電能質(zhì)量分析儀系統(tǒng)設(shè)計

雷 凱，王 憶，葉永杭，周搏濤

（1.中國東方電氣集團(tuán)有限公司電力電子與控制事業(yè)部，四川 成都 610000；2.電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院，四川 成都 611731）

電能質(zhì)量分析儀系統(tǒng)設(shè)計

雷 凱1，王 憶2，葉永杭2，周搏濤2

（1.中國東方電氣集團(tuán)有限公司電力電子與控制事業(yè)部，四川 成都 610000；2.電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院，四川 成都 611731）

為改善現(xiàn)有電能質(zhì)量分析儀產(chǎn)品在功能完善性、穩(wěn)定性和測試精度等方面存在的不足，該文采取基于ARM+DSP+FPGA的三核架構(gòu)研制一款功能全面的電能質(zhì)量分析儀。在前段電力信號調(diào)理電路的設(shè)計中采取全硬件控制的測量電路使其具有更高的精度、帶寬、響應(yīng)速度以及更大的動態(tài)范圍；在同步采樣方案設(shè)計中將數(shù)字PI控制引入鎖相環(huán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的環(huán)路濾波器，有效提高頻率鎖定的速度和穩(wěn)定度。通過對各項性能的測試發(fā)現(xiàn)，各種電能參數(shù)的測量結(jié)果均達(dá)到相關(guān)的測量標(biāo)準(zhǔn)。

電能質(zhì)量分析儀；參數(shù)測量；電力信號檢測；同步采樣；鎖相環(huán)

0 引 言

電能質(zhì)量是指供電裝置在正常工作情況下不中斷和不干擾用戶使用電力的物理特性。理想的電能應(yīng)該是完美對稱的正弦波，而現(xiàn)實中一些因素會使波形偏離對稱正弦，由此便產(chǎn)生了電能質(zhì)量問題[1]。隨著各式各樣的非線性負(fù)載接入電網(wǎng)帶來的電力污染增多，不良的電能將會給工業(yè)生產(chǎn)帶來極大的危害，如燒毀設(shè)備，降低工作效率，影響高精度生產(chǎn)線等[2]；因此，設(shè)計一款功能完善，高精度的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置顯得越發(fā)的重要。捕捉故障現(xiàn)場的諧波、電壓波動、閃變、功率和三相不平衡等常見的電能質(zhì)量問題，其相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)為：1）原始波形顯示與測量，監(jiān)測被測信號50次諧波分量，包括1～50各次諧波畸變率、總諧波畸變率、諧波相角、間諧波，滿足國標(biāo)GB/T 14549——1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》[3]對公用電網(wǎng)諧波的測試要求。2）基本電參數(shù)的測量，如電壓、電流以及頻率的半周波RMS值。3）分量測量及電壓不平衡度分析。4）閃變分析，電能質(zhì)量分析儀具有電壓閃變監(jiān)測功能[4]，且符合GB/T 12326——2008《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》[5]標(biāo)準(zhǔn)。5）電壓波動與故障錄波。傳統(tǒng)的電能質(zhì)量分析儀產(chǎn)品大多存在一定的缺陷，如對瞬態(tài)事件、驟升驟降、閃變計算等功能的分析相對較弱，不能夠勝任現(xiàn)代電力測試的要求。除此之外很多低端產(chǎn)品通常采用電壓電流傳感器的方法檢測電力信號，但這種方法存在較多的局限性，如在帶寬、相移、精度和測試范圍方面不能滿足現(xiàn)代測試儀器對瞬態(tài)事件以及事件分析功能的要求。本文針對儀器研制的需求以及面向未來電能質(zhì)量分析儀的發(fā)展方向，提出了基于ARM+DSP+FPGA的電能質(zhì)量分析儀軟硬件設(shè)計，在前段電力信號調(diào)理電路中采取了全硬件控制的測量電路用于提高精度、帶寬和響應(yīng)速度；在同步采樣中將數(shù)字PI控制引入鎖相環(huán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的環(huán)路濾波器用于提高頻率鎖定的速度和穩(wěn)定度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

電能質(zhì)量分析儀不但要滿足功能與精度的要求，同時也要滿足現(xiàn)代測試儀器對網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的需求。設(shè)計時需要在保證用戶安全的前提下，預(yù)留一些資源和接口，根據(jù)客戶的實際需求快速改變設(shè)計。圖1展示了采用ARM9+DSP+FPGA三核架構(gòu)的質(zhì)量分析儀的整體設(shè)計。

