浅谈ACR230ELH电力质量分析仪设计原理及其应用

　　供电系统随着电力电子技术的蓬勃发展，增加了大量的非线性负荷，从低压小容量的家用电器到大容量的工业交流变换器的广泛应用，电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。因此人们关注的是所能转换的电功率。

　　应用的先进技术：

　　为了对上述电网谐波危害进行相应的度量、评估和考核，上海安科瑞电气股份有限公司研发了基于DSP＋ARM7模块化设计方案的高端电力质量分析产品ACR230ELH。基本工作原理如下：

　　图1硬件设计原理框图

　　互感器将来自电网的电压、电流信号实时送到表内16位高速Sigma-DelTa AD进行6个通道电力信号的同步采样，AD转换完成之后把数据传送给DSP进行各种复杂的数值运算，通过相应的数学运算，DSP完成整表的计算功能，具体包括所有电力参数的测量、有功、无功、视在电能的计量等工作；完成之后DSP把相应的计算数据和ARM7进行数据交换，ARM7主要完成液晶显示、数据统计存储、外部通讯、菜单键盘操作、DI/DO量的输入控制等工作。

　　ARM7采用的是NXP的LPC2138，该芯片功能强大，外围端口资源丰富，内部RAM可以达到32K，运行速度可达60M，带有多通道的32位定时器，多路PWM输出资源，多个SCI、SPI、IIC接口；IO口可以承受5V电压输入；内部还带有多种运行功耗模式。ARM7[1]系列处理器是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器，ARM7内核是0.9MIPS/MHz的三级流水线和冯·诺伊曼结构，ARM9内核是5级流水线，提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。ARM7没有MMU,ARM720T是MMU的 ,ARM9主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列ARM9是有MMU的，ARM940T只有Memory protection unit.不是一个完整的MMU。ARM9的时钟频率比ARM7更高，采用哈佛结构区分了数据总线和指令总线， ARM7处理器采用3级流水线，而ARM9采用5级流水线， 5级流水线能够将每一个指令处理分配到5个时钟周期内，在每一个时钟周期内同时有5个指令在执行。在同样的加工工艺下，ARM9TDMI处理器的时钟频率是ARM7TDMI的1.8～2.2倍。指令周期的改进，

　　随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路--模数和数模转换器。

　　A/D采用的是ADI公司推出的AD73360L芯片，内带6个独立通道的16位串行模数转换器，采用Sigma-Delta转换原理，具有良好的抗混叠性能。AD73360的数据转换输出接口是同步串口（SPORT口），DSP采用的是ADSP 219x芯片，同样具有相同SPORT接口，使用起来非常的方便，免去了IO口模拟带来的一系列烦恼。

　　该表软件分为两部分，其一是DSP的相关程序流程代码，这部分代码按功能上分主要是以下几块：分为AD采样控制、串口数据传输、大量复杂的数值运算（包括傅氏变换）、能量累计、电能质量分析、电能脉冲输出等几个部分；其二是ARM7中的相关程序流程，主要包括：液晶显示、按键处理、数字通讯、开关量输入输出功能的实现以及部分事件记录功能的实现；在编程语言的选择上，DSP部分采用C语言和汇编语言混合编程，为了保证系统良好的实时性，以汇编语言为主，C语言作整个程序框架进程调度，既保证了程序的易读性，也兼顾了系统良好的实时性。

　　算法描述

　　基于上述的模块化设计理念，充分考虑了数字信号处理器的强大的数值计算功能，让其完成了所有的计算变换等功能；具体包括电压、电流有效值、有功、无功功率、视在功率、功率因数、有功、无功、视在电能的累计、电能质量指标的计算。电能质量方面的计算，具体包括：２－３１次谐波分析，电压波峰系数，电话波形因子，电流Ｋ系数，三相电压、电流不平衡度，电压、电流正序、负序、零序分析，电压偏差、频率偏差。

