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

作者：Jose Mendia，產(chǎn)品應(yīng)用高級(jí)工程師

摘要

本文介紹如何借助即用型平臺(tái)加快開發(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。

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

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。

圖2.ADC采樣速率會(huì)影響電能質(zhì)量測(cè)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(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、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。

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)。

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

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)

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。

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?！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(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)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(dòng)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(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)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(jì)算機(jī)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(guó)設(shè)計(jì)中心的產(chǎn)品應(yīng)用高級(jí)工程師。