楊春鳳， 張紹旺， 付昆鵬， 李亞娟， 曾舒帆， 龔 榕

(云南省計量測試技術(shù)研究院，云南 昆明 650228)

0 引 言

在當(dāng)今節(jié)能降耗大環(huán)境的影響下，電能計量變得極為重要。在電能計量中，研究設(shè)備的能效方法、制定相關(guān)的檢測標(biāo)準(zhǔn)、研制在線測試裝置，是現(xiàn)在國內(nèi)外電能檢測研究的重點和熱點[1]。在當(dāng)前多功能電能現(xiàn)場計量領(lǐng)域中，國內(nèi)市場上多功能標(biāo)準(zhǔn)表的種類有限，許卓等[2-4]研制了便攜式電能檢測裝置，但多是針對部分應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計的，不能同時具備幾項指標(biāo)，不適于普遍使用[5]。智能電能的發(fā)展及相關(guān)資料[6-7]中介紹了當(dāng)前國內(nèi)最具進(jìn)代表性的現(xiàn)場檢測系統(tǒng)，如深圳思達(dá)的型號為ST001D5的多功能電能表校驗裝置、深圳科陸電子的CL9305-1型及海鹽電力的HY3000型產(chǎn)品等。這些產(chǎn)品雖功能齊全，但體積大、質(zhì)量重、不易搬動，不利于現(xiàn)場環(huán)境下使用。國外計量動態(tài)[8]以及計量大事件[6]中提到，如ZERA公司、美國Fluke公司和Radian公司都研制出了高準(zhǔn)確度等級、性能極優(yōu)的滿足本文所研究檢測裝置系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的此類產(chǎn)品設(shè)備，最具有代表性的是Radian公司的RD33多功能標(biāo)準(zhǔn)電能表。但這些國外產(chǎn)品售價高、容易損壞、修理費用高、修理周期長，不利于現(xiàn)場環(huán)境下使用。本文根據(jù)上述各系統(tǒng)裝置不適用于現(xiàn)場的特點，研制了便攜式單相多功能電能表檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)測量準(zhǔn)確、可靠，具有超強保護裝置以及便攜式的設(shè)計，更有利于現(xiàn)場各種環(huán)境下使用。

1 系統(tǒng)工作原理及其構(gòu)成

電能是功率在時間上的積累，其表達(dá)式為

式中：p——功率，W；

t——時間，s。

傳統(tǒng)電能計量采用瓦?秒法[9]，但隨著科技發(fā)展，當(dāng)今電能檢測中采用更可靠的秒脈沖智能控制技術(shù)。在該檢測系統(tǒng)的設(shè)計中，采用智能芯片控制技術(shù)，主要由CPU控制輸出諧波信號，該信號經(jīng)過數(shù)字合成、D/A轉(zhuǎn)換等一系列處理得到所需的電壓、電流信號，將其輸出給被檢表。高準(zhǔn)確度GPS時間或高穩(wěn)定度恒溫晶振提供秒脈沖信號，所有輸出信號及測量結(jié)果由多功能檢測模塊來處理和實現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

為使所研制的檢測系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期理想效果，滿足圖1的工作原理，需進(jìn)行整體設(shè)計。技術(shù)指標(biāo)是整個系統(tǒng)研制的中心方向，系統(tǒng)功能是整個系統(tǒng)能穩(wěn)定運行的根本，因此在進(jìn)行具體設(shè)計前必須確定系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)、功能模塊。

2.1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計

依據(jù)計量標(biāo)準(zhǔn)及國家對標(biāo)準(zhǔn)裝置的有關(guān)規(guī)定和要求[10-11]，結(jié)合現(xiàn)場使用條件，通過分析評定后設(shè)計出所研制檢測系統(tǒng)須滿足下列技術(shù)指標(biāo)：

1）準(zhǔn)確度等級：0.1級；

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2）輸出范圍：電流0～50 A，電壓0～400 V；

3）測量范圍：電流0～50 A，電壓0～400 V；

4）諧波輸出：2～21次諧波輸出；

5）時鐘標(biāo)準(zhǔn)：秒信號誤差≤10 μs；

6）體積大?。簝x器體積約為500 mm×20 mm×500 mm，質(zhì)量約小于10 kg。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

所研制檢測系統(tǒng)在滿足上述技術(shù)指標(biāo)的同時，為確保在設(shè)計、制作、使用和銷售各環(huán)節(jié)的合理性，必須確定其功能。

一套完整的電能檢測系統(tǒng)應(yīng)該包括：有源輸出、有顯示儀表、誤差檢測處理功能，相對應(yīng)的3個模塊為：功率源、標(biāo)準(zhǔn)表、多功能檢測模塊。因此，該檢測系統(tǒng)由獨立的功率源、標(biāo)準(zhǔn)表、多功能檢測模塊相互協(xié)調(diào)一致構(gòu)成。由于多功能檢測的所有參數(shù)與時間有關(guān)，所以該模塊中應(yīng)設(shè)計有時間標(biāo)準(zhǔn)。本文將分別按不同功能模塊進(jìn)行分析研制。

