0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

如何使用可加速开发的即用型平台高效设计符合标准的电能质量测量仪器

星星科技指导员 来源:ADI 作者:Jose Mendia 2023-01-31 17:40 次阅读

本文 介绍 了 如何 使用 可 加速 开发 的 即 用 型 平台 高效 设计 符合 标准 的 电能 质量 (PQ) 测量 仪器。它将讨论设计A类和S类电表的不同解决方案,包括新的S类电能质量测量集成解决方案,该解决方案可显着减少电能质量监控产品的开发时间和成本。文章“电能质量监控第1部分:符合标准的电能质量测量的重要性”提供了对IEC电能质量标准及其参数的理解。

实施电能质量解决方案的挑战

设计用于电能质量测量的仪器的基本组件如图1所示。首先,电流和电压传感器必须考虑仪器的工作范围,并使输入信号适应模数转换器ADC)输入的动态。传统传感器是测量中不确定性的第一个来源;因此,正确的选择非常重要。接下来,信号进入ADC;其各自的特性(如失调、增益和非线性误差)会产生第二个不确定性来源。为此功能选择正确的ADC对于设计电能质量仪器是一项艰巨的工作。最后,必须产生一系列信号处理算法,以便从输入信号中获得电气和电能质量测量值。

pYYBAGPY5SmAHFr9AAAn0wfPLr4481.png

图1.电能质量测量仪器的主要部件。

电压和电流传感器

根据电能质量仪表的位置和应用,标称电源电压(U名词)、额定电流 (I名词),并且频率各不相同。与仪器测量的标称值无关,IEC 61000-4-7标准要求电能质量测量仪器达到表1中所示的精度;因此,必须选择传感器,使仪器满足精度要求。

测量 条件 最大误差
一个 电压 UM≥ 1% U名词
UM< 1% U名词
±5% UM
±0.05% U名词
当前 我M≥ 3% I名词
我M< 3% I名词
±5% IM
±0.15% I名词
权力 PM≥ 150 W
PM< 150 W
±1% PM
±1.5% W
S 电压 UM≥ 3% U名词
UM< 3% U名词
±5% UM
±0.15% U名词
电压 我M≥ 10% I名词
我M< 10% I名词
±5% IM
±0.15% I名词

我名词:测量仪器的标称电流范围

U名词:测量仪器的标称电压范围

UM我M和 PM: 测量值

The IEC61000-4-71标准建议按照这些标称电压(U名词) 和标称电流 (I名词):

对于 50 Hz 系统:66 V、115 V、230 V、400 V、690 V

对于 60 Hz 系统:69 V、120 V、240 V、277 V、347 V、480 V、600 V

0.1 安、0.2 安、0.5 安、1 安、2 安、5 安、10 安、20 安、50 安、100 安培

此外,选择用于测量电压和电流的传感器在1.2× U名词和我名词连续应用。四倍于标称电压或 1 kV rms(以较小者为准)的信号施加到仪器上 1 秒,不得导致任何损坏。同样,一个 10× I名词电流 1 秒不会产生任何损坏。

模数转换器

尽管IEC 61000-4-30标准没有规定采样速率的最低要求,但ADC必须具有足够的采样速率来测量一些振荡和快速电能质量现象。采样率不足可能导致电能质量事件分类错误或无法检测到电能质量事件。IEC 61000-4-30 标准规定,仪器电压和电流传感器应适用于高达 9 kHz 的频率。因此,必须按照信号分析规则选择ADC的采样频率,以测量高达9 kHz的频率分量。图2说明了采样率不足的后果。左上角波形每 64 个周期 (10 ms) 包含 200 个样本,右上角波形每 1024 个周期包含 10 个样本。如图2所示,左上图显示电压骤降事件,而右上图显示瞬态感应电压骤降。

IEC标准适用于单相和三相系统;因此,所选ADC必须能够同时对所需数量的电压和电流通道进行采样。同时测量仪器上的所有电压和电流通道,可以检查所有参数,并在发生电能质量事件时立即触发。

