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摘要：为对电梯的回馈电能质量和回馈节能效率进行评估，开发电梯回馈电能质量及回馈节能效率集成检测系统。采用ADE7880作为电能计量和电能质量计算芯片，LPC2368作为下位机控制器，实现控制和通信功能。采用vc++和数据库技术编写上位机控制软件，实现测量控制、数据存储、数据分析、生成检测报告等功能。系统出具的检测报告可以明确地显示回馈电能是否满足入网条件，计算累积回馈节能效率，并指出能量回馈型节能电梯的安全性和经济性建议。实验表明：系统结构简单、性能稳定，有良好的测量精度。
关键词：测试计量仪器；电梯；能量回馈；电能质量；节能效率
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（ 2015） 02-0076-04
引 言
电梯是现代高层建筑必备的垂直交通工具，其能耗占建筑总能耗的3%～8%.且具有较大的节能潜力。目前国际上普遍采用德国工程师协会制定的VDI 4707 Partl标准对电梯的能效进行评估。我国目前尚未出台有关电梯能源利用效率的检测方法和评价方面的全国性规范标准，只有海南省质量技术监督局、浙江省质量技术监督局、上海市质量技术监督局先后出台了一些参考性地方标准。由于没有全国统一的评价指标和检测方法.无法科学、公正地确定实际节电效果，法律规定的电梯能效审查与节能监管也难以开展。
能量回馈作为电梯节能技术的一种，节电率通常可以达到15%～35%。曳引式电梯，在轻载下行或重载上行时，曳引电机处于电动状态，电能转化为势能。在下行或轻载上行时，曳引电机处于发电状态，势能转化为电能。对于发电状态下产生的电能，常通过串联制动电阻，将其转换为热量消耗掉。如果采用能量回馈技术，可以将这部分电能转换为交流电回馈到电网中去。由于机房减少了散热量，可以节约大量用于电梯机房降温的空调耗电量，还可以明显降低电梯控制系统的故障率，使电梯的工作寿命大大延长，对于建筑物节能降耗及电梯安全运行都有重要作用。
由于没有全国统一的评价指标和检测方法，电梯企业和媒体提供的节能效率及节能数据没有可比性。电梯用户和供电单位无法确定回馈电能是否对周围其他用电设备造成冲击，也无法确定多久能收回加装能量回馈装置的成本，导致我国在用电梯中，采用能量回馈技术的数量还不足20%。
只有对电梯的回馈电能质量和回馈节能效率进行准确评估，才能促进电梯能量回馈技术的应用：为此本文开发了电梯回馈电能质量及回馈节能效率集成检测系统。
l.系统功能模块
开发的电梯回馈电能质量及回馈节能效率集成检测系统的功能模块如图l所示，主要包括信号采样、信号处理、模数转换、电能质量计算、功率和电能计算、光电隔离、微处理器、总线通信、测量控制、数据存储、数据分析、生成报告等模块。
信号采样模块负责采样曳引式电梯的动力回路、回馈回路、总供电回路的电压和电流信号。信号处理模块负责对采集到的信号进行衰减和滤波。模数转换模块负责对处理后的信号进行模数转换。电能质量计算模块负责对模数转换后的信号进行计算，得到电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡度、三相电流不平衡度和总谐波畸变率等电能质量参数。功率和电能计算模块对3路输入的电压和电流进行积分，以计算每路的功率和电能。光电隔离模块用于将强电和微处理器模块的弱电进行隔离，防止强电干扰微处理器模块的正常工作。微处理器模块用于控制信号处理模块、模数转换模块、电能质量计算模块、功率和电能计算模块的工作状态，并接收上位机的命令及将上位机命令转化为对上述模块的命令，并将计算结果上传至上位机软件。总线通信模块用于实现微处理器模块和上位机软件的数据通信。
上位机软件主要包括测量控制、数据存储、数据分析、生成报告等模块。测量控制模块用于产生下位机的命令，接收和存储下位机上传的数据。数据存储模块用于将电梯技术参数、测量仪器参数、测量结果等参数保存至本地数据库，供数据分析使用。数据分析模块用于对测量结果进行分析，得到详细的电能质量参数。生成报告模块利用电能质量的分析数据和测试电梯及测试仪器信息一起生成测试报告。
