【導讀】本文介紹如何借助即用型平台加快開發速度，高效設計符合標準的電能質量(PQ)測量儀表。文中詳細探討設計A類和S類電能表的不同解決方案，包括新的S類電能質量測量集成解決方案，該方案可大幅縮短電能質量監測產品的開發時間並降低成本。文章 "電能質量監測第1部分：符合標準的電能質量測量的重要性" 詳細闡述了電能質量IEC標準及其參數。

實施電能質量解決方案麵臨的挑戰

圖1顯xian示shi了le用yong於yu測ce量liang電dian能neng質zhi量liang的de儀yi表biao所suo包bao含han的de基ji本ben組zu件jian。首shou先xian，電dian流liu和he電dian壓ya傳chuan感gan器qi必bi須xu支zhi持chi該gai儀yi器qi的de工gong作zuo範fan圍wei
，且qie輸shu入ru信xin號hao應ying能neng根gen據ju模mo數shu轉zhuan換huan器qi(ADC)輸入的動態範圍進行調整。傳統傳感器是導致測量結果不準確的第一個來源；因此
，正確選擇傳感器至關重要。然後，信號傳輸至ADC；其各種特性，例如偏置
、增益和非線性度誤差成為導致測量結果不準確的第二個來源。正確選擇ADC來(lai)執(zhi)行(xing)此(ci)功(gong)能(neng)，這(zhe)是(shi)設(she)計(ji)電(dian)能(neng)質(zhi)量(liang)儀(yi)表(biao)時(shi)的(de)一(yi)大(da)難(nan)點(dian)。最(zui)後(hou)
，必(bi)須(xu)開(kai)發(fa)一(yi)係(xi)列(lie)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)算(suan)法(fa)
，以(yi)便(bian)從(cong)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)獲(huo)取(qu)電(dian)氣(qi)和(he)電(dian)能(neng)質(zhi)量(liang)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)。

圖1.電能質量測量儀表的主要組件。

電壓和電流傳感器

電能質量儀表的位置和應用不同
，標稱電源電壓(U_NOM)、標稱電流(I_NOM)和頻率也會不同。除了儀表測得的標稱值
，IEC 61000-4-7標準要求電能質量測量儀表達到表1所示的精度
；因此，在選擇傳感器時，必須確保在使用該傳感器後，儀器能夠達到要求的測量精度。

表1.IEC 61000-4-7標準指定的電流、電壓和電能測量精度要求

I_NOM：測量儀表的標稱電流範圍

U_NOM：測量儀表的標稱電壓範圍

U_M、I_M和P_M：測量值

IEC61000-4-7¹標準推薦在設計輸入電路時，采用這些標稱電壓(U_NOM)和標稱電流(I_NOM)：

●   對於50 Hz係統：66 V
、115 V
、230 V、400 V、690 V

●   對於60 Hz係統：69 V、120 V
、240 V、277 V
、347 V
、480 V、600 V

●   0.1 A
、0.2 A、0.5 A、1 A
、2 A、5 A、10 A
、20 A、50 A、100 A

此外
，在連續施加1.2× U_NOM和I_NOM時，用於測量電壓和電流的傳感器的特性和精度必須保持不變。對儀器施加四倍標稱電壓信號或1 kV rms（以低值為準）1秒，不得導致任何損壞。同樣，對儀器施加10× I_NOM 1秒，不得導致任何損壞。

模數轉換器

盡管IEC 61000-4-30標準未明確給出最低采樣速率要求，但ADC的采樣速率必須足以測量一些振蕩和快速的電能質量現象。采樣速率如果不足，會導致電能質量事件分類出錯

，或無法檢測到事件。IEC 61000-4-30標準規定，儀表的電壓和電流傳感器應該能夠支持高達9 kHz。因此，必須按照信號分析規則選擇ADC的采樣頻率
，以測量高達9 kHz（包含在內）的能量譜分量。圖2顯示在采樣速率不足時會造成的後果。左上方的波形每10個周期(200 ms)包含64個樣本
，右上方的波形每10個周期包含1024個樣本。如圖2所示，左上圖顯示電壓突降事件，右上圖則顯示這種突降是由瞬變引起的。

IEC標準適用於單相和三相係統；因此
，所選的ADCbixunenggoutongshiduiguidingshuliangdedianyahedianliutongdaocaiyang。nenggoutongshiduiyibiaoshangdesuoyoudianyahedianliutongdaozhixingceliang
，zheyangjiunengjianzhasuoyoucanshubingzaifashengdiannengzhiliangshijianshi
，lijichufazhexiecanshu。

數字信號處理(DSP)