数字信号处理

尽管为电能质量测量选择传感器和ADC需要全面的工程设计工作,但开发用于处理原始ADC测量的算法无疑是制造电能质量仪器需要大部分时间和资源的任务。要 实现 符合 标准 的 仪器, 必须 选择 合适 的 DSP 硬件, 并且 必须 开发 并 正确 测试 从 波形 样本 计算 电能 质量 参数 的 算法。该标准不仅要求计算,还要求不同的时间相关聚合,A类的时间精度每1小时小于±24秒,S类每5小时的时间精度小于±24秒。这些算法必须执行谐波分析。此外,电能质量参数依赖于快速傅里叶变换(FFT)分析(谐波、间谐波、电源信号电压、不平衡),这很难实现。FFT分析要求以每1024 ms(200个周期)最少10个样本对波形进行采样。对ADC的原始波形进行重采样至所需速率时,需要注意避免谐波失真和混叠。

算法开发完成后,IEC 标准要求仪器必须通过 400 多项测试才能获得全面认证

图3所示框图显示了DSP系统产生电能质量测量所需的最相关功能。

pYYBAGPY5TOAVDFMAACSmsb7O2g681.png

图2.ADC采样速率对电能质量测量的影响。

poYBAGPY5TmAeZlgAAB7Je4WMNs905.png

图3.框图:DSP电能质量系统的相关功能。

ADI公司的电能质量测量解决方案

多通道同步采样ADC,符合IEC 61000-4-30 A类标准

考虑到开发A类PQ仪器的精度、通道数和采样速率要求,建议将AD777x和AD7606x系列产品用于信号链/系统的ADC转换。请注意,这些解决方案仅提供来自输入信号的原始数字化数据。必须开发DSP系统才能获得认证的PQ测量。

AD777x 系列Σ-Δ型ADC

AD777x是一款8通道、24位同步采样ADC系列器件。片内有16个全Σ-Δ型(∑-Δ)ADC,提供32 kSPS/128 kSPS/777 kSPS的采样速率。AD1x提供低输入电流,允许直接连接传感器。每个输入通道都有一个可编程增益级,允许增益为2、4、8和777,以将较低幅度的传感器输出映射到满量程ADC输入范围,从而最大化信号链的动态范围。AD1x接受3 V至6.0 V的VREF电压,模拟输入范围:2 V至5.1 V或±25.7770 V。模拟输入可以配置为接受真差分、伪差分或单端信号,以匹配不同的传感器输出配置。提供采样速率转换器,允许对AD0进行精细分辨率控制,可用于需要ODR分辨率以保持线路频率01.777 Hz变化相干的应用。AD5x还提供7771 kHz大信号输入带宽(AD10 40 kHz)。提供数据输出和SPI通信接口,但SPI也可以配置为输出Σ-Δ转换数据。温度范围为 –105°C 至 +125°C,采用 3.3 V 或 ±1.65 V 电源时工作温度高达 +<>°C。

图4显示了PQ仪器AD3x系列ADC的三相典型应用系统图,该仪器使用电流互感器作为电流传感器和电压电阻分压器。

AD7606x系列16/18位ADC数据采集系统

AD7606x提供具有16个通道的18位/16位同步采样模数数据采集系统(DAS)。每个通道包含模拟输入箝位保护、可编程增益放大器(PGA)、低通滤波器和18/7606位逐次逼近寄存器(SAR)ADC。AD2x还内置一个灵活的数字滤波器、低漂移、用于驱动ADC的5.<> V精密基准电压源和基准电压缓冲器,以及灵活的并行和串行接口

AD7606B采用5 V单电源供电,在所有通道以10 kSPS (AD5B)/2 MSPS (AD5C)的吞吐速率采样时,支持±800 V、±7606 V和±1.7606 V真双极性输入范围。输入箝位保护可承受不同的电压,用户可选择模拟输入范围(±20 V、±12.5 V、±10 V、±5 V 和 ±2.5 V)。AD7606x需要5 V单模拟电源。单电源供电、片内滤波和高输入阻抗免除了增设外部驱动器运算放大器的需要,后者需要双极性电源。