2.系统测试点及计算公式
系统共3处测试点，待测电压通过电压衰减电路直接接入测试系统，待测电流通过电流互感器接人测试系统。3处测试点分别为：
l）动力回路测试点，位于电梯主开关之后控制柜之前，同时测量电能数量（Wm）和电能质量。
2）总供电回路测试点，为试验电梯机房内电源闸箱的下口，只记录电能数量（Wt）。
3）回馈回路测试点，位于回馈电能并网开关前，不包括制动电阻，同时测量电能数量（wt）和电能质量。
电梯的回馈节能效率计算公式为
动力系统回馈节能效率
系统总体回馈节能效率
3.下位机硬件
系统的硬件组成如图2所示，主要包括电压衰减电路、电压通道滤波电路、电流互感器、电流通道滤波电路、电能质量计量芯片、隔离电路、下位机微控制器、通信总线、PC机。系统采用ADE7880作为电能计量和电能质量分析的处理芯片，LPC2368作为下位机微控制器，实现控制和通信功能。采用ADuM340x作为下位机微控制器和ADE7880之间的控制信号和通信信号通道隔离芯片。
3.1 电压通道衰减和滤波电路
线电压通过电阻分压电路后，输入ADE7880的VxP（x为A，B或C）.零线则接入ADE7880的VN引脚。衰减电路的-3dB转角频率必须与相应电流输入通道的抗混叠滤波电路一致，以减少低功率因数时产生较大的能量计量误差。在VN引脚，通过有一电阻和一电容组成的混叠滤波电路，接入模拟地。
3.2 电流通道滤波电路
3个回路中，每路的三相电流和中性线的电流通过电流变换器进行测量。电流变换器的两个输出端均设置有负载电阻，负载电阻的阻值需要根据系统能接受的最大电流和电流变换器的电流变换比来设置。电流变换器的两个输出信号，最后分别通过由电阻和电容组成的混叠滤波电路，接入ADE7880的IxP和IxN引脚。 3.3 电能数量和电能质量计算芯片
电梯回馈电能质量及回馈节能效率集成检测系统共使用3片ADE7880芯片，每片负责一路共三相的电流和电压的测量。3个芯片通过SPI总线与下位机微控制器芯片通信。
3.4 下位机微控制器
LPC2368作为主SPI器件，和作为从器件的3个ADE7880进行通信。SPI通信模式连接时.ADE7880的/SS/HAS引脚为片选引脚，与MOSI、MISO、SCLK3个引脚一起构成双向同步传输命令和数据通道。ADE7880的PMO、PMI、/RESET、/IRQO、/IRQ1、CF1、CF2、CF3分别由LPC2368的常规I/O控制，其中PMO和PMI决定ADE7880的工作模式。/IRQO和/IRQ1用于当ADE7880出现中断时，向LPC2368发出中断请求，进而通过SPI通信读取相关中断信息。通过对CF1、CF2、CF3的不同组合控制，ADE7880可以输出不同类型的功率信息。
4.上位机软件
系统上位机软件采用VC++2008开发，数据保存到Microsoft SQLServer 2008数据库中。通过操作上位机软件，可以实现电梯总供电回路和回馈回路的电能质量检测。软件具有电梯供电和电力回馈的电能质量历史数据分析功能，并具有数据曲线图形显示的功能。软件具有电梯能耗量、回馈电力以及辅助耗电的计量功能：能够进行电力回馈后的动力节能效率与总体节能效率的测试与计算。对于测试的结果能够自动生成电梯电力回馈电能质量、回馈的节能效率检测报告。
5.测试试验
样机经计量检定部门测试，准确度为：
1）电压偏差，测量准确度<0.5%。
2）频率偏差，测量准确度 3）三相电压不平衡度，测量误差<0.2%。
4）三相电流不平衡度，测量误差<1%。
5）总谐波畸变率，测量误差<5%。
电梯回馈电能质量及回馈节能效率测试主要分为测试电梯选择、测试环境设置、测试方式选择3个步骤。测试前需要设置测试系统的通信端口、时间分辨率、数据库等工作条件，共分为串口设置、时间分辨率设置、保存数据设置、设备连接等内容。选择定时测试模式后，可以给下位机发送指令，待设定的开始时间后开始测试，自动测试直到设定的结束时间。测试结束后系统可以调用回馈数据分析功能对历史数据进行自动分析，并绘制电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡度、三相电流不平衡度、功率因数和总谐波畸变率的历史数据曲线，直观地显示电能质量的状况和趋势。反馈回路的功率因数和电能质量测试曲线如图3所示，该反馈电能符合国家电能质量标准。