　　电能质量的相关指标如下：

　　A.谐波（GB/T 14549）；

　　电压的２－３１次谐波分析主要是采用DSP的FFT算法来实现，得到的基波分量和谐波分量分别为U1,U2…Uh;各次谐波含有率的计算公式如下：

　　； ；

　　电流的２－３１次谐波分析与之类似；

　　图2 电网谐波波形及谐波棒图

　　B.不平衡度（GB/T 15543）

　　电压不平衡包括每相信号的幅度和三相之间的角度不平衡，具体计算参照下述公式：

　　电流不平衡的计算方法和电流一致。

　　图3 三相不平衡波形

　　C.频率偏差（GB/T 15945）

　　频率偏差即系统频率的实际值和标称值之差。电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz。当系统容量较小时，偏差值可以放宽到±0.5Hz。用户冲击负荷引起的系统频率变动不得超过±0.2Hz，根据冲击负荷性质和大小以及系统的条件也可适当变动限值，但应保证近区电力网、发电机组和用户的安全，稳定运行以及正常供电。

　　D. 电压偏差（GB/T 12325）

　　35KV及以上供电电压正，负偏差的之和不超过额定电压的10％。

　　10KV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7％。220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7％，-10％。

　　图4 电压变化

　　此外在电力系统实际运行过程中，还有一些参数会间接的反映出电网波形的实际情形，比如电压波峰系数、电压电话波形因子和电流K系数（前面两个主要是衡量电压波形畸变带来的影响、第三个主要是衡量电流波形畸变带来的变化）。

　　电压波峰系数的计算如下：

　　电话波形因子：

　　电流Ｋ系数：实现功能及性能。

　　ACR230ELH实现了以下功能：

　　1、高测量常规的三相交流电量，如三相相电压、线电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等；

　　2、的四象限电能（包括吸收有功电能、释放有功电能、感性无功电能、容性无功电能）高计量；可分8个时段三种费率计量本月、上月、上上月以及总的有功电能；

　　3、全面的测量电压电流2－31次谐波分量及THD、电流K系数、电压波峰系数、电话波形因子及三相电压电流不平衡度等，用户可以方便的对供电电网质量进行分析；

　　4、具有4路开关量输入、2路开关量输出、一路485接口Modbus协议的通讯接口，充分满足电力自动化遥控遥测需求。

　　该产品已经通过CE论证并成功出口到英国和西班牙，详细效果见下图。

　　图5 出口OEM仪表外观

　　应用

　　世博中心是上海世博会园区内首座性场馆，位于卢浦大桥东侧世博园区B区滨江绿地内，东西长约350米，南北宽约140米，总建筑面积约14万平方米，现已建成并投入试运营。

　　图6 世博中心场馆外观图

　　上海安科瑞电气股份有限公司的ACR230ELH在该项目中一举包揽了中心场馆5个变电所的所有电力数显示仪表。以世博中心地下5个变电所中的1#所举例：这是一个0.4kV低压配电站系统，由2个受电柜、2个应急进线柜、1个母联柜、4个补偿柜，155个馈出柜组成。馈出柜负载具体可分为：展览用电、照明用电、空调风机用电、动力用电和消防用电。配电系统中采用了LED等节能光源、大功率变频中央空调、展览用电等大量非线性用电设备，虽然降低了实际的功耗，以实现节能的目标，但是这些设备都是电力系统谐波的主要来源；这些设备即使供给它们理想的正弦波电压，取用的电流也是非线性的，即有谐波电流存在。这些设备产生的谐波电流注入电力系统中，使系统各处电压产生谐波分量。

　　图 7

　　ACR230ELH多功能电力仪表在现场使用之后，用户除了可以通过该表了解所有常规电参数之外，可以了解世博中心场馆现场各种电力设备投运前、后相关系统的电力质量水平及其变化对有关设备的影响，方便电力质量故障诊断和异常的原因测量，为大型公建的稳定运行提供实时数据。

　　在该项目中主要用到了该产品的以下功能，常规电参数测量、复费率电能计量、电力质量分析、分断开关的分合状态指示以及485通讯组网。现场系统网络结构（如图 10）：现场设备层——网络通讯层——站控管理层。

　　结束语

　　上海安科瑞电气股份有限公司的ACR230ELH可以实时监测馈出负荷的负载特性，监测电力质量参数，对谐波等参数进行实时分析，便于上位机系统实时监控电力系统运行状况、谐波污染程度，给世博运行维护工程师提供可靠真实数据，以便他们及时采取合理的应对措施，为实现绿色环保世博保驾护航。

　　图8 系统网络拓扑结构