如何使用高效设计符合标准的电能质量测量仪器

本文介绍如何使用可加速开发的即用型平台高效设计符合标准的电能质量测量仪器。本文讨论了设计A类和S类电表的解决方案，包括新的S类电能质量测量集成解决方案，可显著减少电能质量监控产品的开发时间和成本。第 1 部分讨论了符合标准的电能质量测量对于了解 IEC 电能质量标准及其参数的重要性。

实施电能质量解决方案的挑战

设计用于电能质量测量的仪器的基本组件如图1所示。首先，电流和电压传感器必须考虑仪器的工作范围，并使输入信号适应模数转换器（ADC）输入的动态。传统传感器是测量中不确定性的第一个来源;因此，正确的选择非常重要。接下来，信号进入ADC;其各自的特性，如失调、增益和非线性误差，会产生第二个不确定性来源。为此功能选择正确的ADC是设计电能质量仪器的一项艰巨工作。最后，必须产生一系列信号处理算法，以便从输入信号中获得电气和电能质量测量值。

图1.电能质量测量仪器的主要部件。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]

表 1.IEC 61000-4-7 标准规定的电流、电压和功率测量精度要求

类	测量	条件	最大误差
一个	电压	UM≥ 1% U名词 UM< 1% U名词	±5% UM ±0.05% U名词
	当前	我M≥ 3% I名词 我M< 3% I名词	±5% IM ±0.15% I名词
	权力	PM≥ 150 W PM< 150 W	±1% PM ±1.5瓦
S	电压	UM≥ 3% U名词 UM< 3% U名词	±5% UM ±0.15% U名词
	当前	我M≥ 10% I名词 我M< 10% I名词	±5% IM ±0.15% I名词

电压和电流传感器

根据电能质量仪表的位置和应用，标称电源电压（U名词）、额定电流 （I名词），并且频率各不相同。与仪器测量的标称值无关，IEC 61000-4-7标准要求电能质量测量仪器达到表1中所示的精度;因此，必须选择传感器，使仪器满足精度要求。

我名词：测量仪器的标称电流范围

U名词：测量仪器的标称电压范围

UM我M和 PM： 测量值

IEC61000-4-71标准建议按照这些标称电压（U名词） 和标称电流 （I名词):

▸ 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

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

此外，当连续应用1.2× UNOM和INOM时，选择用于测量电压和电流的传感器必须保持其特性和精度不变。四倍于标称电压或 1 kV rms（以较小者为准）的信号施加到仪器上 1 秒，不得导致任何损坏。同样，一个 10× I名词电流 1 秒不会产生任何损坏。

模数转换器

尽管IEC 61000-4-30标准没有规定采样速率的最低要求，但ADC必须具有足够的采样速率来测量一些振荡和快速电能质量现象。采样率不足可能导致电能质量事件分类错误或无法检测到电能质量事件。IEC 61000-4-30 标准规定，仪器电压和电流传感器应适用于高达 9 kHz 的频率。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的频率分量。图2说明了采样率不足的后果。左上角波形每 64 个周期 （10 ms） 包含 200 个样本，右上角波形每 1024 个周期包含 10 个样本。如图2所示，左上图显示了电压骤降事件，而右上图显示了瞬时感应的电压骤降。

IEC标准适用于单相和三相系统;因此，所选ADC必须能够同时对所需数量的电压和电流通道进行采样。同时测量仪器上的所有电压和电流通道，可以检查所有参数，并在发生电能质量事件时立即触发。

数字信号处理

尽管为电能质量测量选择传感器和ADC需要全面的工程设计工作，但开发用于处理原始ADC测量的算法无疑是制造电能质量仪器需要大部分时间和资源的任务。为了 实现 符合 标准 的 仪器， 必须 选择 正确 的 数字 信号 处理 （DSP） 硬件， 并且 必须 开发 并 正确 测试 从 波形 样本 计算 电能 质量 参数 的 算法。该标准不仅要求计算，还要求不同的时间相关聚合，A类的时间精度每1小时小于±24秒，S类每5小时的时间精度小于±24秒。这些算法必须执行谐波分析。此外，电能质量参数依赖于快速傅里叶变换（FFT）分析（谐波、间谐波、电源信号电压、不平衡），这很难实现。FFT分析要求以每1024 ms（200个周期）最少10个样本对波形进行采样。对ADC的原始波形进行重采样至所需速率时，需要注意避免谐波失真和混叠。

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

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

算法开发完成后，IEC 标准要求仪器必须通过 400 多项测试才能获得全面认证。图3所示框图显示了DSP系统产生电能质量测量所需的最相关功能。

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

考虑到开发A类PQ仪器的精度、通道数和采样速率要求，建议将AD777x和AD7606x系列产品用于信号链/系统的ADC转换。请注意，这些解决方案仅提供来自输入信号的原始数字化数据。必须开发DSP系统才能获得认证的PQ测量。

