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(gè)高級電力線監(jiān)控系統(tǒng)通常由功率監(jiān)測、負(fù)載均衡、保護(hù)以及表計(jì)功能組成，這一架構(gòu)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(wǎng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著電力的有效傳輸，高級電力線監(jiān)測系統(tǒng)能夠預(yù)測電力需求、檢測并報(bào)告故障條件，還可以記錄、動(dòng)態(tài)均衡負(fù)載以節(jié)省能源，監(jiān)測(和控制)電力傳輸質(zhì)量、協(xié)助保護(hù)設(shè)備。

　　為了實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)監(jiān)控功能，需要使用ADC (模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)監(jiān)測多相電壓和電流。此外，為了滿足各種標(biāo)準(zhǔn)的苛刻要求，測量并優(yōu)化功率因數(shù)損耗，這些轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器進(jìn)行同步比較困難，廠商在單一封裝內(nèi)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(zhuǎn)換器。

　　性能測試—當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)的要求

　　不同的國際標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)的產(chǎn)品很難得到普遍認(rèn)同。供電量的測量特性必須滿足當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。EU (歐共體)標(biāo)準(zhǔn)EN 50160、IEC 62053和IEC 61850對于現(xiàn)代電力監(jiān)控系統(tǒng)使用的多通道ADC的精度給出了嚴(yán)格的下限要求。此外，電力線監(jiān)控系統(tǒng)對于電力傳輸?shù)膶?shí)時(shí)監(jiān)測精度的要求也越來越嚴(yán)格，而且需要完備的故障檢測和保護(hù)以及動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡功能。例如，EU標(biāo)準(zhǔn)IEC 62053 0.2類(被普遍作為一種全球性的公共標(biāo)準(zhǔn))要求表計(jì)精度達(dá)到標(biāo)稱電流和電壓的0.2%。為了精確測量功率因數(shù)，相位匹配度應(yīng)該達(dá)到0.1%甚至更好。

　　國際標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)不僅給出了最低精度的要求，還給出了現(xiàn)代電力線監(jiān)測和計(jì)量系統(tǒng)對于采樣速率的要求。要求對交流電源進(jìn)行更加嚴(yán)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(yīng)用需要在高達(dá)90dB的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)、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(biāo)準(zhǔn)，因此，最好參考這些測量標(biāo)準(zhǔn)，將其作為系統(tǒng)必須滿足的指標(biāo)。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(fù)載，例如：感性電機(jī)和開關(guān)電源驅(qū)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(biāo)準(zhǔn)還建議記錄電力系統(tǒng)的瞬態(tài)事件，每個(gè)交流周期的采樣次數(shù)將達(dá)到256次甚至更高。

　　典型的電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)

　　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，零相，通常供給非平衡負(fù)載。如果三相中的每相負(fù)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(wǎng)監(jiān)測架構(gòu)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(dòng)勢變壓器，PT)。一個(gè)完整的系統(tǒng)應(yīng)該包括四對線路(三相中的每相對應(yīng)一對，零相對應(yīng)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)過數(shù)字轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理后，可以得到有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)等參數(shù)，并且可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電力線負(fù)載，修正功率因數(shù)，從而提高供電效率。對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT (快速傅立葉變換)運(yùn)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(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，采用同時(shí)采樣ADC。

　　電力監(jiān)測系統(tǒng)的要求

　　電力監(jiān)控設(shè)備必須能夠以高達(dá)60Hz x 256或高于15,360sps (每秒采樣數(shù))的采樣率測量瞬態(tài)電流和電壓，以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)精度要求，系統(tǒng)中所使用的ADC的動(dòng)態(tài)范圍需要達(dá)到90dB。

　　電壓測量ADC的動(dòng)態(tài)范圍可以根據(jù)所監(jiān)測的最大電壓和標(biāo)稱電壓，按照功率測量的精度要求進(jìn)行計(jì)算。例如，如果設(shè)計(jì)要求測量1.5kV (1500V)的臨時(shí)性過壓(低于故障條件)，電源電壓標(biāo)稱值為220V，精度指標(biāo)要求達(dá)到0.2%，電壓測量子系統(tǒng)的總動(dòng)態(tài)范圍至少為：

20log ((1500 ÷ 220) × 2000) = 83dB

　　注：所有計(jì)算中，假設(shè)設(shè)計(jì)精度要求為0.05%，優(yōu)于精度為0.2%的標(biāo)準(zhǔn)要求。這一設(shè)計(jì)裕量可確保最終系統(tǒng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　電流檢測也會(huì)影響ADC的規(guī)格，如果電力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求達(dá)到典型值為100A:10A (10A標(biāo)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(dòng)態(tài)范圍為：

