形通過(guò)DMA控制器以及 SPORT1 7A、SPORT2 7B送DA 8A、DA8B、DA把RAM存儲(chǔ)的波形直流轉(zhuǎn)為一個(gè)小模擬量信號(hào)(VIN1和 VIN2)[5]，模擬量VIN1通過(guò)電壓功放 10 輸出帶紋波的直流電壓信號(hào)、模擬量VIN2通過(guò)電流功放 10 輸出帶紋波的直流電流信號(hào)。

可編程時(shí)基(CLK)實(shí)現(xiàn)原理如下。一個(gè)DA轉(zhuǎn)換過(guò)程需要CS高電平至少一個(gè)CLK、D15—D0共 16個(gè) CLK，所以完成一次DA轉(zhuǎn)換最少需要17個(gè)CLK，假如能夠?qū)LK實(shí)現(xiàn)可編程，則可以通過(guò)CLK時(shí)基的改變間接修改紋波的輸出頻率，CLK的改變通過(guò)定時(shí)器Timer 5編程實(shí)現(xiàn)[6-7]。設(shè)在紋波輸出每周波采樣點(diǎn)為N，則有：

(1)

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

f=CLK/17/N

(2)

通過(guò)修改CLK的值可實(shí)現(xiàn)對(duì)紋波的間接頻率控制。CLK由DSP內(nèi)部的32 Bit的定時(shí)器 Timer 5控制，定時(shí)器的輸入為DSP Core 1把晶體 8倍頻為80 MHz，Timer可以在232內(nèi)的任意值進(jìn)行分頻。這樣紋波的輸出頻率情況如下。

(a)當(dāng)輸出高頻紋波時(shí)候，Timer的定時(shí)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(shí)候Timer的定時(shí)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(shí)現(xiàn)超低頻輸出,用于模擬類似緩慢上升的直流信號(hào)。

2 基于嵌入式技術(shù)的電能表計(jì)量芯片

采用基于CS5464的計(jì)量芯片。CS5464是美國(guó)Cirrus Logic公司推出的多功能、高精度電能測(cè)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(shí)，片內(nèi)集成有電能、電壓、電流的計(jì)算和電能脈沖轉(zhuǎn)換功能。基于該芯片的電能表配置靈活、應(yīng)用方便。芯片架構(gòu)如圖2所示。

圖2 CS5464芯片示意圖

該芯片能夠在動(dòng)態(tài)范圍1 000：1內(nèi)線性度為±0.1%，能夠測(cè)量瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率、電壓有效值、電流有效值、功率等參數(shù)，具有電流故障和電壓下跌檢測(cè)、系統(tǒng)校準(zhǔn)、多樣化配置方式等功能，能夠與E2PROM配合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)Auto-boot功能，還能夠提供簡(jiǎn)單的三線數(shù)字串行接口，并且內(nèi)置電源監(jiān)視器[13-14]。

該芯片在工作時(shí)，CS5464的XOUT、XIN為晶振輸入輸出腳，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘，也可以通過(guò)XIN引入外部時(shí)鐘；SCLK為串行通信的時(shí)鐘信號(hào)；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(cè)腳。通過(guò)RMS值利用最近的N(N值放在周期計(jì)數(shù)寄存器中)瞬態(tài)電壓/電流采樣值計(jì)算，這些值可從VRMS和IRMS的寄存器中讀出。計(jì)算式如下：

(3)

(4)

瞬態(tài)電壓、電流的采樣數(shù)據(jù)相乘，得到瞬時(shí)功率。N個(gè)瞬時(shí)功率平均計(jì)算出的平均有功功率PActive用來(lái)驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)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(hào)[16]，或作為PFMON比較器輸出。通過(guò)式(3)、式(4)計(jì)算出來(lái)的VRMS、IRMS相乘得有功功率S，如式(5)，

S=VRMS×VRMS

(5)

通過(guò)上述設(shè)計(jì)后，再設(shè)計(jì)單片機(jī)微處理器。采用超低功耗的16位MCU內(nèi)核、內(nèi)置程序內(nèi)存和數(shù)據(jù)內(nèi)存、優(yōu)秀的EMC性能；外加獨(dú)立的LCD控制器，用電量可以通過(guò)液晶屏顯示出來(lái)，且使用低成本的簡(jiǎn)易工具就可以實(shí)現(xiàn)便捷開發(fā)。同時(shí)，R8C/Tiny還提供了接受遙控器信號(hào)的紅外線輸入/輸出、序列號(hào)輸出和LED驅(qū)動(dòng)端口，使用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際情況靈活選擇。此外，很多型號(hào)還集成了A/D轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、RTC模塊、上電復(fù)位(POR)、低電壓檢測(cè)(LVD)等，非常適合于電能表應(yīng)用[17]。采用的單片機(jī)如圖3所示。

圖3 單片機(jī) R5R0C028FA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

該單片機(jī)MSP430FG4619為美國(guó)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(jī)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(nèi)核的單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)。該芯片既有高功能指令也有高效率指令，并且具有1M字節(jié)的地址空間和高速執(zhí)行指令的能力；具有64K FLASH ROM、1.5K RAM、41個(gè)用戶可配置IO口、4個(gè)定時(shí)器、2個(gè)串行接口、12通道10位AD口，內(nèi)置看門狗定時(shí)器和低速晶振，可接外部晶振[18-19]。

3 應(yīng)用與分析

下面對(duì)上述關(guān)鍵技進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度為22.4 ℃，相對(duì)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(shù)不大于5%。

