实验室环境下实现直流电能表检定的关键技术设计

黄建钟， 李银银

(1.深圳市星龙科技股份有限公司，广东, 深圳 518052；2.襄阳市公共检验检测中心，湖北, 襄阳 441000)

0 引言

直流电能表检定装置包括电能测量标准器、具体而言有标准电能表、功率表、电能变换器或电能测量电路、量限扩展电路、电参量监视电路(或仪表)等。在电能表检定装置中，直流电流源发挥着至关重要的作用，如何在实验室环境内对电能表进行检定，需要对其关键技术进行研究。文献[1]研究了一种多表位直流电能表自动检定装置，该技术方案采用标准表法误差计算公式实现了多表位直流电能表自动检定，虽然也能够实现电能表的检定，但是该检定采用误差计算公式，其使用的电源部分精度比较低。文献[2]研究了一种采用标准表法的多表位直流电能表校验装置，该方法采用标准表作为标准参数，通过直流的方法进行校验，该方法虽然也能够实现电能表的校验，但是对于电能表的计量器件并未说明。

针对上述技术的不足，本研究讨论了电能表直流检定过程中的关键技术。

1 直流标准源设计

电能表在实现检定时，离不开直流电源。本研究的电源为基于DMA及时基可编程的可叠加任意纹波的直流标准源(图1)，在结构上包括DSP Core(内核)、以太网、波形RAM、计算机、定时器、DMA控制器 6A、DMA控制器 6B组成，还包括SPORT1 7A(同步串行通信)、SPORT1 7B(同步串行通信)、DA转换器 8A、DM转换器 8B、晶体 9、电压功放 10、电流功放 11等[3]。在图1中，晶体9为 1 ppm的10M的有源晶体，计算机4为带网口的台式机或笔记本计算机、波形RAM 3为32Mbyte(字节)SDRAM、型号为MT48LC32M8A2，以太网MAC+PHY采用AX88 796+RLY8201(10M/100M自适应)；DSP Core 1、DMA1控制器 6A、DMA2控制器6B、Timer 5、SPORT 1 7A、SPORT 1 7B为 DSP芯片ADSP-BF533 的片上资源；DA转换器由DA芯片和外围电路组成，DA转换器由AD5543 U8_2、REF102 U8_1、AD8620 U8_3、AD8620、U8_4组成[4]；电压功放由电压功放芯片和外围电路组成，电压功放由高压放大器 3483 U10和比例电阻R1和R2组成。电流功放由电压功放芯片和外围电路组成，电流功放由放大器 OPA548 U11和电阻R1、R2、R3、R4、R5组成。

1—DSP Core(内核)；2—以太网；3—波形RAM；4—计算机；5—定时器；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转换器；8B—DM转换器；9—晶体；10—电压功放；11—电流功放

电源工作时，计算机 4把带纹波的直流波形(包括电压和电流通道)通过以太网MAC+PHY 2以及DSPCore 1下载到波形RAM 3上，计算机上的带纹波的直流波形可以由MATLAB(MathWorks公司的商业数学软件)工具计算产生或人工拟合产生，波形也可以由示波器或录波仪现场实际录波产生，计算机4 波形下载到 RAM 3的速率由以太网的速率和DSPCore 20 的速度决定，当计算机4 把波形全部下载到 RAM 3后，DSP Core 1启动 DMA1控制器6A、DMA2控制器6B、自动把RAM的波形通过DMA控制器以及 SPORT1 7A、SPORT2 7B送DA 8A、DA8B、DA把RAM存储的波形直流转为一个小模拟量信号(VIN1和 VIN2)[5]，模拟量VIN1通过电压功放 10 输出带纹波的直流电压信号、模拟量VIN2通过电流功放 10 输出带纹波的直流电流信号。

可编程时基(CLK)实现原理如下。一个DA转换过程需要CS高电平至少一个CLK、D15—D0共 16个 CLK，所以完成一次DA转换最少需要17个CLK，假如能够对CLK实现可编程，则可以通过CLK时基的改变间接修改纹波的输出频率，CLK的改变通过定时器Timer 5编程实现[6-7]。设在纹波输出每周波采样点为N，则有：

(1)

