ACR230ELH電力質(zhì)量分析儀的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

安科瑞 徐玉麗

（江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405）

摘    要：本文介紹了ACR230ELH電力質(zhì)量分析儀的設(shè)計(jì)原理以及該產(chǎn)品在2010年上海世博會(huì)中心場(chǎng)館配電系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。
關(guān)鍵字：電力質(zhì)量分析儀；諧波；世博會(huì)；ARM；DSP

　　隨著電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)荷，從低壓小容量的家用電器到大容量的工業(yè)交流變換器的廣泛應(yīng)用，引起了電網(wǎng)電壓、電流波形的畸變，威脅到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在國(guó)家一些重要項(xiàng)目的建設(shè)中電網(wǎng)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要，作為目前功能完整，體積較小的96型ACR230ELH電力質(zhì)量分析儀對(duì)電力質(zhì)量檢測(cè)、解決諧波產(chǎn)生的問(wèn)題有著重要的指導(dǎo)作用。

1　 應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)
為了對(duì)上述電網(wǎng)諧波危害進(jìn)行相應(yīng)的度量、評(píng)估和考核，江蘇安科瑞電器制造有限公司研發(fā)了基于DSP＋ARM7模塊化設(shè)計(jì)方案的高端電力質(zhì)量分析產(chǎn)品ACR230ELH。
該產(chǎn)品采用當(dāng)今世界流行的高檔電能標(biāo)設(shè)計(jì)方案：DSP+MCU的實(shí)現(xiàn)方法，將DSP的高速數(shù)字信號(hào)處理功能和高檔MCU（ARM）完善的管理、通訊、豐富的接口功能相結(jié)合。基本工作原理如下：

圖1　硬件設(shè)計(jì)原理框圖

　　互感器將來(lái)自電網(wǎng)的電壓、電流信號(hào)實(shí)時(shí)送到表內(nèi)16位高速Sigma-DelTa AD進(jìn)行6個(gè)通道電力信號(hào)的同步采樣，AD轉(zhuǎn)換完成之后把數(shù)據(jù)傳送給DSP進(jìn)行各種復(fù)雜的數(shù)值運(yùn)算，通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，DSP完成整表的計(jì)算功能，具體包括所有電力參數(shù)的測(cè)量、有功、無(wú)功、視在電能的計(jì)量等工作；完成之后DSP把相應(yīng)的計(jì)算數(shù)據(jù)和ARM7進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，ARM7主要完成液晶顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)、外部通訊、菜單鍵盤操作、DI/DO量的輸入控制等工作。
A/D采用的是ADI公司推出的AD73360L芯片，內(nèi)帶6個(gè)獨(dú)立通道的16位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用Sigma-Delta轉(zhuǎn)換原理，具有良好的抗混疊性能。AD73360的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出接口是同步串口（SPORT口）,DSP采用的是ADSP 219x芯片，同樣具有相同SPORT接口，使用起來(lái)非常的方便，免去了IO口模擬帶來(lái)的一系列煩惱。
ARM7采用的是NXP的LPC2138，該芯片功能強(qiáng)大，外圍端口資源豐富，內(nèi)部RAM最大可以達(dá)到32K，運(yùn)行速度可達(dá)60M，帶有多通道的32位定時(shí)器，多路PWM輸出資源，多個(gè)SCI、SPI、IIC接口；IO口可以承受5V電壓輸入；內(nèi)部還帶有多種運(yùn)行功耗模式。
該表軟件分為兩部分，其一是DSP的相關(guān)程序流程代碼，這部分代碼按功能上分主要是以下幾塊：分為AD采樣控制、串口數(shù)據(jù)傳輸、大量復(fù)雜的數(shù)值運(yùn)算（包括傅氏變換）、能量累計(jì)、電能質(zhì)量分析、電能脈沖輸出等幾個(gè)部分；其二是ARM7中的相關(guān)程序流程，主要包括：液晶顯示、按鍵處理、數(shù)字通訊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出功能的實(shí)現(xiàn)以及部分事件記錄功能的實(shí)現(xiàn)；在編程語(yǔ)言的選擇上，DSP部分采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，為了保證系統(tǒng)良好的實(shí)時(shí)性，以匯編語(yǔ)言為主，C語(yǔ)言作整個(gè)程序框架進(jìn)程調(diào)度，既保證了程序的易讀性，也兼顧了系統(tǒng)良好的實(shí)時(shí)性。ARM7的程序是基于uc/OS-II操作系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，程序簡(jiǎn)單易讀，可移植性較好，便于產(chǎn)品的后續(xù)升級(jí)工作。整個(gè)系統(tǒng)的軟件大致要完成3個(gè)部分的工作：系統(tǒng)的初始化代碼、uc/OS-II操作系統(tǒng)移植、應(yīng)用任務(wù)的編寫。　

