先進(jìn)的電力線(xiàn)監測需要高性能同時(shí)采樣ADC

引言

供電質(zhì)量管理系統需要實(shí)時(shí)監測、記錄多相電網(wǎng)的三相電壓和電流，這些監控和數據采集(SCADA)系統還可以監控零相的電壓和電流，以檢測負載的不平衡性或頻率諧波。此外，功率測量系統對三相電中的每一相電壓、電流的均方根值(RMS)進(jìn)行測量，由此決定功率損耗。

先進(jìn)的電力線(xiàn)監測系統包括供電質(zhì)量管理、監控與保護以及表計功能。這些系統能夠幫助電力部門(mén)和用戶(hù)進(jìn)行前兆維護、管理能耗和成本、控制供電質(zhì)量并為設備提供有效保護，所有這些嘗試的目的都是為了提高能效。

測量系統架構

圖1給出了交流電測量的基本原理，采樣并計算瞬時(shí)功率和平均功率。圖2所示為典型的電網(wǎng)監測應用，3相電壓之間的相位差為120°，為1/3周期。第四條線(xiàn)稱(chēng)為零相，用于調整負載的不均衡。如果3相負載完全相同，系統達到平衡，此時(shí)將沒(méi)有電流流過(guò)零相線(xiàn)。

這種3相電力系統是全球的通用標準，稱(chēng)為“Y”型連接，如同其矢量圖。每相功率測量通過(guò)電流變壓器(CT)和電壓變壓器(PT)表示，一個(gè)完整系統包含四對信號(3相電的每相和零相各對應一對信號)。

圖1. 交流電測量中的數據采樣

圖2. 典型的電網(wǎng)監測應用，采用全球標準的Y型連接。

如圖2所示，MAX11044/MAX11045/MAX11046同時(shí)測量三相及零相電壓和電流。數字處理器對采樣數據進(jìn)行處理，計算數字轉換數據、有功電能、無(wú)功電能、視在電能以及功率因數。對采樣數據進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)可以進(jìn)一步計算得到頻率和諧波失真。

傳輸能量的測量必須符合國際標準或當地標準的要求，例如，歐盟(EU)標準EN 50160即為一種通用的國際標準。表1總結了EN 50160的要求：

表1. EN 50160供電規格

IEC 62053是另一項EU標準，制定了高精度電表的規范。該規范定義了四級計量精度：2級、1級、0.5級和0.2級(例如，0.2級代表0.2%的標稱(chēng)電流和電壓測量精度)。對于功率因數的測量精度，相位匹配度需要保持在0.1%或更高精度。

對于諧波電壓，EN 50160要求測量50Hz/60Hz電壓的25次諧波。然而，各種非線(xiàn)性負載(例如：熒光燈、開(kāi)關(guān)電源等)會(huì )產(chǎn)生50Hz/60Hz電壓的127次諧波。

IEC 61850等新一代標準要求記錄電力系統的瞬態(tài)值，每交流周期提供256個(gè)(或更多個(gè))采樣點(diǎn)。

對于ADC系統的基本要求

EN 50160、IEC 62053、IEC 61850等標準規定了用于電力監控和計量系統的多通道ADC的最低精度要求和采樣速率。

電網(wǎng)監控設備必須以高達60Hz x 256，或高于15360sps的采樣速率測量瞬態(tài)電流和電壓，另外，電網(wǎng)監測還需要滿(mǎn)足IEC 62053標準對電源測量精度的要求。

ADC的電壓測量動(dòng)態(tài)范圍可以根據需要監測的最大電壓和標稱(chēng)電壓以及對電源測量精度的要求(參見(jiàn)表1以及關(guān)于IEC 62053的注釋)進(jìn)行計算。例如，如果設計要求測量1.5kV (1500V)的瞬態(tài)過(guò)壓(故障條件下)，標稱(chēng)電壓為220V，精度要求為0.2級(0.2%)，則電壓測量子系統的總動(dòng)態(tài)范圍為：

20log ((1500/220) × 2000)) = 83dB

注：為了滿(mǎn)足標準要求的0.2%精度，我們需要將所有計算精度控制在0.05%以?xún)取?/p>

另外，對于電流測量的要求也會(huì )影響ADC的規格，如果設計對電源監測的要求是：100A:10A (10A標稱(chēng)值，100A最大值)和0.2級(0.2%)，電流測量子系統的總動(dòng)態(tài)范圍為：

20log ((100/10) × 2000)) = 86dB

從上述示例可以明顯看出系統要求較高動(dòng)態(tài)范圍的ADC，16位分辨率和16ksps的采樣速率是最基本的要求。為了確保三相和零相“Y”型連接系統的電流、電壓測量精度，ADC必須能夠同時(shí)采樣八個(gè)通道(4路電壓和4路電流)，必須具有86dB甚至更高的SNR。

MAX11046 ADC的電力線(xiàn)監測能力

MAX11046在單芯片內集成了八路同時(shí)采樣、低功耗、16位、250ksps逐次逼近ADC，非常適合電力監測系統：

采用+5V單電源供電時(shí)能夠處理±5V輸入。
MAX11046的高輸入阻抗及其輸入鉗位自保護能力使其能夠與CT、PT測量變壓器等低阻輸出傳感器直接連接；無(wú)需外部緩沖。
同步采樣能夠在每相電壓、電流測量中提供極高的模擬測量精度。

圖3總結了MAX11046的獨特優(yōu)勢。

圖3. MAX11046在電網(wǎng)監測中的獨特優(yōu)勢

圖4所示為MAX11046評估(EV)板與電力線(xiàn)監測變壓器的典型連接，從該圖可以看出，MAX11046與電力線(xiàn)變壓器之間的連接非常簡(jiǎn)單，可有效節省成本和空間。

左側的示波器圖顯示的是一個(gè)日光燈的電流和電壓，信號取自CT (電流)和PT (電壓)變壓器，該配置可以作為一個(gè)負載或測試的例子。右側為CT、PT信號采集和重建數字信號的軟件繪圖。

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圖4.

結論

隨著(zhù)人們對能源需求的增長(cháng)，全球范圍內對電網(wǎng)基礎架構的投資也迅速增長(cháng)。這些新型電力系統包含一個(gè)關(guān)鍵單元，即多通道監控和數據采集(SCADA)系統，需要自動(dòng)監測供電系統并提供故障檢測和保護。SCADA系統需要一個(gè)類(lèi)似于MAX11046的多通道、高分辨率ADC。

MAX11046提供最高效的16位、8通道同時(shí)采樣功能，采用8mm x 8mm封裝。由于器件的高阻輸入架構，省去了外部緩沖器。器件優(yōu)化用于三相電網(wǎng)監控和測量系統，高密度設計在提高性能的同時(shí)有效降低了系統成本和電路板面積。