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摘要
本文介绍如何借助即用型平台加快开发速度，高效设计符合标准的电能质量(PQ)测量仪表。文中详细探讨设计A类和S类电能表的不同解决方案，包括新的S类电能质量测量集成解决方案，该方案可大幅缩短电能质量监测产品的开发时间并降低成本。文章“电能质量监测第1部分：符合标准的电能质量测量的重要性”详细阐述了电能质量IEC标准及其参数。
实施电能质量解决方案面临的挑战
图1显示了用于测量电能质量的仪表所包含的基本组件。首先，电流和电压传感器必须支持该仪器的工作范围，且输入信号应能根据模数转换器(ADC)输入的动态范围进行调整。传统传感器是导致测量结果不准确的第一个来源；因此，正确选择传感器至关重要。然后，信号传输至ADC；其各种特性，例如偏置、增益和非线性度误差成为导致测量结果不准确的第二个来源。正确选择ADC来执行此功能，这是设计电能质量仪表时的一大难点。最后，必须开发一系列信号处理算法，以便从输入信号获取电气和电能质量测量结果。
图1.电能质量测量仪表的主要组件。
电压和电流传感器
电能质量仪表的位置和应用不同，标称电源电压(UNOM)、标称电流(INOM)和频率也会不同。除了仪表测得的标称值，IEC 61000-4-7标准要求电能质量测量仪表达到表1所示的精度；因此，在选择传感器时，必须确保在使用该传感器后，仪器能够达到要求的测量精度。
表1.IEC 61000-4-7标准指定的电流、电压和电能测量精度要求
|
类别 |
测量 |
条件 |
最大误差 |
|
A |
电压 |
UM ≥ 1% UNOM UM < 1% UNOM |
±5% UM ±0.05% UNOM |
|
电流 |
IM ≥ 3% INOM IM < 3% INOM |
±5% IM ±0.15% INOM |
|
|
电能 |
PM ≥ 150 W PM < 150 W |
±1% PM ±1.5 W |
|
|
S |
电压 |
UM ≥ 3% UNOM UM < 3% UNOM |
±5% UM ±0.15% UNOM |
|
电流 |
IM ≥ 10% INOM IM < 10% INOM |
±5% IM ±0.15% INOM |
INOM：测量仪表的标称电流范围
UNOM：测量仪表的标称电压范围
UM、IM和PM：测量值
IEC61000-4-71标准推荐在设计输入电路时，采用这些标称电压(UNOM)和标称电流(INOM)：
► 对于50 Hz系统：66 V、115 V、230 V、400 V、690 V
► 对于60 Hz系统：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，在连续施加1.2× UNOM和INOM时，用于测量电压和电流的传感器的特性和精度必须保持不变。对仪器施加四倍标称电压信号或1 kV rms（以低值为准）1秒，不得导致任何损坏。同样，对仪器施加10× INOM 1秒，不得导致任何损坏。
模数转换器
尽管IEC 61000-4-30标准未明确给出最低采样速率要求，但ADC的采样速率必须足以测量一些振荡和快速的电能质量现象。采样速率如果不足，会导致电能质量事件分类出错，或无法检测到事件。IEC 61000-4-30标准规定，仪表的电压和电流传感器应该能够支持高达9 kHz。因此，必须按照信号分析规则选择ADC的采样频率，以测量高达9 kHz（包含在内）的能量谱分量。图2显示在采样速率不足时会造成的后果。左上方的波形每10个周期(200 ms)包含64个样本，右上方的波形每10个周期包含1024个样本。如图2所示，左上图显示电压突降事件，右上图则显示这种突降是由瞬变引起的。
IEC标准适用于单相和三相系统；因此，所选的ADC必须能够同时对规定数量的电压和电流通道采样。能够同时对仪表上的所有电压和电流通道执行测量，这样就能检查所有参数并在发生电能质量事件时，立即触发这些参数。
数字信号处理(DSP)
