ACR230ELH電力質(zhì)量分析儀的設(shè)計和應(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)計原理以及該產(chǎn)品在2010年上海世博會中心場館配電系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。
關(guān)鍵字：電力質(zhì)量分析儀；諧波；世博會；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)濟運行。在國家一些重要項目的建設(shè)中電網(wǎng)質(zhì)量的監(jiān)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(zhì)量分析儀對電力質(zhì)量檢測、解決諧波產(chǎn)生的問題有著重要的指導(dǎo)作用。

1　 應(yīng)用的先進技術(shù)
為了對上述電網(wǎng)諧波危害進行相應(yīng)的度量、評估和考核，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)計方案：DSP+MCU的實現(xiàn)方法，將DSP的高速數(shù)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(jié)合。基本工作原理如下：

圖1　硬件設(shè)計原理框圖

　　互感器將來自電網(wǎng)的電壓、電流信號實時送到表內(nèi)16位高速Sigma-DelTa AD進行6個通道電力信號的同步采樣，AD轉(zhuǎn)換完成之后把數(shù)據(jù)傳送給DSP進行各種復(fù)雜的數(shù)值運算，通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)運算，DSP完成整表的計算功能，具體包括所有電力參數(shù)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(yīng)的計算數(shù)據(jù)和ARM7進行數(shù)據(jù)交換，ARM7主要完成液晶顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)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(nèi)帶6個獨立通道的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(nèi)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(nèi)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(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)值運算（包括傅氏變換）、能量累計、電能質(zhì)量分析、電能脈沖輸出等幾個部分；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、開關(guān)量輸入輸出功能的實現(xiàn)以及部分事件記錄功能的實現(xiàn)；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(tǒng)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(diào)度，既保證了程序的易讀性，也兼顧了系統(tǒng)良好的實時性。ARM7的程序是基于uc/OS-II操作系統(tǒng)平臺開發(fā)的，程序簡單易讀，可移植性較好，便于產(chǎn)品的后續(xù)升級工作。整個系統(tǒng)的軟件大致要完成3個部分的工作：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)計理念，充分考慮了數(shù)字信號處理器的強大的數(shù)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(shù)、有功、無功、視在電能的累計、電能質(zhì)量指標(biāo)的計算。考慮到常規(guī)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(zhì)量指標(biāo)的計算方法描述一下：電能質(zhì)量方面的計算，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算法來實現(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(tǒng)頻率的實際值和標(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，偏差值可以放寬到±0.5Hz。用戶沖擊負荷引起的系統(tǒng)頻率變動不得超過±0.2Hz，根據(jù)沖擊負荷性質(zhì)和大小以及系統(tǒng)的條件也可適當(dāng)變動限值，但應(yīng)保證近區(qū)電力網(wǎng)、發(fā)電機組和用戶的安全，穩(wěn)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(tǒng)實際運行過程中，還有一些參數(shù)會間接的反映出電網(wǎng)波形的實際情形，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(shù)的計算如下：

　　電話波形因子： 

　　電流Ｋ系數(shù)：

　　　　

3　 實現(xiàn)功能及性能
ACR230ELH實現(xiàn)了以下功能：
1）高精度測量常規(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(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，用戶可以方便的對供電電網(wǎng)質(zhì)量進行分析；
4）具有4路開關(guān)量輸入、2路開關(guān)量輸出、一路485接口Modbus協(xié)議的通訊接口，充分滿足電力自動化遙控遙測需求。
該產(chǎn)品已經(jīng)通過CE論證并成功出口到英國和西班牙，詳細效果見下圖。