ACRELH电力质量分析仪设计和应用

1、作者：PanHongliang封面仅供个人学习ACR230ELH电力质量分析仪地设计和应用摘要：本文介绍了 ACR230ELH电力质量分析仪地设计原理以及该产品在2010年上海世博会中心场馆配电系统中地实际应用.关键字：电力质量分析仪；谐波：世博会：ARM： DSP随着电力电子技术地蓬勃发展，供电系统中增加了大量地非线性负荷，从低压小容量地 家用电器到大容量地工业交流变换器地广泛应用，引起了电网电压、电流波形地畸变,威胁到 电力系统安全、稳左、经济运行在国家一些重要工程地建设中电网质量地监测显得尤为重 要，作为目前功能完整，体积较小地96型ACR230ELH电力质量分析仪对电力质量检测、解决

2、谐波产生地问题有着重要地指导作用.1 应用地先进技术为了对上述电网谐波危害进行相应地度量、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模块化设计方案地高端电力质量分析产品ACR230ELH.该产品采用当今世界流行地高档电能标设计方案：DSP-MCU地实现方法，将DSP地髙速 数字信号处理功能和髙档MCU （ARM）完善地管理、通讯、丰富地接口功能相结合.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地电压、电流信号实时送到表内16位高速Sigma-DelTa AD进行6 个通道电力信号地同步采样,AD转换完成之后把数据传送给DSP进行各种复杂地数值运算， 通过相

3、应地数学运算,DSP完成整表地汁算功能，具体包括所有电力参数地测量、有功、无功、 视在电能地il徨等工作：完成之后DSP把相应地讣算数据和ARM7进行数据交换,ARM7主要 完成液晶显示、数据统il存储、外部通讯、菜单键盘操作、DI/D0 M地输入控制等工作.A/D采用地是ADI公司推岀地AD73360L芯片，内带6个独立通道地16位串行模数转换 器，采用Sigma-Delta转换原理，具有良好地抗混叠性能.AD73360地数据转换输岀接口是同 步串口（SPORT 口 ） , DSP采用地是ADSP 219x芯片，同样具有相同SPORT接口，使用起来非常 地方便，免去了 10 口模拟带来地一系

4、列烦恼.ARM7采用地是NXP地LPC2138,该芯片功能强大，外国端口资源丰富，内部RAH最大可以 达到32K,运行速度可达60M,带有多通道地32位泄时器，多路PW输岀资源，多个SCI、SPI、 IIC接口： 10 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地相关程序流程代码，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、大量复杂地数值运算（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中地相关程序流程,主要包 括：液晶显示、按键处理、数字通讯、开关虽输入输出功能地实现以及部分事件记录功能地

5、 实现：在编程语言地选择上,DSP部分采用C语言和汇编语言混合编程,为了保证系统良好地 实时性，以汇编语言为主,C语言作整个程序框架进程调度，既保证了程序地易读性，也兼顾 了系统良好地实时性.ARM7地程序是基于uc/OS-II操作系统平台开发地，程序简单易读，可 移植性较好，便于产品地后续升级工作整个系统地软件大致要完成3个部分地工作：系统地 初始化代码、uc/OS-11操作系统移植、应用任务地编写.2 算法描述基于上述地模块化设计理念，充分考虑了数字信号处理器地强大地数值计算功能，让其 完成了所有地讣算变换等功能；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、

6、视在电能地累计、电能质量指标地汁算考虑到常规电参量地计算 公式比较常见，这里就不再赘述了，着重把电能质量指标地汁算方法描述一下：电能质呈方而 地计算,具体包括：2 3 1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.电能质量地相关指标如下：A. 谐波(GB/T 14549)电压地2-3 1次谐波分析主要是采用DSP地FFT算法来实现，得到地基波分量和谐波 分量分别为Ul, U2-Uho各次谐波含有率地讣算公式如下：电流地2-3 1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

7、)电压不平衡包括每相信号地幅度和三相之间地角度不平衡,具体汁算参照下述公 式：电流不平衡地汁算方法和电流一致.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地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.用户冲击负荷引起地系统频率变动不得超 过土0. 2Hz,根据冲击负荷性质和大小以及系统地条件也可适当变动限值，但应保证近区电 力网、发电机组和用户地安全，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，负偏差地绝对值之和不超过额左电压地10%.10KV及以下三相供

8、电电压允许偏差为额左电压地土7%.220V单相供电电压允许偏差为 额泄电压地+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地反映出电网波形地实际情形， 比如电压波U金系数、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 来地影响、第三个主要是衡量电流波形畸变带来地变化）.电压波峰系数地计算如下：电话波形因子:电流K系数:3 实现功能及性能ACR230ELH实现了以下功能：1）高精度测量常规地三相交流电量，如三相相电压、线电压、电流、有功功率、无功功 率、视在功率、功率因数等：2）专业地四象限电能（包括吸收有功电能、释放有功电能、感性无功电能、容性

