如何使用高效設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量測量儀器

本文介紹如何使用可加速開發(fā)的即用型平臺高效設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量測量儀器。本文討論了設(shè)計(jì)A類和S類電表的解決方案，包括新的S類電能質(zhì)量測量集成解決方案，可顯著減少電能質(zhì)量監(jiān)控產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間和成本。第 1 部分討論了符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量測量對于了解 IEC 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及其參數(shù)的重要性。

實(shí)施電能質(zhì)量解決方案的挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)用于電能質(zhì)量測量的儀器的基本組件如圖1所示。首先，電流和電壓傳感器必須考慮儀器的工作范圍，并使輸入信號適應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）輸入的動態(tài)。傳統(tǒng)傳感器是測量中不確定性的第一個來源;因此，正確的選擇非常重要。接下來，信號進(jìn)入ADC;其各自的特性，如失調(diào)、增益和非線性誤差，會產(chǎn)生第二個不確定性來源。為此功能選擇正確的ADC是設(shè)計(jì)電能質(zhì)量儀器的一項(xiàng)艱巨工作。最后，必須產(chǎn)生一系列信號處理算法，以便從輸入信號中獲得電氣和電能質(zhì)量測量值。

圖1.電能質(zhì)量測量儀器的主要部件。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]

表 1.IEC 61000-4-7 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電流、電壓和功率測量精度要求

電壓和電流傳感器

根據(jù)電能質(zhì)量儀表的位置和應(yīng)用，標(biāo)稱電源電壓（U名詞）、額定電流 （I名詞），并且頻率各不相同。與儀器測量的標(biāo)稱值無關(guān)，IEC 61000-4-7標(biāo)準(zhǔn)要求電能質(zhì)量測量儀器達(dá)到表1中所示的精度;因此，必須選擇傳感器，使儀器滿足精度要求。

我名詞：測量儀器的標(biāo)稱電流范圍

U名詞：測量儀器的標(biāo)稱電壓范圍

UM我M和 PM： 測量值

IEC61000-4-71標(biāo)準(zhǔn)建議按照這些標(biāo)稱電壓（U名詞） 和標(biāo)稱電流 （I名詞):

? 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 安、0.2 安、0.5 安、1 安、2 安、5 安、10 安、20 安、50 安、100 安培

此外，當(dāng)連續(xù)應(yīng)用1.2× UNOM和INOM時(shí)，選擇用于測量電壓和電流的傳感器必須保持其特性和精度不變。四倍于標(biāo)稱電壓或 1 kV rms（以較小者為準(zhǔn)）的信號施加到儀器上 1 秒，不得導(dǎo)致任何損壞。同樣，一個 10× I名詞電流 1 秒不會產(chǎn)生任何損壞。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

盡管IEC 61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定采樣速率的最低要求，但ADC必須具有足夠的采樣速率來測量一些振蕩和快速電能質(zhì)量現(xiàn)象。采樣率不足可能導(dǎo)致電能質(zhì)量事件分類錯誤或無法檢測到電能質(zhì)量事件。IEC 61000-4-30 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，儀器電壓和電流傳感器應(yīng)適用于高達(dá) 9 kHz 的頻率。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(dá)9 kHz的頻率分量。圖2說明了采樣率不足的后果。左上角波形每 64 個周期 （10 ms） 包含 200 個樣本，右上角波形每 1024 個周期包含 10 個樣本。如圖2所示，左上圖顯示了電壓驟降事件，而右上圖顯示了瞬時(shí)感應(yīng)的電壓驟降。

IEC標(biāo)準(zhǔn)適用于單相和三相系統(tǒng);因此，所選ADC必須能夠同時(shí)對所需數(shù)量的電壓和電流通道進(jìn)行采樣。同時(shí)測量儀器上的所有電壓和電流通道，可以檢查所有參數(shù)，并在發(fā)生電能質(zhì)量事件時(shí)立即觸發(fā)。

數(shù)字信號處理

盡管為電能質(zhì)量測量選擇傳感器和ADC需要全面的工程設(shè)計(jì)工作，但開發(fā)用于處理原始ADC測量的算法無疑是制造電能質(zhì)量儀器需要大部分時(shí)間和資源的任務(wù)。為了 實(shí)現(xiàn) 符合 標(biāo)準(zhǔn) 的 儀器， 必須 選擇 正確 的 數(shù)字 信號 處理 （DSP） 硬件， 并且 必須 開發(fā) 并 正確 測試 從 波形 樣本 計(jì)算 電能 質(zhì)量 參數(shù) 的 算法。該標(biāo)準(zhǔn)不僅要求計(jì)算，還要求不同的時(shí)間相關(guān)聚合，A類的時(shí)間精度每1小時(shí)小于±24秒，S類每5小時(shí)的時(shí)間精度小于±24秒。這些算法必須執(zhí)行諧波分析。此外，電能質(zhì)量參數(shù)依賴于快速傅里葉變換（FFT）分析（諧波、間諧波、電源信號電壓、不平衡），這很難實(shí)現(xiàn)。FFT分析要求以每1024 ms（200個周期）最少10個樣本對波形進(jìn)行采樣。對ADC的原始波形進(jìn)行重采樣至所需速率時(shí)，需要注意避免諧波失真和混疊。

