基于ADE9000的三相電能計量與質(zhì)量分析系統(tǒng)的設(shè)計

黃藝璇，羅利文

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

隨著智能電能網(wǎng)發(fā)展的趨勢，國家電網(wǎng)公司推出的Q/GDW 356-2009《三相智能電能表型式規(guī)范》[1]等相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對智能電能表提出了更高的技術(shù)要求。智能電能表從普通功能型向長生命周期、高測量精度、分時段計量計費、多功能、網(wǎng)絡(luò)化等高科技含量和高附加值的方向發(fā)展。智能電能表在電能計量方面的準(zhǔn)確性，直接關(guān)系到電力系統(tǒng)發(fā)電量，供電量，用電量等各項技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的計算。同時越來越多的電子設(shè)備接入電網(wǎng)，系統(tǒng)中產(chǎn)生的大量諧波，降低了電能質(zhì)量，所以在保證電能表精確計量電量的同時，不能忽視諧波計量和分析的重要性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)計了一種電能計量與質(zhì)量分析系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確計量電能參數(shù)，快速進行諧波分析?？傮w設(shè)計如圖1所示。該系統(tǒng)選用STM32F401RET6為主控芯片，32位的ARM CortexTM-M4內(nèi)核完成外圍芯片控制、數(shù)據(jù)傳輸和上位機通信控制。選用某公司一款高集成度的三相模擬前端ADE 9000實現(xiàn)電能計量，該芯片集成七路高性能的和一個DSP內(nèi)核，可實現(xiàn)三相電壓電流及中線電流信號每周期128個采樣點的輸出。芯片內(nèi)部集成一個高速串行通信接口，可以將電壓和電流的波形采樣數(shù)據(jù)，有功功率，無功計算值等計算數(shù)據(jù)通過SPI通訊方式傳輸給主控芯片。

主控芯片獲取數(shù)據(jù)后，通過USB CDC類虛擬串口，與虛擬儀器LabVIEW中的上位機進行大量高速的數(shù)據(jù)通信。在LabVIEW的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境中進行快速傅里葉變換和各次諧波分類分析，同時實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)和分析結(jié)果的可視化。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig.1 Overall design block diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 信號采集電路

電壓信號和電流信號的采集分別使用電壓互感器和電流互感器。電壓互感器選用TV 1013-2 mA/2 mA電流型電壓互感器測單相電壓。因互感器的輸出是電流信號，需將電流信號經(jīng)取樣電阻轉(zhuǎn)換為±0.707Vrms范圍內(nèi)的差分電壓信號?？紤]精度要求，限流電阻和取樣電阻都選取誤差小于0.1%的精密電阻。

電流互感器選用TA 1623-1M小型精密電流互感器測量單相電流。對于電流和電壓信號采集電路而言，都要選用低失調(diào)的運算放大器對電流型互感器進行相位補償，減小角差。此外還需要使用高精度的電能表實測互感器比差，通過軟件的方式進行誤差校正。典型應(yīng)用電路如圖2所示。其中:

圖2 TV1013典型應(yīng)用電路Fig.2 TV1013 typical application circuit

對于中線電流的測量，選用某公司的CTRS-0.3P霍爾傳感器。傳感器輸出電壓以2.5 V為參考基準(zhǔn)，無法滿足計量芯片±0.707Vrms范圍內(nèi)的差分電壓輸入要求。所以電路中需連接一個低失調(diào)運放AD623(見圖3)，用來抑制共模分量。

根據(jù)香農(nóng)定理，當(dāng)連續(xù)信號的最高頻率小于1/2的采樣頻率時，采樣的數(shù)字信號不再為原始信號。為了防止電壓互感器和電流互感器采集到的無用信號與有用信號發(fā)生混疊，必須對信號進行抗混疊濾波，以衰減高頻噪聲并防止目標(biāo)頻段失真[3]。根據(jù)ADE 9000芯片資料[2]，為了在片內(nèi)調(diào)制器時鐘頻率附近提供足夠的帶外信號衰減，建議選定轉(zhuǎn)折頻率為7 kHz的RC濾波器，以消除傳統(tǒng)電流傳感器的混疊效應(yīng)。