20log ((100 ÷ 10) × 2000) = 86dB

　　從上述案例可以明確看出當(dāng)前設(shè)計(jì)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(tǒng)的電流和電壓，ADC必須能夠同時(shí)采樣多達(dá)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(shù)，有效提高供電效率的系統(tǒng)非常重要。

　　ADC選擇

　　為電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)選擇正確的ADC時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須了解采樣速率和標(biāo)準(zhǔn)要求。對于當(dāng)前設(shè)計(jì)，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(diào)節(jié)、小尺寸封裝等。了解這些需求后，設(shè)計(jì)人員將注意力轉(zhuǎn)向支持多通道同時(shí)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng))。幾種ADC方案能夠滿足電網(wǎng)監(jiān)測的苛刻要求，這些目標(biāo)方案中的絕大多數(shù)是6通道、16位同時(shí)采樣ADC，采樣速率可達(dá)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(nèi)集成了八路高精度、低功耗、16位、250ksps SAR ADC。MAX11046能夠達(dá)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，F(xiàn)SAMPLE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(yīng)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(jié)構(gòu)圖可以看出：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(fù)制到三相的每一相以及零相。

　　信號相位調(diào)節(jié)

　　當(dāng)高壓信號通過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(jiān)控應(yīng)用中造成比較嚴(yán)重的問題。為了解決這些問題，設(shè)計(jì)人員需要在后端通過軟件調(diào)節(jié)相位，或者在前端通過ADC重新調(diào)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(shù)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(shù)，即可對其進(jìn)行修正，使電網(wǎng)保持高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　傳統(tǒng)方案中，利用同時(shí)采樣、多通道、16位ADC解決信號相位調(diào)整問題時(shí)采用的是數(shù)字方式，對ADC輸出數(shù)據(jù)進(jìn)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(diào)整信號相位。

　　目前新推出的一些ADC方案能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)每個(gè)通道的輸入相位，可調(diào)節(jié)延時(shí)為0至333μs，調(diào)節(jié)步長為1.33μs。這種設(shè)計(jì)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(lián)配置后能夠?qū)ψ疃?2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(diào)節(jié)采樣相位功能能夠在內(nèi)部補(bǔ)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(yuǎn)端時(shí)鐘源周期性地同步多達(dá)八個(gè)器件的轉(zhuǎn)換時(shí)序。

圖2. MAX11046等多通道同時(shí)采樣ADC可有效簡化高級電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這里給出了一個(gè)單相監(jiān)測方案的例子。

　　小尺寸封裝

　　在許多電網(wǎng)監(jiān)測應(yīng)用中需要考慮物理尺寸問題，因?yàn)橄到y(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(gè)通道占用的電路板面積也不同，例如：MAX11040每個(gè)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(hù)

　　優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)還必須避免系統(tǒng)在過壓或其它電力線干擾下出現(xiàn)失效，MAX11040以及該系列的其它器件集成了過壓保護(hù)功能(類似于ESD保護(hù))，保護(hù)電路使用了6V鉗位二極管和內(nèi)部邏輯電路，邏輯電路檢測到過壓時(shí)能夠?qū)⒐收衔恢梦?。其它ADC供應(yīng)商采用了自己的保戶架構(gòu)，但多數(shù)需要使用外部二極管。

　　使用ADC時(shí)，檢測電網(wǎng)的短路和開路故障是這類保護(hù)系統(tǒng)最重要的功能。通過觀察ADC的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。制定在什么條件下觸發(fā)繼電保護(hù)是一個(gè)復(fù)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(rèn)的一種看法是：故障條件下觸發(fā)繼電器保護(hù)與不觸發(fā)的結(jié)果同樣糟糕。

　　結(jié)論

　　人們對電力需求的增長使得電力傳輸基礎(chǔ)架構(gòu)或“智能電網(wǎng)”的投資迅速增長，通過集成功率監(jiān)測、負(fù)載均衡、保護(hù)以及表計(jì)功能，構(gòu)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(wǎng)。

　　標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)難度，另一方面也需要這些設(shè)備得到更普遍的認(rèn)可。一些較為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，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(yán)格的下限要求；這些標(biāo)準(zhǔn)還要求采樣速率滿足實(shí)時(shí)電力傳輸監(jiān)測、故障檢測以及動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡的要求。標(biāo)準(zhǔn)為現(xiàn)代多通道監(jiān)測系統(tǒng)所使用的ADC制定了嚴(yán)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(diào)節(jié)以及小尺寸封裝等，也會(huì)影響ADC的選擇。目前，高性能、同時(shí)采樣ADC通常針對三相電(和零相)的監(jiān)測及測量系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，這些器件也成為高密度設(shè)計(jì)的首選方案，在提供高性能指標(biāo)的同時(shí)還能夠降低整體系統(tǒng)的成本，使電路板面積最小。