利用高性能ADC降低高級電力線監(jiān)測系統(tǒng)的成本

　　引言

　　一個高級電力線監(jiān)控系統(tǒng)通常由功率監(jiān)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，用戶充分利用電力資源，保證電網的高效運轉。隨著電力的有效傳輸，高級電力線監(jiān)測系統(tǒng)能夠預測電力需求、檢測并報告故障條件，還可以記錄、動態(tài)均衡負載以節(jié)省能源，監(jiān)測(和控制)電力傳輸質量、協助保護設備。

　　為了實現這些系統(tǒng)監(jiān)控功能，需要使用ADC (模/數轉換器)監(jiān)測多相電壓和電流。此外，為了滿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同步采樣三個通道(以及零相通道)?？紤]到對單個轉換器進行同步比較困難，廠商在單一封裝內集成了多路同時采樣ADC。如果需要更高集成度的方案，可以選擇定制ASIC同時采樣轉換器。

　　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(guī)定不盡相同，這為電力線監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)帶來一定的難度，所設計的產品很難得到普遍認同。供電量的測量特性必須滿足當地標準或國際標準的規(guī)定。EU (歐共體)標準EN 50160、IEC 62053和IEC 61850對于現代電力監(jiān)控系統(tǒng)使用的多通道ADC的精度給出了嚴格的下限要求。此外，電力線監(jiān)控系統(tǒng)對于電力傳輸的實時監(jiān)測精度的要求也越來越嚴格，而且需要完備的故障檢測和保護以及動態(tài)負載均衡功能。例如，EU標準IEC 62053 0.2類(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監(jiān)測和計量系統(tǒng)對于采樣速率的要求。要求對交流電源進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，這類應用需要在高達90dB的動態(tài)范圍內、以16ksps甚至更高的采樣速率，對多個通道進行高精度、同時測量。

　　目前，全球的許多國家已經采納了EU標準，因此，最好參考這些測量標準，將其作為系統(tǒng)必須滿足的指標。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，而對于一些非線性負載，例如：感性電機和開關電源驅動器，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(tǒng)的瞬態(tài)事件，每個交流周期的采樣次數將達到256次甚至更高。

　　典型的電網監(jiān)測系統(tǒng)

　　全球的3相電網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，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(tǒng)保持均衡，沒有電流流入零相。典型的電網監(jiān)測架構如圖1所示，每相功率(電壓和電流)可通過電流變壓器(CT)和電壓變壓器測量(電力分配系統(tǒng)也稱為電動勢變壓器，PT)。一個完整的系統(tǒng)應該包括四對線路(三相中的每相對應一對，零相對應一對)。

　　按照圖1所示，ADC同時測量三相和零相的電壓、電流，對采樣和經過數字轉換的數據進行數字處理后，可以得到有功功率、無功功率、視在功率、功率因數等參數，并且可以動態(tài)調節(jié)電力線負載，修正功率因數，從而提高供電效率。對采樣數據進行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(tǒng)損耗、噪聲影響等信息。

圖1. 典型的電網監(jiān)測系統(tǒng)，采用同時采樣ADC。

　　電力監(jiān)測系統(tǒng)的要求

　　電力監(jiān)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，以滿足標準要求。根據精度要求，系統(tǒng)中所使用的ADC的動態(tài)范圍需要達到90dB。

　　電壓測量ADC的動態(tài)范圍可以根據所監(jiān)測的最大電壓和標稱電壓，按照功率測量的精度要求進行計算。例如，如果設計要求測量1.5kV (1500V)的臨時性過壓(低于故障條件)，電源電壓標稱值為220V，精度指標要求達到0.2%，電壓測量子系統(tǒng)的總動態(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(tǒng)滿足標準要求。

　　電流檢測也會影響ADC的規(guī)格，如果電力監(jiān)測系統(tǒng)設計要求達到典型值為100A:10A (10A標稱值、100A最大值)和0.2類(0.2%)規(guī)范要求，電流測量子系統(tǒng)的總動態(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(tǒng)的電流和電壓，ADC必須能夠同時采樣多達八個通道(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)，這一點對于測量并修正功率因數，有效提高供電效率的系統(tǒng)非常重要。