圖3 中線電流互感器電路Fig.3 Central line current transformer circuit

2.2 電能計量模擬前端ADE 9000

在電能質(zhì)量的檢測儀中ADC轉(zhuǎn)換精度應(yīng)保證在14位以上，根據(jù)國家對諧波檢測儀器的要求，A級儀器需檢測到50次諧波，通常采樣點個數(shù)為128個點，因此ADC的采樣頻率應(yīng)大于6.4 kHz。根據(jù)ADE 9000的數(shù)據(jù)手冊[2]，ADE 9000 可在動態(tài)范圍10 000：1下保證有功和無功功率誤差為0.2%，已經(jīng)滿足對電能計量0.2S級表的精度和動態(tài)要求。芯片內(nèi)部的7路24 bits的Σ-(型ADC，可以準(zhǔn)確同步采集三相四線制系統(tǒng)的電壓電流信號。相較于ADE 78xx系列芯片[4],ADE 9000集成了唯一的SPI串行通信接口，雖然無法選擇I2C和HSDC接口，但是SPI的通信速率由2.5 MHz提高到20 MHz。雖然系統(tǒng)實現(xiàn)中并未對20 MHz的理論值進行極限測試，但是配合USB CDC全速設(shè)備的12 MHz通信速率能夠正常通信。4個靈活配置的脈沖輸出，脈沖頻率可以指示電能累積的情況。

ADE 9000芯片可用于三相三線制或四線制系統(tǒng)，片內(nèi)DSP內(nèi)核可快速完成多種電能參量的計量。芯片內(nèi)部框圖如圖4所示，對于三相電壓、電流及中線電流的七路信號，可計量的電能參量以及可配置的功能包括：

(1)總體和基波有效值，線頻率和相位。有效值計算可選整周期、半周期和10/12周期三種模式；

(2)總體和基波有功功率，無功功率，視在功率和復(fù)功率。三相功率因素和總諧波失真；

(3)動態(tài)配置采樣頻率，保證每個周期產(chǎn)生128個采樣點，便于后續(xù)進行FFT，進行諧波分析；

(4)過零點、電壓跌落和電壓驟升檢測，并且均可配置事件中斷；

(5)數(shù)字補償。通過補償相位，調(diào)整電壓、電流有效值和功率增益，進一步提高測量精度。

圖4 ADE9000芯片內(nèi)部框圖Fig.4 Internal block diagram of ADE 9000 chip

前級電路中電流傳感器和電壓傳感器輸出各相電壓信號，經(jīng)過調(diào)理后得到符合ADE 9000輸入范圍的差分信號。由7路差分輸入引腳進入芯片內(nèi)部可編程放大器進行放大，然后經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為對應(yīng)數(shù)字信號，ADC后接有相位校正和高通濾波器。在電壓電流瞬時信號基礎(chǔ)上，進行其他電能數(shù)值的計算。

電能計量尤其關(guān)注有功功率的計算，因為有功功率與電能計費直接相關(guān)。在實際電力系統(tǒng)中，諧波分量不可避免，電壓電流瞬時表達式如下：

(1)

(2)

式中Vk、Ik分別為各諧波的電壓和電流有效值；φk、γk是各諧波的相位延遲。電力系統(tǒng)的瞬時功率p(t)總是等于兩者乘積，而p(t)的直流分量即為系統(tǒng)的總有功功率，用P表示，將k=1帶入得到基波有功功率，用FP表示。

(3)

FP=V1I1cos(φ1-r1)

(4)

ADE 9000為了實現(xiàn)總有功功率的計算，芯片內(nèi)部首先將各相電流和電壓信號相乘，再利用一個低通濾波器提取各相瞬時功率信號的直流成分。由于LPF不是理想濾波器，因此還需要對提取出來的信號進行一段時間的積分，消除紋波。而對于基波有功功率，ADE 9000需要初始化電網(wǎng)頻率和電壓通道中測得的標(biāo)稱值，然后應(yīng)用專有算法，計算出基波有功功率。

2.3 主控單元

主控單元在本系統(tǒng)中主要承擔(dān)與前后級的數(shù)據(jù)通訊和傳輸任務(wù)。前級的電能計量前端與主控芯片之間采用SPI串行通信協(xié)議高速傳輸大量數(shù)據(jù)。SPI接口連接方式如圖5所示。

圖5 ADE9000與MCU的SPI接口Fig.5 SPI interface between ADE9000 and MCU

ADE 9000內(nèi)部集成的SPI串行通信接口工作在從器件方式。作為主器件，主控芯片產(chǎn)生和輸出同步串行時鐘脈沖信號SCLK。選取STM32F401[5]的一個GPIO口模擬從器件選擇線，輸出SS片選信號。ADE 9000的兩個中斷信號引腳IRQ0B和IRQ1B，同時連接LED指示燈和主控芯片的兩個GPIO口，給主控芯片提供外部中斷信號[6]。

