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  如何借助即用型平臺加快開發(fā)速度，高效設(shè)計電能質(zhì)量(PQ)測量儀表。詳細(xì)探討設(shè)計A類和S類電能表的不同解決方案，包括新的S類電能質(zhì)量測量集成解決方案，該方案可大幅縮短電能質(zhì)量監(jiān)測產(chǎn)品的開發(fā)時間并降低成本。

  實施電能質(zhì)量解決方案面臨的挑戰(zhàn)

  圖1顯示了用于測量電能質(zhì)量的儀器所包含的基本部件。首先，電流和電壓傳感器必須支持設(shè)備的工作范圍，輸入信號應(yīng)根據(jù)模數(shù)進行轉(zhuǎn)換(ADC)調(diào)整輸入動態(tài)范圍。傳統(tǒng)傳感器是測量結(jié)果不準(zhǔn)確的第一個來源;因此，正確選擇傳感器尤為重要。然后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸DC;偏差、增益和非線性偏差等各種特征成為測量結(jié)果不準(zhǔn)確的第二個來源。正確選擇ADC執(zhí)行此功能是設(shè)計電能質(zhì)量儀器的一大難點。最后，必須開發(fā)一系列信號處理算法，從輸入信號中獲得電氣和電能質(zhì)量測量結(jié)果。

圖1.電能質(zhì)量測量儀表的主要組件

  電壓和電流傳感器

  電能質(zhì)量儀表的位置和應(yīng)用不同，標(biāo)稱電源電壓(UNOM)、標(biāo)稱電流(INOM)和頻率也會不同。除了儀表測得的標(biāo)稱值，IEC 61000-4-7標(biāo)準(zhǔn)要求電能質(zhì)量測量儀表達(dá)到表1所示的精度;因此，在選擇傳感器時，必須確保在使用該傳感器后，儀器能夠達(dá)到要求的測量精度。

表1.IEC 61000-4-7標(biāo)準(zhǔn)指定的電流、電壓和電能測量精度要求

  INOM：測量儀表的標(biāo)稱電流范圍

  UNOM：測量儀表的標(biāo)稱電壓范圍

  UM、IM和PM：測量值

  IEC61000-4-7標(biāo)準(zhǔn)推薦在設(shè)計輸入電路時，采用這些標(biāo)稱電壓(UNOM)和標(biāo)稱電流(INOM)：

  ●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 A、0.2 A、0.5 A、1 A、2 A、5 A、10 A、20 A、50 A、100 A

此外，在連續(xù)施加1.2× UNOM和INOM時，用于測量電壓和電流的傳感器的特性和精度必須保持不變。對儀器施加四倍標(biāo)稱電壓信號或1 kV rms(以低值為準(zhǔn))1秒，不得導(dǎo)致任何損壞。同樣，對儀器施加10× INOM 1秒，不得導(dǎo)致任何損壞。

  模數(shù)轉(zhuǎn)換器

  圖1顯示了用于測量電能質(zhì)量的儀器所包含的基本部件。首先，電流和電壓傳感器必須支持設(shè)備的工作范圍，輸入信號應(yīng)根據(jù)模數(shù)進行轉(zhuǎn)換(ADC)調(diào)整輸入動態(tài)范圍。傳統(tǒng)傳感器是測量結(jié)果不準(zhǔn)確的第一個來源;因此，正確選擇傳感器非常重要。然后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸DC;誤差、增益和非線性誤差已成為測量結(jié)果不準(zhǔn)確的第二個來源。正確選擇ADC執(zhí)行此功能是設(shè)計電力質(zhì)量設(shè)備的一個主要困難。最后，必須從輸入信號中開發(fā)一系列信號處理算法，以獲得電氣和電力質(zhì)量測量結(jié)果。

IEC標(biāo)準(zhǔn)適用于單相和三相系統(tǒng);因此，所選的ADC必須能夠同時對規(guī)定數(shù)量的電壓和電流通道采樣。能夠同時對儀表上的所有電壓和電流通道執(zhí)行測量，這樣就能檢查所有參數(shù)并在發(fā)生電能質(zhì)量事件時，立即觸發(fā)這些參數(shù)。

  數(shù)字信號處理(DSP)

  盡管為電能質(zhì)量測量應(yīng)用選擇傳感器和ADC需要付出全面的工程努力，但毫無疑問，開發(fā)算法來處理ADC原始測量數(shù)據(jù)才是電能質(zhì)量測量過程中最費時間和資源的任務(wù)。要構(gòu)建符合標(biāo)準(zhǔn)的儀表，必須選擇正確的DSP硬件，還必須開發(fā)基于波形樣本計算電能質(zhì)量參數(shù)的算法并進行適當(dāng)測試。這項標(biāo)準(zhǔn)不止要求進行計算，還要求基于不同的時間進行整合，要求A類的時間精度小于±1秒/24小時，S類的時間精度小于±5秒/24小時。這些算法必須執(zhí)行諧波分析。此外，電能質(zhì)量參數(shù)依賴快速傅立葉變換(FFT)分析(諧波、間諧波、電源信號電壓、失衡)，但這種分析很難實施。FFT分析要求以最低每200 ms(10個周期)1024個樣本的速率對波形進行采樣。要按規(guī)定的速率對ADC的原始波形重采樣，必須非常小心，以免造成諧波失真和混疊。