Figure 2.ADC sampling rate effect on power quality measures.Image used courtesy ofBodo’s Power Systems[PDF]

Figure 3.Block diagram: relevant functions of a DSP power quality system.Image used courtesy ofBodo’s Power Systems[PDF]

算法開發(fā)完成后，IEC 標(biāo)準(zhǔn)要求儀器必須通過 400 多項(xiàng)測試才能獲得全面認(rèn)證。圖3所示框圖顯示了DSP系統(tǒng)產(chǎn)生電能質(zhì)量測量所需的最相關(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(biāo)準(zhǔn)

考慮到開發(fā)A類PQ儀器的精度、通道數(shù)和采樣速率要求，建議將AD777x和AD7606x系列產(chǎn)品用于信號鏈/系統(tǒng)的ADC轉(zhuǎn)換。請注意，這些解決方案僅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)才能獲得認(rèn)證的PQ測量。

AD777x 系列Σ-Δ型ADC

AD777x是一款8通道、24位同步采樣ADC系列器件。片內(nèi)有16個全Σ-Δ型（∑-Δ）ADC，提供32 kSPS/128 kSPS/777 kSPS的采樣速率。AD1x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可編程增益級，允許增益為2、4、8和777，以將較低幅度的傳感器輸出映射到滿量程ADC輸入范圍，從而最大化信號鏈的動態(tài)范圍。AD1x接受3 V至6.0 V的VREF電壓和2 V至5.1 V或±25.7770 V的模擬輸入范圍。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。該器件提供采樣速率轉(zhuǎn)換器，允許對AD0進(jìn)行精細(xì)分辨率控制，可用于需要ODR分辨率以保持線路頻率01.777 Hz變化一致性的應(yīng)用。AD5x還提供7771 kHz的大信號輸入帶寬（AD10 40 kHz）。提供數(shù)據(jù)輸出和SPI通信接口，但SPI也可以配置為輸出Σ-Δ轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。溫度范圍為 –105°C 至 +125°C，采用 3.3 V 或 ±1.65 V 電源時(shí)工作溫度高達(dá) +<>°C。

圖4顯示了PQ儀器AD3x系列ADC的三相典型應(yīng)用系統(tǒng)圖，該儀器使用電流互感器作為電流傳感器和電壓電阻分壓器。

AD7606x系列16/18位ADC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

AD7606x提供具有16個通道的18位/16位同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。每個通道包含模擬輸入箝位保護(hù)、可編程增益放大器（PGA）、低通濾波器和18/7606位逐次逼近寄存器（SAR）ADC。AD2x還內(nèi)置一個靈活的數(shù)字濾波器、低漂移、用于驅(qū)動ADC的5.<> V精密基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)電壓緩沖器，以及靈活的并行和串行接口。

AD7606B采用5 V單電源供電，在所有通道以10 kSPS （AD5B）/2 MSPS （AD5C）的吞吐速率采樣時(shí)，支持±800 V、±7606 V和±1.7606 V真雙極性輸入范圍。輸入箝位保護(hù)可承受不同的電壓，用戶可選擇模擬輸入范圍（±20 V、±12.5 V、±10 V、±5 V 和 ±2.5 V）。AD7606x需要5 V單模擬電源。單電源供電、片內(nèi)濾波和高輸入阻抗免除了增設(shè)外部驅(qū)動器運(yùn)算放大器的需要，后者需要雙極性電源。

在軟件模式下，可以使用以下高級功能：

其他過采樣 （OS） 選項(xiàng)，最高可達(dá) OS × 256

每個通道的系統(tǒng)增益、系統(tǒng)失調(diào)和系統(tǒng)相位校準(zhǔn)

模擬輸入開路檢測器

診斷多路復(fù)用器

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

圖4顯示了AD3x系列ADC的三相典型應(yīng)用系統(tǒng)圖，用于電能質(zhì)量儀器，使用電流互感器作為電流傳感器和電壓電阻分壓器。

圖4.AD3X和AD777x系列ADC的電能質(zhì)量三相應(yīng)用系統(tǒng)圖圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]

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、完全集成的多相電能計(jì)量IC，與在主機(jī)微控制器上運(yùn)行的ADSW-PQ-CLS軟件庫相結(jié)合，是一款符合IEC 61000-4-30 S類標(biāo)準(zhǔn)的完整解決方案。這種集成顯著減少了PQ監(jiān)控產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間和成本。ADE9430 + ADSW-PQ-CLS 解決方案通過提供采集和計(jì)算引擎的緊密集成，簡化了能源和PQ監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和認(rèn)證。圖5顯示了ADE3 + ADSW-PQ-CLS解決方案的三相應(yīng)用系統(tǒng)圖，該解決方案適用于使用電流互感器作為電流傳感器和電壓電阻分壓器的電能質(zhì)量儀器。

