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ACR230ELH電力質(zhì)量分析儀的設(shè)計和應(yīng)用

作者: 時間:2011-02-10 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:本文介紹了ACR230ELH電力質(zhì)量分析儀的設(shè)計原理以及該產(chǎn)品在2010年上海世博會中心場館配電系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵字:電力質(zhì)量分析儀;諧波;世博會;ARM;

DSP隨著電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展,供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)荷,從低壓小容量的家用電器到大容量的工業(yè)交流變換器的廣泛應(yīng)用,引起了電網(wǎng)電壓、電流波形的畸變,威脅到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在國家一些重要項目的建設(shè)中電網(wǎng)質(zhì)量的監(jiān)測顯得尤為重要,作為目前功能完整,體積較小的96型ACR230ELH電力質(zhì)量分析儀對電力質(zhì)量檢測、解決諧波產(chǎn)生的問題有著重要的指導(dǎo)作用。應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù):為了對上述電網(wǎng)諧波危害進(jìn)行相應(yīng)的度量、評估和考核,上海安科瑞電氣股份有限公司研發(fā)了基于DSP+ARM7模塊化設(shè)計方案的高端電力質(zhì)量分析產(chǎn)品ACR230ELH。該產(chǎn)品采用當(dāng)今世界流行的高檔電能標(biāo)設(shè)計方案:DSP+MCU的實(shí)現(xiàn)方法,將DSP的高速數(shù)字信號處理功能和高檔MCU(ARM)完善的管理、通訊、豐富的接口功能相結(jié)合?;竟ぷ髟砣缦拢簣D1硬件設(shè)計原理框圖互感器將來自電網(wǎng)的電壓、電流信號實(shí)時送到表內(nèi)16位高速Sigma-DelTaAD進(jìn)行6個通道電力信號的同步采樣,AD轉(zhuǎn)換完成之后把數(shù)據(jù)傳送給DSP進(jìn)行各種復(fù)雜的數(shù)值運(yùn)算,通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算,DSP完成整表的計算功能,具體包括所有電力參數(shù)的測量、有功、無功、視在電能的計量等工作;完成之后DSP把相應(yīng)的計算數(shù)據(jù)和ARM7進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,ARM7主要完成液晶顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計存儲、外部通訊、菜單鍵盤操作、DI/DO量的輸入控制等工作。A/D采用的是ADI公司推出的AD73360L芯片,內(nèi)帶6個獨(dú)立通道的16位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器,采用Sigma-Delta轉(zhuǎn)換原理,具有良好的抗混疊性能。AD73360的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出接口是同步串口(SPORT口),DSP采用的是ADSP219x芯片,同樣具有相同SPORT接口,使用起來非常的方便,免去了IO口模擬帶來的一系列煩惱。ARM7采用的是NXP的LPC2138,該芯片功能強(qiáng)大,外圍端口資源豐富,內(nèi)部RAM最大可以達(dá)到32K,運(yùn)行速度可達(dá)60M,帶有多通道的32位定時器,多路PWM輸出資源,多個SCI、SPI、IIC接口;IO口可以承受5V電壓輸入;內(nèi)部還帶有多種運(yùn)行功耗模式。