2　 算法描述
基于上述的模塊化設(shè)計(jì)理念，充分考慮了數(shù)字信號(hào)處理器的強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，讓其完成了所有的計(jì)算變換等功能；具體包括電壓、電流有效值、有功、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功、無(wú)功、視在電能的累計(jì)、電能質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算。考慮到常規(guī)電參量的計(jì)算公式比較常見(jiàn)，這里就不再贅述了，著重把電能質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算方法描述一下：電能質(zhì)量方面的計(jì)算，具體包括：２－３１次諧波分析，電壓波峰系數(shù)，電話波形因子，電流Ｋ系數(shù)，三相電壓、電流不平衡度，電壓、電流正序、負(fù)序、零序分析，電壓偏差、頻率偏差。
電能質(zhì)量的相關(guān)指標(biāo)如下：
A．諧波（GB/T 14549）
電壓的２－３１次諧波分析主要是采用DSP的FFT算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，得到的基波分量和諧波分量分別為U1,U2…Uh;各次諧波含有率的計(jì)算公式如下：

　　電流的２－３１次諧波分析與之類似；

圖2　電網(wǎng)諧波波形及諧波棒圖

　　B．不平衡度（GB/T 15543）
電壓不平衡包括每相信號(hào)的幅度和三相之間的角度不平衡，具體計(jì)算參照下述公式：   

　　電流不平衡的計(jì)算方法和電流一致。

 

圖3　三相不平衡波形　

　　C．頻率偏差（GB/T 15945）
頻率偏差即系統(tǒng)頻率的實(shí)際值和標(biāo)稱值之差。電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為±0.2Hz。當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，偏差值可以放寬到±0.5Hz。用戶沖擊負(fù)荷引起的系統(tǒng)頻率變動(dòng)不得超過(guò)±0.2Hz，根據(jù)沖擊負(fù)荷性質(zhì)和大小以及系統(tǒng)的條件也可適當(dāng)變動(dòng)限值，但應(yīng)保證近區(qū)電力網(wǎng)、發(fā)電機(jī)組和用戶的安全，穩(wěn)定運(yùn)行以及正常供電。
D. 電壓偏差（GB/T 12325）
35KV及以上供電電壓正，負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過(guò)額定電壓的10％。
10KV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7％。220V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7％，-10％。

 圖4　電壓變化

　　此外在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，還有一些參數(shù)會(huì)間接的反映出電網(wǎng)波形的實(shí)際情形，比如電壓波峰系數(shù)、電壓電話波形因子和電流K系數(shù)（前面兩個(gè)主要是衡量電壓波形畸變帶來(lái)的影響、第三個(gè)主要是衡量電流波形畸變帶來(lái)的變化）。
電壓波峰系數(shù)的計(jì)算如下：

　　電話波形因子： 

　　電流Ｋ系數(shù)：

　　　　

3　 實(shí)現(xiàn)功能及性能
ACR230ELH實(shí)現(xiàn)了以下功能：
1）高精度測(cè)量常規(guī)的三相交流電量，如三相相電壓、線電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)等；
2）專業(yè)的四象限電能（包括吸收有功電能、釋放有功電能、感性無(wú)功電能、容性無(wú)功電能）高精度計(jì)量；可分8個(gè)時(shí)段三種費(fèi)率計(jì)量本月、上月、上上月以及總的有功電能；
3）全面的測(cè)量電壓電流2－31次諧波分量及THD、電流K系數(shù)、電壓波峰系數(shù)、電話波形因子及三相電壓電流不平衡度等，用戶可以方便的對(duì)供電電網(wǎng)質(zhì)量進(jìn)行分析；
4）具有4路開(kāi)關(guān)量輸入、2路開(kāi)關(guān)量輸出、一路485接口Modbus協(xié)議的通訊接口，充分滿足電力自動(dòng)化遙控遙測(cè)需求。
該產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)CE論證并成功出口到英國(guó)和西班牙，詳細(xì)效果見(jiàn)下圖。