盡管為電能質量測量應用選擇傳感器和ADC需要付出全麵的工程努力，但毫無疑問
，開發算法來處理ADC原始測量數據才是電能質量測量過程中最費時間和資源的任務。要構建符合標準的儀表
，必須選擇正確的DSPyingjian，haibixukaifajiyuboxingyangbenjisuandiannengzhiliangcanshudesuanfabingjinxingshidangceshi。zhexiangbiaozhunbuzhiyaoqiujinxingjisuan，haiyaoqiujiyubutongdeshijianjinxingzhenghe
，yaoqiuA類的時間精度小於±1秒/24小時，S類的時間精度小於±5秒/24小時。這些算法必須執行諧波分析。此外，電能質量參數依賴快速傅立葉變換(FFT)分析（諧波、間諧波
、電源信號電壓
、失衡），但這種分析很難實施。FFT分析要求以最低每200 ms（10個周期）1024個樣本的速率對波形進行采樣。要按規定的速率對ADC的原始波形重采樣

，必須非常小心，以免造成諧波失真和混疊。

算法開發完成之後，IEC標準要求儀表必須通過400多項測試
，才能獲得完全認證。

圖3所示的框圖顯示了DSP係統進行電能質量測量時所需的最相關功能。

圖2.ADC采樣速率會影響電能質量測量。

圖3.框圖：DSP電能質量係統的相關功能。

ADI公司的電能質量測量解決方案

多通道同步采樣ADC
，符合IEC 61000-4-30 A類標準

在開發A類PQ儀表時，我們需要考慮精度、通道數量和采樣速率要求，所以我們推薦使用AD777x和AD7606x係列產品來進行信號鏈/係統的ADC轉換。注意，這些解決方案隻提供來自輸入信號的原始數字化數據。必須開發DSP係統，以獲取通過認證的PQ測量結果。

AD777x係列Σ-Δ ADC

AD777x 是8通道、24位同步采樣ADC係列器件。片內集成8個完整的Σ-Δ ADC
，提供16 kSPS/32 kSPS/128 kSPS采樣速率。AD777x提供低輸入電流
，允許直接連接傳感器。每個輸入通道都有一個增益為1、2、4和8的可編程增益級，可將低幅度傳感器輸出映射到滿量程ADC輸入範圍，從而盡量擴大信號鏈的動態範圍。AD777x支持1 V至3.6 V VREF電壓，模擬輸入範圍為0 V至2.5 V或者±1.25 V。模擬輸入可配置為接受真差分、偽差分或單端信號以匹配不同的傳感器輸出配置。采樣速率轉換器可以用來對AD7770進行精細分辨率控製
，還可用於線路頻率變化為0.01 Hz時，需要ODR分辨率用於保持采樣頻率跟隨維持相幹性的應用。AD777x還提供5 kHz 大信號輸入帶寬（AD7771為10 kHz）。通過SPI提供的數據輸出和SPI通信接口還可配置用於輸出Σ-∆ ADC轉換數據。其溫度範圍為–40°C至+105°C，采用3.3 V或±1.65 V電源時，最高可達到+125°C。

圖4顯示了PQ儀器使用的AD777x係列ADC的典型3相應用係統框圖

，其中使用電流互感器作為電流傳感器

，且使用電阻分壓器作為電壓傳感器。

AD7606x係列16/18位ADC數據采集係統

AD7606x 是8通道16/18位同步采樣模數數據采集係統(DAS)係列。每個通道均包含模擬輸入箝位保護、可編程增益放大器(PGA)
、低通濾波器、16/18位逐次逼近型(SAR) ADC。AD7606x還內置靈活的數字濾波器、低漂移2.5 V精密基準電壓源和基準電壓緩衝器，可驅動ADC及靈活的並行和串行接口。

AD7606B采用5 V單電源供電，支持±10 V、±5 V和±2.5 V真雙極性輸入範圍，所有通道均能以800 kSPS (AD7606B)/1 MSPS (AD7606C)的吞吐速率采樣。輸入箝位保護容忍不同的電壓輸入
，它們是用戶可選的模擬輸入範圍（±20 V
、±12.5 V、±10 V
、±5 V和±2.5 V）。AD7606x采用單個5 V模擬電源供電。它采用單電源工作方式，具有片內濾波和高輸入阻抗，因此無需采用需要雙極性電源的外部驅動運算放大器。

在軟件模式下，可以使用以下先進功能：

●   額外的過采樣(OS)選項
，高達OS × 256

●   每通道的係統增益、係統失調和係統相位校準

●   模擬輸入開路檢測器

●   用於診斷的多路複用器

●   監控功能：SPI無效讀/寫、循環冗餘校驗(CRC)、過壓和欠壓事件
、忙卡監控和複位檢測

圖4顯示了適用於電能質量儀表的AD7606x係列ADC的典型3相應用係統框圖，其中使用電流互感器作為電流傳感器，且使用電阻分壓器作為電壓傳感器。

圖4.AD777X和AD7606x係列ADC的電能質量3相應用係統框圖。

ADI公司預認證的IEC S類電能質量解決方案

ADE9430是一款高精度、全集成式多相電能計量IC
，結合主機微控製器上運行的ADSW-PQ-CLS軟件庫
，共同構成符合IEC 61000-4-30 S類標準的完整解決方案。通過集成大幅縮短了PQ監控產品的開發時間
，且降低了成本。ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解決方案緊密集成采集引擎和計算引擎

