電能質(zhì)量監(jiān)測第2部分：符合標準的電能質(zhì)量儀表的設(shè)計考慮因素

作者：Jose Mendia，產(chǎn)品應(yīng)用高級工程師

摘要

本文介紹如何借助即用型平臺加快開發(fā)速度，高效設(shè)計符合標準的電能質(zhì)量(PQ)測量儀表。文中詳細探討設(shè)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(zhì)量測量集成解決方案，該方案可大幅縮短電能質(zhì)量監(jiān)測產(chǎn)品的開發(fā)時間并降低成本。文章“電能質(zhì)量監(jiān)測第1部分：符合標準的電能質(zhì)量測量的重要性”詳細闡述了電能質(zhì)量IEC標準及其參數(shù)。

實施電能質(zhì)量解決方案面臨的挑戰(zhàn)

圖1顯示了用于測量電能質(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，且輸入信號應(yīng)能根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入的動態(tài)范圍進行調(diào)整。傳統(tǒng)傳感器是導(dǎo)致測量結(jié)果不準確的第一個來源；因此，正確選擇傳感器至關(guān)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(dǎo)致測量結(jié)果不準確的第二個來源。正確選擇ADC來執(zhí)行此功能，這是設(shè)計電能質(zhì)量儀表時的一大難點。最后，必須開發(fā)一系列信號處理算法，以便從輸入信號獲取電氣和電能質(zhì)量測量結(jié)果。

圖1.電能質(zhì)量測量儀表的主要組件。

電壓和電流傳感器

電能質(zhì)量儀表的位置和應(yīng)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(zhì)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

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(shè)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(tǒng)：66 V、115 V、230 V、400 V、690 V

對于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，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(dǎo)致任何損壞。同樣，對儀器施加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(zhì)量現(xiàn)象。采樣速率如果不足，會導(dǎo)致電能質(zhì)量事件分類出錯，或無法檢測到事件。IEC 61000-4-30標準規(guī)定，儀表的電壓和電流傳感器應(yīng)該能夠支持高達9 kHz。因此，必須按照信號分析規(guī)則選擇ADC的采樣頻率，以測量高達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(tǒng)；因此，所選的ADC必須能夠同時對規(guī)定數(shù)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(zhí)行測量，這樣就能檢查所有參數(shù)并在發(fā)生電能質(zhì)量事件時，立即觸發(fā)這些參數(shù)。

數(shù)字信號處理(DSP)

盡管為電能質(zhì)量測量應(yīng)用選擇傳感器和ADC需要付出全面的工程努力，但毫無疑問，開發(fā)算法來處理ADC原始測量數(shù)據(jù)才是電能質(zhì)量測量過程中最費時間和資源的任務(wù)。要構(gòu)建符合標準的儀表，必須選擇正確的DSP硬件，還必須開發(fā)基于波形樣本計算電能質(zhì)量參數(shù)的算法并進行適當(dāng)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(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(guī)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(fā)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(tǒng)進行電能質(zhì)量測量時所需的最相關(guān)功能。

圖2.ADC采樣速率會影響電能質(zhì)量測量。

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)量測量解決方案

多通道同步采樣ADC，符合IEC 61000-4-30 A類標準

在開發(fā)A類PQ儀表時，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)品來進行信號鏈/系統(tǒng)的ADC轉(zhuǎn)換。注意，這些解決方案只提供來自輸入信號的原始數(shù)字化數(shù)據(jù)。必須開發(fā)DSP系統(tǒng)，以獲取通過認證的PQ測量結(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(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(yīng)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(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，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(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(nèi)置靈活的數(shù)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(qū)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(nèi)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(qū)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(tǒng)增益、系統(tǒng)失調(diào)和系統(tǒng)相位校準

模擬輸入開路檢測器

用于診斷的多路復(fù)用器

監(jiān)控功能：SPI無效讀/寫、循環(huán)冗余校驗(CRC)、過壓和欠壓事件、忙卡監(jiān)控和復(fù)位檢測

圖4顯示了適用于電能質(zhì)量儀表的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。

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量IC，結(jié)合主機微控制器上運行的ADSW-PQ-CLS軟件庫，共同構(gòu)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(jiān)控產(chǎn)品的開發(fā)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(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)和認證。圖5顯示了適用于電能質(zhì)量儀表的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集成七個輸入通道，可在三相系統(tǒng)或多達三個單相系統(tǒng)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(zhì)量監(jiān)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(xù)重采樣數(shù)據(jù)：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

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(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)。此庫需要低CPU/RAM資源，且與內(nèi)核/OS無關(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，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(shù)。

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

圖6.ADSW-PQ-CLS軟件庫串行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類標準

ADE9430評估套件

EVAL-ADE9430ARDZ能夠使用ADE9430和ADSW-PQ-CLS電能質(zhì)量庫，快速評估和構(gòu)建電能和S類功率質(zhì)量測量系統(tǒng)的原型。提供的功率質(zhì)量庫和應(yīng)用示例能夠幫助簡化大型系統(tǒng)的實現(xiàn)。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(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(yù)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(yīng)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(zhì)量參數(shù)

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(fā)板（包含ADSW-PQ-CLS庫的示例應(yīng)用）和三個電流傳感器組成。

圖7.連接至PC的EVAL-ADE9430ARDZ的框圖。

認證

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(zhì)量參數(shù)。

結(jié)論

設(shè)計符合標準的電能質(zhì)量表是一項頗具挑戰(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(shè)計人員提供即用型平臺，可加快開發(fā)速度，并幫助解決多項關(guān)鍵設(shè)計挑戰(zhàn)。

參考資料

“IEC 61000-4-30:2015：電磁兼容性(EMC)第4-30部分：測試和測量技術(shù)——電能質(zhì)量測量方法?！盜nternational Electrotechnical Commission, February 2015.

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

關(guān)于作者

Jose Mendia擁有電子和計算機科學(xué)工程學(xué)士學(xué)位，于2016年加入ADI公司的能源和工業(yè)系統(tǒng)部。目前，他是愛丁堡英國設(shè)計中心的產(chǎn)品應(yīng)用高級工程師。