《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)第2部分:符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量?jī)x表的設(shè)計(jì)考慮因素

2023-04-14
作者:Jose Mendia,,產(chǎn)品應(yīng)用高級(jí)工程師
來(lái)源:ADI

  摘要

  本文介紹如何借助即用型平臺(tái)加快開(kāi)發(fā)速度,,高效設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量(PQ)測(cè)量?jī)x表。文中詳細(xì)探討設(shè)計(jì)A類和S類電能表的不同解決方案,,包括新的S類電能質(zhì)量測(cè)量集成解決方案,,該方案可大幅縮短電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間并降低成本。文章“電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)第1部分:符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量測(cè)量的重要性”詳細(xì)闡述了電能質(zhì)量IEC標(biāo)準(zhǔn)及其參數(shù),。

  實(shí)施電能質(zhì)量解決方案面臨的挑戰(zhàn)

  圖1顯示了用于測(cè)量電能質(zhì)量的儀表所包含的基本組件,。首先,,電流和電壓傳感器必須支持該儀器的工作范圍,,且輸入信號(hào)應(yīng)能根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行調(diào)整,。傳統(tǒng)傳感器是導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的第一個(gè)來(lái)源;因此,,正確選擇傳感器至關(guān)重要,。然后,信號(hào)傳輸至ADC,;其各種特性,,例如偏置、增益和非線性度誤差成為導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的第二個(gè)來(lái)源,。正確選擇ADC來(lái)執(zhí)行此功能,,這是設(shè)計(jì)電能質(zhì)量?jī)x表時(shí)的一大難點(diǎn)。最后,,必須開(kāi)發(fā)一系列信號(hào)處理算法,,以便從輸入信號(hào)獲取電氣和電能質(zhì)量測(cè)量結(jié)果。

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  圖1.電能質(zhì)量測(cè)量?jī)x表的主要組件,。

  電壓和電流傳感器

  電能質(zhì)量?jī)x表的位置和應(yīng)用不同,,標(biāo)稱電源電壓(UNOM)、標(biāo)稱電流(INOM)和頻率也會(huì)不同,。除了儀表測(cè)得的標(biāo)稱值,,IEC 61000-4-7標(biāo)準(zhǔn)要求電能質(zhì)量測(cè)量?jī)x表達(dá)到表1所示的精度;因此,,在選擇傳感器時(shí),,必須確保在使用該傳感器后,儀器能夠達(dá)到要求的測(cè)量精度,。

  表1.IEC 61000-4-7標(biāo)準(zhǔn)指定的電流,、電壓和電能測(cè)量精度要求

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  INOM:測(cè)量?jī)x表的標(biāo)稱電流范圍

  UNOM:測(cè)量?jī)x表的標(biāo)稱電壓范圍

  UM、IM和PM:測(cè)量值

  IEC61000-4-71標(biāo)準(zhǔn)推薦在設(shè)計(jì)輸入電路時(shí),,采用這些標(biāo)稱電壓(UNOM)和標(biāo)稱電流(INOM):

  ▲對(duì)于50 Hz系統(tǒng):66 V,、115 V、230 V,、400 V,、690 V

  ▲對(duì)于60 Hz系統(tǒng):69 V、120 V,、240 V,、277 V、347 V,、480 V,、600 V

  ▲0.1A、0.2 A,、0.5 A,、1 A,、2 A、5 A,、10 A,、20 A、50 A,、100 A

  此外,,在連續(xù)施加1.2× UNOM和INOM時(shí),用于測(cè)量電壓和電流的傳感器的特性和精度必須保持不變,。對(duì)儀器施加四倍標(biāo)稱電壓信號(hào)或1 kV rms(以低值為準(zhǔn))1秒,,不得導(dǎo)致任何損壞。同樣,,對(duì)儀器施加10× INOM 1秒,,不得導(dǎo)致任何損壞。

  模數(shù)轉(zhuǎn)換器

  盡管IEC 61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)未明確給出最低采樣速率要求,,但ADC的采樣速率必須足以測(cè)量一些振蕩和快速的電能質(zhì)量現(xiàn)象,。采樣速率如果不足,會(huì)導(dǎo)致電能質(zhì)量事件分類出錯(cuò),,或無(wú)法檢測(cè)到事件,。IEC 61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,儀表的電壓和電流傳感器應(yīng)該能夠支持高達(dá)9 kHz,。因此,,必須按照信號(hào)分析規(guī)則選擇ADC的采樣頻率,以測(cè)量高達(dá)9 kHz(包含在內(nèi))的能量譜分量,。圖2顯示在采樣速率不足時(shí)會(huì)造成的后果,。左上方的波形每10個(gè)周期(200 ms)包含64個(gè)樣本,右上方的波形每10個(gè)周期包含1024個(gè)樣本,。如圖2所示,,左上圖顯示電壓突降事件,右上圖則顯示這種突降是由瞬變引起的,。

