电能质量分析仪系统设计

雷 凯，王 忆，叶永杭，周搏涛

（1.中国东方电气集团有限公司电力电子与控制事业部，四川 成都 610000；2.电子科技大学自动化工程学院，四川 成都 611731）

电能质量分析仪系统设计

雷 凯1，王 忆2，叶永杭2，周搏涛2

（1.中国东方电气集团有限公司电力电子与控制事业部，四川 成都 610000；2.电子科技大学自动化工程学院，四川 成都 611731）

为改善现有电能质量分析仪产品在功能完善性、稳定性和测试精度等方面存在的不足，该文采取基于ARM+DSP+FPGA的三核架构研制一款功能全面的电能质量分析仪。在前段电力信号调理电路的设计中采取全硬件控制的测量电路使其具有更高的精度、带宽、响应速度以及更大的动态范围；在同步采样方案设计中将数字PI控制引入锁相环代替传统的环路滤波器，有效提高频率锁定的速度和稳定度。通过对各项性能的测试发现，各种电能参数的测量结果均达到相关的测量标准。

电能质量分析仪；参数测量；电力信号检测；同步采样；锁相环

0 引 言

电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和不干扰用户使用电力的物理特性。理想的电能应该是完美对称的正弦波，而现实中一些因素会使波形偏离对称正弦，由此便产生了电能质量问题[1]。随着各式各样的非线性负载接入电网带来的电力污染增多，不良的电能将会给工业生产带来极大的危害，如烧毁设备，降低工作效率，影响高精度生产线等[2]；因此，设计一款功能完善，高精度的电能质量监测装置显得越发的重要。捕捉故障现场的谐波、电压波动、闪变、功率和三相不平衡等常见的电能质量问题，其相关的技术指标为：1）原始波形显示与测量，监测被测信号50次谐波分量，包括1～50各次谐波畸变率、总谐波畸变率、谐波相角、间谐波，满足国标GB/T 14549——1993《电能质量公用电网谐波》[3]对公用电网谐波的测试要求。2）基本电参数的测量，如电压、电流以及频率的半周波RMS值。3）分量测量及电压不平衡度分析。4）闪变分析，电能质量分析仪具有电压闪变监测功能[4]，且符合GB/T 12326——2008《电能质量电压波动和闪变》[5]标准。5）电压波动与故障录波。传统的电能质量分析仪产品大多存在一定的缺陷，如对瞬态事件、骤升骤降、闪变计算等功能的分析相对较弱，不能够胜任现代电力测试的要求。除此之外很多低端产品通常采用电压电流传感器的方法检测电力信号，但这种方法存在较多的局限性，如在带宽、相移、精度和测试范围方面不能满足现代测试仪器对瞬态事件以及事件分析功能的要求。本文针对仪器研制的需求以及面向未来电能质量分析仪的发展方向，提出了基于ARM+DSP+FPGA的电能质量分析仪软硬件设计，在前段电力信号调理电路中采取了全硬件控制的测量电路用于提高精度、带宽和响应速度；在同步采样中将数字PI控制引入锁相环代替传统的环路滤波器用于提高频率锁定的速度和稳定度。

1 系统总体设计

电能质量分析仪不但要满足功能与精度的要求，同时也要满足现代测试仪器对网络互联的需求。设计时需要在保证用户安全的前提下，预留一些资源和接口，根据客户的实际需求快速改变设计。图1展示了采用ARM9+DSP+FPGA三核架构的质量分析仪的整体设计。

图1 系统框图

电力信号经信号调理电路转换为可以进入AD的小信号[6]，FPGA控制AD按照计算需求进行无间断同步采样，并将数据整理与预处理后通过通信接口上传至双核的DSP进行计算分析，然后将分析计算好的数据通过DSPLink传给ARM进行显示和存储。ARM9芯片上使用了Linux操作系统，可以更好地创建显示界面，并具有强大的网络通信功能，满足现代仪器的互联与远程控制的需求。可以根据用户的需求开发出相应的应用程序，实现分式监控。

2 系统核心电路设计

2.1 电力信号调理电路设计

在传统的电力信号的检测中大多采用电压传感器的方式，其方法简单、隔离性能较好、价格相对较低。但在电能质量分析仪中电压传感器在测量精度、测量带宽、测量范围和直流测量等方面均不能满足测试要求。故在电能质量分析仪电力信号测量中无法使用电压传感器[7]。

本文设计了一种全硬件控制的测量电路，检测电路可以根据当前输入电压的范围自动调整检测档位，保证进入AD的电压值最大，提高检测的信噪比。避免了通常使用软件控制分档的方法在程序跑飞时不能及时控制分档带来的问题。此电路体积轻巧，在保证精度的同时带宽可以做到10 MHz，同时兼容直流电压测量。调理测量电路将输入高压地线与主控板的地线分离开来，做到电气隔离，提高了系统的安全性能，其工作原理框图如图2所示。