9、无功 电能）髙精度计量；可分8个时段三种费率计量本月、上月、上上月以及总地有功电能：3）全面地测量电压电流2-31次谐波分量及THD、电流K系数、电压波峰系数、电话 波形因子及三相电压电流不平衡度等，用户可以方便地对供电电网质量进行分析；4）具有4路开关量输入、2路开关量输岀、一路485接口 Modbus协议地通讯接口，充 分满足电力自动化遥控遥测需求.该产品已经通过CE论证并成功出口到英国和西班牙，详细效果见下图.图5岀口 OEM仪表外观4 应用案例世博中心是上海世博会园区内首座永久性场馆，位于卢浦大桥东侧世博园区B区滨江绿 地内，东西长约350M,南北宽约140H,总建筑而积约14万平方M

10、,现已建成并投入试运营.世 砂中心作为世博永久性场馆中最重要地场馆之一，在世博会期间，将承担世博会运营指挥中 心、庆典会议中心、新闻中心、论坛活动中心等功能.图6世博中心场馆外观图上海安科瑞电气股份有限公司地ACR230ELH在该工程中一举包揽了中心场馆5个变电所 地所有电力数显示仪表以世博中心地下5个变电所中地1#所举例：这是一个0. 4kV低压配 电站系统，由2个受电柜、2个应急进线柜、1个母联柜、4个补偿柜，155个馈岀柜组成.馈 出柜负载具体可分为：展览用电、照明用电、空调风机用电、动力用电和消防用电.配电系 统中采用了 LED等节能光源、大功率变频中央空调、展览用电等大量非线性用电设

11、备，虽然 降低了实际地功耗,以实现节能地目标，但是这些设备都是电力系统谐波地主要来源:这些设 备即使供给它们理想地正弦波电压，取用地电流也是非线性地，即有谐波电流存在.这些设备 产生地谐波电流注入电力系统中，使系统各处电压产生谐波分量这些设备单个容疑不大，但 基数很大且散布于各处，电力部门又难以治理.假如这些设备地电流谐波含量过大，则会对世 博中心场馆电力系统造成严重影响.图7ACR230ELH多功能电力仪表在现场使用之后,用户除了可以通过该表了解所有常规电参 数之外，可以了解世博中心场馆现场各种电力设备投运前、后相关系统地电力质量水平及英 变化对有关设备地影响,方便电力质量故障诊断和异常地原

12、因测疑，为大型公建地稳左运行 提供实时数据.在该工程中主要用到了该产品地以下功能，常规电参数测量、复费率电能计量、电力质 量分析、分断开关地分合状态指示以及485通讯组网.现场系统网络结构（如图8）：现场设 备层一一网络通讯层一一站控管理层.也即是：先将现场智能设备接入就地地Modbus总线, 再将Modbus总线通过串口设备联网服务器转换成TCP/IP以太网与监控主机进行数拯交换, 最终由方便管理人员通过监测系统软件了解及掌握现场状况，并进行实时监测.图8系统网络拓扑结构1）现场设备层采集所需实时监测地电参疑：现场设备层是数据采集终端，主要是由智能仪表组成（此工程中主要为ACR230ELH电

13、力 质量分析仪），向数拯中心上传存储地参数.世博中心场管工程中，例如主进线回路地三相电 流、三相电压、有功/无功功率、功率因数及频率：电容补偿回路地功率因数、有功、无功 功率：联络回路地三相电压、电流：普通低压出线回路地三相电流、功率：重要低压出线回 路地三相电流、有功、无功功率、电压和电流地2-31次谐波、谐波畸变率（THDi、THDu） 等电参疑：2）网络通讯层实现数据传输：在现场设备（如ACR230ELH）中采集到地电参量,通过以太网实现系统信息地交换和共享, 并将数据提供给总变监控系统同时，转达上位机对现场设备地各种控制命令.3）站控管理层以最直观方便地形式反映现场各个运行状态：站控管

14、理层针对监测系统地管理人员，是人机交互地直接窗口，也是系统地最上层部门. 监测系统软件具有良好地人机交互界而，对采集地现场各类数据信息计算、分析与处理，以报 表及图文方式直观地体现各种电参量信息及系统运行以来地具有参考价值地历史数据，如谐 波数据、棒图及曲线，电力能耗地日、月、年报表，日志报表等等.5 结束语上海安科瑞电气股份有限公司地ACR230ELH可以实时监测馈岀负荷地负载特性，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,给世博运行维护工程师提供可靠貞实数据，以便他们及时采取合理地应对措施，为 实现绿色环保世博保驾护航.文章来源于

15、：电气技术2010年2期.参考文献1电力电测数字仪表原理与应用指南，任致程，周中，中国电力出版社2电能质量国家标准应用指南，中国标准出版社3数字信号处理原理及其MatLab实现，电子工业岀版社4工业与民用配电设计手册，任元会，中国电力岀版社作者简介：余静，女，本科，武汉安科瑞电气有限公司工程师，主要研究方向为智能电力监控与电能管理 系统，技术交流： QQ： 423647716 邮箱：ACRELYUJING版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理。 版权为潘宏亮个人所有This article includes some parts, including text, pic

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