引言

随着我国电力行业的发展与完善，电力系统的复杂程度正在加大。在电力系统中,特别是中低压配电系统中,大量非线性冲击性负荷的使用给电力系统的电能质量带来了严重的危害[13]，因此实时监测电压、电流、无功功率等参数对保证电力系统电能质量具有重要作用。为此，本文设计了一种采用专用电能测量芯片的电力参数测量系统，系统中电力参数的测量由CS5484芯片直接完成，具有速度快、精度高的特点，同时系统配以32位微处理器STM32F107作为控制芯片，其丰富的外设，尤其是以太网控制器为联网的测量提供了基础。实验结果表明，本文设计的基于CS5484电力参数测量装置，速度快、精度高,能够完成实时的电力参数测量与传输。

1 电能测量芯片CS5484分析

1.1 CS5484内部结构分析

CS5484的内部结构如图1所示，其内部组成包括三部分：一是四路能量测量模拟前端电路部分；二是电力参数运算单元；三是芯片逻辑接口单元。四路模拟前端电路的输入信号为0～250 mV的电压信号，通过片内集成的运算处理系统可输出检测的电压、电流、无功功率、功率因数等电力参数，电压有效值的测量精度高于0.1%，无功功率的测量精度高于0.4%。

图1 CS5484内部结构图

CS5484内部的输入通道又分为两类：一是两路固定增益输入通道；二是两路具有可编程放大功能的输入通道。其中，固定增益输入通道的前端放大电路放大倍数为10倍，而可编程放大输入通道的放大倍数可通过编程进行控制，其放大倍数可设为10倍或50倍。4个独立的调制器实现对电压和电流信号的快速采样，信号通过数字滤波器和可配置的高通滤波器后，由EXL内核的运算器计算各类电力参数[6]。

通过合理设计CS5484四路通道的外接转换电路，可将CS5484的两路通道输入电压信号，另两路通道输入电流信号，通过芯片内置EXL内核的运算处理后就可以直接从串行接口（UART或SPI）读取两个通道的视在功率、有功功率与无功功率的功率和。用一片CS5484就可以完成两表法的功率测量。相对于单通道的CS5463而言，降低了设计难度和芯片使用数量。且CS5463的串行接口仅支持SPI，对于没有硬件SPI的单片机，只能用I/O口模拟SPI时序的方法来进行操作[7]。而CS5484可以支持UART或SPI标准的串行接口，应用起来更加方便灵活。

1.2 电力参数测试计算

目前，电力参数测量常用的算法有两大类：正弦模型算法和非正弦模型算法。通常情况下,电力系统波形不是纯正弦波形,而是叠加了高次谐波等成分,当系统发生故障时,又会叠加一些衰减的非周期成分。所以在实际应用中，如果对精度和实时性要求均较高，宜采用非正弦模型算法，如积分和法和傅里叶法[8]。 CS5484采用积分和法计算电力参数，设一个周期内采样数为Ｎ，可以得到电压与电流采样序列Vn和In，则电压有效值为：

电流有效值为：

有功功率为：

无功功率为：

视在功率为：

或

功率因数为：

其中，视在功率的计算方法有两种，可以通过配置寄存器来选择其中一种。

2 系统设计方案

2.1 总体设计方案

本文所设计电力参数测量系统的基本要求是可以对母线的电力参数进行测量，母线电压通过电压互感器变换成100 V的标准二次电压，母线电流通过电流互感器变换成5 A的标准二次电流。因此，为了使电压监测留有一定余量，该装置将电压输入监测范围设计为0～120 V，电流输入监测范围设计为0～5 A。

系统总体的设计框图如图2所示。电压、电流通过装置内部互感器和电阻将电压信号和电流信号隔离并统一调理成峰值小于250 mV的电压信号给CS5484，由于CS5484片内可以完成对电压、电流信号的采样、滤波、计算和误差校正等工作，其外接的电压和电流采集通道无需复杂的滤波处理。主控制芯片采用STM32F107，通过SPI接口控制CS5484及读取测量数据，然后系统通过以太网将测量数据上传至上位机。