在软件模式下,可以使用以下高级功能:

其他过采样 (OS) 选项,最高可达 OS × 256

每个通道的系统增益、系统失调和系统相位校准

模拟输入开路检测器

诊断多路复用器

监控功能:SPI无效读/写、循环冗余校验(CRC)、过压和欠压事件、忙卡监控和复位检测

图4显示了AD3x系列ADC的三相典型应用系统图,用于电能质量仪器,使用电流互感器作为电流传感器和电压电阻分压器。

poYBAGPY5T-AOHDzAACu_C8w4CY470.png

图4.AD3X和AD777x系列ADC的电能质量三相应用系统图

ADI公司预认证的IEC S类电能质量解决方案

ADE9430是一款高精度、完全集成的多相电能计量IC,与在主机微控制器上运行的ADSW-PQ-CLS软件库相结合,是一款符合IEC 61000-4-30 S类标准的完整解决方案。这种集成显著减少了PQ监控产品的开发时间和成本。ADE9430 + ADSW-PQ-CLS 解决方案通过提供采集和计算引擎的紧密集成,简化了能源和PQ监控系统的实现和认证。图5显示了ADE3 + ADSW-PQ-CLS解决方案的三相应用系统图,该解决方案适用于使用电流互感器作为电流传感器和电压电阻分压器的电能质量仪器。

ADE9430 S类电能质量模拟前端

ADE9430具有3个输入通道,可用于三相系统或最多三个单相系统。它支持电流互感器(CT)或罗氏线圈,并带有外部模拟积分器,用于电流测量。它为电能质量监控和电能测量提供了一个集成的模拟前端。ADE9430与ADE9000和ADE9078引脚兼容,具有同等的模拟和计量性能。其功能包括:

24个高性能<>位Σ-Δ型ADC

101 dB 信噪比

宽输入电压范围:±1 V、707 mV rms,增益 = 1 时满量程

差分输入

0.2 级精度计量

单周期有效值、线路频率、过零、高级计量

波形缓冲器

连续重采样数据:每 1024/10 行周期 12 个点

涵盖 50 Hz 和 60 Hz 基频的高级计量技术

支持有源能源标准:IEC 62053-21 和 IEC 62053-22;EN 50470-3 OIML R46;和 ANSI C12.20

支持无功电能标准:IEC 62053-23、IEC 62053-24

高速通信端口:20 MHz 串行端口接口 (SPI)

ADSW-PQ-CLS 软件库

ADSW-PQ-CLS 软件库专门设计用于与 ADE9430 集成,以生成符合标准的 IEC 61000-4-30 S 类 PQ 测量值。它实现了 IEC 61000-4-30 中为 S 类仪器定义的所有参数。用户可以决定使用哪些 PQ 参数。该库需要低 CPU/RAM 资源,并且与内核/操作系统无关(Arm Cortex-M 最低要求)。支持的MCU架构包括Arm Cortex-M0,Cortex-MO+,Cortex-M1,Cortex-M3和Cortex-M4。为了分发给最终用户,该库以CMSIS-PACK文件(.pack)的形式提供,该文件与Keil Microvision,IAR Embedded Workbench版本8.x或ADI公司CrossCore Embedded Studio兼容。软件库许可证包含在购买ADE9430时。提供了一个 PC 串行命令行界面 (CLI) 示例来评估库及其功能。图 6 显示了此 CLI 如何显示 PQ 参数。®®®

pYYBAGPY5UiADq2TAACu_C8w4CY966.png

图5.ADE9430和ADSW-PQ-CLS PQ 三相系统图。

pYYBAGPY4ieAQTQQAAFj_9AWGSM801.jpg?h=270&hash=55CA26CA4493AB45A5C4881DFA7B10D4&imgver=1

