4. 交流采样与电量计算

FTU 的交流采样链路决定了遥测精度，也直接影响功率、功率因数和电能的计量可信度。整条链路可以概括为：一次侧电压/电流经互感器变换为小信号，再由调理电路送入 AD 转换器，MCU 按固定节拍读取采样值，最后用算法还原有效值、功率和功率因数。任何一个环节的比例、相位或时序出错，都会在最终结果上表现为幅值偏差或功率偏差。

互感器接口与信号调理

电压通道通常采用电压互感器（PT）或电阻分压网络，把 10kV/100V 等级电压降到 AD 可接受范围；电流通道采用电流互感器（CT）或罗氏线圈，把一次电流按变比转换为毫安级电流，再经采样电阻转为电压。以常见的 100V/5A 二次侧为例，若 PT 变比为 100V:2mA，CT 变比为 5A:2.5mA，则调理电路需要把两路信号统一到 AD 的输入量程，例如 ±1.5V 或 0~3.3V 偏置范围。

接口设计要关注三点：一是采样电阻精度，通常选 0.1% 金属膜电阻，避免温漂引入幅值误差；二是偏置电路，单极性 AD 需要把交流信号抬升到量程中点，偏置电压不稳会直接变成直流分量误差；三是抗混叠滤波，在 AD 前加 RC 低通，截止频率略高于被测最高次谐波，防止高频噪声折叠进基波频带。

AD 采样时序

交流采样必须保证等间隔采样，否则有效值和功率都会产生频谱泄漏。工程上常用两种方式：定时器触发 AD 转换，或 AD 自身按固定采样率连续转换。以 50Hz 系统为例，若每周期采 64 点，采样率就是 3200Hz，采样间隔 312.5μs。MCU 用定时器产生 312.5μs 周期触发信号，AD 在触发后启动转换，转换完成中断里读取结果并存入缓冲区。

时序上还要处理“采样—转换—读取”的延迟。若 AD 转换时间为 10μs，读取发生在转换结束中断中，则实际采样时刻是触发时刻，转换延迟只影响数据可用时间，不影响采样间隔。但如果用软件轮询读取，轮询周期抖动会破坏等间隔性，因此推荐硬件触发加 DMA 搬运，让 CPU 只处理整帧数据。

有效值、功率与功率因数算法

得到采样序列后，先减去偏置对应的码值，得到有符号瞬时值。有效值按均方根计算：对一周期 N 点，电压有效值 U = sqrt( (1/N) * Σ u[i]² )，电流同理。若每周期 64 点，直接累加平方和再开方即可，计算量小且精度足够。

有功功率 P = (1/N) * Σ u[i] * i[i]，无功功率 Q 需要把电压或电流移相 90° 后再相乘。工程上常用两种方法：一是对电压序列做全通移相滤波，二是利用电压和电流的基波相量计算。对于 FTU 这种以基波计量为主的场景，推荐先做 DFT 提取基波相量，再算 P = U₁I₁cosφ、Q = U₁I₁sinφ，这样对谐波不敏感，功率因数 PF = P / (U·I) 也更稳定。

需要注意符号约定：本文定义电流从母线流向线路为正方向，即负荷消耗有功时 P 为正。若 CT 极性接反，P 会变为负值，此时应检查接线而不是直接改软件符号。

精度校准

校准分幅值校准和相位校准。幅值校准用标准源加额定电压、额定电流，读取 FTU 显示值，计算修正系数 k = 标准值 / 显示值，写入通道增益。相位校准针对 CT/PT 引入的相位差，在功率因数为 0.5L 的条件下加标准源，调整移相补偿角，使功率显示值与标准值一致。

校准后应做多点验证：在 5%、20%、50%、100%、120% 额定电流下分别加纯阻性负载和 0.5L 负载，记录电压、电流、有功、功率因数误差。一般要求电压电流误差不超过 ±0.2%，功率误差不超过 ±0.5%，功率因数误差不超过 ±0.01。若某点超差，优先检查该点附近的采样电阻温漂和偏置漂移，而不是反复修改校准系数。