在選擇主控芯片STM32F401與上位機的通信方式時，主要考慮的是數(shù)據(jù)傳輸速率。由于電能計量芯片可實現(xiàn)高達20 MHz的SPI通信速率，一般的串口通訊以及常用的USB轉(zhuǎn)串口芯片(如PL2303，CH340D等)都難以滿足系統(tǒng)實時性的要求。最終，設(shè)計選擇USB CDC類的虛擬串口方式實現(xiàn)與LabVIEW上位機進行數(shù)據(jù)通信與傳輸。使用主控芯片的一個GPIO引腳作為USB設(shè)備的上拉使能信號，使能信號輸出為低電平時三極管導(dǎo)通，USB設(shè)備的D+信號線經(jīng)過上拉電阻至高電平。根據(jù)USB2.0規(guī)范，全速USB設(shè)備的D+信號線的上拉電阻阻值為1.5 kΩ，D-信號線不連接上拉或下拉電阻。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ADE 9000與MCU的SPI通訊

軟件程序?qū)DE9000的功能設(shè)定和數(shù)據(jù)讀取，均通過讀寫ADE9000片內(nèi)寄存器的方式實現(xiàn)。在讀、寫每個寄存器時，先要進行一個SPI寫操作。需要將目標(biāo)寄存器的地址以及要進行的讀/寫操作選擇合成為16位的指令寫入ADE 9000，然后才能進行數(shù)據(jù)讀寫的操作。根據(jù)芯片資料[2]，ADE 9000可以工作在SPI典型工作模式0和模式3下。本設(shè)計基于模式3，即時鐘脈沖線空閑時為高電平，在第2個跳變沿開始捕捉信號。SS 是芯片的片選信號，當(dāng) SS為低電平時，選中芯片進 行數(shù) 據(jù) 傳 輸。圖6給出了SPI讀寫操作的工作時序圖。當(dāng) SCLK 為下降沿時，單片機器通過 MOSI 信號線寫入 16位CMD。當(dāng)SCLK為上升沿時，單片機通過MISO 信號線讀取 ADE 9000 的采樣數(shù)據(jù)。SPI總是以8 bit為單位進行數(shù)據(jù)傳輸，16-bit和32-bit的數(shù)據(jù)都是先讀寫MSB，再讀寫 LSB。

圖6 ADE9000 SPI 讀寫操作工作時序圖Fig.6 SPI read and write operation sequence diagram

寫操作以設(shè)定A相電壓通道增益為例。當(dāng) SCLK 為下降沿時，單片機器通過 MOSI 信號線寫入 16位CMD。當(dāng) SCLK 為上升沿時，寫入32位AVGAIN的設(shè)定值，即可完成對A相電壓增益值得設(shè)定。

3.2 USB CDC類虛擬串口

本設(shè)計利用了某公司的圖形化軟件設(shè)置工具STM32CubeMX快速地完成對USB設(shè)備的初始化。STM32CubeMX的HAL庫和作為中間件的USB設(shè)備庫，極大簡化了開發(fā)工作。在應(yīng)用程序接口層的程序設(shè)計中，需要實現(xiàn)設(shè)備枚舉和數(shù)據(jù)讀取/發(fā)送。設(shè)備的枚舉首先通過控制端口0響應(yīng)USB主機的讀寫請求和獲得系統(tǒng)配置，實現(xiàn)USB設(shè)備與USB主機的連接，然后將輸入、輸出端口配置成為塊傳輸類型[7]。在USB CDC類通信的配置和數(shù)據(jù)傳輸過程中，在ST的USB設(shè)備庫中，以下函數(shù)至關(guān)重要：

(1)初始化函數(shù)

HAL_PCD_MspInit( )函數(shù)實現(xiàn)了初始化GPIO接口硬件和時鐘，并且設(shè)定了USB全局中斷的優(yōu)先級。

(2) 數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)

USBD_CDC_SetTxBuffer( )函數(shù)將緩存的指針和大小放到USBD_CDC_HandleTypeDef結(jié)構(gòu)變量中暫存。USBD_CDC_TransmitPacket( )函數(shù)的作用是在USB的空閑狀態(tài)下，將暫存的緩存的指針和數(shù)據(jù)大小告知USB發(fā)送器，等待USB自動發(fā)送緩存數(shù)據(jù)。執(zhí)行完該函數(shù)，需查看返回的USB狀態(tài)值，確定數(shù)據(jù)是否成功發(fā)送。

(3) 數(shù)據(jù)接收函數(shù)

