利用高性能同時(shí)采樣ADC降低高級電力線(xiàn)監測系統的成本
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時(shí)間：2013-06-20
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
一個(gè)高級電力線(xiàn)監控系統通常由功率監測、負載均衡、保護以及表計功能組成，這一架構能夠使電力得到有效傳輸，用戶(hù)充分利用電力資源，保證電網(wǎng)的高效運轉。隨著(zhù)電力的有效傳輸，高級電力線(xiàn)監測系統能夠預測電力需求、檢測并報告故障條件，還可以記錄、動(dòng)態(tài)均衡負載以節省能源，監測(和控制)電力傳輸質(zhì)量、協(xié)助保護設備。
為了實(shí)現這些系統監控功能，需要使用ADC (模/數轉換器)監測多相電壓和電流。此外，為了滿(mǎn)足各種標準的苛刻要求，測量并優(yōu)化功率因數損耗，這些轉換器必須能夠同時(shí)同步采樣三個(gè)通道(以及零相通道)?？紤]到對單個(gè)轉換器進(jìn)行同步比較困難，廠(chǎng)商在單一封裝內集成了多路同時(shí)采樣ADC。如果需要更高集成度的方案，可以選擇定制ASIC同時(shí)采樣轉換器。
性能測試—當地標準與國際標準的要求
不同的國際標準對電能測量精度的規定不盡相同，這為電力線(xiàn)監控系統的開(kāi)發(fā)帶來(lái)一定的難度，所設計的產(chǎn)品很難得到普遍認同。供電量的測量特性必須滿(mǎn)足當地標準或國際標準的規定。EU (歐共體)標準EN 50160、IEC 62053和IEC 61850對于現代電力監控系統使用的多通道ADC的精度給出了嚴格的下限要求。此外，電力線(xiàn)監控系統對于電力傳輸的實(shí)時(shí)監測精度的要求也越來(lái)越嚴格，而且需要完備的故障檢測和保護以及動(dòng)態(tài)負載均衡功能。例如，EU標準IEC 62053 0.2類(lèi)(被普遍作為一種全球性的公共標準)要求表計精度達到標稱(chēng)電流和電壓的0.2%。為了精確測量功率因數，相位匹配度應該達到0.1%甚至更好。
國際標準和當地標準不僅給出了最低精度的要求，還給出了現代電力線(xiàn)監測和計量系統對于采樣速率的要求。要求對交流電源進(jìn)行更加嚴格的高次諧波分析，快速檢測故障條件，例如，瞬間的電壓毛刺和電壓跌落故障。由此可見(jiàn)，這類(lèi)應用需要在高達90dB的動(dòng)態(tài)范圍內、以16ksps甚至更高的采樣速率，對多個(gè)通道進(jìn)行高精度、同時(shí)測量。
目前，全球的許多國家已經(jīng)采納了EU標準，因此，最好參考這些測量標準，將其作為系統必須滿(mǎn)足的指標。表1歸納了EN 50160的要求。對于諧波電壓，EN 50160要求能夠測量50Hz/60Hz電源電壓的25次諧波，而對于一些非線(xiàn)性負載，例如：感性電機和開(kāi)關(guān)電源驅動(dòng)器，則要求測量50Hz/60Hz電源電壓的127次諧波。另外，需要特別注意的是：IEC 61850等一些新興標準還建議記錄電力系統的瞬態(tài)事件，每個(gè)交流周期的采樣次數將達到256次甚至更高。
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全球的3相電網(wǎng)的分布形式均采用所謂的“Y型連接”，“Y型”表示三路電壓彼此之間的相位偏差120°(一周的三分之一)。第4條線(xiàn)，零相，通常供給非平衡負載。如果三相中的每相負載保持均等，則系統保持均衡，沒(méi)有電流流入零相。典型的電網(wǎng)監測架構如圖1所示，每相功率(電壓和電流)可通過(guò)電流變壓器(CT)和電壓變壓器測量(電力分配系統也稱(chēng)為電動(dòng)勢變壓器，PT)。一個(gè)完整的系統應該包括四對線(xiàn)路(三相中的每相對應一對，零相對應一對)。
按照圖1所示，ADC同時(shí)測量三相和零相的電壓、電流，對采樣和經(jīng)過(guò)數字轉換的數據進(jìn)行數字處理后，可以得到有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數等參數，并且可以動(dòng)態(tài)調節電力線(xiàn)負載，修正功率因數，從而提高供電效率。對采樣數據進(jìn)行FFT (快速傅立葉變換)運算，可以測得頻率和諧波失真，確定系統損耗、噪聲影響等信息。
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圖1. 典型的電網(wǎng)監測系統，采用同時(shí)采樣ADC。 |
電力監測系統的要求
電力監控設備必須能夠以高達60Hz x 256或高于15,360sps (每秒采樣數)的采樣率測量瞬態(tài)電流和電壓，以滿(mǎn)足標準要求。根據精度要求，系統中所使用的ADC的動(dòng)態(tài)范圍需要達到90dB。
