基于0.02级安装式标准电能表的设计与应用

摘 要

基于目前电能表发展的状况，提出了高精度、小体积、低功耗标准表的理念，采用精密电阻和精密电流互感器进行采样，应用外部精密基准电压源ADR421搭配16位6通道A/D进行同步模数转换，数字处理部分采用高性能、超低功耗DSP，具有高精度、低漂移、低噪声等特性。产品运算准确并且能够实时测量，最后给出了主要的应用。

【关键词】高精度 精密电阻 模数转换 数字处理

随着市场经济的发展和电力体制的改革，形成了电能计量装置集中检验、统一配送的新型管理模式，对电能计量装置的检定速度提出了更高的要求。由于传统的电能表标准装置在检定电能表过程中存在着大量重复、机械性的工作，劳动强度高，效率受到制约。而目前一种电能表检定自动化流水线标准装置，则改变了大量重复、机械性的工作模式，全面提高检定/检测工作效率和质量，降低劳动强度，实现了电气连接的可靠性和安全性。将逐步取代传统的电能表标准装置成为市场的主流。面对电能表检定自动化流水线标准装置，定期对装置依据JJG597-2005检定规程进行检定和考核也是一项极具挑战性的工作。本文研究一种0.02级安装式标准电能表实现对单、三相流水线标准表自动化流水线以及电能表试验装置进行的校准和实现。

1 整体设计方案

采样以最先进的DSP数字技术为设计原理，通过“交流数字采集，计算机数字处理”实现了电能的实时测量，电压、电流输出分别经电阻分压取样和电流互感器取样变成小信号后，由16位A/D进行同步模数数据转换，送至DSP处理，DSP做实时U、I运算，求出实际功率值P，由P控制频率发生器产生比例于P的高频脉冲输出，该脉冲为电能高脉冲，由分频器分频得电能低脉冲，高、低频电能脉冲输出到接口。测量P的同时，DSP还完成电压、电流真有效值相位、频率等的测量，测量值由ARM芯片处理，实现液晶显示和按键设置功能。通过RS485接口将测量值传送给自动化校表流水线。同时测量数据通过无线通信模块传送给现场工作站，实现适时、远程监控及远程检定。原理图如图1所示。

1.1 高精度电压源

本文采用高精度电压源满足电能表的供电需求，其型号为ADR421，ADR421作为一种超精密的基准电压源，具有噪音低、精度高、稳定性好的特性，其封装形式为SOIC、MSOP。该高精度电压源利用温度漂移曲率校正专利技术和XFET技术能够使电压随温度变化的非线性度降至最小。XFET架构能够为带隙基准电压源提供出色的精度和热滞性能。与嵌入式齐纳二极管基准电压源相比，还能以更低的功耗和更小的电源裕量工作。在本文中的设计中，能有效地在±0.5%范围内调整输出电压，其它性能则不受影响。其额定温度范围为−40°C至+125°C，在较大的范围内满足了电能表的应用和需求。

1.2 16位6通道A/D

A/D转换作为设计电能表关键的技术之一，其采用AD7606-6芯片进行转换，该芯片为16位、6通道同步采样模数数据采集系统（DAS），转换速度较快，能够快速地将检测到的电压或电流信号（模拟量）转换成计算机能够识别的等效数字量。

该器件内置模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型ADC、灵活的数字滤波器、2.5V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口，安全性能较高，准确度好。处理范围大，可以处理±10V和±5V真双极性输入信号，速率高，所有通道能够够同时、同步进行，速率达200 kSPS。输入箝位保护电路耐高压程度高，能够满足最高达±16.5V的高压，无论以何种采样频率工作，AD7606的模拟输入阻抗均为1 MΩ。它采用单电源工作方式，具有片内滤波和高输入阻抗，因此无需驱动运算放大器和外部双极性电源。抗混叠滤波器的3 dB截止频率为22 kHz；当采样速率为200 ksps时，它具有40 dB抗混叠抑制特性。具有灵活的数字滤波器采用引脚驱动，可以改善信噪比（SNR），并降低3 dB带宽。在本设计中，其优越的特性是电能表能够实现高精度输出起着至关重要的作用。

1.3 DSP数字技术

DSP数字处理技术作为电能表的核心技术，能够以数字的形式显示电能表的电压、电流、功率、相位等各种参数，其采用德州仪器 （TI） TMS320C2834x系列进行电能表的设计，该器件工作频率高，频率可高达300MHz，其高度集成了516kB单周期存取RAM存储器、高分辨率脉宽调制输出（PWM）、32位QEP模块以及其它控制导向型特性的Delfino浮点控制器，其在本设计中数字处理过程中，灵活性好，运行快，精度高，抗干扰能力强，能够提供高性能、高浮点精度，在0.02级电能表的设计中起着举足轻重的作用。

2 主要应用

0.02级安装式标准电能表具有可安装的功能，可用在电能表自动化检定系统以及电能表检定装置上，用于检验电能表自动化检定系统及装置的误差、校验普通电能表检定装置误差、及时发现检定系统误差变化、真实反映各表位误差具有动态核对功能，能够实现多路输出一致性检验，能够提高检定工作效率。

3 结束语

文中提出了0.02级高精度安装式电能表的设计，电能表准确度高，稳定性好，量程宽，是最新研制的符合市场需求的智能化、数字化仪表，实用性强，精度高，能够作为电能表计量的标准用于到电测行业、计量部门、电能表生产厂家等单位使用。还能应用到电能表流水线自动化检定系统或电能表检定装置，监控和校验流水线或检定装置的标准误差稳定性。具有高精度、低漂移、低噪声的特性。

参考文献

[1]孙卫明，赵伟.谐波和间谐波对全电能计量准确度的影响[J].电测与仪表，2011，48（549）：49-52.

[2]贺七杰.电力谐波对电能表电能计量的影响分析[J].电子测试，2015（04）：49-50.

[3]罗松涛.谐波背景下电子式电能表计量误差量化分析[D].郑州大学，2012.

[4]孙晓光.电能表检定装置抗电磁干扰方法及实现技术研究[D].天津大学，2012（ 10）：1-54.

作者单位

国网天津市电力公司电力科学研究院 天津市 300000

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