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

2013-04-20 瀏覽數(shù):647

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。

【延伸閱讀】

標(biāo)簽:

閱讀上文 >> 低壓雙繞組電流互感器的設(shè)計及應(yīng)用
閱讀下文 >> 基于MC9S08AW32芯片的開關(guān)柜智能測控裝置設(shè)計及應(yīng)用

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