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

ACR230ELH電力質(zhì)量分析儀的設(shè)計(jì)和應(yīng)用
徐希華        上海 200011
湯建軍 左凌俊   裴善勇       上海安科瑞電氣股份有限公司 上海 201801
 
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。
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。
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，上海安科瑞電氣股份有限公司研發(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?；竟ぷ髟砣缦拢?br />  

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。
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?？紤]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
[!--empirenews.page--]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)：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。
 

圖5 出口OEM儀表外觀
應(yīng)用案例
    世博中心是上海世博會(huì)園區(qū)內(nèi)首座永久性場(chǎng)館，位于盧浦大橋東側(cè)世博園區(qū)B區(qū)濱江綠地內(nèi)，東西長(zhǎng)約350米，南北寬約140米，總建筑面積約14萬(wàn)平方米，現(xiàn)已建成并投入試運(yùn)營(yíng)。世博中心作為世博永久性場(chǎng)館中最重要的場(chǎng)館之一，在世博會(huì)期間，將承擔(dān)世博會(huì)運(yùn)營(yíng)指揮中心、慶典會(huì)議中心、新聞中心、論壇活動(dòng)中心等功能。

圖6 世博中心場(chǎng)館外觀圖
[!--empirenews.page--]上海安科瑞電氣股份有限公司的ACR230ELH在該項(xiàng)目中一舉包攬了中心場(chǎng)館5個(gè)變電所的所有電力數(shù)顯示儀表。以世博中心地下5個(gè)變電所中的1#所舉例：這是一個(gè)0.4kV低壓配電站系統(tǒng)，由2個(gè)受電柜、2個(gè)應(yīng)急進(jìn)線柜、1個(gè)母聯(lián)柜、4個(gè)補(bǔ)償柜，155個(gè)饋出柜組成。饋出柜負(fù)載具體可分為：展覽用電、照明用電、空調(diào)風(fēng)機(jī)用電、動(dòng)力用電和消防用電。配電系統(tǒng)中采用了LED等節(jié)能光源、大功率變頻中央空調(diào)、展覽用電等大量非線性用電設(shè)備，雖然降低了實(shí)際的功耗，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)，但是這些設(shè)備都是電力系統(tǒng)諧波的主要來(lái)源；這些設(shè)備即使供給它們理想的正弦波電壓，取用的電流也是非線性的，即有諧波電流存在。這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流注入電力系統(tǒng)中，使系統(tǒng)各處電壓產(chǎn)生諧波分量。這些設(shè)備單個(gè)容量不大，但基數(shù)很大且散布于各處，電力部門又難以治理。假如這些設(shè)備的電流諧波含量過(guò)大，則會(huì)對(duì)世博中心場(chǎng)館電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。
 

圖 7
ACR230ELH多功能電力儀表在現(xiàn)場(chǎng)使用之后，用戶除了可以通過(guò)該表了解所有常規(guī)電參數(shù)之外，可以了解世博中心場(chǎng)館現(xiàn)場(chǎng)各種電力設(shè)備投運(yùn)前、后相關(guān)系統(tǒng)的電力質(zhì)量水平及其變化對(duì)有關(guān)設(shè)備的影響，方便電力質(zhì)量故障診斷和異常的原因測(cè)量，為大型公建的穩(wěn)定運(yùn)行提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
在該項(xiàng)目中主要用到了該產(chǎn)品的以下功能，常規(guī)電參數(shù)測(cè)量、復(fù)費(fèi)率電能計(jì)量、電力質(zhì)量分析、分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)的分合狀態(tài)指示以及485通訊組網(wǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(如圖 10)：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層——網(wǎng)絡(luò)通訊層——站控管理層。也即是：先將現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備接入就地的Modbus總線，再將Modbus總線通過(guò)串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器轉(zhuǎn)換成TCP/IP以太網(wǎng)與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最終由方便管理人員通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件了解及掌握現(xiàn)場(chǎng)狀況，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
1、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層采集所需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電參量：
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層是數(shù)據(jù)采集終端，主要是由智能儀表組成(此項(xiàng)目中主要為ACR230ELH電力質(zhì)量分析儀)，向數(shù)據(jù)中心上傳存儲(chǔ)的參數(shù)。世博中心場(chǎng)管項(xiàng)目中，例如主進(jìn)線回路的三相電流、三相電壓、有功/無(wú)功功率、功率因數(shù)及頻率；電容補(bǔ)償回路的功率因數(shù)、有功、無(wú)功功率；聯(lián)絡(luò)回路的三相電壓、電流；普通低壓出線回路的三相電流、功率；重要低壓出線回路的三相電流、有功、無(wú)功功率、電壓和電流的2－31次諧波、諧波畸變率（THDi、THDu）等電參量；
2、網(wǎng)絡(luò)通訊層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸：
在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如ACR230ELH)中采集到的電參量，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的交換和共享，并將數(shù)據(jù)提供給總變監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)，轉(zhuǎn)達(dá)上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種控制命令。
3、站控管理層以最直觀方便的形式反映現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)：
站控管理層針對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理人員，是人機(jī)交互的直接窗口，也是系統(tǒng)的最上層部門。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件具有良好的人機(jī)交互界面，對(duì)采集的現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)信息計(jì)算、分析與處理，以報(bào)表及圖文方式直觀地體現(xiàn)各種電參量信息及系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)的具有參考價(jià)值的歷史數(shù)據(jù)，如諧波數(shù)據(jù)、棒圖及曲線，電力能耗的日、月、年報(bào)表，日志報(bào)表等等。
結(jié)束語(yǔ)
    上海安科瑞電氣股份有限公司的ACR230ELH可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)饋出負(fù)荷的負(fù)載特性，監(jiān)測(cè)電力質(zhì)量參數(shù)，對(duì)諧波等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，便于上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況、諧波污染程度，給世博運(yùn)行維護(hù)工程師提供可靠真實(shí)數(shù)據(jù)，以便他們及時(shí)采取合理的應(yīng)對(duì)措施，為實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保世博保駕護(hù)航。

圖8 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
參考文獻(xiàn)
1）《電力電測(cè)數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南》，任致程，周中，中國(guó)電力出版社
2)《電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用指南》，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社
3）《數(shù)字信號(hào)處理原理及其MatLab實(shí)現(xiàn)》，電子工業(yè)出版社
4）《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》，任元會(huì)，中國(guó)電力出版社