ACR230ELH電力質量分析儀的設計和應用
徐希華 中國聯(lián)合工程公司上海分公司 上海 200011
湯建軍 左凌俊 裴善勇 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電力質量分析儀對電力質量檢測、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16位高速Sigma-DelTa AD進行6個通道電力信號的同步采樣，AD轉換完成之后把數(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，內帶6個獨立通道的16位串行模數(shù)轉換器，采用Sigma-Delta轉換原理，具有良好的抗混疊性能。AD73360的數(shù)據(jù)轉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、電能質量指標的計算。考慮到常規(guī)電參量的計算公式比較常見，這里就不再贅述了，著重把電能質量指標的計算方法描述一下：電能質量方面的計算，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。
電能質量的相關指標如下：
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/T 15543）
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/T 15945）
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)頻率變動不得超過±0.2Hz，根據(jù)沖擊負荷性質和大小以及系統(tǒng)的條件也可適當變動限值，但應保證近區(qū)電力網(wǎng)、發(fā)電機組和用戶的安全，穩(wěn)定運行以及正常供電。
D. 電壓偏差（GB/T 12325）
35KV及以上供電電壓正，負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的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)實際運行過程中，還有一些參數(shù)會間接的反映出電網(wǎng)波形的實際情形，比如電壓波峰系數(shù)、電壓電話波形因子和電流K系數(shù)（前面兩個主要是衡量電壓波形畸變帶來的影響、第三個主要是衡量電流波形畸變帶來的變化）。
電壓波峰系數(shù)的計算如下：  電話波形因子： 
電流Ｋ系數(shù)：  實現(xiàn)功能及性能：
ACR230ELH實現(xiàn)了以下功能：
1、高精度測量常規(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、感性無功電能、容性無功電能）高精度計量；可分8個時段三種費率計量本月、上月、上上月以及總的有功電能；
3、全面的測量電壓電流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，用戶可以方便的對供電電網(wǎng)質量進行分析；
4、具有4路開關量輸入、2路開關量輸出、一路485接口Modbus協(xié)議的通訊接口，充分滿足電力自動化遙控遙測需求。
該產(chǎn)品已經(jīng)通過CE論證并成功出口到英國和西班牙，詳細效果見下圖。
圖5 出口OEM儀表外觀
應用案例
世博中心是上海世博會園區(qū)內首座永久性場館，位于盧浦大橋東側世博園區(qū)B區(qū)濱江綠地內，東西長約350米，南北寬約140米，總建筑面積約14萬平方米，現(xiàn)已建成并投入試運營。世博中心作為世博永久性場館中最重要的場館之一，在世博會期間，將承擔世博會運營指揮中心、慶典會議中心、新聞中心、論壇活動中心等功能。
圖6 世博中心場館外觀圖
安科瑞電氣股份有限公司的ACR230ELH在該項目中一舉包攬了中心場館5個變電所的所有電力數(shù)顯示儀表。以世博中心地下5個變電所中的1#所舉例：這是一個0.4kV低壓配電站系統(tǒng)，由2個受電柜、2個應急進線柜、1個母聯(lián)柜、4個補償柜，155個饋出柜組成。饋出柜負載具體可分為：展覽用電、照明用電、空調風機用電、動力用電和消防用電。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、展覽用電等大量非線性用電設備，雖然降低了實際的功耗，以實現(xiàn)節(jié)能的目標，但是這些設備都是電力系統(tǒng)諧波的主要來源；這些設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。這些設備單個容量不大，但基數(shù)很大且散布于各處，電力部門又難以治理。假如這些設備的電流諧波含量過大，則會對世博中心場館電力系統(tǒng)造成嚴重影響。
圖 7
ACR230ELH多功能電力儀表在現(xiàn)場使用之后，用戶除了可以通過該表了解所有常規(guī)電參數(shù)之外，可以了解世博中心場館現(xiàn)場各種電力設備投運前、后相關系統(tǒng)的電力質量水平及其變化對有關設備的影響，方便電力質量故障診斷和異常的原因測量，為大型公建的穩(wěn)定運行提供實時數(shù)據(jù)。
在該項目中主要用到了該產(chǎn)品的以下功能，常規(guī)電參數(shù)測量、復費率電能計量、電力質量分析、分斷開關的分合狀態(tài)指示以及485通訊組網(wǎng)。現(xiàn)場系統(tǒng)網(wǎng)絡結構(如圖 10)：現(xiàn)場設備層——網(wǎng)絡通訊層——站控管理層。也即是：先將現(xiàn)場智能設備接入就地的Modbus總線，再將Modbus總線通過串口設備聯(lián)網(wǎng)服務器轉換成TCP/IP以太網(wǎng)與監(jiān)控主機進行數(shù)據(jù)交換，最終由方便管理人員通過監(jiān)測系統(tǒng)軟件了解及掌握現(xiàn)場狀況，并進行實時監(jiān)測。
1、現(xiàn)場設備層采集所需實時監(jiān)測的電參量：
現(xiàn)場設備層是數(shù)據(jù)采集終端，主要是由智能儀表組成(此項目中主要為ACR230ELH電力質量分析儀)，向數(shù)據(jù)中心上傳存儲的參數(shù)。世博中心場管項目中，例如主進線回路的三相電流、三相電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)及頻率；電容補償回路的功率因數(shù)、有功、無功功率；聯(lián)絡回路的三相電壓、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)絡通訊層實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸：
在現(xiàn)場設備(如ACR230ELH)中采集到的電參量，通過以太網(wǎng)實現(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，轉達上位機對現(xiàn)場設備的各種控制命令。
3、站控管理層以最直觀方便的形式反映現(xiàn)場各個運行狀態(tài)：
站控管理層針對監(jiān)測系統(tǒng)的管理人員，是人機交互的直接窗口，也是系統(tǒng)的最上層部門。監(jiān)測系統(tǒng)軟件具有良好的人機交互界面，對采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息計算、分析與處理，以報表及圖文方式直觀地體現(xiàn)各種電參量信息及系統(tǒng)運行以來的具有參考價值的歷史數(shù)據(jù)，如諧波數(shù)據(jù)、棒圖及曲線，電力能耗的日、月、年報表，日志報表等等。
結束語
安科瑞電氣股份有限公司的ACR230ELH可以實時監(jiān)測饋出負荷的負載特性，監(jiān)測電力質量參數(shù)，對諧波等參數(shù)進行實時分析，便于上位機系統(tǒng)實時監(jiān)控電力系統(tǒng)運行狀況、諧波污染程度，給世博運行維護工程師提供可靠真實數(shù)據(jù)，以便他們及時采取合理的應對措施，為實現(xiàn)綠色環(huán)保世博保駕護航。
圖8 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構
參考文獻
1）《電力電測數(shù)字儀表原理與應用指南》，任致程，周中，中國電力出版社
2)《電能質量國家標準應用指南》，中國標準出版社
3）《數(shù)字信號處理原理及其MatLab實現(xiàn)》，電子工業(yè)出版社
4）《工業(yè)與民用配電設計手冊》，任元會，中國電力出版社
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