图6.ADSW-PQ-CLS 软件库串行 CLI 接口。

ADE9xxx系列电能质量特性摘要

参数 ADE9078 公用事业计量 ADE9000 电能质量 ADE9430 + ADSW-PQ-CLS
瓦特,瓦特小时
I rms, V rms, VA, VA-hr
总可变值,可变值小时
基本变量,变量小时
功率因数
电流相位角
电压相位角
线路频率 – 三 S 类
相序检测
1/2 周期有效值
1 周期有效值 S 类
10/12 周期有效值 S 类
150/180 周期有效值 S 类
倾角/膨胀 S 类
中断 S 类
过电流
基本瓦特,瓦特小时,弗吉尼亚州,弗吉尼亚州每小时
快速电压变化 S 类
过/欠偏差 S 类
闪烁 S 类
电压/电流不平衡 S 类
电压/电流谐波、间谐波 S 级高达 40千
ITHD, VTHD S 类
电源信号电压 S 类 (<3 kHz)
基本 I rms, V rms
数据速率 16 千米/4 千米 32 千米/8 千米 32 千米/8 千米
重采样数据 64 分/周期 128 分/周期 128 分/周期或 1024 点/(10/12 次循环)
最大 SPI 频率 10兆赫 20兆赫 20兆赫

ADE9430 评估套件

EVAL-ADE9430ARDZ可通过ADE9430和ADSW-PQ-CLS电能质量库快速评估和原型设计电能和S类电能质量测量系统。提供电能质量库和应用示例,以简化大型系统的实现。该套件提供即插即用类型的体验,易于使用来测试三相电气系统的电能质量参数。

该套件具有以下硬件功能:

电流互感器输入

高电压/电流输入

240 V rms 标称值(带分压器)

最大 80 A 有效值(带随附的 CT 传感器)

2.5 kV 隔离

板载 RTC 到时间戳测量

IEC 61000-4-30 S 类预认证(需要用户校准)

在Arm Cortex-M4 MCU上运行的ADSW-PQ-CLS库和示例应用程序

串行 CLI 到 PC,用于配置和记录电能质量参数

图7显示了将EVAL-ADE9430ARDZ与PC配合使用所需的连接。

EVAL-ADE9430ARDZ由一个具有四个电流和三个电压+中性输入连接器PCB和板载ADE9430、隔离器、一个实时时钟、一个Cortex-M4 STM NUCLEO-413ZH开发板(带有ADSW-PQ-CLS库的示例应用)和三个电流传感器组成。

pYYBAGPY5VaAPrqBAAHKUoTGJeQ763.png

图7.EVAL-ADE9430ARDZ连接到PC的示意图。

认证

ADE9430 + ADSW-PQ-CLS 解决方案已经过认证,可按照IEC 61000-4-30 S类标准的要求精确测量电能质量参数。

结论

设计符合标准的电能质量仪表是一项具有挑战性的任务。为了减少生产符合IEC 61000-4-30 S类标准的PQ测量仪器所需的时间和工程资源,ADE9430 + ADSW-PQ-CLS是一款完整的首选解决方案,可为设计人员提供即用型平台,以加速开发并解决许多关键设计挑战。

审核编辑:郭婷

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 传感器
    +关注

    关注

    2515

    文章

    47672

    浏览量

    738657
  • adc
    adc
    +关注

    关注

    95

    文章

    5629

    浏览量

    538899
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    电子测量仪器的选购标准

    由于测量仪器在不同的频段,即使功能相似的仪器,其工作原理与结构常有很大的不同。而对于不同使用目的,也常使用不同准确度的仪器
    发表于 01-10 15:17 919次阅读

    测量仪器共地

    我们公司实验室的测量仪器好像不共地,双手同时接触两台不同的仪器不被电。不知大家有没有过体验。请问要怎么处理实验室的电源啊?谢谢。
    发表于 03-31 17:58

    油封尺寸测量仪

    `快速!10倍于传统测量仪器影像测量仪、工具显微镜、投影仪等由于视野很小,在测量时必须一动移动坐标台一边逐个位置进行测量,极为耗时。O圈尺
    发表于 06-29 14:45

    测量仪器你用对了吗?