ADE9430 S類電能質(zhì)量模擬前端

ADE9430具有3個輸入通道，可用于三相系統(tǒng)或最多三個單相系統(tǒng)。它支持電流互感器（CT）或羅氏線圈，并帶有外部模擬積分器，用于電流測量。它為電能質(zhì)量監(jiān)控和電能測量提供了一個集成的模擬前端。ADE9430與ADE9000和ADE9078引腳兼容，具有同等的模擬和計(jì)量性能。其功能包括：

24個高性能<>位Σ-Δ型ADC

101 dB 信噪比

寬輸入電壓范圍：±1 V、707 mV rms，增益 = 1 時(shí)滿量程

差分輸入

0.2 級精度計(jì)量

單周期有效值、線路頻率、過零、高級計(jì)量

波形緩沖器

連續(xù)重采樣數(shù)據(jù)：每 1024/10 行周期 12 個點(diǎn)

涵蓋 50 Hz 和 60 Hz 基頻的高級計(jì)量技術(shù)

支持有源能源標(biāo)準(zhǔn)：IEC 62053-21 和 IEC 62053-22;EN 50470-3 OIML R46;和 ANSI C12.20

支持無功電能標(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

ADSW-PQ-CLS 軟件庫專門設(shè)計(jì)用于與 ADE9430 集成，以生成符合標(biāo)準(zhǔn)的 IEC 61000-4-30 S 類 PQ 測量值。它實(shí)現(xiàn)了 IEC 61000-4-30 中為 S 類儀器定義的所有參數(shù)。用戶可以決定使用哪些 PQ 參數(shù)。該庫需要低 CPU/RAM 資源，并且與核心/操作系統(tǒng)無關(guān)（Arm? Cortex-M? 最低要求）。支持的MCU架構(gòu)包括Arm Cortex-M0，Cortex-MO+，Cortex-M1，Cortex-M3和Cortex-M4。為了分發(fā)給最終用戶，該庫以CMSIS-PACK文件（.pack）的形式提供，該文件與Keil Microvision，IAR Embedded Workbench版本8.x或ADI公司CrossCore? Embedded Studio兼容。軟件庫的許可證包含在購買ADE9430時(shí)。提供了一個 PC 串行命令行界面 （CLI） 示例來評估庫及其功能。圖 6 顯示了此 CLI 如何顯示 PQ 參數(shù)。

圖5.ADE9430和ADSW-PQ-CLS PQ 三相系統(tǒng)圖。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]

圖6.ADSW-PQ-CLS 軟件庫串行 CLI 接口。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]

ADE9xxx系列電能質(zhì)量特性摘要

表 2.ADE9xxx系列電能計(jì)量IC的能源和電能質(zhì)量特性;S 類值表示功能符合 IEC 61000-4-30 S 類標(biāo)準(zhǔn)

ADE9430 評估套件

EVAL-ADE9430ARDZ可通過ADE9430和ADSW-PQ-CLS電能質(zhì)量庫快速評估和原型設(shè)計(jì)電能和S類電能質(zhì)量測量系統(tǒng)。提供電能質(zhì)量庫和應(yīng)用示例，以簡化大型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。該套件提供即插即用類型的體驗(yàn)，易于使用來測試三相電氣系統(tǒng)的電能質(zhì)量參數(shù)。

該套件具有以下硬件功能：

? 電流互感器輸入

? 高電壓/電流輸入

? 240 V rms 標(biāo)稱值（帶分壓器）

? 最大 80 A 有效值（帶隨附的 CT 傳感器）

? 2.5 kV 隔離

? 板載 RTC 到時(shí)間戳測量

? IEC 61000-4-30 S 類預(yù)認(rèn)證（需要用戶校準(zhǔn)）

? ADSW-PQ-CLS 庫和在 Arm Cortex-M4 MCU 上運(yùn)行的示例應(yīng)用程序

? 串行CLI到PC，用于配置和記錄電能質(zhì)量參數(shù)

圖7顯示了將EVAL-ADE9430ARDZ與PC配合使用所需的連接。

EVAL-ADE9430ARDZ由一個具有四個電流和三個電壓+中性輸入連接器的PCB和板載ADE9430、隔離器、一個實(shí)時(shí)時(shí)鐘、一個Cortex-M4 STM NUCLEO-413ZH開發(fā)板（帶有ADSW-PQ-CLS庫的示例應(yīng)用）和三個電流傳感器組成。

圖7.EVAL-ADE9430ARDZ連接到PC的示意圖。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]

設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量計(jì)摘要

ADE9430 + ADSW-PQ-CLS 解決方案已經(jīng)過認(rèn)證，可按照IEC 61000-4-30 S類標(biāo)準(zhǔn)的要求精確測量電能質(zhì)量參數(shù)。

設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量表是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。為了減少生產(chǎn)符合IEC 61000-4-30 S類標(biāo)準(zhǔn)的PQ測量儀器所需的時(shí)間和工程資源，ADE9430 + ADSW-PQ-CLS是一款完整的首選解決方案，使設(shè)計(jì)人員能夠使用即用型平臺來加速開發(fā)并解決許多關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。