利用高性能、同步采樣ADC，降低高級電力線監(jiān)控的系統(tǒng)成本

不斷增長的電力需求和對節(jié)能的關注正在推動對全球供電基礎設施的投資增加。因此，先進的電力線監(jiān)控系統(tǒng)已成為單相和多相應用的新“智能電網(wǎng)”的關鍵要素。隨著系統(tǒng)性能要求越來越嚴格，設計人員正在轉向用于電力線監(jiān)控或多通道SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)的同步采樣、多通道、高性能ADC。

介紹

先進的電力線監(jiān)控系統(tǒng)將電源監(jiān)控、負載平衡、保護和計量功能結合在一個系統(tǒng)中。這種方法允許電力公司更有效地提供電網(wǎng)電力，客戶可以更有效地消耗電網(wǎng)電力。除了高效交付外，先進的電力線監(jiān)控系統(tǒng)還可以預測維護需求;檢測并響應故障情況;記錄并允許動態(tài)負載平衡和節(jié)能;監(jiān)測（和控制）電力輸送質量;并幫助保護設備。

為了實現(xiàn)這些監(jiān)控系統(tǒng)，需要ADC（模數(shù)轉換器）來監(jiān)控多相電壓和電流。然而，為了滿足各種標準的嚴格要求，并測量和優(yōu)化功率因數(shù)損耗，這些轉換器必須同步，以確保它們同時對三相（加中性線）進行采樣。同步單個轉換器可能很困難，因此供應商在單個封裝中提供多個同時采樣ADC。如果需要集成度更高的解決方案，另一種選擇是將同時采樣轉換器集成到定制ASIC中。

性能測量 — 當?shù)貥藴屎蛧H要求

由于定義能源測量精度的國際標準各不相同，先進電力線監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和廣泛采用非常復雜。輸送能量的測量特性必須符合當?shù)貥藴驶驀H要求。歐盟（歐盟）標準EN 50160、IEC 62053和IEC 61850規(guī)定了用于電力系統(tǒng)監(jiān)控和計量的現(xiàn)代多通道ADC系統(tǒng)所需的最低精度。電力線監(jiān)控還受到與實時供電監(jiān)控、故障檢測和保護以及動態(tài)負載平衡相關的日益嚴格的精度要求的影響。例如，歐盟標準IEC 62053 0.2級（在全球范圍內越來越多地用作通用標準）要求儀表精度為標稱電流和電壓的0.2%。對于功率因數(shù)精度測量，相位匹配應為0.1%或更好。

不僅規(guī)定了最低精度，而且國際和當?shù)貥藴蔬€規(guī)定了電力線監(jiān)控和計量中使用的現(xiàn)代系統(tǒng)所需的采樣率。現(xiàn)在需要對交流電源的多個高次諧波進行嚴格分析，并檢測高速故障條件，例如瞬時尖峰和掉電。因此，這些應用通常需要在高達 90dB 的寬動態(tài)范圍內以 16ksps 或更高的采樣速率進行精確的同步多通道測量。

全球許多國家/地區(qū)都采用了歐盟標準的版本，因此這些標準是系統(tǒng)必須滿足的測量要求的一個很好的例子。表1總結了EN 50160的要求。

對于諧波電壓，EN 50160 要求測量高達 25千-50Hz/60Hz電壓的階諧波。但是，對于各種非線性負載，例如電感式電機和開關電源驅動器，必須對多達 127千-50Hz/60Hz電壓電源的階諧波。

同樣重要的是要注意，IEC 61850等新興標準建議記錄電源系統(tǒng)瞬態(tài)事件，每個交流周期或更高周期有256個樣本。

典型的電網(wǎng)監(jiān)控應用

三相電源是全球標準，使用所謂的“星形連接”進行分配。術語“星形”是指三個電壓，它們在相位上相互偏移三分之一的周期（3°）。第四根線或零線通常用于適應不平衡負載。如果三相中每一相的負載相等，則系統(tǒng)是平衡的，沒有電流流過零線。典型的電網(wǎng)監(jiān)控方案如圖120所示。每相的功率（電壓和電流）測量值由電流互感器（CT）和電壓互感器（配電命名法中的電位變壓器PT）獲得。整個系統(tǒng)包括四個這樣的對（三相中各一對加上中性線）。

