ACR230ELH電力質量分析儀的設計和應用

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電力質量分析儀的設計原理以及該產品在2010年上海世博會中心場館配電系統中的實際應用。
關鍵字：電力質量分析儀；諧波；世博會；ARM；DSP

　　隨著電力電子技術的蓬勃發展，供電系統中增加了大量的非線性負荷，從低壓小容量的家用電器到大容量的工業交流變換器的廣泛應用，引起了電網電壓、電流波形的畸變，威脅到電力系統安全、穩定、經濟運行。在國家一些重要項目的建設中電網質量的監測顯得尤為重要，作為目前功能完整，體積較小的96型ACR230ELH電力質量分析儀對電力質量檢測、解決諧波產生的問題有著重要的指導作用。

1　 應用的先進技術
為了對上述電網諧波危害進行相應的度量、評估和考核，江蘇安科瑞電器制造有限公司研發了基于DSP＋ARM7模塊化設計方案的高端電力質量分析產品ACR230ELH。
該產品采用當今世界流行的高檔電能標設計方案：DSP+MCU的實現方法，將DSP的高速數字信號處理功能和高檔MCU（ARM）完善的管理、通訊、豐富的接口功能相結合。基本工作原理如下：

圖1　硬件設計原理框圖

　　互感器將來自電網的電壓、電流信號實時送到表內16位高速Sigma-DelTa AD進行6個通道電力信號的同步采樣，AD轉換完成之后把數據傳送給DSP進行各種復雜的數值運算，通過相應的數學運算，DSP完成整表的計算功能，具體包括所有電力參數的測量、有功、無功、視在電能的計量等工作；完成之后DSP把相應的計算數據和ARM7進行數據交換，ARM7主要完成液晶顯示、數據統計存儲、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，內帶6個獨立通道的16位串行模數轉換器，采用Sigma-Delta轉換原理，具有良好的抗混疊性能。AD73360的數據轉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，使用起來非常的方便，免去了IO口模擬帶來的一系列煩惱。
ARM7采用的是NXP的LPC2138，該芯片功能強大，外圍端口資源豐富，內部RAM最大可以達到32K，運行速度可達60M，帶有多通道的32位定時器，多路PWM輸出資源，多個SCI、SPI、IIC接口；IO口可以承受5V電壓輸入；內部還帶有多種運行功耗模式。
該表軟件分為兩部分，其一是DSP的相關程序流程代碼，這部分代碼按功能上分主要是以下幾塊：分為AD采樣控制、串口數據傳輸、大量復雜的數值運算（包括傅氏變換）、能量累計、電能質量分析、電能脈沖輸出等幾個部分；其二是ARM7中的相關程序流程，主要包括：液晶顯示、按鍵處理、數字通訊、開關量輸入輸出功能的實現以及部分事件記錄功能的實現；在編程語言的選擇上，DSP部分采用C語言和匯編語言混合編程，為了保證系統良好的實時性，以匯編語言為主，C語言作整個程序框架進程調度，既保證了程序的易讀性，也兼顧了系統良好的實時性。ARM7的程序是基于uc/OS-II操作系統平臺開發的，程序簡單易讀，可移植性較好，便于產品的后續升級工作。整個系統的軟件大致要完成3個部分的工作：系統的初始化代碼、uc/OS-II操作系統移植、應用任務的編寫。　

2　 算法描述
基于上述的模塊化設計理念，充分考慮了數字信號處理器的強大的數值計算功能，讓其完成了所有的計算變換等功能；具體包括電壓、電流有效值、有功、無功功率、視在功率、功率因數、有功、無功、視在電能的累計、電能質量指標的計算。考慮到常規電參量的計算公式比較常見，這里就不再贅述了，著重把電能質量指標的計算方法描述一下：電能質量方面的計算，具體包括：２－３１次諧波分析，電壓波峰系數，電話波形因子，電流Ｋ系數，三相電壓、電流不平衡度，電壓、電流正序、負序、零序分析，電壓偏差、頻率偏差。
電能質量的相關指標如下：
A．諧波（GB/T 14549）
電壓的２－３１次諧波分析主要是采用DSP的FFT算法來實現，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算公式如下：

　　電流的２－３１次諧波分析與之類似；

圖2　電網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的幅度和三相之間的角度不平衡，具體計算參照下述公式：   

　　電流不平衡的計算方法和電流一致。

 

圖3　三相不平衡波形　

　　C．頻率偏差（GB/T 15945）
頻率偏差即系統頻率的實際值和標稱值之差。電力系統正常頻率偏差允許值為±0.2Hz。當系統容量較小時，偏差值可以放寬到±0.5Hz。用戶沖擊負荷引起的系統頻率變動不得超過±0.2Hz，根據沖擊負荷性質和大小以及系統的條件也可適當變動限值，但應保證近區電力網、發電機組和用戶的安全，穩定運行以及正常供電。
D. 電壓偏差（GB/T 12325）
35KV及以上供電電壓正，負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的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

　　此外在電力系統實際運行過程中，還有一些參數會間接的反映出電網波形的實際情形，比如電壓波峰系數、電壓電話波形因子和電流K系數（前面兩個主要是衡量電壓波形畸變帶來的影響、第三個主要是衡量電流波形畸變帶來的變化）。
電壓波峰系數的計算如下：

　　電話波形因子： 

　　電流Ｋ系數：

　　　　

3　 實現功能及性能
ACR230ELH實現了以下功能：
1）高精度測量常規的三相交流電量，如三相相電壓、線電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數等；
2）專業的四象限電能（包括吸收有功電能、釋放有功電能、感性無功電能、容性無功電能）高精度計量；可分8個時段三種費率計量本月、上月、上上月以及總的有功電能；
3）全面的測量電壓電流2－31次諧波分量及THD、電流K系數、電壓波峰系數、電話波形因子及三相電壓電流不平衡度等，用戶可以方便的對供電電網質量進行分析；
4）具有4路開關量輸入、2路開關量輸出、一路485接口Modbus協議的通訊接口，充分滿足電力自動化遙控遙測需求。
該產品已經通過CE論證并成功出口到英國和西班牙，詳細效果見下圖。