先進(jìn)的電力線監(jiān)測需要高性能同時(shí)采樣ADC

該應(yīng)用筆記闡述了MAX11046等同時(shí)采樣ADC在電力線監(jiān)測中的應(yīng)用，文章介紹了交流電測量的基本原理，給出了電網(wǎng)監(jiān)測的典型應(yīng)用以及國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)的要求。文章歸納了MAX11046電力線監(jiān)測的獨(dú)特優(yōu)勢并提供了一個(gè)應(yīng)用案例。

引言

供電質(zhì)量管理系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測、記錄多相電網(wǎng)的三相電壓和電流，這些監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)還可以監(jiān)控零相的電壓和電流，以檢測負(fù)載的不平衡性或頻率諧波。此外，功率測量系統(tǒng)對(duì)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)的電力線監(jiān)測系統(tǒng)包括供電質(zhì)量管理、監(jiān)控與保護(hù)以及表計(jì)功能。這些系統(tǒng)能夠幫助電力部門和用戶進(jìn)行前兆維護(hù)、管理能耗和成本、控制供電質(zhì)量并為設(shè)備提供有效保護(hù)，所有這些嘗試的目的都是為了提高能效。

測量系統(tǒng)架構(gòu)

圖1給出了交流電測量的基本原理，采樣并計(jì)算瞬時(shí)功率和平均功率。圖2所示為典型的電網(wǎng)監(jiān)測應(yīng)用，3相電壓之間的相位差為120°，為1/3周期。第四條線稱為零相，用于調(diào)整負(fù)載的不均衡。如果3相負(fù)載完全相同，系統(tǒng)達(dá)到平衡，此時(shí)將沒有電流流過零相線。

這種3相電力系統(tǒng)是全球的通用標(biāo)準(zhǔn)，稱為“Y”型連接，如同其矢量圖。每相功率測量通過電流變壓器(CT)和電壓變壓器(PT)表示，一個(gè)完整系統(tǒng)包含四對(duì)信號(hào)(3相電的每相和零相各對(duì)應(yīng)一對(duì)信號(hào))。


圖1. 交流電測量中的數(shù)據(jù)采樣


圖2. 典型的電網(wǎng)監(jiān)測應(yīng)用，采用全球標(biāo)準(zhǔn)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(shù)字處理器對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算數(shù)字轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、有功電能、無功電能、視在電能以及功率因數(shù)。對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)可以進(jìn)一步計(jì)算得到頻率和諧波失真。

傳輸能量的測量必須符合國際標(biāo)準(zhǔn)或當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)的要求，例如，歐盟(EU)標(biāo)準(zhǔn)EN 50160即為一種通用的國際標(biāo)準(zhǔn)。表1總結(jié)了EN 50160的要求：

表1. EN 50160供電規(guī)格

Supply Voltage Phenomenon	Acceptable Limits	Measurement Interval	Monitoring Period (week)	Acceptance Percentage (%)
Grid Frequency	49.5Hz to 50.5Hz, 47Hz to 52Hz	10s	1	95, 100
Slow Voltage Changes	230V ±10%	10min	1	95
Voltage Sags or Dips (≤ 1min)	10 to 1000 times per year (under 85% of nominal)	10ms	1 year	100
Short Interruptions (≤ 3min)	10 to 100 times per year (under 1% of nominal)	10ms	1 year	100
Accidental, long interruptions (> 3min)	10 to 50 times per year (under 1% of nominal)	10ms	1 year	100
Temporary Overvoltages (line to ground)	Mostly < 1.5kV	10ms	–	100
Transient Overvoltages (line to ground)	Mostly < 6kV	–	–	100
Voltage Unbalance	Mostly 2%, but occasionally 3%	10min	1	95
Harmonic Voltages	8% total harmonic distortion (THD)	10min	1	95

IEC 62053是另一項(xiàng)EU標(biāo)準(zhǔn)，制定了高精度電表的規(guī)范。該規(guī)范定義了四級(jí)計(jì)量精度：2級(jí)、1級(jí)、0.5級(jí)和0.2級(jí)(例如，0.2級(jí)代表0.2%的標(biāo)稱電流和電壓測量精度)。對(duì)于功率因數(shù)的測量精度，相位匹配度需要保持在0.1%或更高精度。

對(duì)于諧波電壓，EN 50160要求測量50Hz/60Hz電壓的25次諧波。然而，各種非線性負(fù)載(例如：熒光燈、開關(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(biāo)準(zhǔn)要求記錄電力系統(tǒng)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(duì)于ADC系統(tǒng)的基本要求

EN 50160、IEC 62053、IEC 61850等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于電力監(jiān)控和計(jì)量系統(tǒng)的多通道ADC的最低精度要求和采樣速率。

電網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備必須以高達(dá)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(jiān)測還需要滿足IEC 62053標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(jù)需要監(jiān)測的最大電壓和標(biāo)稱電壓以及對(duì)電源測量精度的要求(參見表1以及關(guān)于IEC 62053的注釋)進(jìn)行計(jì)算。例如，如果設(shè)計(jì)要求測量1.5kV (1500V)的瞬態(tài)過壓(故障條件下)，標(biāo)稱電壓為220V，精度要求為0.2級(jí)(0.2%)，則電壓測量子系統(tǒng)的總動(dòng)態(tài)范圍為：

20log ((1500/220) × 2000)) = 83dB

注：為了滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的0.2%精度，我們需要將所有計(jì)算精度控制在0.05%以內(nèi)。

另外，對(duì)于電流測量的要求也會(huì)影響ADC的規(guī)格，如果設(shè)計(jì)對(duì)電源監(jiān)測的要求是：100A:10A (10A標(biāo)稱值，100A最大值)和0.2級(jí)(0.2%)，電流測量子系統(tǒng)的總動(dòng)態(tài)范圍為：

20log ((100/10) × 2000)) = 86dB

從上述示例可以明顯看出系統(tǒng)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(tǒng)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的電力線監(jiān)測能力

MAX11046在單芯片內(nèi)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(jiān)測系統(tǒng)：

• 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(hù)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(jié)了MAX11046的獨(dú)特優(yōu)勢。


圖3. MAX11046在電網(wǎng)監(jiān)測中的獨(dú)特優(yōu)勢

圖4所示為MAX11046評(píng)估(EV)板與電力線監(jiān)測變壓器的典型連接，從該圖可以看出，MAX11046與電力線變壓器之間的連接非常簡單，可有效節(jié)省成本和空間。

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


圖4.

結(jié)論

隨著人們對(duì)能源需求的增長，全球范圍內(nèi)對(duì)電網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)的投資也迅速增長。這些新型電力系統(tǒng)包含一個(gè)關(guān)鍵單元，即多通道監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)，需要自動(dòng)監(jiān)測供電系統(tǒng)并提供故障檢測和保護(hù)。SCADA系統(tǒng)需要一個(gè)類似于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(gòu)，省去了外部緩沖器。器件優(yōu)化用于三相電網(wǎng)監(jiān)控和測量系統(tǒng)，高密度設(shè)計(jì)在提高性能的同時(shí)有效降低了系統(tǒng)成本和電路板面積。