图2 信号调理电路原理框图

图3 电压信号分档采集电路

图中上半部分为控制电路，峰值检测中包含绝对值运算，使得输入的交流信号在含有直流偏置的情况下仍能够准确地检测输入信号的最大峰值。得到的峰值电压进入比较器阵列中，根据不同的峰值得出不同的比较器输出编码值，进而通过光耦来控制继电器的切换档位，达到测量不同输入电压值的目的。本文设计了可以满足现代电能质量测试仪器要求的信号调理电路，不同的输入电压促使分档控制电路输出不同的控制码，具体的电路示意图如图3所示，为由运放构成反相衰减电路，其衰减比例由反相端输入电阻和反馈电阻的比值决定，当反相输入端电阻值固定不变时，改变反馈电阻值即可实现衰减比例的改变。在反馈电阻上并联电容即可构成一阶有源低通滤波器，抑制高频噪声，其传递函数如下式所示：

由式（1）可知，只需选取合适的反馈电阻Rf值和反馈电容Cf值即可实现电路不同档位下的衰减要求，并且每个档位下电路的带宽相同。

2.2 电力信号同步采样设计

在电力信号分析时需要对电网谐波进行计算，为了减小频谱泄露，提高谐波测量精度，通常选用同步采样的方案。相比于FIR滤波器、差值算法等同步采样方案，数字锁相环和软件同步采样更适合在便携式仪器中使用。但软件同步方法由于精度不高，并且存在量化误差、累积误差等缺点；因此，本文采取的是PI控制的数字锁相环同步采样。将数字PI控制[8-9]引入锁相环代替传统的环路滤波器，可以有效提高频率锁定的速度和稳定度，其原理框图如图4所示。

图中电网信号经数字鉴相器比较出相位差，相位误差经PI调节得到数字控制字N，调整输出的相位，经过分频反馈再做比较，整个系统构成了一个闭环系统完成锁相倍频的功能。PI控制的原理[10-11]是将鉴相器输出的相位差信号进行积分计算得到I参量值，同时对当前相位差信号乘以一个系数得到P参量值，再将P参量值和I参量值相加即得到PI控制的输出量。其原理框图如图5所示。

图4 PI控制的数字锁相环原理框图

图5 锁相环PI控制原理框图

图中大体的工作过程为：1）用高频信号对相位误差信号做调制处理，得到含有相位增减信息的脉冲信号，即为图中的增减脉冲。2）以比例参数P对前面的增减脉冲做分频处理，其相位增减信息不变，并将处理后的信号称为比例脉冲增减信号。3）在输入信号的清零控制和计数器的范围限制下，对比例脉冲增减信号计数，并保持其增减信息。4）输入信号对计数值清零前，将计数值锁存，同时输出该锁存值，即为比例控制参数，记为Np。5）以积分参数I对1）中的增减脉冲分频处理，相位增减信息不变，并将处理后的信号称为积分脉冲增减信号。6）在积分计数值范围的限制下，对积分脉冲增减信号计数，计数结果即为积分控制参数，记为Ni。7）对Np值与Ni值进行相加得到频率控制字N。得到控制参数N之后再将其传给数控振荡器（数控NCO），其原理如图6所示。

图6 小数分频振荡器

如图所示，输入的控制字N分为两部分：1）k位宽度的低位NL；2）剩余位的高位NH。低位NL作为k位加法器的输入并进行自加运算，当自加结果溢出则进位，然后与NH相加，作为可控频率的控制字。可控计数分频器输出的变化范围在NH和NH+1之间，舍入误差最小，可以获得需要的同步倍频信号。在频率跟踪时，提高了输出频率的控制精度，减小了锁相环的输出抖动。综上所述，通过对PI控制的数字锁相环的各个环节进行数学建模可以得到负反馈闭环传递函数，如下式所示：

式（2）与标准二阶函数s2+2ξwns+wn2s2类似，其中K12=Fclk1/Fclk2，本文取Fclk1=Fclk2=50 MHz，K12=1。 可知二阶系统的自然频率ωn为

二阶阻尼系数为

根据本系统的应用，Fsig=50Hz，k=4。由自控系统可知当ξ在0.707左右时振荡最小。取PG=5，IG=25，对应的角频率为15.8。本设计采用了具有快速变化响应的积分环节，提高控制速度，使得系统快速锁定被锁信号。

3 软件设计

软件实现选用TI公司OMAP-L138芯片的ARM+DSP双核处理器。ARM端为Linux操作系统，DSP端为DSP/BIOS系统。Linux操作系统与之相关的驱动、软件资源丰富，并且支持多核多任务、可裁剪定制，方便实用。DSP/BIOS系统具备完善的内存管理和多任务管理，使得DSP对多任务进行优化变得简单。系统软件的流程与功能如图7所示。