AD777x 系列Σ-Δ型ADC

AD777x是一款8通道、24位同步采样ADC系列器件。片内有16个全Σ-Δ型（∑-Δ）ADC，提供32 kSPS/128 kSPS/777 kSPS的采样速率。AD1x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可编程增益级，允许增益为2、4、8和777，以将较低幅度的传感器输出映射到满量程ADC输入范围，从而最大化信号链的动态范围。AD1x接受3 V至6.0 V的VREF电压和2 V至5.1 V或±25.7770 V的模拟输入范围。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。该器件提供采样速率转换器，允许对AD0进行精细分辨率控制，可用于需要ODR分辨率以保持线路频率01.777 Hz变化一致性的应用。AD5x还提供7771 kHz的大信号输入带宽（AD10 40 kHz）。提供数据输出和SPI通信接口，但SPI也可以配置为输出Σ-Δ转换数据。温度范围为 –105°C 至 +125°C，采用 3.3 V 或 ±1.65 V 电源时工作温度高达 +<>°C。

图4显示了PQ仪器AD3x系列ADC的三相典型应用系统图，该仪器使用电流互感器作为电流传感器和电压电阻分压器。

AD7606x系列16/18位ADC数据采集系统

AD7606x提供具有16个通道的18位/16位同步采样模数数据采集系统（DAS）。每个通道包含模拟输入箝位保护、可编程增益放大器（PGA）、低通滤波器和18/7606位逐次逼近寄存器（SAR）ADC。AD2x还内置一个灵活的数字滤波器、低漂移、用于驱动ADC的5.<> V精密基准电压源和基准电压缓冲器，以及灵活的并行和串行接口。

AD7606B采用5 V单电源供电，在所有通道以10 kSPS （AD5B）/2 MSPS （AD5C）的吞吐速率采样时，支持±800 V、±7606 V和±1.7606 V真双极性输入范围。输入箝位保护可承受不同的电压，用户可选择模拟输入范围（±20 V、±12.5 V、±10 V、±5 V 和 ±2.5 V）。AD7606x需要5 V单模拟电源。单电源供电、片内滤波和高输入阻抗免除了增设外部驱动器运算放大器的需要，后者需要双极性电源。

在软件模式下，可以使用以下高级功能：

其他过采样 （OS） 选项，最高可达 OS × 256

每个通道的系统增益、系统失调和系统相位校准

模拟输入开路检测器

诊断多路复用器

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AD3x系列ADC的三相典型应用系统图，用于电能质量仪器，使用电流互感器作为电流传感器和电压电阻分压器。

图4.AD3X和AD777x系列ADC的电能质量三相应用系统图图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]

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、完全集成的多相电能计量IC，与在主机微控制器上运行的ADSW-PQ-CLS软件库相结合，是一款符合IEC 61000-4-30 S类标准的完整解决方案。这种集成显著减少了PQ监控产品的开发时间和成本。ADE9430 + ADSW-PQ-CLS 解决方案通过提供采集和计算引擎的紧密集成，简化了能源和PQ监控系统的实现和认证。图5显示了ADE3 + ADSW-PQ-CLS解决方案的三相应用系统图，该解决方案适用于使用电流互感器作为电流传感器和电压电阻分压器的电能质量仪器。

ADE9430 S类电能质量模拟前端

ADE9430具有3个输入通道，可用于三相系统或最多三个单相系统。它支持电流互感器（CT）或罗氏线圈，并带有外部模拟积分器，用于电流测量。它为电能质量监控和电能测量提供了一个集成的模拟前端。ADE9430与ADE9000和ADE9078引脚兼容，具有同等的模拟和计量性能。其功能包括：

24个高性能<>位Σ-Δ型ADC

101 dB 信噪比

宽输入电压范围：±1 V、707 mV rms，增益 = 1 时满量程

差分输入

0.2 级精度计量

单周期有效值、线路频率、过零、高级计量

波形缓冲器

连续重采样数据：每 1024/10 行周期 12 个点

涵盖 50 Hz 和 60 Hz 基频的高级计量技术

支持有源能源标准：IEC 62053-21 和 IEC 62053-22;EN 50470-3 OIML R46;和 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 软件库专门设计用于与 ADE9430 集成，以生成符合标准的 IEC 61000-4-30 S 类 PQ 测量值。它实现了 IEC 61000-4-30 中为 S 类仪器定义的所有参数。用户可以决定使用哪些 PQ 参数。该库需要低 CPU/RAM 资源，并且与核心/操作系统无关（Arm® Cortex-M® 最低要求）。支持的MCU架构包括Arm Cortex-M0，Cortex-MO+，Cortex-M1，Cortex-M3和Cortex-M4。为了分发给最终用户，该库以CMSIS-PACK文件（.pack）的形式提供，该文件与Keil Microvision，IAR Embedded Workbench版本8.x或ADI公司CrossCore® Embedded Studio兼容。软件库的许可证包含在购买ADE9430时。提供了一个 PC 串行命令行界面 （CLI） 示例来评估库及其功能。图 6 显示了此 CLI 如何显示 PQ 参数。

