1 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?/p>

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-DelTaAD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(pán)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ADSP219x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(xiě),。

　　2 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(lèi)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

　　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)：

　　3 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(zhuān)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

　　4 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

　　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(mén)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)。現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(如圖8)：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)。

圖8系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　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(mén)。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(lèi)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。

　　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