不斷增長(zhǎng)的電力需求和對(duì)節(jié)能的關(guān)注正在推動(dòng)對(duì)全球供電基礎(chǔ)設(shè)施的投資增加。因此，先進(jìn)的電力線監(jiān)控系統(tǒng)已成為單相和多相應(yīng)用的新“智能電網(wǎng)”的關(guān)鍵要素。隨著系統(tǒng)性能要求越來越嚴(yán)格，設(shè)計(jì)人員正在轉(zhuǎn)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(jìn)的電力線監(jiān)控系統(tǒng)將電源監(jiān)控、負(fù)載平衡、保護(hù)和計(jì)量功能結(jié)合在一個(gè)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(jìn)的電力線監(jiān)控系統(tǒng)還可以預(yù)測(cè)維護(hù)需求;檢測(cè)并響應(yīng)故障情況;記錄并允許動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡和節(jié)能;監(jiān)測(cè)（和控制）電力輸送質(zhì)量;并幫助保護(hù)設(shè)備。

為了實(shí)現(xiàn)這些監(jiān)控系統(tǒng)，需要ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）來監(jiān)控多相電壓和電流。然而，為了滿足各種標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求，并測(cè)量和優(yōu)化功率因數(shù)損耗，這些轉(zhuǎn)換器必須同步，以確保它們同時(shí)對(duì)三相（加中性線）進(jìn)行采樣。同步單個(gè)轉(zhuǎn)換器可能很困難，因此供應(yīng)商在單個(gè)封裝中提供多個(gè)同時(shí)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(shí)采樣轉(zhuǎn)換器集成到定制ASIC中。

性能測(cè)量 — 當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)和國(guó)際要求

由于定義能源測(cè)量精度的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)各不相同，先進(jìn)電力線監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和廣泛采用非常復(fù)雜。輸送能量的測(cè)量特性必須符合當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)或國(guó)際要求。歐盟（歐盟）標(biāo)準(zhǔn)EN 50160、IEC 62053和IEC 61850規(guī)定了用于電力系統(tǒng)監(jiān)控和計(jì)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(shí)時(shí)供電監(jiān)控、故障檢測(cè)和保護(hù)以及動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡相關(guān)的日益嚴(yán)格的精度要求的影響。例如，歐盟標(biāo)準(zhǔn)IEC 62053 0.2級(jí)（在全球范圍內(nèi)越來越多地用作通用標(biāo)準(zhǔn)）要求儀表精度為標(biāo)稱電流和電壓的0.2%。對(duì)于功率因數(shù)精度測(cè)量，相位匹配應(yīng)為0.1%或更好。

不僅規(guī)定了最低精度，而且國(guó)際和當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了電力線監(jiān)控和計(jì)量中使用的現(xiàn)代系統(tǒng)所需的采樣率。現(xiàn)在需要對(duì)交流電源的多個(gè)高次諧波進(jìn)行嚴(yán)格分析，并檢測(cè)高速故障條件，例如瞬時(shí)尖峰和掉電。因此，這些應(yīng)用通常需要在高達(dá) 90dB 的寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)以 16ksps 或更高的采樣速率進(jìn)行精確的同步多通道測(cè)量。

全球許多國(guó)家/地區(qū)都采用了歐盟標(biāo)準(zhǔn)的版本，因此這些標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)必須滿足的測(cè)量要求的一個(gè)很好的例子。表1總結(jié)了EN 50160的要求。

對(duì)于諧波電壓，EN 50160 要求測(cè)量高達(dá) 25千-50Hz/60Hz電壓的階諧波。但是，對(duì)于各種非線性負(fù)載，例如電感式電機(jī)和開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)器，必須對(duì)多達(dá) 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(biāo)準(zhǔn)建議記錄電源系統(tǒng)瞬態(tài)事件，每個(gè)交流周期或更高周期有256個(gè)樣本。

典型的電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用

三相電源是全球標(biāo)準(zhǔn)，使用所謂的“星形連接”進(jìn)行分配。術(shù)語“星形”是指三個(gè)電壓，它們?cè)谙辔簧舷嗷テ迫种坏闹芷冢?°）。第四根線或零線通常用于適應(yīng)不平衡負(fù)載。如果三相中每一相的負(fù)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(cè)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(gè)系統(tǒng)包括四個(gè)這樣的對(duì)（三相中各一對(duì)加上中性線）。

圖1.使用同步采樣ADC的典型電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用

如圖1所示，ADC同時(shí)測(cè)量三相以及零線電壓和電流。通過對(duì)采樣和數(shù)字轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)態(tài)調(diào)整線路負(fù)載以校正功率因數(shù)。結(jié)果是提高了電源效率。對(duì)采樣數(shù)據(jù)執(zhí)行FFT（快速傅里葉變換）可以實(shí)現(xiàn)頻率和諧波失真計(jì)量，同時(shí)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(shè)備必須測(cè)量采樣率高達(dá) 60Hz × 256 個(gè)樣本或大于 15，360sps（每秒樣本）的瞬時(shí)電流和電壓值，以滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。這一要求以及對(duì)高達(dá)90dB精度的需求構(gòu)成了選擇系統(tǒng)中使用的ADC的基礎(chǔ)。

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

20log （（1500/220） × 2000） = 83dB

注意：在所有這些計(jì)算中，假設(shè)所需的設(shè)計(jì)精度為0.05%，這優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的0.2%精度要求。此設(shè)計(jì)裕量用于確保符合標(biāo)準(zhǔn)。