  算法開發(fā)完成之后，IEC標(biāo)準(zhǔn)要求儀表必須通過400多項測試，才能獲得完全認(rèn)證。

  圖3所示的框圖顯示了DSP系統(tǒng)進行電能質(zhì)量測量時所需的最相關(guān)功能。

圖2.ADC采樣速率會影響電能質(zhì)量測量

圖3.框圖：DSP電能質(zhì)量系統(tǒng)的相關(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)

  在開發(fā)A類PQ儀表時，我們需要考慮精度、通道數(shù)量和采樣速率要求，所以我們推薦使用AD777x和AD7606x系列產(chǎn)品來進行信號鏈/系統(tǒng)的ADC轉(zhuǎn)換。注意，這些解決方案只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)，以獲取通過認(rèn)證的PQ測量結(jié)果。

  AD777x系列Σ-Δ ADC

  AD777x 是8通道、24位同步采樣ADC系列器件。片內(nèi)集成8個完整的Σ-Δ ADC，提供16 kSPS/32 kSPS/128 kSPS采樣速率。AD777x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增益為1、2、4和8的可編程增益級，可將低幅度傳感器輸出映射到滿量程ADC輸入范圍，從而盡量擴大信號鏈的動態(tài)范圍。AD777x支持1 V至3.6 V VREF電壓，模擬輸入范圍為0 V至2.5 V或者±1.25 V。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。采樣速率轉(zhuǎn)換器可以用來對AD7770進行精細(xì)分辨率控制，還可用于線路頻率變化為0.01 Hz時，需要ODR分辨率用于保持采樣頻率跟隨維持相干性的應(yīng)用。AD777x還提供5 kHz 大信號輸入帶寬(AD7771為10 kHz)。通過SPI提供的數(shù)據(jù)輸出和SPI通信接口還可配置用于輸出Σ-? ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。其溫度范圍為–40°C至+105°C，采用3.3 V或±1.65 V電源時，最高可達(dá)到+125°C。

  圖4顯示了PQ儀器使用的AD777x系列ADC的典型3相應(yīng)用系統(tǒng)框圖，其中使用電流互感器作為電流傳感器，且使用電阻分壓器作為電壓傳感器。

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

  AD7606x 是8通道16/18位同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)系列。每個通道均包含模擬輸入箝位保護、可編程增益放大器(PGA)、低通濾波器、16/18位逐次逼近型(SAR) ADC。AD7606x還內(nèi)置靈活的數(shù)字濾波器、低漂移2.5 V精密基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)電壓緩沖器，可驅(qū)動ADC及靈活的并行和串行接口。

  AD7606B采用5 V單電源供電，支持±10 V、±5 V和±2.5 V真雙極性輸入范圍，所有通道均能以800 kSPS (AD7606B)/1 MSPS (AD7606C)的吞吐速率采樣。輸入箝位保護容忍不同的電壓輸入，它們是用戶可選的模擬輸入范圍(±20 V、±12.5 V、±10 V、±5 V和±2.5 V)。AD7606x采用單個5 V模擬電源供電。它采用單電源工作方式，具有片內(nèi)濾波和高輸入阻抗，因此無需采用需要雙極性電源的外部驅(qū)動運算放大器。

  在軟件模式下，可以使用以下先進功能：

  ●額外的過采樣(OS)選項，高達(dá)OS × 256

  ●每通道的系統(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

  ●用于診斷的多路復(fù)用器

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

  圖4顯示了適用于電能質(zhì)量儀表的AD7606x系列ADC的典型3相應(yīng)用系統(tǒng)框圖，其中使用電流互感器作為電流傳感器，且使用電阻分壓器作為電壓傳感器。

圖4.AD777X和AD7606x系列ADC的電能質(zhì)量3相應(yīng)用系統(tǒng)框圖

  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、全集成式多相電能計量IC，結(jié)合主機微控制器上運行的ADSW-PQ-CLS軟件庫，共同構(gòu)成符合IEC 61000-4-30 S類標(biāo)準(zhǔn)的完整解決方案。通過集成大幅縮短了PQ監(jiān)控產(chǎn)品的開發(fā)時間，且降低了成本。ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解決方案緊密集成采集引擎和計算引擎，簡化了電能和PQ監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)和認(rèn)證。圖5顯示了適用于電能質(zhì)量儀表的ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解決方案的3相應(yīng)用系統(tǒng)框圖，其中使用電流互感器作為電流傳感器，且使用電阻分壓器作為電壓傳感器。