圖1 系統(tǒng)框圖

電力信號經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為可以進(jìn)入AD的小信號[6]，F(xiàn)PGA控制AD按照計算需求進(jìn)行無間斷同步采樣，并將數(shù)據(jù)整理與預(yù)處理后通過通信接口上傳至雙核的DSP進(jìn)行計算分析，然后將分析計算好的數(shù)據(jù)通過DSPLink傳給ARM進(jìn)行顯示和存儲。ARM9芯片上使用了Linux操作系統(tǒng)，可以更好地創(chuàng)建顯示界面，并具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，滿足現(xiàn)代儀器的互聯(lián)與遠(yuǎn)程控制的需求?？梢愿鶕?jù)用戶的需求開發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)用程序，實現(xiàn)分式監(jiān)控。

2 系統(tǒng)核心電路設(shè)計

2.1 電力信號調(diào)理電路設(shè)計

在傳統(tǒng)的電力信號的檢測中大多采用電壓傳感器的方式，其方法簡單、隔離性能較好、價格相對較低。但在電能質(zhì)量分析儀中電壓傳感器在測量精度、測量帶寬、測量范圍和直流測量等方面均不能滿足測試要求。故在電能質(zhì)量分析儀電力信號測量中無法使用電壓傳感器[7]。

本文設(shè)計了一種全硬件控制的測量電路，檢測電路可以根據(jù)當(dāng)前輸入電壓的范圍自動調(diào)整檢測檔位，保證進(jìn)入AD的電壓值最大，提高檢測的信噪比。避免了通常使用軟件控制分檔的方法在程序跑飛時不能及時控制分檔帶來的問題。此電路體積輕巧，在保證精度的同時帶寬可以做到10 MHz，同時兼容直流電壓測量。調(diào)理測量電路將輸入高壓地線與主控板的地線分離開來，做到電氣隔離，提高了系統(tǒng)的安全性能，其工作原理框圖如圖2所示。

圖2 信號調(diào)理電路原理框圖

圖3 電壓信號分檔采集電路

圖中上半部分為控制電路，峰值檢測中包含絕對值運(yùn)算，使得輸入的交流信號在含有直流偏置的情況下仍能夠準(zhǔn)確地檢測輸入信號的最大峰值。得到的峰值電壓進(jìn)入比較器陣列中，根據(jù)不同的峰值得出不同的比較器輸出編碼值，進(jìn)而通過光耦來控制繼電器的切換檔位，達(dá)到測量不同輸入電壓值的目的。本文設(shè)計了可以滿足現(xiàn)代電能質(zhì)量測試儀器要求的信號調(diào)理電路，不同的輸入電壓促使分檔控制電路輸出不同的控制碼，具體的電路示意圖如圖3所示，為由運(yùn)放構(gòu)成反相衰減電路，其衰減比例由反相端輸入電阻和反饋電阻的比值決定，當(dāng)反相輸入端電阻值固定不變時，改變反饋電阻值即可實現(xiàn)衰減比例的改變。在反饋電阻上并聯(lián)電容即可構(gòu)成一階有源低通濾波器，抑制高頻噪聲，其傳遞函數(shù)如下式所示：

由式（1）可知，只需選取合適的反饋電阻Rf值和反饋電容Cf值即可實現(xiàn)電路不同檔位下的衰減要求，并且每個檔位下電路的帶寬相同。

2.2 電力信號同步采樣設(shè)計

在電力信號分析時需要對電網(wǎng)諧波進(jìn)行計算，為了減小頻譜泄露，提高諧波測量精度，通常選用同步采樣的方案。相比于FIR濾波器、差值算法等同步采樣方案，數(shù)字鎖相環(huán)和軟件同步采樣更適合在便攜式儀器中使用。但軟件同步方法由于精度不高，并且存在量化誤差、累積誤差等缺點；因此，本文采取的是PI控制的數(shù)字鎖相環(huán)同步采樣。將數(shù)字PI控制[8-9]引入鎖相環(huán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的環(huán)路濾波器，可以有效提高頻率鎖定的速度和穩(wěn)定度，其原理框圖如圖4所示。