試驗(yàn)的參比條件如表1所示。

表1 參比條件

在本研究的技術(shù)方案中，通過(guò)DMA模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)電腦 2把帶紋波含量的直流信號(hào)(含畸變或其他的直流錄波信號(hào))通過(guò)低速的網(wǎng)絡(luò)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(dòng)循環(huán)送到D/A完成直流紋波或其他的直流任意波形的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為真實(shí)模擬量輸出。DMA傳輸示意圖如圖4所示。

在圖4中，DA輸出時(shí)序圖如圖5所示。

圖4 DMA傳輸示意圖

圖5 DA輸出時(shí)序圖

由于使用DMA控制器為硬件自動(dòng)控制，不消耗DSPCore的時(shí)間，通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)了高速的波形擬合輸出，并且DMA實(shí)現(xiàn)的時(shí)序波形抖動(dòng)和1 ppm的晶體波形的抖動(dòng)一致，確保DA輸出的的穩(wěn)定度，通過(guò)16 Bit高分辨率D/A時(shí)序高保真輸出，準(zhǔn)確度指標(biāo)可達(dá)到 0.05級(jí)直流功率源準(zhǔn)確度的要求。

然后再將本研究的電源與常規(guī)技術(shù)的sbw系列的直流電源進(jìn)行對(duì)比分析。在試驗(yàn)時(shí)，分別在參比條件下進(jìn)行不少于10次的測(cè)量。采用同樣的三相標(biāo)準(zhǔn)表作為試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)不少于10次，并按式(6)計(jì)算檢驗(yàn)裝置的電能標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值S：

(6)

表2為文獻(xiàn)[1]的裝置測(cè)試數(shù)據(jù)。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

表3為文獻(xiàn)[2]的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表3 測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

表4為本研究裝置的測(cè)試數(shù)據(jù)。

通過(guò)表2～表4觀測(cè)本研究方法與文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法的電能表檢測(cè)的誤差百分比，結(jié)果如圖6所示。

表4 測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

由圖6可知，當(dāng)測(cè)試達(dá)到將近1 h時(shí)，文獻(xiàn)[1]方法電能表檢測(cè)的誤差百分比為12%，文獻(xiàn)[2]方法電能表檢測(cè)的誤差百分比為31%，本研究方法電能表檢測(cè)的誤差百分比為2%；當(dāng)檢測(cè)時(shí)間接近4 h時(shí)，文獻(xiàn)[1]方法電能表檢測(cè)的誤差百分比為28%，文獻(xiàn)[2]方法電能表檢測(cè)的誤差百分比為48%，本研究方法電能表檢測(cè)的誤差百分比為1.9%；當(dāng)檢測(cè)時(shí)間接近7h時(shí)，文獻(xiàn)[1]方法電能表檢測(cè)的誤差百分比為41%，文獻(xiàn)[2]方法電能表檢測(cè)的誤差百分比為62%，本研究方法電能表檢測(cè)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(cè)的誤差百分比對(duì)比

下面對(duì)本研究的穩(wěn)定度進(jìn)行試驗(yàn)，其中的穩(wěn)定度計(jì)算式為

(2)

為驗(yàn)證本研究方法的準(zhǔn)確性高，檢測(cè)時(shí)間為40 s，采樣頻率為22.05 kHz，采用文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法與本研究方法的電量計(jì)量裝置運(yùn)行穩(wěn)定度進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比示意圖如圖7所示。

圖7 3種方法穩(wěn)定度對(duì)比

由圖7可知，當(dāng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)信息量為1 MB時(shí)，文獻(xiàn)[1]方法穩(wěn)定度為21%，文獻(xiàn)[2]方法穩(wěn)定度為51%，本研究方法穩(wěn)定度為89%；當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)量為5 MB時(shí)，文獻(xiàn)[1]方法穩(wěn)定度為42%，文獻(xiàn)[2]方法穩(wěn)定度為72%，本研究方法穩(wěn)定度為95%；當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)量為10 MB時(shí)，文獻(xiàn)[1]方法穩(wěn)定度為42%，文獻(xiàn)[2]方法穩(wěn)定度為69%，本研究方法穩(wěn)定度為94%。由此可見，本研究方法的穩(wěn)定度較高。

然后通過(guò)本研究的控制方法與文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]的控制方法分別進(jìn)行對(duì)比，得出如圖8所示的對(duì)比示意圖。

圖8 電能表計(jì)量精度示意圖

通過(guò)100 h的測(cè)量，以8 000只智能電能表作為最終的測(cè)試個(gè)數(shù)，則隨著電能表數(shù)量的增多，本研究的誤差計(jì)算量最小。

4 總結(jié)

本發(fā)明使用高速DMA和可編程時(shí)基可調(diào)節(jié)原理設(shè)計(jì)了帶紋波輸出的直流標(biāo)準(zhǔn)功率源，克服了以前直流紋波頻率無(wú)法任意設(shè)置的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)低頻紋波到高頻紋波的高準(zhǔn)確度輸出，且可實(shí)現(xiàn)雙極性輸出(正或負(fù)電壓/電流)，可以廣泛應(yīng)用于低速模擬信號(hào)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(hào)的仿真和測(cè)試，并為《GB/T 33708 直流標(biāo)準(zhǔn)表》的紋波影響量測(cè)試提供測(cè)試手段和測(cè)試工具。本研究為下一步技術(shù)的研究奠定基礎(chǔ)。