式中，A为幅值，N为纹波一个周期的捏合点数，i为拟合序列点，φ为初始相位。所以纹波输出的频率为

f=CLK/17/N

(2)

通过修改CLK的值可实现对纹波的间接频率控制。CLK由DSP内部的32 Bit的定时器 Timer 5控制，定时器的输入为DSP Core 1把晶体 8倍频为80 MHz，Timer可以在232内的任意值进行分频。这样纹波的输出频率情况如下。

(a)当输出高频纹波时候，Timer的定时器最大分频为2。输出40 MHz，为了波形保真度取最小拟合N为100。如式(2)，f=CLK/17/N=40M/17/100=23.5 kHz[8-9]。

(b)输出低频纹波时候Timer的定时器最大分频为232。输出0.001 8 Hz, 其中N最大可取8M(由RAM的大小确定)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，可实现超低频输出,用于模拟类似缓慢上升的直流信号。

2 基于嵌入式技术的电能表计量芯片

采用基于CS5464的计量芯片。CS5464是美国Cirrus Logic公司推出的多功能、高精度电能测量集成芯片。CS5464采用CMOS制造工艺，低功耗，集成度高，组成电能表所需的外围器件少[10-12]。同时，片内集成有电能、电压、电流的计算和电能脉冲转换功能。基于该芯片的电能表配置灵活、应用方便。芯片架构如图2所示。

图2 CS5464芯片示意图

该芯片能够在动态范围1 000：1内线性度为±0.1%，能够测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率、电压有效值、电流有效值、功率等参数，具有电流故障和电压下跌检测、系统校准、多样化配置方式等功能，能够与E2PROM配合实现系统Auto-boot功能，还能够提供简单的三线数字串行接口，并且内置电源监视器[13-14]。

该芯片在工作时，CS5464的XOUT、XIN为晶振输入输出脚，为系统提供时钟，也可以通过XIN引入外部时钟；SCLK为串行通信的时钟信号；SDO、SDI为串行通信的输出输入脚；VIN+、VIN-为电压通道的输入引脚；IIN+、IIN-为电流通道的输入引脚[15]；PFMON为电压下降检测脚。通过RMS值利用最近的N(N值放在周期计数寄存器中)瞬态电压/电流采样值计算，这些值可从VRMS和IRMS的寄存器中读出。计算式如下：

(3)

(4)

瞬态电压、电流的采样数据相乘，得到瞬时功率。N个瞬时功率平均计算出的平均有功功率PActive用来驱动电能脉冲E1输出。电能输出E2是可选的，可指示电能方向，在交流电能表设计中也可以输出与视在功率S成正比的脉冲。E3还表示为电压通道的电压符号[16]，或作为PFMON比较器输出。通过式(3)、式(4)计算出来的VRMS、IRMS相乘得有功功率S，如式(5)，

S=VRMS×VRMS

(5)

通过上述设计后，再设计单片机微处理器。采用超低功耗的16位MCU内核、内置程序内存和数据内存、优秀的EMC性能；外加独立的LCD控制器，用电量可以通过液晶屏显示出来，且使用低成本的简易工具就可以实现便捷开发。同时，R8C/Tiny还提供了接受遥控器信号的红外线输入/输出、序列号输出和LED驱动端口，使用户可以根据自己的实际情况灵活选择。此外，很多型号还集成了A/D转换器、A/D转换器、D/A转换器、RTC模块、上电复位(POR)、低电压检测(LVD)等，非常适合于电能表应用[17]。采用的单片机如图3所示。

图3 单片机 R5R0C028FA内部结构图

该单片机MSP430FG4619为美国德州仪器(TI)公司推出的16为超低功耗、高性能MSP430系列单片机之一，R5R0C028为单相智能电能表常用MCU。它是采用高性能硅栅CMOS工艺以及搭载R8C/Tiny系列CPU内核的单片机微型计算机。该芯片既有高功能指令也有高效率指令，并且具有1M字节的地址空间和高速执行指令的能力；具有64K FLASH ROM、1.5K RAM、41个用户可配置IO口、4个定时器、2个串行接口、12通道10位AD口，内置看门狗定时器和低速晶振，可接外部晶振[18-19]。