圖中電網(wǎng)信號經(jīng)數(shù)字鑒相器比較出相位差，相位誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到數(shù)字控制字N，調(diào)整輸出的相位，經(jīng)過分頻反饋再做比較，整個系統(tǒng)構(gòu)成了一個閉環(huán)系統(tǒng)完成鎖相倍頻的功能。PI控制的原理[10-11]是將鑒相器輸出的相位差信號進(jìn)行積分計算得到I參量值，同時對當(dāng)前相位差信號乘以一個系數(shù)得到P參量值，再將P參量值和I參量值相加即得到PI控制的輸出量。其原理框圖如圖5所示。

圖4 PI控制的數(shù)字鎖相環(huán)原理框圖

圖5 鎖相環(huán)PI控制原理框圖

圖中大體的工作過程為：1）用高頻信號對相位誤差信號做調(diào)制處理，得到含有相位增減信息的脈沖信號，即為圖中的增減脈沖。2）以比例參數(shù)P對前面的增減脈沖做分頻處理，其相位增減信息不變，并將處理后的信號稱為比例脈沖增減信號。3）在輸入信號的清零控制和計數(shù)器的范圍限制下，對比例脈沖增減信號計數(shù)，并保持其增減信息。4）輸入信號對計數(shù)值清零前，將計數(shù)值鎖存，同時輸出該鎖存值，即為比例控制參數(shù)，記為Np。5）以積分參數(shù)I對1）中的增減脈沖分頻處理，相位增減信息不變，并將處理后的信號稱為積分脈沖增減信號。6）在積分計數(shù)值范圍的限制下，對積分脈沖增減信號計數(shù)，計數(shù)結(jié)果即為積分控制參數(shù)，記為Ni。7）對Np值與Ni值進(jìn)行相加得到頻率控制字N。得到控制參數(shù)N之后再將其傳給數(shù)控振蕩器（數(shù)控NCO），其原理如圖6所示。

圖6 小數(shù)分頻振蕩器

如圖所示，輸入的控制字N分為兩部分：1）k位寬度的低位NL；2）剩余位的高位NH。低位NL作為k位加法器的輸入并進(jìn)行自加運(yùn)算，當(dāng)自加結(jié)果溢出則進(jìn)位，然后與NH相加，作為可控頻率的控制字?？煽赜嫈?shù)分頻器輸出的變化范圍在NH和NH+1之間，舍入誤差最小，可以獲得需要的同步倍頻信號。在頻率跟蹤時，提高了輸出頻率的控制精度，減小了鎖相環(huán)的輸出抖動。綜上所述，通過對PI控制的數(shù)字鎖相環(huán)的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)學(xué)建?？梢缘玫截?fù)反饋閉環(huán)傳遞函數(shù)，如下式所示：

式（2）與標(biāo)準(zhǔn)二階函數(shù)s2+2ξwns+wn2s2類似，其中K12=Fclk1/Fclk2，本文取Fclk1=Fclk2=50 MHz，K12=1。 可知二階系統(tǒng)的自然頻率ωn為

二階阻尼系數(shù)為

根據(jù)本系統(tǒng)的應(yīng)用，F(xiàn)sig=50Hz，k=4。由自控系統(tǒng)可知當(dāng)ξ在0.707左右時振蕩最小。取PG=5，IG=25，對應(yīng)的角頻率為15.8。本設(shè)計采用了具有快速變化響應(yīng)的積分環(huán)節(jié)，提高控制速度，使得系統(tǒng)快速鎖定被鎖信號。

3 軟件設(shè)計

軟件實現(xiàn)選用TI公司OMAP-L138芯片的ARM+DSP雙核處理器。ARM端為Linux操作系統(tǒng)，DSP端為DSP/BIOS系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)與之相關(guān)的驅(qū)動、軟件資源豐富，并且支持多核多任務(wù)、可裁剪定制，方便實用。DSP/BIOS系統(tǒng)具備完善的內(nèi)存管理和多任務(wù)管理，使得DSP對多任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化變得簡單。系統(tǒng)軟件的流程與功能如圖7所示。