圖1.使用同步采樣ADC的典型電網(wǎng)監(jiān)控應用

如圖1所示，ADC同時測量三相以及零線電壓和電流。通過對采樣和數(shù)字轉換的數(shù)據(jù)進行數(shù)字處理，可以找到有功、無功、視在能和功率因數(shù)參數(shù)，并動態(tài)調整線路負載以校正功率因數(shù)。結果是提高了電源效率。對采樣數(shù)據(jù)執(zhí)行FFT（快速傅里葉變換）可以實現(xiàn)頻率和諧波失真計量，同時突出顯示系統(tǒng)損耗和無用噪聲的影響等信息。

電源監(jiān)控系統(tǒng)要求

功率監(jiān)控設備必須測量采樣率高達 60Hz × 256 個樣本或大于 15，360sps（每秒樣本）的瞬時電流和電壓值，以滿足標準的要求。這一要求以及對高達90dB精度的需求構成了選擇系統(tǒng)中使用的ADC的基礎。

ADC的電壓測量動態(tài)范圍可以根據(jù)要監(jiān)控的最大和標稱電壓以及功率測量所需的精度計算得出。例如，如果設計必須測量標稱電壓測量值為1V，指定精度為5.1500%，則電壓測量子系統(tǒng)的總動態(tài)范圍至少需要：

20log （（1500/220） × 2000） = 83dB

注意：在所有這些計算中，假設所需的設計精度為0.05%，這優(yōu)于標準的0.2%精度要求。此設計裕量用于確保符合標準。

電流檢測要求也會影響ADC規(guī)格。如果功率監(jiān)控的設計要求是典型的100A：10A（標稱10A和最大值100A）和0.2類（0.2%），則電流測量子系統(tǒng)的總動態(tài)范圍需要：

20log （（100/10） × 2000） = 86dB

這些示例清楚地表明，當今的ADC需要更高的性能。為了實現(xiàn)86dB的動態(tài)范圍，采樣速率為16ksps或更高的16位ADC是必不可少的。為確保精確的三相和中性星形系統(tǒng)電流和電壓測量，ADC必須同時采樣多達3個通道（<>個電壓和<>個電流）。此外，校正電流和電壓互感器引起的相移（或延遲）的能力對于試圖測量和校正功率因數(shù)以最大限度地提高功率效率的系統(tǒng)至關重要。

模數(shù)轉換器替代方案

在為電網(wǎng)監(jiān)控應用選擇合適的ADC時，設計人員必須超越采樣速率和標準要求。如今，他們還必須考慮有效輸入阻抗（Z在）、信號相位調整和小封裝尺寸。鑒于這些眾多的系統(tǒng)要求，設計人員正在轉向用于電力線監(jiān)控或多通道SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)的同步采樣、多通道、高性能ADC。

幾種ADC解決方案符合這些電網(wǎng)監(jiān)控應用的嚴格標準。這些目標解決方案大多數(shù)是6通道、16位同步采樣ADC，采樣速率高達250ksps。

幾家公司提供具有多達六個低功耗250ksps SAR（逐次逼近寄存器）型ADC的芯片。ADI公司提供MAX11046，在單個封裝中集成16個高精度、低功耗、250位、11046ksps SAR ADC。MAX90可實現(xiàn)大于<>dB的信噪比。

有效輸入阻抗 （Z在)

Z在由輸入電容和采樣頻率決定：

Z在= 1/（C在×F樣本)

其中 F樣本是采樣頻率和C在= 15pF。

如果 ADC 具有高 Z在與MAX11046一樣，它可以直接與電壓和電流測量變壓器連接。該接口通常無需外部精密儀表放大器或緩沖器。因此，該設計可節(jié)省系統(tǒng)成本、電路板面積和功耗。圖2所示為基于MAX11046評估板的單相監(jiān)測系統(tǒng)的應用示例，該板與電力線監(jiān)測變壓器相連。原理圖顯示了電力線變壓器與同時采樣、多通道數(shù)據(jù)轉換器之間的簡單成本和節(jié)省空間的接口。對于三相電源系統(tǒng)，該電路針對每相和中性線進行復制。