3 应用与分析

下面对上述关键技进行验证。实验的环境温度为22.4 ℃，相对湿度为70%，供电电源为电压220 V[20]，频率为50±0.5 Hz，波形畸变系数不大于5%。

试验的参比条件如表1所示。

表1 参比条件

在本研究的技术方案中，通过DMA模块实现数据传输，通过电脑 2把带纹波含量的直流信号(含畸变或其他的直流录波信号)通过低速的网络接口送到RAM 1。后利用SPORT的高速DMA控制器把RAM 3的波形自动循环送到D/A完成直流纹波或其他的直流任意波形的数字量转换为真实模拟量输出。DMA传输示意图如图4所示。

在图4中，DA输出时序图如图5所示。

图4 DMA传输示意图

图5 DA输出时序图

由于使用DMA控制器为硬件自动控制，不消耗DSPCore的时间，通过硬件实现了高速的波形拟合输出，并且DMA实现的时序波形抖动和1 ppm的晶体波形的抖动一致，确保DA输出的的稳定度，通过16 Bit高分辨率D/A时序高保真输出，准确度指标可达到 0.05级直流功率源准确度的要求。

然后再将本研究的电源与常规技术的sbw系列的直流电源进行对比分析。在试验时，分别在参比条件下进行不少于10次的测量。采用同样的三相标准表作为试验对象，试验的重复次数不少于10次，并按式(6)计算检验装置的电能标准差估计值S：

(6)

表2为文献[1]的装置测试数据。

表2 测试数据记录表

表3为文献[2]的测试数据。

表3 测试数据记录表

表4为本研究装置的测试数据。

通过表2～表4观测本研究方法与文献[1]、文献[2]方法的电能表检测的误差百分比，结果如图6所示。

表4 测试数据记录表

由图6可知，当测试达到将近1 h时，文献[1]方法电能表检测的误差百分比为12%，文献[2]方法电能表检测的误差百分比为31%，本研究方法电能表检测的误差百分比为2%；当检测时间接近4 h时，文献[1]方法电能表检测的误差百分比为28%，文献[2]方法电能表检测的误差百分比为48%，本研究方法电能表检测的误差百分比为1.9%；当检测时间接近7h时，文献[1]方法电能表检测的误差百分比为41%，文献[2]方法电能表检测的误差百分比为62%，本研究方法电能表检测的误差百分比为2.9%。由此可知，本研究方法误差较低。

图6 3种方法的电能表检测的误差百分比对比

下面对本研究的稳定度进行试验，其中的稳定度计算式为

(2)

为验证本研究方法的准确性高，检测时间为40 s，采样频率为22.05 kHz，采用文献[1]、文献[2]方法与本研究方法的电量计量装置运行稳定度进行对比分析，对比示意图如图7所示。

图7 3种方法稳定度对比

由图7可知，当检测的数据信息量为1 MB时，文献[1]方法稳定度为21%，文献[2]方法稳定度为51%，本研究方法稳定度为89%；当检测到的数据量为5 MB时，文献[1]方法稳定度为42%，文献[2]方法稳定度为72%，本研究方法稳定度为95%；当检测到的数据量为10 MB时，文献[1]方法稳定度为42%，文献[2]方法稳定度为69%，本研究方法稳定度为94%。由此可见，本研究方法的稳定度较高。

然后通过本研究的控制方法与文献[1]和文献[2]的控制方法分别进行对比，得出如图8所示的对比示意图。

图8 电能表计量精度示意图

通过100 h的测量，以8 000只智能电能表作为最终的测试个数，则随着电能表数量的增多，本研究的误差计算量最小。

4 总结

本发明使用高速DMA和可编程时基可调节原理设计了带纹波输出的直流标准功率源，克服了以前直流纹波频率无法任意设置的缺点，可实现低频纹波到高频纹波的高准确度输出，且可实现双极性输出(正或负电压/电流)，可以广泛应用于低速模拟信号的仿真，包括PLC控制的模拟量输出，以及光伏逆变器输出等直流带纹波信号的仿真和测试，并为《GB/T 33708 直流标准表》的纹波影响量测试提供测试手段和测试工具。本研究为下一步技术的研究奠定基础。