圖7 軟件整體框圖

如圖所示，F(xiàn)PGA與DSP之間采用UPP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，DSP和ARM之間采用DSPLink進(jìn)行通信。對于FPGA傳送到DSP的采樣數(shù)據(jù)，DSP會針對各電能質(zhì)量參數(shù)的計算周期不同分為不同的任務(wù)；如間隔10ms計算一次半波有效值；間隔20ms對真有效值進(jìn)行計算；間隔200 ms對諧波間諧波進(jìn)行計算；間隔10.24s對瞬時閃變值進(jìn)行計算；間隔10min對短時閃變值進(jìn)行計算，間隔2 h對長時閃變值進(jìn)行計算等。DSP將計算好的參數(shù)值和事件通過DSPLink傳給ARM，ARM端的Qt應(yīng)用程序獲得DSPLink發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，送LCD顯示或USB和SD卡存儲[12]。在Linux操作系統(tǒng)上，支持的外設(shè)有LCD顯示屏、USB接口、SD卡、按鍵和網(wǎng)口。LCD用于顯示電能數(shù)據(jù)；USB和SD卡用于保存數(shù)據(jù)，可以將數(shù)據(jù)拷貝進(jìn)行離線分析；按鍵模塊用于響應(yīng)用戶輸入。同時用戶也可以對該設(shè)備的運(yùn)行情況和參數(shù)設(shè)置進(jìn)行定制。

4 功能測試

本文基于FPGA+DSP+ARM平臺設(shè)計的電能質(zhì)量分析儀，可以實現(xiàn)對常見的電力信號參數(shù)進(jìn)行測量和顯示，如電網(wǎng)電壓、電流有效值、波動和閃變、諧波電壓和電流、三相不平衡度等參數(shù)。將本文電能質(zhì)量分析的測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)源AT3051的設(shè)置值進(jìn)行對比分析，可以檢驗各項參數(shù)的精度是否達(dá)標(biāo)并且完成對電力工業(yè)儀表綜合性能的測試。標(biāo)準(zhǔn)源AT3051不但可以產(chǎn)生常用設(shè)備的正弦信號，還可以產(chǎn)生如諧波、間諧波、驟升驟降[13]等特殊的電力信號，可以滿足本文電能質(zhì)量分析儀對電網(wǎng)諧波、間諧波和驟升驟降事件的功能驗證。本電能質(zhì)量分析儀硬件電路板如圖8所示。

圖8 整體電路板

圖中左邊為信號調(diào)理電路板，右邊為CPU板，整個電路板的主要組成部分用標(biāo)號 1，2，3，4，5，6 表示，分別對應(yīng)電流采集、電壓采集、隔離電路、FPGA板、外圍電路和核心板。對應(yīng)的軟件整體界面如圖9所示。

圖9 軟件整體界面

圖中為電壓電流的有效值/相位界面，左邊為該質(zhì)量分析儀的功能菜單，可以看出該質(zhì)量分析儀可對電壓、電流進(jìn)行波形和有效值/相位值顯示，以及對諧波、閃變、功率、不平衡等的計算，最后還可以記錄工作中的告警事件。本文僅對電壓、電流的有效值、頻率和諧波的測量結(jié)果進(jìn)行分析驗證。通過將標(biāo)準(zhǔn)源設(shè)置不同的電能參數(shù)值和樣機(jī)的測量結(jié)果進(jìn)行分析，可以測試樣機(jī)的工作性能和參數(shù)指標(biāo)。

對樣機(jī)各種參數(shù)指標(biāo)要求中，供電電壓相對偏差的計算公式由下式給出：

對A級設(shè)備而言，式（5）中的測量相對誤差不應(yīng)超過±0.2%；頻率偏差為系統(tǒng)頻率的實際值與標(biāo)稱值之差，并且測量誤差不應(yīng)超過±0.01Hz。諧波的測量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 14549——1993）如表1所示。

表1 諧波電壓允許誤差

表中所示為對I級設(shè)備電壓、電流諧波的最大允許誤差，Um，Im表示測量諧波電壓和電流值，UN和IN為標(biāo)稱電壓電流。對A相電壓0～460V、A相電流0～5A和頻率40～60Hz的測量結(jié)果如表2所示。

在標(biāo)準(zhǔn)源基準(zhǔn)電流設(shè)為5A的情況下，加上3%的5次、20次、25次、30次和50次諧波，同時加上5%的40次電流諧波。樣機(jī)對諧波的測量結(jié)果如圖10 所示。

表2 參數(shù)測量結(jié)果

圖10 諧波測量結(jié)果

如圖所示，紅色方框內(nèi)為樣機(jī)測量出來的5次、20次、25次、30次、40次和50次諧波有效值，通過對測量結(jié)果的分析可以看出電壓、電流、頻率和諧波的測量精度比標(biāo)準(zhǔn)要求的精度提高了一個數(shù)量級。