尽管为电能质量测量应用选择传感器和ADC需要付出全面的工程努力，但毫无疑问，开发算法来处理ADC原始测量数据才是电能质量测量过程中最费时间和资源的任务。要构建符合标准的仪表，必须选择正确的DSP硬件，还必须开发基于波形样本计算电能质量参数的算法并进行适当测试。这项标准不止要求进行计算，还要求基于不同的时间进行整合，要求A类的时间精度小于±1秒/24小时，S类的时间精度小于±5秒/24小时。这些算法必须执行谐波分析。此外，电能质量参数依赖快速傅立叶变换(FFT)分析（谐波、间谐波、电源信号电压、失衡），但这种分析很难实施。FFT分析要求以最低每200 ms（10个周期）1024个样本的速率对波形进行采样。要按规定的速率对ADC的原始波形重采样，必须非常小心，以免造成谐波失真和混叠。
算法开发完成之后，IEC标准要求仪表必须通过400多项测试，才能获得完全认证。
图3所示的框图显示了DSP系统进行电能质量测量时所需的最相关功能。
图2.ADC采样速率会影响电能质量测量。
图3.框图：DSP电能质量系统的相关功能。
ADI公司的电能质量测量解决方案
多通道同步采样ADC，符合IEC 61000-4-30 A类标准
在开发A类PQ仪表时，我们需要考虑精度、通道数量和采样速率要求，所以我们推荐使用AD777x和AD7606x系列产品来进行信号链/系统的ADC转换。注意，这些解决方案只提供来自输入信号的原始数字化数据。必须开发DSP系统，以获取通过认证的PQ测量结果。
AD777x系列Σ-Δ ADC
AD777x是8通道、24位同步采样ADC系列器件。片内集成8个完整的Σ-Δ ADC，提供16 kSPS/32 kSPS/128 kSPS采样速率。AD777x提供低输入电流，允许直接连接传感器。每个输入通道都有一个增益为1、2、4和8的可编程增益级，可将低幅度传感器输出映射到满量程ADC输入范围，从而尽量扩大信号链的动态范围。AD777x支持1 V至3.6 V VREF电压，模拟输入范围为0 V至2.5 V或者±1.25 V。模拟输入可配置为接受真差分、伪差分或单端信号以匹配不同的传感器输出配置。采样速率转换器可以用来对AD7770进行精细分辨率控制，还可用于线路频率变化为0.01 Hz时，需要ODR分辨率用于保持采样频率跟随维持相干性的应用。AD777x还提供5 kHz 大信号输入带宽（AD7771为10 kHz）。通过SPI提供的数据输出和SPI通信接口还可配置用于输出Σ-∆ ADC转换数据。其温度范围为–40°C至+105°C，采用3.3 V或±1.65 V电源时，最高可达到+125°C。
图4显示了PQ仪器使用的AD777x系列ADC的典型3相应用系统框图，其中使用电流互感器作为电流传感器，且使用电阻分压器作为电压传感器。
AD7606x系列16/18位ADC数据采集系统
AD7606x是8通道16/18位同步采样模数数据采集系统(DAS)系列。每个通道均包含模拟输入箝位保护、可编程增益放大器(PGA)、低通滤波器、16/18位逐次逼近型(SAR) ADC。AD7606x还内置灵活的数字滤波器、低漂移2.5 V精密基准电压源和基准电压缓冲器，可驱动ADC及灵活的并行和串行接口。
AD7606B采用5 V单电源供电，支持±10 V、±5 V和±2.5 V真双极性输入范围，所有通道均能以800 kSPS (AD7606B)/1 MSPS (AD7606C)的吞吐速率采样。输入箝位保护容忍不同的电压输入，它们是用户可选的模拟输入范围（±20 V、±12.5 V、±10 V、±5 V和±2.5 V）。AD7606x采用单个5 V模拟电源供电。它采用单电源工作方式，具有片内滤波和高输入阻抗，因此无需采用需要双极性电源的外部驱动运算放大器。
在软件模式下，可以使用以下先进功能：
► 额外的过采样(OS)选项，高达OS × 256
► 每通道的系统增益、系统失调和系统相位校准
► 模拟输入开路检测器
► 用于诊断的多路复用器
► 监控功能：SPI无效读/写、循环冗余校验(CRC)、过压和欠压事件、忙卡监控和复位检测
图4显示了适用于电能质量仪表的AD7606x系列ADC的典型3相应用系统框图，其中使用电流互感器作为电流传感器，且使用电阻分压器作为电压传感器。
图4.AD777X和AD7606x系列ADC的电能质量3相应用系统框图。