  IEC標(biāo)準(zhǔn)適用于單相和三相系統(tǒng),;因此,所選的ADC必須能夠同時(shí)對(duì)規(guī)定數(shù)量的電壓和電流通道采樣,。能夠同時(shí)對(duì)儀表上的所有電壓和電流通道執(zhí)行測(cè)量,,這樣就能檢查所有參數(shù)并在發(fā)生電能質(zhì)量事件時(shí),立即觸發(fā)這些參數(shù),。

  數(shù)字信號(hào)處理(DSP)

  盡管為電能質(zhì)量測(cè)量應(yīng)用選擇傳感器和ADC需要付出全面的工程努力,,但毫無(wú)疑問(wèn),開(kāi)發(fā)算法來(lái)處理ADC原始測(cè)量數(shù)據(jù)才是電能質(zhì)量測(cè)量過(guò)程中最費(fèi)時(shí)間和資源的任務(wù)。要構(gòu)建符合標(biāo)準(zhǔn)的儀表,,必須選擇正確的DSP硬件,,還必須開(kāi)發(fā)基于波形樣本計(jì)算電能質(zhì)量參數(shù)的算法并進(jìn)行適當(dāng)測(cè)試。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不止要求進(jìn)行計(jì)算,,還要求基于不同的時(shí)間進(jìn)行整合,,要求A類的時(shí)間精度小于±1秒/24小時(shí),,S類的時(shí)間精度小于±5秒/24小時(shí),。這些算法必須執(zhí)行諧波分析。此外,,電能質(zhì)量參數(shù)依賴快速傅立葉變換(FFT)分析(諧波,、間諧波、電源信號(hào)電壓,、失衡),,但這種分析很難實(shí)施。FFT分析要求以最低每200 ms(10個(gè)周期)1024個(gè)樣本的速率對(duì)波形進(jìn)行采樣,。要按規(guī)定的速率對(duì)ADC的原始波形重采樣,,必須非常小心,以免造成諧波失真和混疊,。

  算法開(kāi)發(fā)完成之后,,IEC標(biāo)準(zhǔn)要求儀表必須通過(guò)400多項(xiàng)測(cè)試,才能獲得完全認(rèn)證,。

  圖3所示的框圖顯示了DSP系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)量時(shí)所需的最相關(guān)功能,。

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  圖2.ADC采樣速率會(huì)影響電能質(zhì)量測(cè)量。

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  圖3.框圖:DSP電能質(zhì)量系統(tǒng)的相關(guān)功能,。

  ADI公司的電能質(zhì)量測(cè)量解決方案

  多通道同步采樣ADC,,符合IEC 61000-4-30 A類標(biāo)準(zhǔn)

  在開(kāi)發(fā)A類PQ儀表時(shí),我們需要考慮精度,、通道數(shù)量和采樣速率要求,,所以我們推薦使用AD777x和AD7606x系列產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行信號(hào)鏈/系統(tǒng)的ADC轉(zhuǎn)換。注意,,這些解決方案只提供來(lái)自輸入信號(hào)的原始數(shù)字化數(shù)據(jù),。必須開(kāi)發(fā)DSP系統(tǒng),以獲取通過(guò)認(rèn)證的PQ測(cè)量結(jié)果,。

  AD777x系列Σ-Δ ADC

  AD777x是8通道,、24位同步采樣ADC系列器件。片內(nèi)集成8個(gè)完整的Σ-Δ ADC,,提供16 kSPS/32 kSPS/128 kSPS采樣速率,。AD777x提供低輸入電流,允許直接連接傳感器。每個(gè)輸入通道都有一個(gè)增益為1,、2,、4和8的可編程增益級(jí),可將低幅度傳感器輸出映射到滿量程ADC輸入范圍,,從而盡量擴(kuò)大信號(hào)鏈的動(dòng)態(tài)范圍,。AD777x支持1 V至3.6 V VREF電壓,模擬輸入范圍為0 V至2.5 V或者±1.25 V,。模擬輸入可配置為接受真差分,、偽差分或單端信號(hào)以匹配不同的傳感器輸出配置。采樣速率轉(zhuǎn)換器可以用來(lái)對(duì)AD7770進(jìn)行精細(xì)分辨率控制,,還可用于線路頻率變化為0.01 Hz時(shí),,需要ODR分辨率用于保持采樣頻率跟隨維持相干性的應(yīng)用。AD777x還提供5 kHz 大信號(hào)輸入帶寬(AD7771為10 kHz),。通過(guò)SPI提供的數(shù)據(jù)輸出和SPI通信接口還可配置用于輸出Σ-? ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),。其溫度范圍為–40°C至+105°C,采用3.3 V或±1.65 V電源時(shí),,最高可達(dá)到+125°C,。