关键词：测试计量仪器；电梯；能量回馈；电能质量；节能效率
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（ 2015） 02-0076-04
引 言
电梯是现代高层建筑必备的垂直交通工具，其能耗占建筑总能耗的3%～8%.且具有较大的节能潜力。目前国际上普遍采用德国工程师协会制定的VDI 4707 Partl标准对电梯的能效进行评估。我国目前尚未出台有关电梯能源利用效率的检测方法和评价方面的全国性规范标准，只有海南省质量技术监督局、浙江省质量技术监督局、上海市质量技术监督局先后出台了一些参考性地方标准。由于没有全国统一的评价指标和检测方法.无法科学、公正地确定实际节电效果，法律规定的电梯能效审查与节能监管也难以开展。
能量回馈作为电梯节能技术的一种，节电率通常可以达到15%～35%。曳引式电梯，在轻载下行或重载上行时，曳引电机处于电动状态，电能转化为势能。在下行或轻载上行时，曳引电机处于发电状态，势能转化为电能。对于发电状态下产生的电能，常通过串联制动电阻，将其转换为热量消耗掉。如果采用能量回馈技术，可以将这部分电能转换为交流电回馈到电网中去。由于机房减少了散热量，可以节约大量用于电梯机房降温的空调耗电量，还可以明显降低电梯控制系统的故障率，使电梯的工作寿命大大延长，对于建筑物节能降耗及电梯安全运行都有重要作用。
由于没有全国统一的评价指标和检测方法，电梯企业和媒体提供的节能效率及节能数据没有可比性。电梯用户和供电单位无法确定回馈电能是否对周围其他用电设备造成冲击，也无法确定多久能收回加装能量回馈装置的成本，导致我国在用电梯中，采用能量回馈技术的数量还不足20%。
只有对电梯的回馈电能质量和回馈节能效率进行准确评估，才能促进电梯能量回馈技术的应用：为此本文开发了电梯回馈电能质量及回馈节能效率集成检测系统。
l.系统功能模块
开发的电梯回馈电能质量及回馈节能效率集成检测系统的功能模块如图l所示，主要包括信号采样、信号处理、模数转换、电能质量计算、功率和电能计算、光电隔离、微处理器、总线通信、测量控制、数据存储、数据分析、生成报告等模块。
信号采样模块负责采样曳引式电梯的动力回路、回馈回路、总供电回路的电压和电流信号。信号处理模块负责对采集到的信号进行衰减和滤波。模数转换模块负责对处理后的信号进行模数转换。电能质量计算模块负责对模数转换后的信号进行计算，得到电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡度、三相电流不平衡度和总谐波畸变率等电能质量参数。功率和电能计算模块对3路输入的电压和电流进行积分，以计算每路的功率和电能。光电隔离模块用于将强电和微处理器模块的弱电进行隔离，防止强电干扰微处理器模块的正常工作。微处理器模块用于控制信号处理模块、模数转换模块、电能质量计算模块、功率和电能计算模块的工作状态，并接收上位机的命令及将上位机命令转化为对上述模块的命令，并将计算结果上传至上位机软件。总线通信模块用于实现微处理器模块和上位机软件的数据通信。
上位机软件主要包括测量控制、数据存储、数据分析、生成报告等模块。测量控制模块用于产生下位机的命令，接收和存储下位机上传的数据。数据存储模块用于将电梯技术参数、测量仪器参数、测量结果等参数保存至本地数据库，供数据分析使用。数据分析模块用于对测量结果进行分析，得到详细的电能质量参数。生成报告模块利用电能质量的分析数据和测试电梯及测试仪器信息一起生成测试报告。
2.系统测试点及计算公式
系统共3处测试点，待测电压通过电压衰减电路直接接入测试系统，待测电流通过电流互感器接人测试系统。3处测试点分别为：