圖2.ADI公司的MAX11046等多通道同時采樣ADC簡化了高級功率監(jiān)控系統(tǒng)的設計。本例顯示了單相監(jiān)控解決方案。

信號相位調整

當高壓通過變壓器并過渡到較低電壓時，會發(fā)生相移（或延遲）。這種延遲給電源管理或電源監(jiān)控應用帶來了重大問題。為了解決這個問題，設計人員可以在后端調整軟件中的相位，也可以預先重新調整ADC內部的信號。糾偏電壓和電流信號可以真實準確地測量星形配置中的功率因數(shù)。三相120°分離的相位偏移表示功率損失。一旦準確測量了功率因數(shù)，就可以對其進行校正，使電網(wǎng)效率呈指數(shù)級增長。

傳統(tǒng)上，使用同時采樣、多通道16位ADC的信號相位調整以數(shù)字方式解決，作為對ADC輸出數(shù)據(jù)執(zhí)行的后處理步驟。ADI公司的MAX11046高精度數(shù)據(jù)轉換器以這種方式處理相位調整。使用這種ADC時，需要連續(xù)的軟件開銷來解決信號相位調整問題。

當今的一些ADC解決方案提供0至333μs的輸入相位調整，每個通道的延遲可獨立設置，步長為1.33μs。這種設計消除了上述軟件開銷。其中一種器件是24位、4通道MAX11040K-Σ-Δ型ADC，它提供這種能力，以及利用內置級聯(lián)功能對多達32個通道進行高精度同步采樣。每個通道包括一個可調采樣相位，允許對輸入端的外部變壓器或濾波器引起的相移進行內部補償。一個/SYNC輸入允許使用一個遠程時序源對多達<>個器件的轉換時序進行周期性對齊。

小封裝尺寸

在許多電網(wǎng)監(jiān)控應用中，物理尺寸很重要。通常需要監(jiān)控多條多相供電線路，特別是在配電中心。在檢查ADC每通道實現(xiàn)方案消耗的電路板面積時，目前可用的解決方案存在差異。例如，MAX11040K方案使用15.9mm2每個渠道，不到其他供應商提供的解決方案面積的一半。

ADC的高封裝密度允許在PCB上物理加載更多通道。這有助于最大限度地減小測量系統(tǒng)的整體尺寸、功耗和成本。

過壓保護

優(yōu)化的系統(tǒng)設計還必須防止系統(tǒng)故障因過載或其他線路干擾而發(fā)生。MAX11040K及其系列中的其它器件具有內置過壓保護（類似于ESD保護），通過設置為6V的箝位二極管和內部邏輯電路，在檢測到高電壓時設置故障位。其他ADC供應商有自己的方法，但通常使用外部二極管保護。

檢測電網(wǎng)短路和斷開是許多使用ADC的保護系統(tǒng)的主要功能。通過查看來自ADC的數(shù)據(jù)來完成檢測。繼電器何時跳閘的標準很復雜，并且每個監(jiān)控系統(tǒng)供應商都高度專有。盡管如此，人們普遍認為，在錯誤的情況下絆倒和在故障情況下不絆倒一樣糟糕。

結論

不斷增長的全球電力需求正在推動對供電基礎設施或“智能電網(wǎng)”的快速投資。通過集成電源監(jiān)控、動態(tài)負載平衡、保護和計量功能以及先進的電力線監(jiān)控系統(tǒng)，公用事業(yè)公司（和客戶）可以更有效地監(jiān)控、輸送、消耗和控制電網(wǎng)電力。

使這些電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和廣泛采用復雜化的是不同的標準和機構要求。EN 50160、IEC 62053 和 IEC 61850 標準等嚴格規(guī)范規(guī)定了實時供電監(jiān)控、故障檢測和保護以及動態(tài)負載平衡所需的精確能量測量、最低精度和采樣率。這些標準要求為這種現(xiàn)代多通道ADC系統(tǒng)中使用的ADC創(chuàng)建了明確的標準。其他因素，包括有效輸入阻抗（Z在）、信號相位調整和小封裝尺寸也會影響ADC的選擇。

當今的高性能同步采樣ADC針對三相電源（加中性線）監(jiān)控和測量系統(tǒng)進行了優(yōu)化。這些器件是高密度設計的自然選擇，這些設計需要提供高性能，同時降低總系統(tǒng)成本并最大限度地減少電路板面積。

審核編輯：郭婷