電能質量監測第2部分：符合標準的電能質量儀表的設計考慮因素
2023-04-12 11:05:56 EETOP本文介紹如何借助即用型平臺加快開發速度，高效設計符合標準的電能質量(PQ)測量儀表。文中詳細探討設計A類和S類電能表的不同解決方案，包括新的S類電能質量測量集成解決方案，該方案可大幅縮短電能質量監測產品的開發時間并降低成本。文章“電能質量監測第1部分：符合標準的電能質量測量的重要性”詳細闡述了電能質量IEC標準及其參數。
圖1顯示了用于測量電能質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，且輸入信號應能根據模數轉換器(ADC)輸入的動態范圍進行調整。傳統傳感器是導致測量結果不準確的第一個來源；因此，正確選擇傳感器至關重要。然后，信號傳輸至ADC；其各種特性，例如偏置、增益和非線性度誤差成為導致測量結果不準確的第二個來源。正確選擇ADC來執行此功能，這是設計電能質量儀表時的一大難點。最后，必須開發一系列信號處理算法，以便從輸入信號獲取電氣和電能質量測量結果。
圖1.電能質量測量儀表的主要組件。
電能質量儀表的位置和應用不同，標稱電源電壓(UNOM)、標稱電流(INOM)和頻率也會不同。除了儀表測得的標稱值，IEC 61000-4-7標準要求電能質量測量儀表達到表1所示的精度；因此，在選擇傳感器時，必須確保在使用該傳感器后，儀器能夠達到要求的測量精度。
表1.IEC 61000-4-7標準指定的電流、電壓和電能測量精度要求
類別 | 條件 | 最大誤差 | |
A | 電壓 | UM ≥ 1% UNOM UM < 1% UNOM | ±5% UM ±0.05% UNOM |
電流 | IM ≥ 3% INOM IM < 3% INOM | ±5% IM ±0.15% INOM | |
電能 | PM ≥ 150 W PM < 150 W | ±1% PM ±1.5 W | |
S | 電壓 | UM ≥ 3% UNOM UM < 3% UNOM | ±5% UM ±0.15% UNOM |
電流 | IM ≥ 10% INOM IM < 10% INOM | ±5% IM ±0.15% INOM |
INOM：測量儀表的標稱電流范圍
UNOM：測量儀表的標稱電壓范圍
UM、IM和PM：測量值
IEC61000-4-71標準推薦在設計輸入電路時，采用這些標稱電壓(UNOM)和標稱電流(INOM)：
? 對于50 Hz系統：66 V、115 V、230 V、400 V、690 V
? 對于60 Hz系統：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，在連續施加1.2× UNOM和INOM時，用于測量電壓和電流的傳感器的特性和精度必須保持不變。對儀器施加四倍標稱電壓信號或1 kV rms（以低值為準）1秒，不得導致任何損壞。同樣，對儀器施加10× INOM 1秒，不得導致任何損壞。
盡管IEC 61000-4-30標準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量一些振蕩和快速的電能質量現象。采樣速率如果不足，會導致電能質量事件分類出錯，或無法檢測到事件。IEC 61000-4-30標準規定，儀表的電壓和電流傳感器應該能夠支持高達9 kHz。因此，必須按照信號分析規則選擇ADC的采樣頻率，以測量高達9 kHz（包含在內）的能量譜分量。圖2顯示在采樣速率不足時會造成的后果。左上方的波形每10個周期(200 ms)包含64個樣本，右上方的波形每10個周期包含1024個樣本。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標準適用于單相和三相系統；因此，所選的ADC必須能夠同時對規定數量的電壓和電流通道采樣。能夠同時對儀表上的所有電壓和電流通道執行測量，這樣就能檢查所有參數并在發生電能質量事件時，立即觸發這些參數。
盡管為電能質量測量應用選擇傳感器和ADC需要付出全面的工程努力，但毫無疑問，開發算法來處理ADC原始測量數據才是電能質量測量過程中最費時間和資源的任務。要構建符合標準的儀表，必須選擇正確的DSP硬件，還必須開發基于波形樣本計算電能質量參數的算法并進行適當測試。這項標準不止要求進行計算，還要求基于不同的時間進行整合，要求A類的時間精度小于±1秒/24小時，S類的時間精度小于±5秒/24小時。這些算法必須執行諧波分析。此外，電能質量參數依賴快速傅立葉變換(FFT)分析（諧波、間諧波、電源信號電壓、失衡），但這種分析很難實施。FFT分析要求以最低每200 ms（10個周期）1024個樣本的速率對波形進行采樣。要按規定的速率對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。
算法開發完成之后，IEC標準要求儀表必須通過400多項測試，才能獲得完全認證。