l）动力回路测试点，位于电梯主开关之后控制柜之前，同时测量电能数量（Wm）和电能质量。
2）总供电回路测试点，为试验电梯机房内电源闸箱的下口，只记录电能数量（Wt）。
3）回馈回路测试点，位于回馈电能并网开关前，不包括制动电阻，同时测量电能数量（wt）和电能质量。
电梯的回馈节能效率计算公式为
动力系统回馈节能效率
系统总体回馈节能效率
3.下位机硬件
系统的硬件组成如图2所示，主要包括电压衰减电路、电压通道滤波电路、电流互感器、电流通道滤波电路、电能质量计量芯片、隔离电路、下位机微控制器、通信总线、PC机。系统采用ADE7880作为电能计量和电能质量分析的处理芯片，LPC2368作为下位机微控制器，实现控制和通信功能。采用ADuM340x作为下位机微控制器和ADE7880之间的控制信号和通信信号通道隔离芯片。
3.1 电压通道衰减和滤波电路
线电压通过电阻分压电路后，输入ADE7880的VxP（x为A，B或C）.零线则接入ADE7880的VN引脚。衰减电路的-3dB转角频率必须与相应电流输入通道的抗混叠滤波电路一致，以减少低功率因数时产生较大的能量计量误差。在VN引脚，通过有一电阻和一电容组成的混叠滤波电路，接入模拟地。
3.2 电流通道滤波电路
3个回路中，每路的三相电流和中性线的电流通过电流变换器进行测量。电流变换器的两个输出端均设置有负载电阻，负载电阻的阻值需要根据系统能接受的最大电流和电流变换器的电流变换比来设置。电流变换器的两个输出信号，最后分别通过由电阻和电容组成的混叠滤波电路，接入ADE7880的IxP和IxN引脚。 3.3 电能数量和电能质量计算芯片
电梯回馈电能质量及回馈节能效率集成检测系统共使用3片ADE7880芯片，每片负责一路共三相的电流和电压的测量。3个芯片通过SPI总线与下位机微控制器芯片通信。
3.4 下位机微控制器
LPC2368作为主SPI器件，和作为从器件的3个ADE7880进行通信。SPI通信模式连接时.ADE7880的/SS/HAS引脚为片选引脚，与MOSI、MISO、SCLK3个引脚一起构成双向同步传输命令和数据通道。ADE7880的PMO、PMI、/RESET、/IRQO、/IRQ1、CF1、CF2、CF3分别由LPC2368的常规I/O控制，其中PMO和PMI决定ADE7880的工作模式。/IRQO和/IRQ1用于当ADE7880出现中断时，向LPC2368发出中断请求，进而通过SPI通信读取相关中断信息。通过对CF1、CF2、CF3的不同组合控制，ADE7880可以输出不同类型的功率信息。
4.上位机软件
系统上位机软件采用VC++2008开发，数据保存到Microsoft SQLServer 2008数据库中。通过操作上位机软件，可以实现电梯总供电回路和回馈回路的电能质量检测。软件具有电梯供电和电力回馈的电能质量历史数据分析功能，并具有数据曲线图形显示的功能。软件具有电梯能耗量、回馈电力以及辅助耗电的计量功能：能够进行电力回馈后的动力节能效率与总体节能效率的测试与计算。对于测试的结果能够自动生成电梯电力回馈电能质量、回馈的节能效率检测报告。
5.测试试验
样机经计量检定部门测试，准确度为：
1）电压偏差，测量准确度<0.5%。
2）频率偏差，测量准确度
4）三相电流不平衡度，测量误差<1%。
5）总谐波畸变率，测量误差<5%。
电梯回馈电能质量及回馈节能效率测试主要分为测试电梯选择、测试环境设置、测试方式选择3个步骤。测试前需要设置测试系统的通信端口、时间分辨率、数据库等工作条件，共分为串口设置、时间分辨率设置、保存数据设置、设备连接等内容。选择定时测试模式后，可以给下位机发送指令，待设定的开始时间后开始测试，自动测试直到设定的结束时间。测试结束后系统可以调用回馈数据分析功能对历史数据进行自动分析，并绘制电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡度、三相电流不平衡度、功率因数和总谐波畸变率的历史数据曲线，直观地显示电能质量的状况和趋势。反馈回路的功率因数和电能质量测试曲线如图3所示，该反馈电能符合国家电能质量标准。