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ACR230ELH电力质量分析仪的设计与应用

导读: ACR230ELH可以实时监测反馈出负荷的负载特性,监测电力质量参数,对谐波等参数进行实时分析,便于上位机系统实时监控电力系统运行状况、谐波污染程度,给系统运行维护工程师提供可靠真实数据

  随着电力电子技术的蓬勃发展,供电系统中增加了大量的非线性负荷,从低压小容量的家用电器到大容量的工业交流变换器的广泛应用,引起了电网电压、电流波形的畸变,威胁到电力系统安全、稳定、经济运行。在国家一些重要项目的建设中电网质量的监测显得尤为重要,作为目前功能完整,体积较小的96型ACR230ELH电力质量分析仪对电力质量检测、解决谐波产生的问题有着重要的指导作用。

1  应用的先进技术

  为了对上述电网谐波危害进行相应的度量、评估和考核,上海安科瑞电气股份有限公司研发了基于DSP+ARM7模块化设计方案的高端电力质量分析产品ACR230ELH。

  该产品采用当今世界流行的高档电能标设计方案:DSP+MCU的实现方法,将DSP的高速数字信号处理功能和高档MCU(ARM)完善的管理、通讯、丰富的接口功能相结合。基本工作原理如下:

 

  图1 硬件设计原理框图

  互感器将来自电网的电压、电流信号实时送到表内16位高速Sigma-DelTa AD进行6个通道电力信号的同步采样,AD转换完成之后把数据传送给DSP进行各种复杂的数值运算,通过相应的数学运算,DSP完成整表的计算功能,具体包括所有电力参数的测量、有功、无功、视在电能的计量等工作;完成之后DSP把相应的计算数据和ARM7进行数据交换,ARM7主要完成液晶显示、数据统计存储、外部通讯、菜单键盘操作、DI/DO量的输入控制等工作。

  A/D采用的是ADI公司推出的AD73360L芯片,内带6个独立通道的16位串行模数转换器,采用Sigma-Delta转换原理,具有良好的抗混叠性能。AD73360的数据转换输出接口是同步串口(SPORT口),DSP采用的是ADSP 219x芯片,同样具有相同SPORT接口,使用起来非常的方便,免去了IO口模拟带来的一系列烦恼。

  ARM7采用的是NXP的LPC2138,该芯片功能强大,外围端口资源丰富,内部RAM最大可以达到32K,运行速度可达60M,带有多通道的32位定时器,多路PWM输出资源,多个SCI、SPI、IIC接口;IO口可以承受5V电压输入;内部还带有多种运行功耗模式。

  该表软件分为两部分,其一是DSP的相关程序流程代码,这部分代码按功能上分主要是以下几块:分为AD采样控制、串口数据传输、大量复杂的数值运算(包括傅氏变换)、能量累计、电能质量分析、电能脉冲输出等几个部分;其二是ARM7中的相关程序流程,主要包括:液晶显示、按键处理、数字通讯、开关量输入输出功能的实现以及部分事件记录功能的实现;在编程语言的选择上,DSP部分采用C语言和汇编语言混合编程,为了保证系统良好的实时性,以汇编语言为主,C语言作整个程序框架进程调度,既保证了程序的易读性,也兼顾了系统良好的实时性。ARM7的程序是基于uc/OS-II操作系统平台开发的,程序简单易读,可移植性较好,便于产品的后续升级工作。整个系统的软件大致要完成3个部分的工作:系统的初始化代码、uc/OS-II操作系统移植、应用任务的编写。 

2  算法描述

  基于上述的模块化设计理念,充分考虑了数字信号处理器的强大的数值计算功能,让其完成了所有的计算变换等功能;具体包括电压、电流有效值、有功、无功功率、视在功率、功率因数、有功、无功、视在电能的累计、电能质量指标的计算。考虑到常规电参量的计算公式比较常见,这里就不再赘述了,着重把电能质量指标的计算方法描述一下:电能质量方面的计算,具体包括:2-31次谐波分析,电压波峰系数,电话波形因子,电流K系数,三相电压、电流不平衡度,电压、电流正序、负序、零序分析,电压偏差、频率偏差。

  电能质量的相关指标如下:

  A.谐波(GB/T 14549)

  电压的2-31次谐波分析主要是采用DSP的FFT算法来实现,得到的基波分量和谐波分量分别为U1,U2…Uh;各次谐波含有率的计算公式如下:

  电流的2-31次谐波分析与之类似;

 

  图2 电网谐波波形及谐波棒图

  B.不平衡度(GB/T 15543)

  电压不平衡包括每相信号的幅度和三相之间的角度不平衡,具体计算参照下述公式:  

   

  电流不平衡的计算方法和电流一致。

 

 

 

图3 三相不平衡波形 

  C.频率偏差(GB/T 15945)

  频率偏差即系统频率的实际值和标称值之差。电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz。当系统容量较小时,偏差值可以放宽到±0.5Hz。用户冲击负荷引起的系统频率变动不得超过±0.2Hz,根据冲击负荷性质和大小以及系统的条件也可适当变动限值,但应保证近区电力网、发电机组和用户的安全,稳定运行以及正常供电。

  D. 电压偏差(GB/T 12325)

  35KV及以上供电电压正,负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%。
  10KV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%。220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%,-10%。

   图4 电压变化

  此外在电力系统实际运行过程中,还有一些参数会间接的反映出电网波形的实际情形,比如电压波峰系数、电压电话波形因子和电流K系数(前面两个主要是衡量电压波形畸变带来的影响、第三个主要是衡量电流波形畸变带来的变化)。

  电压波峰系数的计算如下:

  电话波形因子:

  电流K系数

 

 

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