該表軟件分為兩部分,其一是DSP的相關(guān)程序流程代碼,這部分代碼按功能上分主要是以下幾塊:分為AD采樣控制、串口數(shù)據(jù)傳輸、大量復(fù)雜的數(shù)值運(yùn)算(包括傅氏變換)、能量累計、電能質(zhì)量分析、電能脈沖輸出等幾個部分;其二是ARM7中的相關(guān)程序流程,主要包括:液晶顯示、按鍵處理、數(shù)字通訊、開關(guān)量輸入輸出功能的實(shí)現(xiàn)以及部分事件記錄功能的實(shí)現(xiàn);在編程語言的選擇上,DSP部分采用C語言和匯編語言混合編程,為了保證系統(tǒng)良好的實(shí)時性,以匯編語言為主,C語言作整個程序框架進(jìn)程調(diào)度,既保證了程序的易讀性,也兼顧了系統(tǒng)良好的實(shí)時性。ARM7的程序是基于uc/OS-II操作系統(tǒng)平臺開發(fā)的,程序簡單易讀,可移植性較好,便于產(chǎn)品的后續(xù)升級工作。整個系統(tǒng)的軟件大致要完成3個部分的工作:系統(tǒng)的初始化代碼、uc/OS-II操作系統(tǒng)移植、應(yīng)用任務(wù)的編寫。算法描述基于上述的模塊化設(shè)計理念,充分考慮了數(shù)字信號處理器的強(qiáng)大的數(shù)值計算功能,讓其完成了所有的計算變換等功能;具體包括電壓、電流有效值、有功、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功、無功、視在電能的累計、電能質(zhì)量指標(biāo)的計算??紤]到常規(guī)電參量的計算公式比較常見,這里就不再贅述了,著重把電能質(zhì)量指標(biāo)的計算方法描述一下:電能質(zhì)量方面的計算,具體包括:2-31次諧波分析,電壓波峰系數(shù),電話波形因子,電流K系數(shù),三相電壓、電流不平衡度,電壓、電流正序、負(fù)序、零序分析,電壓偏差、頻率偏差。電能質(zhì)量的相關(guān)指標(biāo)如下:A.諧波(GB/T14549);電壓的2-31次諧波分析主要是采用DSP的FFT算法來實(shí)現(xiàn),得到的基波分量和諧波分量分別為U1,U2…Uh;各次諧波含有率的計算公式如下:;;電流的2-31次諧波分析與之類似;圖2電網(wǎng)諧波波形及諧波棒圖B.不平衡度(GB/T15543)電壓不平衡包括每相信號的幅度和三相之間的角度不平衡,具體計算參照下述公式:電流不平衡的計算方法和電流一致。圖3三相不平衡波形C.頻率偏差(GB/T15945)頻率偏差即系統(tǒng)頻率的實(shí)際值和標(biāo)稱值之差。電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為±0.2Hz。當(dāng)系統(tǒng)容量較小時,偏差值可以放寬到±0.5Hz。用戶沖擊負(fù)荷引起的系統(tǒng)頻率變動不得超過±0.2Hz,根據(jù)沖擊負(fù)荷性質(zhì)和大小以及系統(tǒng)的條件也可適當(dāng)變動限值,但應(yīng)保證近區(qū)電力網(wǎng)、發(fā)電機(jī)組和用戶的安全,穩(wěn)定運(yùn)行以及正常供電。D.電壓偏差(GB/T12325)35KV及以上供電電壓正,負(fù)偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%。10KV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%。220V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7%,-10%。圖4電壓變化此外在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中,還有一些參數(shù)會間接的反映出電網(wǎng)波形的實(shí)際情形,比如電壓波峰系數(shù)、電壓電話波形因子和電流K系數(shù)(前面兩個主要是衡量電壓波形畸變帶來的影響、第三個主要是衡量電流波形畸變帶來的變化)。

