分析冲击负荷电能表的电流采样方法

李佳潞

引言：电能的测量通常采用常规的测量方法，但是对于一些特殊环境中的点才能测量再采用常规的方法时可能会出现问题。针对宽量程电能表常用的量程切换机制所产生的误差，我们采用仿真计算分析了其产生原因，并针对冲击负荷电能表提出了一种新的电流采样方法。此方法运用多调理采样支路并列运行的方式，消除了常规量程机制采样过程中所产生的误差。通过此方法实现了冲击负荷电能表的正确采样。因此运用此方法能够帮助冲击负荷电能表的设计。

一、冲击性负荷的运行特征

冲击性负荷是一种不平稳负荷，在其运行过程中表现出剧烈、随机、频繁变化的特性，在其工作过程中还会受到大量电子设备的谐波干扰。总体来说，冲击性负荷的运行过程中主要表现出一下几点特征。

1、冲击负荷的非线性运行特征。冲击性负荷运行过程中会受到同时运行的诸多电子设备所产生的谐波影响，增加谐波电流的量，进而加大谐波县衙和总畸变率，产生严重的三相不平衡现象，导致电能质量超过标准的平衡度。

2、冲击负荷的随机变化特征。冲击性负荷的波动较大，从时间轴上来观看冲击负荷具有随机变化的特征。

二、宽量程电能表的电流采样

宽量程电能表中电流的采样功能模块主要是由A/D 转换器和其前后向处理功能模块实现。前向处理功能主要用来处理模拟信号，主要表现在量程控制、低通滤波等功能电路，后处理功能模块主要是处理A/D 转换器转换后的数字信号。一个n为的A/D 转换器其理想中的信噪比应达到（6.02n+1.76）dB。当n的数值增大时，其信噪比也会随之增加，当n的值一定时，拥有良好的前后向处理功能，能够提供较高水平的A/D 转换器信噪比。

安装式电能表中使用的是Σ-Δ型A/D 转换器，这一类型的转换器是通过后巷功能模块对数字信号的处理来提高其信噪比的水平。Σ-Δ型A/D 转换器主要特征是利用数字处理，促进集成。此类型的转换器能够在混合信号大规模的集成电路上实现ADC和后向处理功能模块的耳机和，并依此降低外围线路安装的复杂程度，因此，此类转换器适用于安装式电能表。但是，在实际的应用党总由于Σ-Δ型A/D 转换器的响应速度和线性度指标不能够完全符合要求，因此在标准电表中很少使用此类型的转换器。

目前，在测试标准电能表的线性度是通常采用的是量程切换方法。采用此方法在负载电流宽范围内快速波动的运行当中，经不可避免的出现电流采样误差。下面我们通过仿真计算做出具体分析。

假设某电能表中由4各电流量程，他们的量程范围分别是0～0.625 A、0.625～1.25 A、1.25～2.5A、2.5～5A，各量程设置的通道增加按照从低到高的顺序依次减半。电能表中电流量程是由电流的有效值据顶的。当计算所得的有效值高于目前量程的上限时，则输入电流的通道增益就偏大，信号波峰在通道幅值的限制下而产生采样误差；若是有效值过低时，量程通道中的增益不足，转换器的信噪比过小，进而影响到电流采样精度。

这里我们在进行仿真计算时采用的有效值为57.7V的常规电压信号、幅值线性增大的电流信号，功率因素取1，则得出的电力信号计算公式为：

（k：幅值变化系数；f：信号频率；t：时间）

这里选用的f值为50Hz，k为21.33，采样时我们假定采样速率为128点/周波，可求得第k个周波的電能为：

（ 、 采样转换后的电压、电流数据， 、 转换系数，T工作周期）

若 、 分别是采样时对应的输出电压、电流瞬时值，由此可得

取T=20ms 可得

则第k各周波的电流有效值计算公式为：

通过上述仿真计算我们可知采用量程切换机制产生差异的原因是，同一时段的采样数据即用于量程判断，又用于电能计算。因为电能表无法提前预测电流的白哪壶，因此在进行量程判断计算时，前一段的存在误差的采样数据被应用到计算中，因此计算所得的数据误差功能大。

三、冲击负荷电能表的电流采样方法

在现行带能表检定条件下无法表现出量程切换过程中所产生的误差。因为在现行的规定中，只有等到输出电压电流信号稳定后才能够对测量误差进行检测，此时检测表彰的量程已经切换完成。为了在宽范围快速波动的环境中测得准确的计量，同时改善电能表的动态性能，需要对上述电流采样方案进行改善。下面我们将提出一种冲击负荷电能表中电流采样方法。图1所示为此方法电流采样部分的结构图，和该采样部分在电能表中的连接。

图1 冲击式电流采样部分结构图

此方法中的各相电流通道均有电流变换器和电流采样两部分组成，采样部分设计为N调理采样支路并列运行方式。在采样支路中包含A/D转换器和信号调理，而A/D转换器结果数据都需要送计量单元的DSP 或MCU，在此期间由由CPLD编程实现组合逻辑的电路。

调理采样支路在工作时首先运用缓冲器对小电压信号进行调理，以消除输出阻抗的影响，然后送放大器对信号进行方法处理并送至低通滤波进行抗混叠处理，最后进A/D转换器获取需要的数据。此阿勇调理采样支路能够保证数据的有效性。

四、结束语

对电能表数据进行采样时，一般采用采用规的量程切换机制，但是当处于特殊环境中时采用常规的量程切换机制测量所得的数据存在较大的误差。冲击性负荷就是一种特殊工作环境，针对冲击性负荷电能表，为了保证电流采样数据的正确本文给出了一种调理采样支路的方法进行电流采样，采样后的数据结构都会送至DSP 或MCU进行赛选，以获取有效的数据。针对安装式电能表尽可能选用Σ-Δ型A/D 转换器，以减少调理采样支路的数量，降低硬件的复杂度。

参考文献

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[3]广东雅达电子股份有限公司. 一种宽量程的单相电能表的计量方法[P]. 中国： 201010581522，2010-12-06.

（作者单位：国网辽宁省电力有限公司营口供电公司）