5 結(jié)束語

綜合對國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品的研究以及未來儀器發(fā)展趨勢的分析，本文針對電能質(zhì)量分析儀設(shè)計了基于OMAP-L138（ARM+DSP）和FPGA核心的主控系統(tǒng)，多核芯片的使用具有更加強(qiáng)大的計算與擴(kuò)展功能，并將Linux操作系統(tǒng)移植到OMAP-L138中，使得設(shè)計具有強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)通信能力與數(shù)據(jù)處理能力，可以實現(xiàn)分布式聯(lián)網(wǎng)檢測。本電能質(zhì)量分析儀在準(zhǔn)確度、帶寬、響應(yīng)速度和動態(tài)范圍上得到優(yōu)化，滿足了現(xiàn)代電力檢測設(shè)備的要求。而且，本文設(shè)計中將數(shù)字PI控制引入鎖相環(huán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的環(huán)路濾波器，有效提高頻率鎖定的速度和穩(wěn)定度。在軟件實現(xiàn)上，采用Linux操作系統(tǒng)，使得系統(tǒng)穩(wěn)定、大小可裁剪，可定制出滿足電能質(zhì)量分析儀的內(nèi)核系統(tǒng)，既滿足了電能質(zhì)量分析裝置特有的外設(shè)功能，又除去了不必要的設(shè)備接口。

[1]南京燦能電力自動化有限公司.一種適于電能質(zhì)量瞬態(tài)事件捕捉和處理的裝置：CN 201310176546.8[P].2013-05-13.

[2]程浩忠.典型非線性負(fù)載的電能質(zhì)量評估研究·電能質(zhì)量[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：417-425.

[3]電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波：GB/T 14549-1993[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993.

[4]任祖華，王柏林.基于多分辨率S變換的電壓閃變檢測[J].電力自動化設(shè)備，2014，43（1）：27-31.

[5]電能質(zhì)量電壓波動和閃變：GB/T 12326-2008[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[6]張金.模擬信號調(diào)理技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012：63.

[7]姜一真，楊德偉，張芳杰.用于測量工頻高電壓的直波導(dǎo)電壓傳感器[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2014（51）：179-184.

[8]曹孝寧，吳華仁，龍可微.鎖相環(huán)同步采樣技術(shù)在電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備，1996（4）：58-60.

[9]龐浩，王贊基，陳建業(yè).一種數(shù)字鎖相方法：CN1337802[P].2002-02-27.

[10]單長虹，鄧國揚(yáng).一種新型快速全數(shù)字鎖相環(huán)的研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2003，15（4）：581-590.

[11]龐浩，俎云霄，王贊基.一種新型的全數(shù)字鎖相環(huán)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2003，23（2）：37-41.

[12]呂超，張玉霞，王立欣.USB接口高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)[J].計算機(jī)測量與控制，2009，17（5）：1003-1012.

[13]西門子公司.電壓驟升或驟降監(jiān)測方法及使用該方法的監(jiān)測裝置：CN 201010260838.6[P].2010-08-24.

（編輯：莫婕）

System design for power quality analyzer

LEI Kai1， WANG Yi2， YE Yonghang2， ZHOU Botao2
（1.Power Electronics and Control Division of Dongfang Electric Corporation（DEC），Chengdu 610000，China；2.School of Automation Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

In order to improve the deficiencies of power quality analyzer products for functional integrity，stability and test accuracy and so on， a three-core architecture based on ARM， DSP and FPGA is proposed to develop a full-featured power quality analyzer in this paper.In the design of the front of the power signal conditioning circuit，full-hardware-control measurement circuit is adoped to achieve a higher accuracy， bandwidth， response speed and greater dynamic range.However， in the design of the synchronous sampling scheme， the digital PI control is introduced into the phase-locked loop to replace the traditional loop filter，so as to improve the speed and stability of the frequency lock.By testing the performance of a variety of electrical parameters，it is found that the measurement results have reached the relevant measurement standards.

power quality analyzer； parameter measurement； power signal detection； synchronous sampling；phase-locked loop

A

1674-5124（2017）11-0083-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.017

2017-03-11；

2017-05-18

雷 凱（1977-），男，甘肅蘭州市人，高級工程師，碩士，研究方向為常規(guī)能源和新能源領(lǐng)域的電力電子和自動控制系統(tǒng)解決方案及相關(guān)設(shè)備。