圖3所示的框圖顯示了DSP系統進行電能質量測量時所需的最相關功能。
圖2.ADC采樣速率會影響電能質量測量。
圖3.框圖：DSP電能質量系統的相關功能。
在開發A類PQ儀表時，我們需要考慮精度、通道數量和采樣速率要求，所以我們推薦使用AD777x和AD7606x系列產品來進行信號鏈/系統的ADC轉換。注意，這些解決方案只提供來自輸入信號的原始數字化數據。必須開發DSP系統，以獲取通過認證的PQ測量結果。
AD777x是8通道、24位同步采樣ADC系列器件。片內集成8個完整的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。每個輸入通道都有一個增益為1、2、4和8的可編程增益級，可將低幅度傳感器輸出映射到滿量程ADC輸入范圍，從而盡量擴大信號鏈的動態范圍。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、偽差分或單端信號以匹配不同的傳感器輸出配置。采樣速率轉換器可以用來對AD7770進行精細分辨率控制，還可用于線路頻率變化為0.01 Hz時，需要ODR分辨率用于保持采樣頻率跟隨維持相干性的應用。AD777x還提供5 kHz 大信號輸入帶寬（AD7771為10 kHz）。通過SPI提供的數據輸出和SPI通信接口還可配置用于輸出Σ-? ADC轉換數據。其溫度范圍為–40°C至+105°C，采用3.3 V或±1.65 V電源時，最高可達到+125°C。
圖4顯示了PQ儀器使用的AD777x系列ADC的典型3相應用系統框圖，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是8通道16/18位同步采樣模數數據采集系統(DAS)系列。每個通道均包含模擬輸入箝位保護、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還內置靈活的數字濾波器、低漂移2.5 V精密基準電壓源和基準電壓緩沖器，可驅動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5 V模擬電源供電。它采用單電源工作方式，具有片內濾波和高輸入阻抗，因此無需采用需要雙極性電源的外部驅動運算放大器。
在軟件模式下，可以使用以下先進功能：
? 額外的過采樣(OS)選項，高達OS × 256
? 每通道的系統增益、系統失調和系統相位校準
? 模擬輸入開路檢測器
? 用于診斷的多路復用器
? 監控功能：SPI無效讀/寫、循環冗余校驗(CRC)、過壓和欠壓事件、忙卡監控和復位檢測
圖4顯示了適用于電能質量儀表的AD7606x系列ADC的典型3相應用系統框圖，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。
圖4.AD777X和AD7606x系列ADC的電能質量3相應用系統框圖。
ADE9430是一款高精度、全集成式多相電能計量IC，結合主機微控制器上運行的ADSW-PQ-CLS軟件庫，共同構成符合IEC 61000-4-30 S類標準的完整解決方案。通過集成大幅縮短了PQ監控產品的開發時間，且降低了成本。ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解決方案緊密集成采集引擎和計算引擎，簡化了電能和PQ監控系統的實現和認證。圖5顯示了適用于電能質量儀表的ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解決方案的3相應用系統框圖，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集成七個輸入通道，可在三相系統或多達三個單相系統上使用。配合外部模擬積分器使用時，該器件支持使用電流互感器(CT)或羅氏線圈來進行電流測量。它提供集成式模擬前端來進行電能質量監控和電能計量。ADE9430與ADE9000和ADE9078引腳兼容，提供同等的模擬和計量性能。具有以下特性：
? 7個高性能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級精度計量
? 1周期rms、線路頻率、過零、先進計量方法
? 波形緩沖器
? 連續重采樣數據：每10/12線路周期1024點
? 先進計量方法覆蓋50 Hz和60 Hz基波頻率
? 支持有功電能標準：IEC 62053-21和IEC 62053-22；EN 50470-3 OIML R46；以及ANSI C12.20
? 支持無功電能標準：IEC 62053-23、IEC 62053-24
? 高速通信端口：20 MHz串行端口接口(SPI)