图7 软件整体框图

如图所示，FPGA与DSP之间采用UPP进行数据传输，DSP和ARM之间采用DSPLink进行通信。对于FPGA传送到DSP的采样数据，DSP会针对各电能质量参数的计算周期不同分为不同的任务；如间隔10ms计算一次半波有效值；间隔20ms对真有效值进行计算；间隔200 ms对谐波间谐波进行计算；间隔10.24s对瞬时闪变值进行计算；间隔10min对短时闪变值进行计算，间隔2 h对长时闪变值进行计算等。DSP将计算好的参数值和事件通过DSPLink传给ARM，ARM端的Qt应用程序获得DSPLink发送过来的数据，送LCD显示或USB和SD卡存储[12]。在Linux操作系统上，支持的外设有LCD显示屏、USB接口、SD卡、按键和网口。LCD用于显示电能数据；USB和SD卡用于保存数据，可以将数据拷贝进行离线分析；按键模块用于响应用户输入。同时用户也可以对该设备的运行情况和参数设置进行定制。

4 功能测试

本文基于FPGA+DSP+ARM平台设计的电能质量分析仪，可以实现对常见的电力信号参数进行测量和显示，如电网电压、电流有效值、波动和闪变、谐波电压和电流、三相不平衡度等参数。将本文电能质量分析的测量结果与标准源AT3051的设置值进行对比分析，可以检验各项参数的精度是否达标并且完成对电力工业仪表综合性能的测试。标准源AT3051不但可以产生常用设备的正弦信号，还可以产生如谐波、间谐波、骤升骤降[13]等特殊的电力信号，可以满足本文电能质量分析仪对电网谐波、间谐波和骤升骤降事件的功能验证。本电能质量分析仪硬件电路板如图8所示。

图8 整体电路板

图中左边为信号调理电路板，右边为CPU板，整个电路板的主要组成部分用标号 1，2，3，4，5，6 表示，分别对应电流采集、电压采集、隔离电路、FPGA板、外围电路和核心板。对应的软件整体界面如图9所示。

图9 软件整体界面

图中为电压电流的有效值/相位界面，左边为该质量分析仪的功能菜单，可以看出该质量分析仪可对电压、电流进行波形和有效值/相位值显示，以及对谐波、闪变、功率、不平衡等的计算，最后还可以记录工作中的告警事件。本文仅对电压、电流的有效值、频率和谐波的测量结果进行分析验证。通过将标准源设置不同的电能参数值和样机的测量结果进行分析，可以测试样机的工作性能和参数指标。

对样机各种参数指标要求中，供电电压相对偏差的计算公式由下式给出：

对A级设备而言，式（5）中的测量相对误差不应超过±0.2%；频率偏差为系统频率的实际值与标称值之差，并且测量误差不应超过±0.01Hz。谐波的测量标准（GB/T 14549——1993）如表1所示。

表1 谐波电压允许误差

表中所示为对I级设备电压、电流谐波的最大允许误差，Um，Im表示测量谐波电压和电流值，UN和IN为标称电压电流。对A相电压0～460V、A相电流0～5A和频率40～60Hz的测量结果如表2所示。

在标准源基准电流设为5A的情况下，加上3%的5次、20次、25次、30次和50次谐波，同时加上5%的40次电流谐波。样机对谐波的测量结果如图10 所示。

表2 参数测量结果

图10 谐波测量结果

如图所示，红色方框内为样机测量出来的5次、20次、25次、30次、40次和50次谐波有效值，通过对测量结果的分析可以看出电压、电流、频率和谐波的测量精度比标准要求的精度提高了一个数量级。

5 结束语

综合对国内外相关产品的研究以及未来仪器发展趋势的分析，本文针对电能质量分析仪设计了基于OMAP-L138（ARM+DSP）和FPGA核心的主控系统，多核芯片的使用具有更加强大的计算与扩展功能，并将Linux操作系统移植到OMAP-L138中，使得设计具有强大网络通信能力与数据处理能力，可以实现分布式联网检测。本电能质量分析仪在准确度、带宽、响应速度和动态范围上得到优化，满足了现代电力检测设备的要求。而且，本文设计中将数字PI控制引入锁相环代替传统的环路滤波器，有效提高频率锁定的速度和稳定度。在软件实现上，采用Linux操作系统，使得系统稳定、大小可裁剪，可定制出满足电能质量分析仪的内核系统，既满足了电能质量分析装置特有的外设功能，又除去了不必要的设备接口。

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（编辑：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 凯（1977-），男，甘肃兰州市人，高级工程师，硕士，研究方向为常规能源和新能源领域的电力电子和自动控制系统解决方案及相关设备。