图5.ADE9430和ADSW-PQ-CLS PQ 三相系统图。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]

 

图6.ADSW-PQ-CLS 软件库串行 CLI 接口。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]

ADE9xxx系列电能质量特性摘要

表 2.ADE9xxx系列电能计量IC的能源和电能质量特性;S 类值表示功能符合 IEC 61000-4-30 S 类标准

参数	ADE9078 公用事业计量	ADE9000 电能质量	ADE9430 + ADSWPQ-CLS
瓦特，瓦特小时	✓	✓	✓
I rms， V rms， VA， VA-hr	✓	✓	✓
总可变值，可变值小时	✓	✓	✓
基本变量，变量小时	✓	✓	✓
功率因数	✓	✓	✓
电流相位角	✓	✓	✓

参数	ADE9078 公用事业计量	ADE9000 电能质量	ADE9430 + ADSW-PQ-CLS
电压相位角	✓	✓	✓
线路频率 – 三	✓	✓	S 类
相序检测	✓	✓	✓
1/2 周期有效值	－	✓	－
1 周期有效值	－	✓	S 类
10/12 周期有效值	－	✓	S 类
150/180 周期有效值	－	－	S 类
倾角/膨胀	－	✓	S 类
中断	－	－	S 类
过电流	－	✓	✓
基本瓦特，瓦特小时，弗吉尼亚州，弗吉尼亚州每小时	－	✓	✓
快速电压变化	－	－	S 类
过/欠偏差	－	－	S 类
闪烁	－	－	S 类
电压/电流不平衡	－	－	S 类
电压/电流谐波、间谐波	－	－	S级至40级
ITHD， VTHD	－	✓	S 类

参数	ADE9078 公用事业计量	ADE9000 电能质量	ADE9430 + ADSW-PQCLS
电源信号电压	－	－	S 类 （<3 kHz）
基本 I rms， V rms	－	✓	✓
数据速率	16 千米/4 千米	32 千米/8 千米	32 千米/8 千米
重采样数据	64 分/周期	128 分/周期	128 分/周期或 1024 点/（10/12 周期）
最大 SPI 频率	10兆赫	20兆赫	20兆赫

ADE9430 评估套件

EVAL-ADE9430ARDZ可通过ADE9430和ADSW-PQ-CLS电能质量库快速评估和原型设计电能和S类电能质量测量系统。提供电能质量库和应用示例，以简化大型系统的实现。该套件提供即插即用类型的体验，易于使用来测试三相电气系统的电能质量参数。

该套件具有以下硬件功能：

▸ 电流互感器输入

▸ 高电压/电流输入

▸ 240 V rms 标称值（带分压器）

▸ 最大 80 A 有效值（带随附的 CT 传感器）

▸ 2.5 kV 隔离

▸ 板载 RTC 到时间戳测量

▸ IEC 61000-4-30 S 类预认证（需要用户校准）

▸ ADSW-PQ-CLS 库和在 Arm Cortex-M4 MCU 上运行的示例应用程序

▸ 串行CLI到PC，用于配置和记录电能质量参数

图7显示了将EVAL-ADE9430ARDZ与PC配合使用所需的连接。

EVAL-ADE9430ARDZ由一个具有四个电流和三个电压+中性输入连接器的PCB和板载ADE9430、隔离器、一个实时时钟、一个Cortex-M4 STM NUCLEO-413ZH开发板（带有ADSW-PQ-CLS库的示例应用）和三个电流传感器组成。

图7.EVAL-ADE9430ARDZ连接到PC的示意图。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]

设计符合标准的电能质量计摘要

ADE9430 + ADSW-PQ-CLS 解决方案已经过认证，可按照IEC 61000-4-30 S类标准的要求精确测量电能质量参数。

设计符合标准的电能质量表是一项具有挑战性的任务。为了减少生产符合IEC 61000-4-30 S类标准的PQ测量仪器所需的时间和工程资源，ADE9430 + ADSW-PQ-CLS是一款完整的首选解决方案，使设计人员能够使用即用型平台来加速开发并解决许多关键设计挑战。

　　

      审核编辑：彭静