3 具體硬件設(shè)計原理及技術(shù)方案

3.1 功率源的設(shè)計及技術(shù)方案

功率源的設(shè)計采用諧波輸出信號的原理，輸出的諧波信號采用數(shù)字波形合成技術(shù) 。

基波的數(shù)學(xué)模型為

由式（2）可知，將基波的一個周期波形離散為3 600個數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)占一個字節(jié)，共占用3 600個存儲單元。將相應(yīng)諧波以2πN/3 600為參數(shù)離散，離散成3 600個數(shù)據(jù)點。然后將基波數(shù)據(jù)與諧波數(shù)據(jù)相疊加，得到新數(shù)據(jù)后送入RAM中供生成波形。

功率源需輸出50Hz的工頻信號，故將以3 600×50=180 kHz的掃描頻率掃描RAM。然后將RAM輸出8位的數(shù)字信號通過8位的D/A芯片DAC0832進(jìn)行數(shù)模變換，得到量化的階梯形正弦波輸出。經(jīng)低通/帶通濾波器濾除高頻分量后，經(jīng)過前置放大和功放最終形成平滑的、具有一定驅(qū)動能力的信號。再通過變壓器或電流發(fā)生器生成對應(yīng)工頻或有諧波疊加的電壓、電流信號 。設(shè)置、調(diào)節(jié)等數(shù)字化信息由CPU送到波形發(fā)生電路的對應(yīng)部分以實現(xiàn)電源的控制，輸出信號的幅值由D/A環(huán)節(jié)的基準(zhǔn)電壓Uref決定，通過D/A環(huán)節(jié)的基準(zhǔn)電壓Uref信號合并到波形發(fā)生電路的D/A變換器中后再一起進(jìn)行放大處理。變頻由信號脈沖發(fā)生器中的脈沖頻率控制，相位由波形計數(shù)器中的清零時間間隔來調(diào)節(jié)。其功率源設(shè)計原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 功率源設(shè)計原理結(jié)構(gòu)圖

3.2 標(biāo)準(zhǔn)表的設(shè)計及技術(shù)方案

標(biāo)準(zhǔn)表由信號輸入A/D轉(zhuǎn)換部分和裝置硬件控制系統(tǒng)組成，運用DSP作為主要芯片來進(jìn)行信號乘法累加及誤差處理。信號輸入A/D轉(zhuǎn)換部分：模擬分壓器與電流互感器通過輸入控制電路輸入電壓、電流信號，經(jīng)18位A/D轉(zhuǎn)換輸入到DSP處理器，其中基準(zhǔn)電壓電路為A/D提供參考電壓，時序控制電路控制A/D采樣頻率。裝置硬件控制系統(tǒng)部分：被測脈沖信號輸入到DSP處理器中。被輸入到DSP處理器中的被測信號與標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行分析比較，通過編寫好的算法實現(xiàn)所有分析功能，之后將運算結(jié)果發(fā)送至液晶顯示以及上位機顯示。為方便被檢測，標(biāo)準(zhǔn)表還設(shè)計有頻率合成、脈沖輸出功能，所有硬件由DSP處理器控制。標(biāo)準(zhǔn)表的基本原理框圖如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)表的基本原理框圖

3.3 多功能檢測模塊的設(shè)計及技術(shù)方案

多功能檢測模塊主要采用MCU來運作。MUC把CPU、計數(shù)器、存儲器（RAM或ROM）以及I/O端口集成在一塊芯片上。在有硬件電路回路的前提下，把需處理的數(shù)據(jù)、操作指令、計算方法以及步驟等按要求編寫成程序，將其存放在MUC內(nèi)部或外部的存儲器中。在運行時自動連續(xù)地讀取存儲器中的數(shù)據(jù)，并且按操作指令進(jìn)行執(zhí)行。時間標(biāo)準(zhǔn)采用GPS高準(zhǔn)確度時間標(biāo)準(zhǔn)為主標(biāo)準(zhǔn)，高穩(wěn)定度恒溫晶體振蕩器時間為副標(biāo)準(zhǔn)[12]。時間雙標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計既能保證時間的準(zhǔn)確性，又能保證現(xiàn)場無GPS信號等各種環(huán)境下使用時的準(zhǔn)確性、可靠性。

多功能檢測模塊采用輪詢檢測的技術(shù)方案。設(shè)定3塊被檢表的地址，選擇需要檢測的功能，通過檢測程序選擇所須檢測功能并發(fā)送指令到每塊被檢表，指令發(fā)送成功與否將會有回饋處理，如果成功直接進(jìn)入下一塊，如果不成功，將有提示后進(jìn)入下一塊······，直到最后一塊被檢表。如果所有項目檢測完，則提示完畢并結(jié)束檢測；如果還需檢測其他功能參數(shù)，又將回到第一塊被檢表，以輪詢的方式對被檢表進(jìn)行檢測。