  圖4顯示了PQ儀器使用的AD777x系列ADC的典型3相應(yīng)用系統(tǒng)框圖,其中使用電流互感器作為電流傳感器,,且使用電阻分壓器作為電壓傳感器,。

  AD7606x系列16/18位ADC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

  AD7606x是8通道16/18位同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)系列。每個(gè)通道均包含模擬輸入箝位保護(hù),、可編程增益放大器(PGA),、低通濾波器、16/18位逐次逼近型(SAR) ADC,。AD7606x還內(nèi)置靈活的數(shù)字濾波器,、低漂移2.5 V精密基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)電壓緩沖器,可驅(qū)動(dòng)ADC及靈活的并行和串行接口,。

  AD7606B采用5 V單電源供電,,支持±10 V、±5 V和±2.5 V真雙極性輸入范圍,,所有通道均能以800 kSPS (AD7606B)/1 MSPS (AD7606C)的吞吐速率采樣,。輸入箝位保護(hù)容忍不同的電壓輸入,它們是用戶可選的模擬輸入范圍(±20 V,、±12.5 V,、±10 V、±5 V和±2.5 V),。AD7606x采用單個(gè)5 V模擬電源供電,。它采用單電源工作方式,具有片內(nèi)濾波和高輸入阻抗,因此無(wú)需采用需要雙極性電源的外部驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器,。

  在軟件模式下,,可以使用以下先進(jìn)功能:

  ▲額外的過(guò)采樣(OS)選項(xiàng),高達(dá)OS × 256

  ▲每通道的系統(tǒng)增益,、系統(tǒng)失調(diào)和系統(tǒng)相位校準(zhǔn)

  ▲模擬輸入開(kāi)路檢測(cè)器

  ▲用于診斷的多路復(fù)用器

  ▲監(jiān)控功能:SPI無(wú)效讀/寫(xiě),、循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)、過(guò)壓和欠壓事件,、忙卡監(jiān)控和復(fù)位檢測(cè)

  圖4顯示了適用于電能質(zhì)量?jī)x表的AD7606x系列ADC的典型3相應(yīng)用系統(tǒng)框圖,,其中使用電流互感器作為電流傳感器,且使用電阻分壓器作為電壓傳感器,。

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  圖4.AD777X和AD7606x系列ADC的電能質(zhì)量3相應(yīng)用系統(tǒng)框圖,。

  ADI公司預(yù)認(rèn)證的IEC S類電能質(zhì)量解決方案

  ADE9430是一款高精度,、全集成式多相電能計(jì)量IC,,結(jié)合主機(jī)微控制器上運(yùn)行的ADSW-PQ-CLS軟件庫(kù),共同構(gòu)成符合IEC 61000-4-30 S類標(biāo)準(zhǔn)的完整解決方案,。通過(guò)集成大幅縮短了PQ監(jiān)控產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間,,且降低了成本。ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解決方案緊密集成采集引擎和計(jì)算引擎,,簡(jiǎn)化了電能和PQ監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和認(rèn)證,。圖5顯示了適用于電能質(zhì)量?jī)x表的ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解決方案的3相應(yīng)用系統(tǒng)框圖,其中使用電流互感器作為電流傳感器,,且使用電阻分壓器作為電壓傳感器,。

  ADE9430 S類電能質(zhì)量模擬前端

  ADE9430集成七個(gè)輸入通道,可在三相系統(tǒng)或多達(dá)三個(gè)單相系統(tǒng)上使用,。配合外部模擬積分器使用時(shí),,該器件支持使用電流互感器(CT)或羅氏線圈來(lái)進(jìn)行電流測(cè)量。它提供集成式模擬前端來(lái)進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)控和電能計(jì)量,。ADE9430與ADE9000和ADE9078引腳兼容,,提供同等的模擬和計(jì)量性能。具有以下特性:

  ▲7個(gè)高性能24位Σ-Δ ADC

  ▲101 dB SNR

  ▲寬輸入電壓范圍:±1 V,,707 mV rms,,滿量程,增益為1

  ▲差分輸入

  ▲0.2級(jí)精度計(jì)量

  ▲1周期rms,、線路頻率,、過(guò)零、先進(jìn)計(jì)量方法

  ▲波形緩沖器

  ▲連續(xù)重采樣數(shù)據(jù):每10/12線路周期1024點(diǎn)

  ▲先進(jìn)計(jì)量方法覆蓋50 Hz和60 Hz基波頻率

  ▲支持有功電能標(biāo)準(zhǔn):IEC 62053-21和IEC 62053-22,;EN 50470-3 OIML R46,;以及ANSI C12.20