USBD_CDC_SetRxBuffer()函數(shù)用來指定接收緩沖區(qū)，每當(dāng)USB控制器收到數(shù)據(jù)，控制器將調(diào)用CDC_Itf_Receive()函數(shù)接收和標(biāo)記數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)被存放在之前指定的緩沖區(qū)內(nèi)。數(shù)據(jù)接收完成后，USBD_CDC_ReceivePacket()函數(shù)被調(diào)用，復(fù)位OUT端點接收緩沖區(qū)。

3.3 MCU程序設(shè)計

MCU程序分為主程序、外部中斷處理程序及定時中斷處理程序。主程序用于系統(tǒng)初始化，各個模塊初始化配置以及開啟中斷服務(wù)等。相關(guān)程序流程圖如圖7所示。主程序?qū)?ADE9000的初始化配置，包括電源模式、測 量模式、中斷模式和波形采樣模式等。

ADE 9000通過中斷方式與 MCU 進行數(shù)據(jù)交換。在初始化配置中需要對中斷屏蔽寄存器MASK0和MASK1進行寫操作，使能相應(yīng)中斷。正常工作時根據(jù)不同中斷產(chǎn)生響應(yīng)信號， IRQ0和IRQ1 引腳輸出電平由高變低。當(dāng)MCU 對應(yīng)的外部中斷引腳檢測下降沿信號后進入中斷處理程序。在中斷處理程序中，通過讀取狀態(tài)寄存器STATUS0和STATUS1，找出數(shù)值被置為1的標(biāo)志位，確定中斷源。ADE 9000片內(nèi)中斷源主要是采樣數(shù)據(jù)更新和過零點檢測，也可配置電流過大，斷相連接等異常中斷。

3.4 上位機軟件

上位機LabVIEW 軟件程序的編寫利用NI-VISA 總線接口函數(shù)。下位機連接USB設(shè)備并成功枚舉為虛擬串口，對于LabVIEW而言通信為簡單串口通信方法。主要使用到VISA資源配置，VISA寫入，VISA讀取取以及VISA關(guān)閉四個函數(shù)[8]。程序運行后，首先使用VISA資源配置函數(shù)設(shè)置波特率，數(shù)據(jù)位，奇偶校驗方式等參數(shù)。VISA 讀取函數(shù)使用前需通過VISA Bytes at Serial Port 節(jié)點查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中可用數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)[9]。最后需要調(diào)用VISA 關(guān)閉函數(shù)結(jié)束會話，釋放VISA資源。程序設(shè)計流程如圖8所示。

圖7 主程序和外部中斷程序流程圖Fig.7 Flow chart of main program and external interrupt program

串口緩沖區(qū)接收以特定標(biāo)志結(jié)束的數(shù)據(jù)后，還需檢查周期數(shù)據(jù)的長度以確保沒有丟包情況。字符數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換過程中，需根據(jù)對應(yīng)的電能參數(shù)在ADE9000寄存器中的數(shù)據(jù)長度做相應(yīng)處理。在轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上做數(shù)據(jù)計算及可視化實現(xiàn)。系統(tǒng)可視化總面板和諧波分析子面板如圖9所示?？偯姘逯饕赏ㄐ艆?shù)設(shè)置，實時波形顯示，電能質(zhì)量指標(biāo)顯示。電能質(zhì)量指標(biāo)主要包括各相電壓電流有效值，有功和無功功率值，視在功率值，三相電壓電流矢量圖。而總面板上“諧波分析”按鈕則是開始諧波分量計算和分析的判定條件，按鈕按下時子界面跳出。

圖8 LabVIEW程序流程圖Fig.8 Flow chart of LabVIEW program

設(shè)計使用LabVIEW的諧波失真分析函數(shù)(見圖10)。由用戶選擇三相電壓電流采樣信號中的一種信號加Hanning窗處理。加窗后頻譜的旁瓣效應(yīng)減弱，可以抑制頻譜泄露[10]。再做FFT，提取幅值最大的分量，即基頻信號。然后從加窗后信號中除去基頻量，循環(huán)進行FFT單頻提取，得到其余各次諧波分量。

圖9 系統(tǒng)總面板和諧波分析子面板Fig.9 System master panel and harmonic analysis panel

圖10 諧波分析子程序框圖Fig.10 Block diagram of harmonic analysis

4 結(jié)束語

給出了基于ADE 9000的三相電能計量與質(zhì)量分析系統(tǒng)的設(shè)計方案。介紹了系統(tǒng)整體架構(gòu)以及系統(tǒng)軟硬件的主要實現(xiàn)方法。該方案電路集成度高，通信速度和運算速度快，可以保證實時性測量的要求。同時方案設(shè)計注重對各個環(huán)節(jié)誤差的分析和控制，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的電能計量和電能質(zhì)量分析。