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電能質量監(jiān)測第2部分:符合標準的電能質量儀表的設計考慮因素

發(fā)布時間:2023-03-21 來源:ADI 責任編輯:wenwei

【導讀】本文介紹如何借助即用型平臺加快開發(fā)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(jiān)測產品的開發(fā)時間并降低成本。文章 "電能質量監(jiān)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。


實施電能質量解決方案面臨的挑戰(zhàn)


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(tài)范圍進行調整。傳統(tǒng)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(zhí)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(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量測量結果。


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圖1.電能質量測量儀表的主要組件。


電壓和電流傳感器


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

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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(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

●   0.1 A、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,不得導致任何損壞。同樣,對儀器施加10× INOM 1秒,不得導致任何損壞。


模數轉換器


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(guī)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(guī)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(tǒng);因此,所選的ADC必須能夠同時對規(guī)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(zhí)行測量,這樣就能檢查所有參數并在發(fā)生電能質量事件時,立即觸發(fā)這些參數。


數字信號處理(DSP)


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(fā)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(fā)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(zhí)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(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)進行電能質量測量時所需的最相關功能。


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圖2.ADC采樣速率會影響電能質量測量。


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圖3.框圖:DSP電能質量系統(tǒng)的相關功能。


ADI公司的電能質量測量解決方案


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(tǒng)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(fā)DSP系統(tǒng),以獲取通過認證的PQ測量結果。


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(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數據采集系統(tǒng)


AD7606x 是8通道16/18位同步采樣模數數據采集系統(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(tǒng)增益、系統(tǒng)失調和系統(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(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。


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圖4.AD777X和AD7606x系列ADC的電能質量3相應用系統(tǒng)框圖。


ADI公司預認證的IEC S類電能質量解決方案


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(jiān)控產品的開發(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(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


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。


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


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圖6.ADSW-PQ-CLS軟件庫串行CLI接口。


ADE9xxx系列電能質量功能匯總


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

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ADE9430評估套件


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


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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量參數。


結論


設計符合標準的電能質量表是一項頗具挑戰(zhàn)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(fā)速度,并幫助解決多項關鍵設計挑戰(zhàn)。


參考電路


1“IEC 61000-4-30:2015:電磁兼容性(EMC)第4-30部分:測試和測量技術——電能質量測量方法”。 International Electrotechnical Commission, February 2015。



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