ACR230ELH電力質(zhì)量分析儀的設計和應用

　　摘要：本文介紹了ACR230ELH電力質(zhì)量分析儀的設計原理以及該產(chǎn)品在2010年上海世博會中心場館配電系統(tǒng)中的實際應用。

　　關鍵字：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作用。應用的先進技術：為了對上述電網(wǎng)諧波危害進行相應的度量、評估和考核，上海安科瑞電氣股份有限公司研發(fā)了基于DSP＋ARM7模塊化設計方案的高端電力質(zhì)量分析產(chǎn)品ACR230ELH。該產(chǎn)品采用當今世界流行的高檔電能標設計方案：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-DelTaAD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進行各種復雜的數(shù)值運算，通過相應的數(shù)學運算，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ADSP219x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中的相關程序流程，主要包括：液晶顯示、按鍵處理、數(shù)字通訊、開關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、應用任務的編寫。算法描述基于上述的模塊化設計理念，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)量指標的計算�？紤]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)量的相關指標如下：A．諧波（GB/T14549）；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/T15543）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/T15945）頻率偏差即系統(tǒng)頻率的實際值和標稱值之差。電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為±0.2Hz。當系統(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