  ▲支持無(wú)功電能標(biāo)準(zhǔn):IEC 62053-23、IEC 62053-24

  ▲高速通信端口:20 MHz串行端口接口(SPI)

  ADSW-PQ-CLS軟件庫(kù)

  ADSW-PQ-CLS軟件庫(kù)專用于與ADE9430集成,以生成符合IEC 61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)的S類PQ測(cè)量值,。它采用了IEC 61000-4-30中定義的有關(guān)S類儀器的所有參數(shù),。用戶可以決定使用哪些PQ參數(shù)。此庫(kù)需要低CPU/RAM資源,,且與內(nèi)核/OS無(wú)關(guān)(最低需要采用Arm? Cortex?-M),。支持的MCU架構(gòu)包括Arm Cortex-M0、Cortex-MO+,、Cortex-M1,、Cortex-M3和Cortex-M4。在提供給最終用戶時(shí),,該庫(kù)以CMSIS-PACK文件(,。pack)的形式提供,兼容Keil Microvision,、IAR Embedded Workbench(8.x版本),,或者ADI公司的CrossCore? Embedded Studio。在購(gòu)買ADE9430時(shí),,會(huì)隨附提供該軟件庫(kù)的許可證,。提供一個(gè)PC串行命令行接口(CLI)示例,用于評(píng)估該庫(kù)及其功能,。圖6顯示此CLI如何顯示PQ參數(shù),。

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  圖5.ADE9430和ADSW-PQ-CLS PQ 3相系統(tǒng)框圖。

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  圖6.ADSW-PQ-CLS軟件庫(kù)串行CLI接口,。

  ADE9xxx系列電能質(zhì)量功能匯總

  表2.ADE9xxx系列電能計(jì)量IC的電能和電能質(zhì)量特性,;S類數(shù)值表示功能符合IEC 61000-4-30 S類標(biāo)準(zhǔn)

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  ADE9430評(píng)估套件

  EVAL-ADE9430ARDZ能夠使用ADE9430和ADSW-PQ-CLS電能質(zhì)量庫(kù),快速評(píng)估和構(gòu)建電能和S類功率質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)的原型,。提供的功率質(zhì)量庫(kù)和應(yīng)用示例能夠幫助簡(jiǎn)化大型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),。此套件提供即插即用型體驗(yàn),易于使用,,可用于測(cè)試3相電氣系統(tǒng)的電能質(zhì)量參數(shù),。

  此套件具有如下硬件特性:

  ▲電流互感器輸入

  ▲高壓/電流輸入

  ▲240 V rms標(biāo)稱值(采用分壓器)

  ▲80 A rms最大值(采用提供的CT傳感器)

  ▲2.5 kV隔離

  ▲板載RTC,用于標(biāo)記測(cè)量時(shí)間

  ▲預(yù)先通過(guò)IEC 61000-4-30 S類認(rèn)證(需要用戶進(jìn)行校準(zhǔn))

  ▲ADSW-PQ-CLS庫(kù)和示例應(yīng)用(在Arm Cortex-M4 MCU上運(yùn)行)

  ▲與PC之間的串行CLI,,用于進(jìn)行配置,,并記錄電能質(zhì)量參數(shù)

  圖7顯示在PC上使用EVAL-ADE9430ARDZ需要進(jìn)行的連接。

  EVAL-ADE9430ARDZ由一個(gè)PCB(具有4個(gè)電流和3個(gè)電壓 + 零線輸入連接器),、板載ADE9430,、隔離器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘),、一個(gè)Cortex-M4 STM NUCLEO-413ZH開(kāi)發(fā)板(包含ADSW-PQ-CLS庫(kù)的示例應(yīng)用)和三個(gè)電流傳感器組成,。

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  圖7.連接至PC的EVAL-ADE9430ARDZ的框圖,。

  認(rèn)證

  ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解決方案已通過(guò)認(rèn)證,可以按照IEC 61000-4-30 S類標(biāo)準(zhǔn)的要求準(zhǔn)確測(cè)量電能質(zhì)量參數(shù),。

  結(jié)論

  設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量表是一項(xiàng)頗具挑戰(zhàn)性的任務(wù),。為了減少構(gòu)建符合IEC 61000-4-30 S類標(biāo)準(zhǔn)的PQ測(cè)量?jī)x表的時(shí)間和工程資源,我們提供了ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解決方案,,該方案為設(shè)計(jì)人員提供即用型平臺(tái),,可加快開(kāi)發(fā)速度,并幫助解決多項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),。

  參考資料

  “IEC 61000-4-30:2015:電磁兼容性(EMC)第4-30部分:測(cè)試和測(cè)量技術(shù)——電能質(zhì)量測(cè)量方法,。”International Electrotechnical Commission, February 2015.



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