图2 总体设计框图

2.2 电压通道和电流通道电路设计

CS5484要求输入的电压最大不能超过250 mV，采用电流型电压互感器和电流互感器分别将电压和电流转换为较小的电流，再通过电阻将电流量转换为0～250 mV的电压量。电压通道的电路组成如图3所示，由于电压互感器PT1为2 mA的电流型电压互感器，所以CS5484的输入电压Vu如下：

上式中，交流电压u的变化范围是0～120 V。根据电压互感器特性，图3电路中电压互感器在电流为2 mA左右线性最佳，因此按照电压u的取值可计算出电阻R3应该在60 kΩ左右。实际应用中取R3为68 kΩ，R5=R7=49.9 Ω，代入式(8)可得Vu的取值范围是0～175.65 mV，相应峰值范围是0～248.4 mV。

图3 电压通道电路图

电流通道的电路组成如图4所示，由于电流互感器CT1一次绕组电流和二次绕组电流比例为2 000:1，所以CS5484的电压输入Vi如下:

图4 电流通道电路图

其中，交流电流i的变化范围是0～5 A，R45=R47=34.8 Ω，代入式(9)可得Vi的取值范围是0～174 mV，相应峰值范围是0～246 mV。需要注意的是，为降低温漂对测量精度的影响，交流量测量电路均采用低温漂、高精度电阻的设计[9]。

3 测量结果与分析

根据上述硬件电路设计方案，设计制作了电力参数测量装置，编写了相应的系统软件，为检验系统工作性能，利用精度为0.05级的ZJ9700DB便携式三相电能表检定装置提供待测的电压和电流信号，对该系统进行实验研究。实验过程中，电流固定为2 A，电压从10～120 V以10 V的间隔增大，电压超前电流30°，以电压60 V时测量的数字量为标准进行换算，并保留两位小数。测试结果如表1所列。VS为标准电压；VM为测量电压；EU为电压测量误差；QS为标准无功功率；QM为测量无功功率；EQ为无功功率测量误差。

表1 实验结果

根据《电力用户用电信息采集系统检验技术规范》中误差的计算公式对测量误差进行了分析计算，结果发现交流电压测量误差均在0.2%以下，无功功率的测量误差均在0.4%以下。这两项测量结果高于《电力用户用电信息采集系统技术规范》中0.5准确度等级的要求。

由于测量装置中电力参数的测量结果依据CS5484中EXL内核的运算处理算法，所以测量的精度主要取决于电压电流通道电路和CS5484芯片，有可能引起误差的环节和补偿方法如下[10]：

① 电压互感器和电流互感器的精度对误差的影响。电压互感器2 mA的变比和电流互感器2 000:1的变比的精度和线性度都会影响误差，可以通过选取高精度和高线性度的电压互感器和电流互感器来减少误差。

② 电压互感器和电流互感器相移误差的影响。由于互感器一次绕组和二次绕组的波形存在一定的相位差，加上由于电压通道和电流通道的电气性能不一致导致的相位差构成综合的相位差，这个综合相位差会影响电力参数计算的精度。可以通过选取小相位差的互感器的基础上，利用CS5484芯片内部相位补偿的设置来补偿误差。

③ CS5484的信号输入是差分输入，PCB的布线质量也影响测量精度。实际布线过程中尽量选用差分式的布线，提高布线质量可以减少测量误差。

结语

本文分析了电能测量芯片CS5484的电路结构和工作原理，并以CS5484为基础设计开发了电力参数测量装置，重点分析了电压通道和电流通道的电路组成。系统采用集成以太网控制器的互联型微处理器STM32F107为控制核心，可以满足复杂的控制输出和联网测量的需求。由于STM32F107有比较丰富的外设，可以根据不同的应用环境进行功能扩展。采用标准交流信号源对系统进行了测试，结果表明系统对电压测量误差均在0.2%以下，无功功率的测量误差均在0.4%以下，测量精度高于国家标准。同时系统运行稳定，可以较好地满足电力参数的测量要求。