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安科瑞 徐玉丽
（江苏安科瑞电器制造有限公司 江苏江阴 214405）
摘 要：本文介绍了ACR230ELH电力质量分析仪的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的实际应用。
关键字：电力质量分析仪；谐波；世博会；ARM；DSP
随着电力电子技术的蓬勃发展，供电系统中增加了大量的非线性负荷，从低压小容量的家用电器到大容量的工业交流变换器的广泛应用，引起了电网电压、电流波形的畸变，威胁到电力系统安全、稳定、经济运行。在国家一些重要项目的建设中电网质量的监测显得尤为重要，作为目前功能完整，体积较小的96型ACR230ELH电力质量分析仪对电力质量检测、解决谐波产生的问题有着重要的指导作用。
1 应用的先进技术
为了对上述电网谐波危害进行相应的度量、评估和考核，江苏安科瑞电器制造有限公司研发了基于DSP＋ARM7模块化设计方案的高端电力质量分析产品ACR230ELH。
该产品采用当今世界流行的高档电能标设计方案：DSP+MCU的实现方法，将DSP的高速数字信号处理功能和高档MCU（ARM）完善的管理、通讯、丰富的接口功能相结合。基本工作原理如下：
图1 硬件设计原理框图
互感器将来自电网的电压、电流信号实时送到表内16位高速Sigma-DelTa AD进行6个通道电力信号的同步采样，AD转换完成之后把数据传送给DSP进行各种复杂的数值运算，通过相应的数学运算，DSP完成整表的计算功能，具体包括所有电力参数的测量、有功、无功、视在电能的计量等工作；完成之后DSP把相应的计算数据和ARM7进行数据交换，ARM7主要完成液晶显示、数据统计存储、外部通讯、菜单键盘操作、DI/DO量的输入控制等工作。
A/D采用的是ADI公司推出的AD73360L芯片，内带6个独立通道的16位串行模数转换器，采用Sigma-Delta转换原理，具有良好的抗混叠性能。AD73360的数据转换输出接口是同步串口（SPORT口）,DSP采用的是ADSP 219x芯片，同样具有相同SPORT接口，使用起来非常的方便，免去了IO口模拟带来的一系列烦恼。
ARM7采用的是NXP的LPC2138，该芯片功能强大，外围端口资源丰富，内部RAM最大可以达到32K，运行速度可达60M，带有多通道的32位定时器，多路PWM输出资源，多个SCI、SPI、IIC接口；IO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的相关程序流程代码，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、大量复杂的数值运算（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中的相关程序流程，主要包括：液晶显示、按键处理、数字通讯、开关量输入输出功能的实现以及部分事件记录功能的实现；在编程语言的选择上，DSP部分采用C语言和汇编语言混合编程，为了保证系统良好的实时性，以汇编语言为主，C语言作整个程序框架进程调度，既保证了程序的易读性，也兼顾了系统良好的实时性。ARM7的程序是基于uc/OS-II操作系统平台开发的，程序简单易读，可移植性较好，便于产品的后续升级工作。整个系统的软件大致要完成3个部分的工作：系统的初始化代码、uc/OS-II操作系统移植、应用任务的编写。
2 算法描述
基于上述的模块化设计理念，充分考虑了数字信号处理器的强大的数值计算功能，让其完成了所有的计算变换等功能；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、视在电能的累计、电能质量指标的计算。考虑到常规电参量的计算公式比较常见，这里就不再赘述了，着重把电能质量指标的计算方法描述一下：电能质量方面的计算，具体包括：２－３１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。
电能质量的相关指标如下：
A．谐波（GB/T 14549）
电压的２－３１次谐波分析主要是采用DSP的FFT算法来实现，得到的基波分量和谐波分量分别为U1,U2…Uh;各次谐波含有率的计算公式如下：
电流的２－３１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）
电压不平衡包括每相信号的幅度和三相之间的角度不平衡，具体计算参照下述公式：
电流不平衡的计算方法和电流一致。
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的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。用户冲击负荷引起的系统频率变动不得超过±0.2Hz，根据冲击负荷性质和大小以及系统的条件也可适当变动限值，但应保证近区电力网、发电机组和用户的安全，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，负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10％。
10KV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7％。220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+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的反映出电网波形的实际情形，比如电压波峰系数、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的影响、第三个主要是衡量电流波形畸变带来的变化）。
电压波峰系数的计算如下：
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）高精度测量常规的三相交流电量，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）专业的四象限电能（包括吸收有功电能、释放有功电能、感性无功电能、容性无功电能）高精度计量；可分8个时段三种费率计量本月、上月、上上月以及总的有功电能；
3）全面的测量电压电流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，用户可以方便的对供电电网质量进行分析；
4）具有4路开关量输入、2路开关量输出、一路485接口Modbus协议的通讯接口，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。