多功能檢測模塊獨立完成檢測時，需制作一個分辨率為2×10–6的信號源。當(dāng)MCU接收到多功能電能表給它發(fā)出的一個脈沖信號后，MUC就開啟計數(shù)功能，計數(shù)停止到下一個脈沖信號發(fā)出時，由此，MCU便可測得所發(fā)兩個連續(xù)脈沖間的時間差。多功能電能表除了能統(tǒng)計一個單位時段的電能誤差、功率因素等參數(shù)外，還能對瞬時耗電的所有參數(shù)（如瞬時電壓/電流幅值、相應(yīng)頻率、相位、功率因素、時間計量誤差等）進(jìn)行統(tǒng)計計量。所以有了時間差的計數(shù)便可得到檢測時段投切、需量周期以及日計時誤差等多功能參數(shù)，從而采用此方法可實現(xiàn)檢測多功能電能表的功能。

4 系統(tǒng)測試驗證及測試方案

為確保研制成果的可行性和可靠性，對所研制的檢測系統(tǒng)進(jìn)行測試，驗證是否符合國家的相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求[10-11]，滿足研制前設(shè)計的技術(shù)參數(shù)及計量性能等。

4.1 測試方案

測試驗證采用標(biāo)準(zhǔn)器具為2003三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表、準(zhǔn)確度等級為0.02級的電能標(biāo)準(zhǔn)表，以及輔助標(biāo)準(zhǔn)器RD33多功能標(biāo)準(zhǔn)表、CL317多功能標(biāo)準(zhǔn)表、6100B電能質(zhì)量分析裝置，采用直接測量方法，把被測試檢測系統(tǒng)的讀數(shù)值（測試值）與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行直接比較，從而得到檢測系統(tǒng)的誤差范圍。

4.2 測試驗證與測試數(shù)據(jù)

根據(jù)相關(guān)的規(guī)范規(guī)程[10-11，13-15]及測量時全面覆蓋校驗儀的各參數(shù)，盡量覆蓋各參數(shù)量程[4]的要求，需對所研制檢測系統(tǒng)的各項指標(biāo)（監(jiān)視示值、有功功率、功率穩(wěn)定度、失真度、電壓諧波、電流諧波、秒脈沖）進(jìn)行測試驗證。本文采用分別對每個功能指標(biāo)分析測試驗證總結(jié)，最后以表格比對的方法對整個系統(tǒng)的所有功能指標(biāo)與所設(shè)計的技術(shù)參數(shù)對比總結(jié)。按設(shè)計要求，其中功率示值誤差、功率穩(wěn)定度、時間準(zhǔn)確度、監(jiān)視示值的所有參數(shù)（電流、電壓、功率、相位）顯示誤差考核均應(yīng)小于0.1%，失真度應(yīng)小于0.2%。按此要求分別對每個參數(shù)進(jìn)行測試驗證總結(jié)，其具體結(jié)果如表1～表9所示。

由表1～表9測量數(shù)據(jù)分析可得，有功功率誤差、監(jiān)視示值誤差、模塊功率穩(wěn)定度小于0.1%，模塊失真度小于0.2%；該系統(tǒng)可穩(wěn)定輸出2～21次電壓、電流諧波；1PPS輸出條件下，開機30 min頻率準(zhǔn)確度為1.0×10–6，本次測量結(jié)果不確定度為U=5.8×10–7，k=2。

4.3 小 結(jié)

總結(jié)表1～表9所有試驗結(jié)果與所設(shè)計的技術(shù)功能、指標(biāo)進(jìn)行比較，驗證該檢測系統(tǒng)的可靠性、可行性，是否滿足設(shè)計要求，具體如表10所示。

由表可知，該檢測系統(tǒng)所有功能參數(shù)經(jīng)過試驗驗證，均滿足設(shè)計的要求。

5 結(jié)束語

經(jīng)測試驗證，該檢測系統(tǒng)各項指標(biāo)的準(zhǔn)確度達(dá)到了0.1%（0.1級）的設(shè)計要求，其測量能力較好，可以作為0.1級檢測單相多功能電能表的標(biāo)準(zhǔn)裝置。由于是便攜式的設(shè)計，因此該檢測系統(tǒng)既可以作為實驗室的標(biāo)準(zhǔn)裝置，又可以作為現(xiàn)場單相多功能電能表的檢測裝置。

表1 功率測試數(shù)據(jù)

表2 電壓/電流諧波測試數(shù)據(jù)

表3 電流監(jiān)視測試數(shù)據(jù)

表4 電壓監(jiān)視測試數(shù)據(jù)

表5 功率監(jiān)視測試數(shù)據(jù)

表6 相位測試數(shù)據(jù)

表7 失真度測試數(shù)據(jù)

表8 功率穩(wěn)定度測試數(shù)據(jù)

表9 時間測試數(shù)據(jù)

表10 設(shè)計要求及實際成品結(jié)果比較