，簡化了電能和PQ監控係統的實現和認證。圖5顯示了適用於電能質量儀表的ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解決方案的3相應用係統框圖
，其中使用電流互感器作為電流傳感器
，且使用電阻分壓器作為電壓傳感器。

ADE9430 S類電能質量模擬前端

ADE9430集成七個輸入通道，可在三相係統或多達三個單相係統上使用。配合外部模擬積分器使用時，該器件支持使用電流互感器(CT)或羅氏線圈來進行電流測量。它提供集成式模擬前端來進行電能質量監控和電能計量。ADE9430與ADE9000和ADE9078引腳兼容，提供同等的模擬和計量性能。具有以下特性：

●   7個高性能24位Σ-Δ ADC

●   101 dB SNR

●   寬輸入電壓範圍：±1 V，707 mV rms，滿量程，增益為1

●   差分輸入

●   0.2級精度計量

●   1周期rms、線路頻率、過零、先進計量方法

●   波形緩衝器

●   連續重采樣數據：每10/12線路周期1024點

●   先進計量方法覆蓋50 Hz和60 Hz基波頻率

●   支持有功電能標準：IEC 62053-21和IEC 62053-22；EN 50470-3 OIML R46；以及ANSI C12.20

●   支持無功電能標準：IEC 62053-23
、IEC 62053-24

●   高速通信端口：20 MHz串行端口接口(SPI)

ADSW-PQ-CLS軟件庫

ADSW-PQ-CLS軟件庫專用於與ADE9430集成，以生成符合IEC 61000-4-30標準的S類PQ測量值。它采用了IEC 61000-4-30中定義的有關S類儀器的所有參數。用戶可以決定使用哪些PQ參數。此庫需要低CPU/RAM資源

，且與內核/OS無關（最低需要采用Arm® Cortex®-M）。支持的MCU架構包括Arm Cortex-M0、Cortex-MO+、Cortex-M1、Cortex-M3和Cortex-M4。在提供給最終用戶時，該庫以CMSIS-PACK文件(.pack)的形式提供，兼容Keil Microvision、IAR Embedded Workbench（8.x版本），或者ADI公司的CrossCore® Embedded Studio。在購買ADE9430時，會隨附提供該軟件庫的許可證。提供一個PC串行命令行接口(CLI)示例
，用於評估該庫及其功能。圖6顯示此CLI如何顯示PQ參數。

圖5.ADE9430和ADSW-PQ-CLS PQ 3相係統框圖。

圖6.ADSW-PQ-CLS軟件庫串行CLI接口。

ADE9xxx係列電能質量功能彙總

表2.ADE9xxx係列電能計量IC的電能和電能質量特性；S類數值表示功能符合IEC 61000-4-30 S類標準

ADE9430評估套件

EVAL-ADE9430ARDZ 能夠使用 ADE9430 和 ADSW-PQ-CLS電能質量庫，快速評估和構建電能和Sleigonglvzhiliangceliangxitongdeyuanxing。tigongdegonglvzhiliangkuheyingyongshilinenggoubangzhujianhuadaxingxitongdeshixian。citaojiantigongjichajiyongxingtiyan，yiyushiyong，keyongyuceshi3相電氣係統的電能質量參數。

此套件具有如下硬件特性：

●   電流互感器輸入

●   高壓/電流輸入

●   240 V rms標稱值（采用分壓器）

●   80 A rms最大值（采用提供的CT傳感器）

●   2.5 kV隔離

●   板載RTC，用於標記測量時間

●   預先通過IEC 61000-4-30 S類認證（需要用戶進行校準）

●   ADSW-PQ-CLS庫和示例應用（在Arm Cortex-M4 MCU上運行）

●   與PC之間的串行CLI，用於進行配置，並記錄電能質量參數

圖7顯示在PC上使用 EVAL-ADE9430ARDZ 需要進行的連接。

EVAL-ADE9430ARDZ 由一個PCB（具有4個電流和3個電壓 + 零線輸入連接器）、板載ADE9430
、隔離器
、實時時鍾）
、一個Cortex-M4 STM NUCLEO-413ZH開發板（包含ADSW-PQ-CLS庫的示例應用）和三個電流傳感器組成。

圖7.連接至PC的EVAL-ADE9430ARDZ的框圖。

認證

ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解決方案已通過認證，可以按照IEC 61000-4-30 S類標準的要求準確測量電能質量參數。

結論

設計符合標準的電能質量表是一項頗具挑戰性的任務。為了減少構建符合IEC 61000-4-30 S類標準的PQ測量儀表的時間和工程資源，我們提供了ADE9430 + ADSW-PQ-CLS解決方案，該方案為設計人員提供即用型平台，可加快開發速度，並幫助解決多項關鍵設計挑戰。

參考電路

1“IEC 61000-4-30:2015：電磁兼容性(EMC)第4-30部分：測試和測量技術——電能質量測量方法”。 International Electrotechnical Commission, February 2015。

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