ZHCUCP4 December   2024

 

  1.   1
  2.   说明
  3.   资源
  4.   特性
  5.   应用
  6.   6
  7. 1系统说明
    1. 1.1 主要系统规格
    2. 1.2 终端设备
    3. 1.3 电表
  8. 2系统概述
    1. 2.1 方框图
    2. 2.2 设计注意事项
      1. 2.2.1 电压测量 – 模拟前端
      2. 2.2.2 电流测量模拟前端
      3. 2.2.3 输入电压
      4. 2.2.4 时钟
    3. 2.3 重点产品
      1. 2.3.1 AMC130M02
      2. 2.3.2 MSPM0G1106
      3. 2.3.3 LMK6C
      4. 2.3.4 TLV76133
  9. 3硬件、软件、测试要求和测试结果
    1. 3.1 硬件要求
    2. 3.2 软件要求
      1. 3.2.1 公式
      2. 3.2.2 计量软件进程
        1. 3.2.2.1 用于 PC GUI 通信的 UART
        2. 3.2.2.2 直接存储器存取 (DMA)
        3. 3.2.2.3 ADC 设置
        4. 3.2.2.4 前台进程
        5. 3.2.2.5 后台进程
        6. 3.2.2.6 软件函数 per_sample_dsp()
        7. 3.2.2.7 频率测量和周期跟踪
        8. 3.2.2.8 LED 脉冲生成
    3. 3.3 测试设置
      1. 3.3.1 电源和跳线设置
      2. 3.3.2 查看计量读数和校准
      3. 3.3.3 校准
        1. 3.3.3.1 电压和电流偏移校准
        2. 3.3.3.2 电压和电流增益校准
        3. 3.3.3.3 有源功率增益校准
        4. 3.3.3.4 偏移校准
        5. 3.3.3.5 相位校准
    4. 3.4 测试结果
      1. 3.4.1 电表计量精度结果
  10. 4设计和文档支持
    1. 4.1 设计文件
      1. 4.1.1 原理图
      2. 4.1.2 BOM
      3. 4.1.3 PCB 布局建议
        1. 4.1.3.1 布局图
      4. 4.1.4 Altium 工程
      5. 4.1.5 Gerber 文件
      6. 4.1.6 装配图
    2. 4.2 工具与软件
    3. 4.3 文档支持
    4. 4.4 支持资源
    5. 4.5 商标
  11. 5作者简介

3.2.1 公式

本节将简要介绍用于计算电压、电流、功率和电能的公式。如前文所述，电压和电流样本以 4kHz 的采样率采集。在大约一秒帧数中采集的所有样本都将保留下来，用于计算电压和电流的 RMS 值。RMS 值通过以下公式计算得出。

方程式 3. V R M S , p h =   K v , p h ×   ∑ n = 1 S a m p l e   c o u n t V p h ( n ) × V p h ( n ) S a m p l e   C o u n t - V o f f s e t , p h
方程式 4. I R M S , p h =   K i , p h ×   ∑ n = 1 S a m p l e   c o u n t I p h ( n ) × I p h ( n ) S a m p l e   C o u n t - I o f f s e t , p h

其中

  • Vph(n) = 在采样时刻 n 获取的电压样本
  • Voffset,ph = 偏移量，用于消减电压转换器中加性高斯白噪声的影响
  • Iph(n) = 在采样时刻 n 获取的每个电流样本
  • Ioffset,ph = 偏移量，用于消减电流转换器中加性高斯白噪声的影响。
  • Sample count = 当前帧内的样本数
  • Kv,ph = 电压的比例因数
  • Ki,ph = 电流的比例因数

可计算一帧有功和无功电能样本的功率和电能。这些样本经过相位校正并传递到前台进程，前台进程使用样本数量（样本计数）通过以下公式计算相位有功功率和无功功率：

方程式 5. P A C T , p h =   K A C T , p h ∑ n = 1 S a m p l e   c o u n t V p h n × I p h ( n ) S a m p l e   C o u n t -   P A C T O f f s e t , p h
方程式 6. P R E A C T , p h =   K R E A C T , p h ∑ n = 1 S a m p l e   c o u n t V 90 , p h n × I p h ( n ) S a m p l e   C o u n t -   P R E A C T O f f s e t , p h
方程式 7. P A P P , p h   =   P A C T , p h 2 + P R E A C T , p h 2