    应及时吊下工作台,以避免工作台长时间处于承载状态。▲检测完毕后,清洁三坐标测量仪工作台台面。测量仪器的选购评定测量仪器是否优良的标准是:准、快、省。▲准:
    发表于 01-04 16:04

    通信测量仪器

    等。在通信测最仪器的使用中,更多地 是将信号发生器和信号分析仪结合在一起以完成专门的测量任务。二、常用通信测量仪器由于通信测量范围比较广,从音频测量
    发表于 01-29 11:10

    电子测量仪器的分类和误差

    电子测量仪器是利用电子器件和线路技术组成的装置,用以测量各种电磁参量或产生供测量用的电信号或能源。1、电子测量仪器的分类电子测量仪器一般分为
    发表于 02-26 10:12

    电子测量仪器的原理_电子测量仪器的优点_电子测量仪器有哪些

    广义的电子测量仪器是指利用电子技术进行的测量分析的仪器,是测量仪器的一大类别。
    发表于 12-12 18:30 7053次阅读

    电子测量仪器原理与使用

    介绍电子测量仪器原理与使用。  
    发表于 03-18 13:47 55次下载
    电子<b class='flag-5'>测量仪器</b>原理与使用

    测量仪器的常见类型有哪些

    测量仪器是为了取得目标物某些属性值而进行测量仪器测量仪器已经广泛运用于生活中的多个领域。那么,目前常见的测量仪器都有哪些呢?接下来给大家
    发表于 10-02 09:32 2.2w次阅读

    借助即用平台高效设计符合标准电能质量测量仪

    本文介绍如何借助即用平台加快开发速度,高效设计符合标准
    的头像 发表于 04-12 23:10 331次阅读

    如何使用高效设计符合标准电能质量测量仪器

    本文介绍如何使用可加速开发即用平台高效设计符合标准
    的头像 发表于 05-24 11:18 562次阅读
    如何使用<b class='flag-5'>高效</b>设计<b class='flag-5'>符合</b><b class='flag-5'>标准</b>的<b class='flag-5'>电能</b><b class='flag-5'>质量</b><b class='flag-5'>测量仪器</b>

    电能质量监测第1部分:符合标准电能质量测量的重要性

    本文讨论了电能质量(PQ)测量在当今电力基础设施中的重要性,并回顾了PQ监测的应用领域。本文将介绍IEC电能质量标准及其参数。最后,本文总结
    的头像 发表于 06-13 11:14 534次阅读
    <b class='flag-5'>电能</b><b class='flag-5'>质量</b>监测第1部分:<b class='flag-5'>符合</b><b class='flag-5'>标准</b>的<b class='flag-5'>电能</b><b class='flag-5'>质量</b><b class='flag-5'>测量</b>的重要性

    尺寸测量仪器知多少!

    除了常见的尺寸测量仪器,近些年又出现了一种新型的测量仪器——闪测仪,也叫一键式测量仪和图像尺寸测量仪,VX3000系列闪测仪采用双远心高分辨率光学镜头,结合高精度图像分析算法,并融入一
    的头像 发表于 11-08 16:55 1549次阅读
    尺寸<b class='flag-5'>测量仪器</b>知多少!

    电能质量监测第2部分:符合标准电能质量仪表的设计考虑因素

    本文介绍如何借助即用平台加快开发速度,高效设计符合标准
    的头像 发表于 07-12 16:02 350次阅读
    <b class='flag-5'>电能</b><b class='flag-5'>质量</b>监测第2部分:<b class='flag-5'>符合</b><b class='flag-5'>标准</b>的<b class='flag-5'>电能</b><b class='flag-5'>质量仪</b>表的设计考虑因素

    电能质量监测第1部分:符合标准电能质量测量的重要性

    本文讨论了电能质量(PQ)测量在当今电力基础设施中的重要性,并回顾了PQ监测的应用领域。本文将介绍IEC电能质量标准及其参数。最后,本文总结
    的头像 发表于 07-12 16:00 254次阅读
    <b class='flag-5'>电能</b><b class='flag-5'>质量</b>监测第1部分:<b class='flag-5'>符合</b><b class='flag-5'>标准</b>的<b class='flag-5'>电能</b><b class='flag-5'>质量</b><b class='flag-5'>测量</b>的重要性