  ADE9430 S類電能質(zhì)量模擬前端

  ADE9430集成七個輸入通道，可在三相系統(tǒng)或多達(dá)三個單相系統(tǒng)上使用。配合外部模擬積分器使用時，該器件支持使用電流互感器(CT)或羅氏線圈來進行電流測量。它提供集成式模擬前端來進行電能質(zhì)量監(jiān)控和電能計量。ADE9430與ADE9000和ADE9078引腳兼容，提供同等的模擬和計量性能。具有以下特性：

  7個高性能24位Σ-Δ ADC

  ●101 dB SNR

  ●寬輸入電壓范圍：±1 V，707 mV rms，滿量程，增益為1

  ●差分輸入

  ●0.2級精度計量

  ●1周期rms、線路頻率、過零、先進計量方法

  ●波形緩沖器

  ●連續(xù)重采樣數(shù)據(jù)：每10/12線路周期1024點

  ●先進計量方法覆蓋50 Hz和60 Hz基波頻率

  ●支持有功電能標(biāo)準(zhǔn)：IEC 62053-21和IEC 62053-22;EN 50470-3 OIML R46;以及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軟件庫專用于與ADE9430集成，以生成符合IEC 61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)的S類PQ測量值。它采用了IEC 61000-4-30中定義的有關(guān)S類儀器的所有參數(shù)。用戶可以決定使用哪些PQ參數(shù)。此庫需要低CPU/RAM資源，且與內(nèi)核/OS無關(guān)(最低需要采用Arm® Cortex®-M)。支持的MCU架構(gòu)包括Arm Cortex-M0、Cortex-MO+、Cortex-M1、Cortex-M3和Cortex-M4。在提供給最終用戶時，該庫以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。在購買ADE9430時，會隨附提供該軟件庫的許可證。提供一個PC串行命令行接口(CLI)示例，用于評估該庫及其功能。圖6顯示此CLI如何顯示PQ參數(shù)。

圖5.ADE9430和ADSW-PQ-CLS PQ 3相系統(tǒng)框圖

圖6.ADSW-PQ-CLS軟件庫串行CLI接口

  ADE9xxx系列電能質(zhì)量功能匯總

表2.ADE9xxx系列電能計量IC的電能和電能質(zhì)量特性;S類數(shù)值表示功能符合IEC 61000-4-30 S類標(biāo)準(zhǔn)

  ADE9430評估套件

  EVAL-ADE9430ARDZ 能夠使用 ADE9430 和 ADSW-PQ-CLS電能質(zhì)量庫，快速評估和構(gòu)建電能和S類功率質(zhì)量測量系統(tǒng)的原型。提供的功率質(zhì)量庫和應(yīng)用示例能夠幫助簡化大型系統(tǒng)的實現(xiàn)。此套件提供即插即用型體驗，易于使用，可用于測試3相電氣系統(tǒng)的電能質(zhì)量參數(shù)。

  此套件具有如下硬件特性：

  ●電流互感器輸入

  ●高壓/電流輸入

  ●240 V rms標(biāo)稱值(采用分壓器)

  ●80 A rms最大值(采用提供的CT傳感器)

  ●2.5 kV隔離

  ●板載RTC，用于標(biāo)記測量時間

  ●預(yù)先通過IEC 61000-4-30 S類認(rèn)證(需要用戶進行校準(zhǔn))

  ●ADSW-PQ-CLS庫和示例應(yīng)用(在Arm Cortex-M4 MCU上運行)

  ●與PC之間的串行CLI，用于進行配置，并記錄電能質(zhì)量參數(shù)

  圖7顯示在PC上使用 EVAL-ADE9430ARDZ 需要進行的連接。

  EVAL-ADE9430ARDZ 由一個PCB(具有4個電流和3個電壓 + 零線輸入連接器)、板載ADE9430、隔離器、實時時鐘)、一個Cortex-M4 STM NUCLEO-413ZH開發(fā)板(包含ADSW-PQ-CLS庫的示例應(yīng)用)和三個電流傳感器組成。

圖7.連接至PC的EVAL-ADE9430ARDZ的框圖

  認(rèn)證

  ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解決方案已通過認(rèn)證，可以按照IEC 61000-4-30 S類標(biāo)準(zhǔn)的要求準(zhǔn)確測量電能質(zhì)量參數(shù)。

  電能質(zhì)量表的設(shè)計符合標(biāo)準(zhǔn)，是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。為減少PQ檢測儀器的時間和工程資源的構(gòu)建，符合IEC61000-4-30S標(biāo)準(zhǔn)，我們帶來了ADE94300ADSW-PQ-CLS解決方案為設(shè)計者提供了一個可用的平臺，可以加快開發(fā)速度，幫助解決許多關(guān)鍵的設(shè)計挑戰(zhàn)。