ADI公司预认证的IEC S类电能质量解决方案
ADE9430是一款高精度、全集成式多相电能计量IC，结合主机微控制器上运行的ADSW-PQ-CLS软件库，共同构成符合IEC 61000-4-30 S类标准的完整解决方案。通过集成大幅缩短了PQ监控产品的开发时间，且降低了成本。ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解决方案紧密集成采集引擎和计算引擎，简化了电能和PQ监控系统的实现和认证。图5显示了适用于电能质量仪表的ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解决方案的3相应用系统框图，其中使用电流互感器作为电流传感器，且使用电阻分压器作为电压传感器。
ADE9430 S类电能质量模拟前端
ADE9430集成七个输入通道，可在三相系统或多达三个单相系统上使用。配合外部模拟积分器使用时，该器件支持使用电流互感器(CT)或罗氏线圈来进行电流测量。它提供集成式模拟前端来进行电能质量监控和电能计量。ADE9430与ADE9000和ADE9078引脚兼容，提供同等的模拟和计量性能。具有以下特性：
► 7个高性能24位Σ-Δ ADC
► 101 dB SNR
► 宽输入电压范围：±1 V，707 mV rms，满量程，增益为1
► 差分输入
► 0.2级精度计量
► 1周期rms、线路频率、过零、先进计量方法
► 波形缓冲器
► 连续重采样数据：每10/12线路周期1024点
► 先进计量方法覆盖50 Hz和60 Hz基波频率
► 支持有功电能标准：IEC 62053-21和IEC 62053-22；EN 50470-3 OIML R46；以及ANSI C12.20
► 支持无功电能标准：IEC 62053-23、IEC 62053-24
► 高速通信端口：20 MHz串行端口接口(SPI)
ADSW-PQ-CLS软件库
ADSW-PQ-CLS软件库专用于与ADE9430集成，以生成符合IEC 61000-4-30标准的S类PQ测量值。它采用了IEC 61000-4-30中定义的有关S类仪器的所有参数。用户可以决定使用哪些PQ参数。此库需要低CPU/RAM资源，且与内核/OS无关（最低需要采用Arm® Cortex®-M）。支持的MCU架构包括Arm Cortex-M0、Cortex-MO+、Cortex-M1、Cortex-M3和Cortex-M4。在提供给最终用户时，该库以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。在购买ADE9430时，会随附提供该软件库的许可证。提供一个PC串行命令行接口(CLI)示例，用于评估该库及其功能。图6显示此CLI如何显示PQ参数。
图5.ADE9430和ADSW-PQ-CLS PQ 3相系统框图。
图6.ADSW-PQ-CLS软件库串行CLI接口。
ADE9xxx系列电能质量功能汇总
表2.ADE9xxx系列电能计量IC的电能和电能质量特性；S类数值表示功能符合IEC 61000-4-30 S类标准
|
参数 |
ADE9078电表计量 |
ADE9000电能质量 |
ADE9430 + ADSW-PQ-CLS |
|
瓦特、瓦时 |
✓ |
✓ |
✓ |
|
I rms、V rms、VA、VA-hr |
✓ |
✓ |
✓ |
|
总VAR、VAR-hr |
✓ |
✓ |
✓ |
|
基波无功功率、VAR-hr |
✓ |
✓ |
✓ |
|
功率因数 |
✓ |
✓ |
✓ |
|
电流相位角 |
✓ |
✓ |
✓ |
|
参数 |
ADE9078电表计量 |
ADE9000电能质量 |
ADE9430 + ADSW-PQ-CLS |
|
电压相位角 |
✓ |
✓ |
✓ |
|
线路频率——3 |
✓ |
✓ |
S类 |
|
相序检测 |
✓ |
✓ |
✓ |
|
1/2周期rms |
— |
✓ |
— |
|
1周期rms |
— |
✓ |
S类 |
|
10/12周期rms |
— |
✓ |
S类 |
|
150/180周期rms |
— |
— |
S类 |
|