電壓波峰系數(shù)的計算如下:電話波形因子:電流K系數(shù):實(shí)現(xiàn)功能及性能:ACR230ELH實(shí)現(xiàn)了以下功能:

1、高精度測量常規(guī)的三相交流電量,如三相相電壓、線電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)等;

2、專業(yè)的四象限電能(包括吸收有功電能、釋放有功電能、感性無功電能、容性無功電能)高精度計量;可分8個時段三種費(fèi)率計量本月、上月、上上月以及總的有功電能;

3、全面的測量電壓電流2-31次諧波分量及THD、電流K系數(shù)、電壓波峰系數(shù)、電話波形因子及三相電壓電流不平衡度等,用戶可以方便的對供電電網(wǎng)質(zhì)量進(jìn)行分析;

4、具有4路開關(guān)量輸入、2路開關(guān)量輸出、一路485接口Modbus協(xié)議的通訊接口,充分滿足電力遙控遙測需求。該產(chǎn)品已經(jīng)通過CE論證并成功出口到英國和西班牙,詳細(xì)效果見下圖。圖5出口OEM儀表外觀應(yīng)用案例世博中心是上海世博會園區(qū)內(nèi)首座永久性場館,位于盧浦大橋東側(cè)世博園區(qū)B區(qū)濱江綠地內(nèi),東西長約350米,南北寬約140米,總建筑面積約14萬平方米,現(xiàn)已建成并投入試運(yùn)營。世博中心作為世博永久性場館中最重要的場館之一,在世博會期間,將承擔(dān)世博會運(yùn)營指揮中心、慶典會議中心、新聞中心、論壇活動中心等功能。圖6世博中心場館外觀圖上海安科瑞電氣股份有限公司的ACR230ELH在該項目中一舉包攬了中心場館5個變電所的所有電力數(shù)顯示儀表。以世博中心地下5個變電所中的1#所舉例:這是一個0.4kV低壓配電站系統(tǒng),由2個受電柜、2個應(yīng)急進(jìn)線柜、1個母聯(lián)柜、4個補(bǔ)償柜,155個饋出柜組成。饋出柜負(fù)載具體可分為:展覽用電、照明用電、空調(diào)風(fēng)機(jī)用電、動力用電和消防用電。配電系統(tǒng)中采用了LED等節(jié)能光源、大功率變頻中央空調(diào)、展覽用電等大量非線性用電設(shè)備,雖然降低了實(shí)際的功耗,以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo),但是這些設(shè)備都是電力系統(tǒng)諧波的主要來源;這些設(shè)備即使供給它們理想的正弦波電壓,取用的電流也是非線性的,即有諧波電流存在。這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流注入電力系統(tǒng)中,使系統(tǒng)各處電壓產(chǎn)生諧波分量。這些設(shè)備單個容量不大,但基數(shù)很大且散布于各處,電力部門又難以治理。假如這些設(shè)備的電流諧波含量過大,則會對世博中心場館電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。圖7ACR230ELH多功能電力儀表在現(xiàn)場使用之后,用戶除了可以通過該表了解所有常規(guī)電參數(shù)之外,可以了解世博中心場館現(xiàn)場各種電力設(shè)備投運(yùn)前、后相關(guān)系統(tǒng)的電力質(zhì)量水平及其變化對有關(guān)設(shè)備的影響,方便電力質(zhì)量故障診斷和異常的原因測量,為大型公建的穩(wěn)定運(yùn)行提供實(shí)時數(shù)據(jù)。在該項目中主要用到了該產(chǎn)品的以下功能,常規(guī)電參數(shù)測量、復(fù)費(fèi)率電能計量、電力質(zhì)量分析、分?jǐn)嚅_關(guān)的分合狀態(tài)指示以及485通訊組網(wǎng)?,F(xiàn)場系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(如圖10):現(xiàn)場設(shè)備層--網(wǎng)絡(luò)通訊層--站控管理層。也即是:先將現(xiàn)場智能設(shè)備接入就地的Modbus總線,再將Modbus總線通過串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器轉(zhuǎn)換成TCP/IP以太網(wǎng)與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,最終由方便管理人員通過監(jiān)測系統(tǒng)軟件了解及掌握現(xiàn)場狀況,并進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

1、現(xiàn)場設(shè)備層采集所需實(shí)時監(jiān)測的電參量:現(xiàn)場設(shè)備層是數(shù)據(jù)采集終端,主要是由智能儀表組成(此項目中主要為ACR230ELH電力質(zhì)量分析儀),向數(shù)據(jù)中心上傳存儲的參數(shù)。世博中心場管項目中,例如主進(jìn)線回路的三相電流、三相電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)及頻率;電容補(bǔ)償回路的功率因數(shù)、有功、無功功率;聯(lián)絡(luò)回路的三相電壓、電流;普通低壓出線回路的三相電流、功率;重要低壓出線回路的三相電流、有功、無功功率、電壓和電流的2-31次諧波、諧波畸變率(THDi、THDu)等電參量;

2、網(wǎng)絡(luò)通訊層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸:在現(xiàn)場設(shè)備(如ACR230ELH)中采集到的電參量,通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的交換和共享,并將數(shù)據(jù)提供給總變監(jiān)控系統(tǒng)。同時,轉(zhuǎn)達(dá)上位機(jī)對現(xiàn)場設(shè)備的各種控制命令。

3、站控管理層以最直觀方便的形式反映現(xiàn)場各個運(yùn)行狀態(tài):站控管理層針對監(jiān)測系統(tǒng)的管理人員,是人機(jī)交互的直接窗口,也是系統(tǒng)的最上層部門。監(jiān)測系統(tǒng)軟件具有良好的人機(jī)交互界面,對采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息計算、分析與處理,以報表及圖文方式直觀地體現(xiàn)各種電參量信息及系統(tǒng)運(yùn)行以來的具有參考價值的歷史數(shù)據(jù),如諧波數(shù)據(jù)、棒圖及曲線,電力能耗的日、月、年報表,日志報表等等。結(jié)束語上海安科瑞電氣股份有限公司的ACR230ELH可以實(shí)時監(jiān)測饋出負(fù)荷的負(fù)載特性,監(jiān)測電力質(zhì)量參數(shù),對諧波等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時分析,便于上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況、諧波污染程度,給世博運(yùn)行維護(hù)工程師提供可靠真實(shí)數(shù)據(jù),以便他們及時采取合理的應(yīng)對措施,為實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保世博保駕護(hù)航。



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