電能質量分析儀系統設計

雷 凱，王 憶，葉永杭，周搏濤

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

電能質量分析儀系統設計

雷 凱1，王 憶2，葉永杭2，周搏濤2

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

為改善現有電能質量分析儀產品在功能完善性、穩定性和測試精度等方面存在的不足，該文采取基于ARM+DSP+FPGA的三核架構研制一款功能全面的電能質量分析儀。在前段電力信號調理電路的設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、響應速度以及更大的動態范圍；在同步采樣方案設計中將數字PI控制引入鎖相環代替傳統的環路濾波器，有效提高頻率鎖定的速度和穩定度。通過對各項性能的測試發現，各種電能參數的測量結果均達到相關的測量標準。

電能質量分析儀；參數測量；電力信號檢測；同步采樣；鎖相環

0 引 言

電能質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。理想的電能應該是完美對稱的正弦波，而現實中一些因素會使波形偏離對稱正弦，由此便產生了電能質量問題[1]。隨著各式各樣的非線性負載接入電網帶來的電力污染增多，不良的電能將會給工業生產帶來極大的危害，如燒毀設備，降低工作效率，影響高精度生產線等[2]；因此，設計一款功能完善，高精度的電能質量監測裝置顯得越發的重要。捕捉故障現場的諧波、電壓波動、閃變、功率和三相不平衡等常見的電能質量問題，其相關的技術指標為：1）原始波形顯示與測量，監測被測信號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GB/T 14549——1993《電能質量公用電網諧波》[3]對公用電網諧波的測試要求。2）基本電參數的測量，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，電能質量分析儀具有電壓閃變監測功能[4]，且符合GB/T 12326——2008《電能質量電壓波動和閃變》[5]標準。5）電壓波動與故障錄波。傳統的電能質量分析儀產品大多存在一定的缺陷，如對瞬態事件、驟升驟降、閃變計算等功能的分析相對較弱，不能夠勝任現代電力測試的要求。除此之外很多低端產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代測試儀器對瞬態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量分析儀的發展方向，提出了基于ARM+DSP+FPGA的電能質量分析儀軟硬件設計，在前段電力信號調理電路中采取了全硬件控制的測量電路用于提高精度、帶寬和響應速度；在同步采樣中將數字PI控制引入鎖相環代替傳統的環路濾波器用于提高頻率鎖定的速度和穩定度。

1 系統總體設計

電能質量分析儀不但要滿足功能與精度的要求，同時也要滿足現代測試儀器對網絡互聯的需求。設計時需要在保證用戶安全的前提下，預留一些資源和接口，根據客戶的實際需求快速改變設計。圖1展示了采用ARM9+DSP+FPGA三核架構的質量分析儀的整體設計。

圖1 系統框圖

電力信號經信號調理電路轉換為可以進入AD的小信號[6]，FPGA控制AD按照計算需求進行無間斷同步采樣，并將數據整理與預處理后通過通信接口上傳至雙核的DSP進行計算分析，然后將分析計算好的數據通過DSPLink傳給ARM進行顯示和存儲。ARM9芯片上使用了Linux操作系統，可以更好地創建顯示界面，并具有強大的網絡通信功能，滿足現代儀器的互聯與遠程控制的需求。可以根據用戶的需求開發出相應的應用程序，實現分式監控。

2 系統核心電路設計

2.1 電力信號調理電路設計

在傳統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。故在電能質量分析儀電力信號測量中無法使用電壓傳感器[7]。

本文設計了一種全硬件控制的測量電路，檢測電路可以根據當前輸入電壓的范圍自動調整檢測檔位，保證進入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，提高了系統的安全性能，其工作原理框圖如圖2所示。

圖2 信號調理電路原理框圖

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確地檢測輸入信號的最大峰值。得到的峰值電壓進入比較器陣列中，根據不同的峰值得出不同的比較器輸出編碼值，進而通過光耦來控制繼電器的切換檔位，達到測量不同輸入電壓值的目的。本文設計了可以滿足現代電能質量測試儀器要求的信號調理電路，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，為由運放構成反相衰減電路，其衰減比例由反相端輸入電阻和反饋電阻的比值決定，當反相輸入端電阻值固定不變時，改變反饋電阻值即可實現衰減比例的改變。在反饋電阻上并聯電容即可構成一階有源低通濾波器，抑制高頻噪聲，其傳遞函數如下式所示：

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計

在電力信號分析時需要對電網諧波進行計算，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，數字鎖相環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控制的數字鎖相環同步采樣。將數字PI控制[8-9]引入鎖相環代替傳統的環路濾波器，可以有效提高頻率鎖定的速度和穩定度，其原理框圖如圖4所示。

圖中電網信號經數字鑒相器比較出相位差，相位誤差經PI調節得到數字控制字N，調整輸出的相位，經過分頻反饋再做比較，整個系統構成了一個閉環系統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行積分計算得到I參量值，同時對當前相位差信號乘以一個系數得到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控制的數字鎖相環原理框圖