　　ADC選擇

　　為電網監(jiān)測系統(tǒng)選擇正確的ADC時，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(jié)、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采樣的高性能ADC，用于電力線監(jiān)控或多通道SCADA (管理控制和數據采集系統(tǒng))。幾種ADC方案能夠滿足電網監(jiān)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(tǒng)成本、電路板面積以及系統(tǒng)功耗。圖2所示應用案例給出了基于MAX11046EV(評估)板的單相監(jiān)控系統(tǒng)，連接到電力線監(jiān)測變壓器。從結構圖可以看出：電力線變壓器與同時采樣、多通道數據轉換器之間的連接非常簡單，可有效節(jié)省成本和空間。對于三相供電系統(tǒng)，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(jié)

　　當高壓信號通過變壓器并瞬變到較低電壓時會產生一定的相差(或延時)，該延時在電力管理或電網監(jiān)控應用中造成比較嚴重的問題。為了解決這些問題，設計人員需要在后端通過軟件調節(jié)相位，或者在前端通過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，即可對其進行修正，使電網保持高效運轉。

　　傳統(tǒng)方案中，利用同時采樣、多通道、16位ADC解決信號相位調整問題時采用的是數字方式，對ADC輸出數據進行后續(xù)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銷調整信號相位。

　　目前新推出的一些ADC方案能夠獨立調節(jié)每個通道的輸入相位，可調節(jié)延時為0至333μs，調節(jié)步長為1.33μs。這種設計節(jié)省了上面提到的軟件開銷，MAX11040 24位、4通道、Σ-Δ ADC即采用了這一方案，采用級聯配置后能夠對最多32個通道進行高精度的同時采樣。每個通道所具備的可調節(jié)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生的相差。/SYNC輸入可以利用遠端時鐘源周期性地同步多達八個器件的轉換時序。

圖2. MAX11046等多通道同時采樣ADC可有效簡化高級電網監(jiān)測系統(tǒng)的設計，這里給出了一個單相監(jiān)測方案的例子。

　　小尺寸封裝

　　在許多電網監(jiān)測應用中需要考慮物理尺寸問題，因為系統(tǒng)通常需要監(jiān)測多路多相電源，特別是在電力分配中心。對于不同方案，ADC每個通道占用的電路板面積也不同，例如：MAX11040每個通道占用的面積是15.9mm2，尺寸只有其它廠商方案的一半。ADC較高的封裝密度允許在PCB板上容納更多通道，有助于減小整體測量系統(tǒng)的尺寸、功耗及成本。

　　過壓保護

　　優(yōu)化系統(tǒng)設計還必須避免系統(tǒng)在過壓或其它電力線干擾下出現失效，MAX11040以及該系列的其它器件集成了過壓保護功能(類似于ESD保護)，保護電路使用了6V鉗位二極管和內部邏輯電路，邏輯電路檢測到過壓時能夠將故障位置位。其它ADC供應商采用了自己的保戶架構，但多數需要使用外部二極管。

　　使用ADC時，檢測電網的短路和開路故障是這類保護系統(tǒng)最重要的功能。通過觀察ADC的數據進行檢測。制定在什么條件下觸發(fā)繼電保護是一個復雜問題，很大程度上取決于監(jiān)測系統(tǒng)廠商。盡管如此，比較公認的一種看法是：故障條件下觸發(fā)繼電器保護與不觸發(fā)的結果同樣糟糕。

　　結論

　　人們對電力需求的增長使得電力傳輸基礎架構或“智能電網”的投資迅速增長，通過集成功率監(jiān)測、負載均衡、保護以及表計功能，構建高級電力線監(jiān)測系統(tǒng)，電力公司(和用戶)能夠更有效地監(jiān)測、傳輸、使用并控制電網。

　　標準的多樣性以及不同企業(yè)提出的種種要求一方面增加了電網監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)難度，另一方面也需要這些設備得到更普遍的認可。一些較為嚴格的標準，例如：EN 50160、IEC 62053和IEC 61850，規(guī)定了較高的能量檢測精度，給出了嚴格的下限要求；這些標準還要求采樣速率滿足實時電力傳輸監(jiān)測、故障檢測以及動態(tài)負載均衡的要求。標準為現代多通道監(jiān)測系統(tǒng)所使用的ADC制定了嚴格、清晰的原則。其它考慮因素，包括：有效輸入阻抗(ZIN)、信號相位調節(jié)以及小尺寸封裝等，也會影響ADC的選擇。目前，高性能、同時采樣ADC通常針對三相電(和零相)的監(jiān)測及測量系統(tǒng)進行優(yōu)化，這些器件也成為高密度設計的首選方案，在提供高性能指標的同時還能夠降低整體系統(tǒng)的成本，使電路板面積最小。