電流檢測(cè)要求也會(huì)影響ADC規(guī)格。如果功率監(jiān)控的設(shè)計(jì)要求是典型的100A：10A（標(biāo)稱10A和最大值100A）和0.2類（0.2%），則電流測(cè)量子系統(tǒng)的總動(dòng)態(tài)范圍需要：

20log （（100/10） × 2000） = 86dB

這些示例清楚地表明，當(dāng)今的ADC需要更高的性能。為了實(shí)現(xiàn)86dB的動(dòng)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(cè)量，ADC必須同時(shí)采樣多達(dá)3個(gè)通道（<>個(gè)電壓和<>個(gè)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(duì)于試圖測(cè)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(guān)重要。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器替代方案

在為電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用選擇合適的ADC時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須超越采樣速率和標(biāo)準(zhǔn)要求。如今，他們還必須考慮有效輸入阻抗（Z在）、信號(hào)相位調(diào)整和小封裝尺寸。鑒于這些眾多的系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)人員正在轉(zhuǎn)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(yīng)用的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。這些目標(biāo)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(dá)250ksps。

幾家公司提供具有多達(dá)六個(gè)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(gè)封裝中集成16個(gè)高精度、低功耗、250位、11046ksps SAR ADC。MAX90可實(shí)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(cè)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(shè)計(jì)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(píng)估板的單相監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用示例，該板與電力線監(jiān)測(cè)變壓器相連。原理圖顯示了電力線變壓器與同時(shí)采樣、多通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之間的簡(jiǎn)單成本和節(jié)省空間的接口。對(duì)于三相電源系統(tǒng)，該電路針對(duì)每相和中性線進(jìn)行復(fù)制。

圖2.ADI公司的MAX11046等多通道同時(shí)采樣ADC簡(jiǎn)化了高級(jí)功率監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本例顯示了單相監(jiān)控解決方案。

信號(hào)相位調(diào)整

當(dāng)高壓通過變壓器并過渡到較低電壓時(shí)，會(huì)發(fā)生相移（或延遲）。這種延遲給電源管理或電源監(jiān)控應(yīng)用帶來了重大問題。為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)人員可以在后端調(diào)整軟件中的相位，也可以預(yù)先重新調(diào)整ADC內(nèi)部的信號(hào)。糾偏電壓和電流信號(hào)可以真實(shí)準(zhǔn)確地測(cè)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(zhǔn)確測(cè)量了功率因數(shù)，就可以對(duì)其進(jìn)行校正，使電網(wǎng)效率呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

傳統(tǒng)上，使用同時(shí)采樣、多通道16位ADC的信號(hào)相位調(diào)整以數(shù)字方式解決，作為對(duì)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(zhuǎn)換器以這種方式處理相位調(diào)整。使用這種ADC時(shí)，需要連續(xù)的軟件開銷來解決信號(hào)相位調(diào)整問題。

當(dāng)今的一些ADC解決方案提供0至333μs的輸入相位調(diào)整，每個(gè)通道的延遲可獨(dú)立設(shè)置，步長(zhǎng)為1.33μs。這種設(shè)計(jì)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(nèi)置級(jí)聯(lián)功能對(duì)多達(dá)32個(gè)通道進(jìn)行高精度同步采樣。每個(gè)通道包括一個(gè)可調(diào)采樣相位，允許對(duì)輸入端的外部變壓器或濾波器引起的相移進(jìn)行內(nèi)部補(bǔ)償。一個(gè)/SYNC輸入允許使用一個(gè)遠(yuǎn)程時(shí)序源對(duì)多達(dá)<>個(gè)器件的轉(zhuǎn)換時(shí)序進(jìn)行周期性對(duì)齊。

小封裝尺寸

在許多電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)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(shí)現(xiàn)方案消耗的電路板面積時(shí)，目前可用的解決方案存在差異。例如，MAX11040K方案使用15.9mm2每個(gè)渠道，不到其他供應(yīng)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(cè)量系統(tǒng)的整體尺寸、功耗和成本。

過壓保護(hù)

優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(nèi)置過壓保護(hù)（類似于ESD保護(hù)），通過設(shè)置為6V的箝位二極管和內(nèi)部邏輯電路，在檢測(cè)到高電壓時(shí)設(shè)置故障位。其他ADC供應(yīng)商有自己的方法，但通常使用外部二極管保護(hù)。

檢測(cè)電網(wǎng)短路和斷開是許多使用ADC的保護(hù)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(cè)。繼電器何時(shí)跳閘的標(biāo)準(zhǔn)很復(fù)雜，并且每個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)供應(yīng)商都高度專有。盡管如此，人們普遍認(rèn)為，在錯(cuò)誤的情況下絆倒和在故障情況下不絆倒一樣糟糕。

結(jié)論

不斷增長(zhǎng)的全球電力需求正在推動(dòng)對(duì)供電基礎(chǔ)設(shè)施或“智能電網(wǎng)”的快速投資。通過集成電源監(jiān)控、動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡、保護(hù)和計(jì)量功能以及先進(jìn)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(fù)雜化的是不同的標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)構(gòu)要求。EN 50160、IEC 62053 和 IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)等嚴(yán)格規(guī)范規(guī)定了實(shí)時(shí)供電監(jiān)控、故障檢測(cè)和保護(hù)以及動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡所需的精確能量測(cè)量、最低精度和采樣率。這些標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。其他因素，包括有效輸入阻抗（Z在）、信號(hào)相位調(diào)整和小封裝尺寸也會(huì)影響ADC的選擇。

當(dāng)今的高性能同步采樣ADC針對(duì)三相電源（加中性線）監(jiān)控和測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。這些器件是高密度設(shè)計(jì)的自然選擇，這些設(shè)計(jì)需要提供高性能，同時(shí)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