電壓測量ADC的動(dòng)態(tài)范圍可以根據所監測的最大電壓和標稱(chēng)電壓，按照功率測量的精度要求進(jìn)行計算。例如，如果設計要求測量1.5kV (1500V)的臨時(shí)性過(guò)壓(低于故障條件)，電源電壓標稱(chēng)值為220V，精度指標要求達到0.2%，電壓測量子系統的總動(dòng)態(tài)范圍至少為：
20log ((1500 ÷ 220) × 2000) = 83dB
注：所有計算中，假設設計精度要求為0.05%，優(yōu)于精度為0.2%的標準要求。這一設計裕量可確保最終系統滿(mǎn)足標準要求。
電流檢測也會(huì )影響ADC的規格，如果電力監測系統設計要求達到典型值為100A:10A (10A標稱(chēng)值、100A最大值)和0.2類(lèi)(0.2%)規范要求，電流測量子系統的總動(dòng)態(tài)范圍為：
20log ((100 ÷ 10) × 2000) = 86dB
從上述案例可以明確看出當前設計對高性能ADC的需求，對于86dB的動(dòng)態(tài)范圍，需要采樣率為16ksps甚至更高采樣率的16位ADC。為了確保精確測量3相和零相Y型系統的電流和電壓，ADC必須能夠同時(shí)采樣多達八個(gè)通道(四路電壓、四路電流)。此外，還需要修正變壓器引入的電流、電壓的相位偏移(或延時(shí))，這一點(diǎn)對于測量并修正功率因數，有效提高供電效率的系統非常重要。 ADC選擇
為電網(wǎng)監測系統選擇正確的ADC時(shí)，設計人員必須了解采樣速率和標準要求。對于當前設計，他們還必須考慮其它因素，例如：有效輸入阻抗(ZIN)、信號相位調節、小尺寸封裝等。了解這些需求后，設計人員將注意力轉向支持多通道同時(shí)采樣的高性能ADC，用于電力線(xiàn)監控或多通道SCADA (管理控制和數據采集系統)。幾種ADC方案能夠滿(mǎn)足電網(wǎng)監測的苛刻要求，這些目標方案中的絕大多數是6通道、16位同時(shí)采樣ADC，采樣速率可達250ksps。
有些公司提供六通道、低功耗、250ksps SAR (逐次逼近寄存器)型ADC。Maxim提供的MAX11046*在單一芯片內集成了八路高精度、低功耗、16位、250ksps SAR ADC。MAX11046能夠達到高于90dB的信噪比。
有效輸入阻抗(ZIN)
ZIN由輸入電容和采樣頻率確定：
ZIN = 1/(CIN × FSAMPLE)
式中，FSAMPLE為采樣頻率，CIN = 15pF。
如果ADC具有較高的ZIN，如：MAX11046，則可直接連接到電壓和電流測量變壓器。這種連接省去了外部精密儀表放大器或緩沖器，從而有效降低系統成本、電路板面積以及系統功耗。圖2所示應用案例給出了基于MAX11046EV(評估)板的單相監控系統，連接到電力線(xiàn)監測變壓器。從結構圖可以看出：電力線(xiàn)變壓器與同時(shí)采樣、多通道數據轉換器之間的連接非常簡(jiǎn)單，可有效節省成本和空間。對于三相供電系統，可以把該電路復制到三相的每一相以及零相。
信號相位調節
當高壓信號通過(guò)變壓器并瞬變到較低電壓時(shí)會(huì )產(chǎn)生一定的相差(或延時(shí))，該延時(shí)在電力管理或電網(wǎng)監控應用中造成比較嚴重的問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，設計人員需要在后端通過(guò)軟件調節相位，或者在前端通過(guò)ADC重新調整信號，消除電壓和電流信號的偏差，以便在Y型配置下獲得真實(shí)的、精確的功率因數測量。三相電的相差偏離120°表示存在功率損耗，一旦精確測量到了功率因數，即可對其進(jìn)行修正，使電網(wǎng)保持高效運轉。
傳統方案中，利用同時(shí)采樣、多通道、16位ADC解決信號相位調整問(wèn)題時(shí)采用的是數字方式，對ADC輸出數據進(jìn)行后續處理。Maxim的MAX11046即采用了這種方式，使用這種ADC，需要占用較大的軟件開(kāi)銷(xiāo)調整信號相位。
目前新推出的一些ADC方案能夠獨立調節每個(gè)通道的輸入相位，可調節延時(shí)為0至333μs，調節步長(cháng)為1.33μs。這種設計節省了上面提到的軟件開(kāi)銷(xiāo)，MAX11040 24位、4通道、Σ-Δ ADC即采用了這一方案，采用級聯(lián)配置后能夠對最多32個(gè)通道進(jìn)行高精度的同時(shí)采樣。每個(gè)通道所具備的可調節采樣相位功能能夠在內部補償外部變壓器或輸入濾波器產(chǎn)生的相差。/SYNC輸入可以利用遠端時(shí)鐘源周期性地同步多達八個(gè)器件的轉換時(shí)序。
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