其中

  • V90(n) = 在采样时刻 n 获取的电压样本（相移 90°）
  • KACT,ph = 有功功率的比例因数
  • KREACT,ph = 无功功率的比例因数
  • PACT_offset,ph = 偏移量，用于消减串扰对有功功率测量的影响
  • PREACT_offset,ph = 偏移量，用于消减串扰对无功功率测量的影响
注： 对于无功电能，使用 90° 相移方法的原因有两个：
  1. 这种方法可以准确测量很小电流的无功功率
  2. 这种方法符合 IEC 和 ANSI 标准规定的测量方法

计算出的市电频率用于计算 90 度相移的电压样本。由于市电频率会发生变化，首先要准确测量市电频率以相应地对电压样本进行相移。

为了获得精确的 90° 相移，需要在两个样本之间使用插值。对于这两个样本，应使用在最近电压样本之前略大于和略小于 90 度的电压样本。此应用的相移实现由整数部分和小数部分组成。整数部分是通过提供 N 个样本的延迟来实现的。小数部分由一个单抽头 FIR 滤波器实现。在测试软件中，一个查找表提供用于创建分数延迟的滤波器系数。

使用计算出的功率，可通过以下公式计算电能：

方程式 8. E A C T , p h =   P A C T , p h × S a m p l e   C o u n t
方程式 9. E R E A C T , p h =   P R E A C T , p h × S a m p l e   C o u n t
方程式 10. E A P P , p h =   P A P P , p h × S a m p l e   C o u n t

计算出的电能随后累积到缓冲区中。这些缓冲区存储自系统复位以来消耗的电能总量。这些电能不同于用来积累电能以输出电能脉冲的工作变量。有三组缓冲区可供使用：每个 V-I 映射有一组。在每组缓冲区内将累积以下电能：

  1. 有功输入电能（有功功率 ≥ 0 时的有功电能）
  2. 有功输出电能（有功功率 < 0 时的有功电能）
  3. 基波有功输入电能（基波有功功率 ≥ 0 时的基波有功电能）
  4. 基波有功输出电能（基波有功功率 < 0 时的基波有功电能）
  5. 无功正交 I 电能（无功功率 ≥ 0 且有功功率 ≥ 0 时的无功电能；电感性负载）
  6. 无功正交 II 电能（无功功率 ≥ 0 且有功功率 < 0 时的无功电能；电容式发生器）
  7. 无功正交 III 电能（无功功率 < 0 且有功功率 < 0 时的无功电能；电感式发生器）
  8. 无功正交 IV 电能（无功功率 < 0 且有功功率 ≥ 0 时的无功电能；电容性负载）
  9. 视在输入电能（有功功率 ≥ 0 时的视在电能）
  10. 视在输出电能（有功功率 < 0 时的视在电能）

后台进程还根据每个市电周期的样本数计算频率。然后，前台进程使用方程式 11 将这种每个市电周期的样本数转换为赫兹频率：

方程式 11. F r e q u e n c y   H z =   S a m p l e   R a t e   ( s a m p l e s / s e c o n d ) F r e q u e c y   ( s a m p l e / c y c l e )

计算出有功功率和视在功率后，需要计算功率因数的绝对值。在系统功率因数的内部表示中，正功率因数对应于电容性负载，而负功率因数对应于电感性负载。功率因数内部表示的符号取决于电流是超前还是滞后电压，而这是在后台进程中决定的。因此，可使用方程式 12 计算功率因数的内部表示：

方程式 12. I n t e r n a l   R e p r e s e n t a t i o n   o f   P o w e r   F a c t o r = P A C T P A p p   , i f   c a p a c i t i v e   l o a d     - P A C T P A P P ,   i f   i n d u c t i v e   l o a d