圖5 鎖相環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器的范圍限制下，對比例脈沖增減信號計數，并保持其增減信息。4）輸入信號對計數值清零前，將計數值鎖存，同時輸出該鎖存值，即為比例控制參數，記為Np。5）以積分參數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）在積分計數值范圍的限制下，對積分脈沖增減信號計數，計數結果即為積分控制參數，記為Ni。7）對Np值與Ni值進行相加得到頻率控制字N。得到控制參數N之后再將其傳給數控振蕩器（數控NCO），其原理如圖6所示。

圖6 小數分頻振蕩器

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行自加運算，當自加結果溢出則進位，然后與NH相加，作為可控頻率的控制字。可控計數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，減小了鎖相環的輸出抖動。綜上所述，通過對PI控制的數字鎖相環的各個環節進行數學建模可以得到負反饋閉環傳遞函數，如下式所示：

式（2）與標準二階函數s2+2ξwns+wn2s2類似，其中K12=Fclk1/Fclk2，本文取Fclk1=Fclk2=50 MHz，K12=1。 可知二階系統的自然頻率ωn為

二階阻尼系數為

根據本系統的應用，Fsig=50Hz，k=4。由自控系統可知當ξ在0.707左右時振蕩最小。取PG=5，IG=25，對應的角頻率為15.8。本設計采用了具有快速變化響應的積分環節，提高控制速度，使得系統快速鎖定被鎖信號。

3 軟件設計

軟件實現選用TI公司OMAP-L138芯片的ARM+DSP雙核處理器。ARM端為Linux操作系統，DSP端為DSP/BIOS系統。Linux操作系統與之相關的驅動、軟件資源豐富，并且支持多核多任務、可裁剪定制，方便實用。DSP/BIOS系統具備完善的內存管理和多任務管理，使得DSP對多任務進行優化變得簡單。系統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，FPGA與DSP之間采用UPP進行數據傳輸，DSP和ARM之間采用DSPLink進行通信。對于FPGA傳送到DSP的采樣數據，DSP會針對各電能質量參數的計算周期不同分為不同的任務；如間隔10ms計算一次半波有效值；間隔20ms對真有效值進行計算；間隔200 ms對諧波間諧波進行計算；間隔10.24s對瞬時閃變值進行計算；間隔10min對短時閃變值進行計算，間隔2 h對長時閃變值進行計算等。DSP將計算好的參數值和事件通過DSPLink傳給ARM，ARM端的Qt應用程序獲得DSPLink發送過來的數據，送LCD顯示或USB和SD卡存儲[12]。在Linux操作系統上，支持的外設有LCD顯示屏、USB接口、SD卡、按鍵和網口。LCD用于顯示電能數據；USB和SD卡用于保存數據，可以將數據拷貝進行離線分析；按鍵模塊用于響應用戶輸入。同時用戶也可以對該設備的運行情況和參數設置進行定制。

4 功能測試

本文基于FPGA+DSP+ARM平臺設計的電能質量分析儀，可以實現對常見的電力信號參數進行測量和顯示，如電網電壓、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。將本文電能質量分析的測量結果與標準源AT3051的設置值進行對比分析，可以檢驗各項參數的精度是否達標并且完成對電力工業儀表綜合性能的測試。標準源AT3051不但可以產生常用設備的正弦信號，還可以產生如諧波、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量分析儀對電網諧波、間諧波和驟升驟降事件的功能驗證。本電能質量分析儀硬件電路板如圖8所示。

圖8 整體電路板

圖中左邊為信號調理電路板，右邊為CPU板，整個電路板的主要組成部分用標號 1，2，3，4，5，6 表示，分別對應電流采集、電壓采集、隔離電路、FPGA板、外圍電路和核心板。對應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，左邊為該質量分析儀的功能菜單，可以看出該質量分析儀可對電壓、電流進行波形和有效值/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果進行分析驗證。通過將標準源設置不同的電能參數值和樣機的測量結果進行分析，可以測試樣機的工作性能和參數指標。

對樣機各種參數指標要求中，供電電壓相對偏差的計算公式由下式給出：

對A級設備而言，式（5）中的測量相對誤差不應超過±0.2%；頻率偏差為系統頻率的實際值與標稱值之差，并且測量誤差不應超過±0.01Hz。諧波的測量標準（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的測量結果如表2所示。

在標準源基準電流設為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。樣機對諧波的測量結果如圖10 所示。

表2 參數測量結果

圖10 諧波測量結果

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

5 結束語

綜合對國內外相關產品的研究以及未來儀器發展趨勢的分析，本文針對電能質量分析儀設計了基于OMAP-L138（ARM+DSP）和FPGA核心的主控系統，多核芯片的使用具有更加強大的計算與擴展功能，并將Linux操作系統移植到OMAP-L138中，使得設計具有強大網絡通信能力與數據處理能力，可以實現分布式聯網檢測。本電能質量分析儀在準確度、帶寬、響應速度和動態范圍上得到優化，滿足了現代電力檢測設備的要求。而且，本文設計中將數字PI控制引入鎖相環代替傳統的環路濾波器，有效提高頻率鎖定的速度和穩定度。在軟件實現上，采用Linux操作系統，使得系統穩定、大小可裁剪，可定制出滿足電能質量分析儀的內核系統，既滿足了電能質量分析裝置特有的外設功能，又除去了不必要的設備接口。

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（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，研究方向為常規能源和新能源領域的電力電子和自動控制系統解決方案及相關設備。