突降/突升 |
— |
✓ |
S类 |
|
中断 |
— |
— |
S类 |
|
过流 |
— |
✓ |
✓ |
|
基波功率瓦特、瓦时、VA、VA-hr |
— |
✓ |
✓ |
|
快速电压变化 |
— |
— |
S类 |
|
上/下偏差 |
— |
— |
S类 |
|
闪变 |
— |
— |
S类 |
|
电压/电流失衡 |
— |
— |
S类 |
|
电压/电流谐波、间谐波 |
— |
— |
S类最高达到第40位 |
|
ITHD、VTHD |
— |
✓ |
S类 |
|
参数 |
ADE9078电表计量 |
ADE9000电能质量 |
ADE9430 + ADSW-PQ-CLS |
|
电源信号电压 |
— |
— |
S类 (<3 kHz) |
|
基波I rms、V rms |
— |
✓ |
✓ |
|
数据速率 |
16 kSPS/4 kSPS |
32 kSPS/8 kSPS |
32 kSPS/8 kSPS |
|
重采样数据 |
64 pts/周期 |
128 pts/周期 |
128 pts/周期，或者 |
|
最大SPI频率 |
10 MHz |
20 MHz |
20 MHz |
ADE9430评估套件
EVAL-ADE9430ARDZ能够使用ADE9430和ADSW-PQ-CLS电能质量库，快速评估和构建电能和S类功率质量测量系统的原型。提供的功率质量库和应用示例能够帮助简化大型系统的实现。此套件提供即插即用型体验，易于使用，可用于测试3相电气系统的电能质量参数。
此套件具有如下硬件特性：
► 电流互感器输入
► 高压/电流输入
► 240 V rms标称值（采用分压器）
► 80 A rms最大值（采用提供的CT传感器）
► 2.5 kV隔离
► 板载RTC，用于标记测量时间
► 预先通过IEC 61000-4-30 S类认证（需要用户进行校准）
► ADSW-PQ-CLS库和示例应用（在Arm Cortex-M4 MCU上运行）
► 与PC之间的串行CLI，用于进行配置，并记录电能质量参数
图7显示在PC上使用EVAL-ADE9430ARDZ需要进行的连接。
EVAL-ADE9430ARDZ由一个PCB（具有4个电流和3个电压 + 零线输入连接器）、板载ADE9430、隔离器、实时时钟）、一个Cortex-M4 STM NUCLEO-413ZH开发板（包含ADSW-PQ-CLS库的示例应用）和三个电流传感器组成。
图7.连接至PC的EVAL-ADE9430ARDZ的框图。
认证
ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解决方案已通过认证，可以按照IEC 61000-4-30 S类标准的要求准确测量电能质量参数。
结论
设计符合标准的电能质量表是一项颇具挑战性的任务。为了减少构建符合IEC 61000-4-30 S类标准的PQ测量仪表的时间和工程资源，我们提供了ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解决方案，该方案为设计人员提供即用型平台，可加快开发速度，并帮助解决多项关键设计挑战。
参考资料
“IEC 61000-4-30:2015：电磁兼容性(EMC)第4-30部分：测试和测量技术——电能质量测量方法。”International Electrotechnical Commission, February 2015.
关于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2022财年收入超过120亿美元，全球员工2.4万余人。携手全球12.5万家客户，ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问www.analog.com/cn。
关于作者
Jose Mendia拥有电子和计算机科学工程学士学位，于2016年加入ADI公司的能源和工业系统部。目前，他是爱丁堡英国设计中心的产品应用高级工程师。
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