ADSW-PQ-CLS軟件庫專用于與ADE9430集成，以生成符合IEC 61000-4-30標準的S類PQ測量值。它采用了IEC 61000-4-30中定義的有關S類儀器的所有參數。用戶可以決定使用哪些PQ參數。此庫需要低CPU/RAM資源，且與內核/OS無關（最低需要采用Arm? Cortex?-M）。支持的MCU架構包括Arm Cortex-M0、Cortex-MO+、Cortex-M1、Cortex-M3和Cortex-M4。在提供給最終用戶時，該庫以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。在購買ADE9430時，會隨附提供該軟件庫的許可證。提供一個PC串行命令行接口(CLI)示例，用于評估該庫及其功能。圖6顯示此CLI如何顯示PQ參數。
圖5.ADE9430和ADSW-PQ-CLS PQ 3相系統框圖。
圖6.ADSW-PQ-CLS軟件庫串行CLI接口。
表2.ADE9xxx系列電能計量IC的電能和電能質量特性；S類數值表示功能符合IEC 61000-4-30 S類標準
參數 | ADE9078電表計量 | ADE9000電能質量 | ADE9430 + ADSW-PQ-CLS |
瓦特、瓦時 | ? | ? | ? |
I rms、V rms、VA、VA-hr | ? | ? | ? |
總VAR、VAR-hr | ? | ? | ? |
基波無功功率、VAR-hr | ? | ? | ? |
功率因數 | ? | ? | ? |
電流相位角 | ? | ? | ? |
參數 | ADE9078電表計量 | ADE9000電能質量 | ADE9430 + ADSW-PQ-CLS |
電壓相位角 | ? | ? | ? |
線路頻率——3 | ? | ? | S類 |
相序檢測 | ? | ? | ? |
1/2周期rms | — | ? | — |
1周期rms | — | ? | S類 |
10/12周期rms | — | ? | S類 |
150/180周期rms | — | — | S類 |
突降/突升 | — | ? | S類 |
中斷 | — | — | S類 |
過流 | — | ? | ? |
基波功率瓦特、瓦時、VA、VA-hr | — | ? | ? |
快速電壓變化 | — | — | S類 |
上/下偏差 | — | — | S類 |
閃變 | — | — | S類 |
電壓/電流失衡 | — | — | S類 |
電壓/電流諧波、間諧波 | — | — | S類最高達到第40位 |
ITHD、VTHD | — | ? | S類 |
參數 | ADE9078電表計量 | ADE9000電能質量 | ADE9430 + ADSW-PQ-CLS |
電源信號電壓 | — | — | S類 (<3 kHz) |
基波I rms、V rms | — | ? | ? |
數據速率 | 16 kSPS/4 kSPS | 32 kSPS/8 kSPS | 32 kSPS/8 kSPS |
重采樣數據 | 64 pts/周期 | 128 pts/周期 | 128 pts/周期，或者 |
最大SPI頻率 | 10 MHz | 20 MHz | 20 MHz |
EVAL-ADE9430ARDZ能夠使用ADE9430和ADSW-PQ-CLS電能質量庫，快速評估和構建電能和S類功率質量測量系統的原型。提供的功率質量庫和應用示例能夠幫助簡化大型系統的實現。此套件提供即插即用型體驗，易于使用，可用于測試3相電氣系統的電能質量參數。
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，用于標記測量時間
? 預先通過IEC 61000-4-30 S類認證（需要用戶進行校準）
? ADSW-PQ-CLS庫和示例應用（在Arm Cortex-M4 MCU上運行）
? 與PC之間的串行CLI，用于進行配置，并記錄電能質量參數
圖7顯示在PC上使用EVAL-ADE9430ARDZ需要進行的連接。
EVAL-ADE9430ARDZ由一個PCB（具有4個電流和3個電壓 + 零線輸入連接器）、板載ADE9430、隔離器、實時時鐘）、一個Cortex-M4 STM NUCLEO-413ZH開發板（包含ADSW-PQ-CLS庫的示例應用）和三個電流傳感器組成。
圖7.連接至PC的EVAL-ADE9430ARDZ的框圖。
ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解決方案已通過認證，可以按照IEC 61000-4-30 S類標準的要求準確測量電能質量參數。
設計符合標準的電能質量表是一項頗具挑戰性的任務。為了減少構建符合IEC 61000-4-30 S類標準的PQ測量儀表的時間和工程資源，我們提供了ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解決方案，該方案為設計人員提供即用型平臺，可加快開發速度，并幫助解決多項關鍵設計挑戰。
