利用同步采样ADC进行高性能多通道电力线监控

电力工业的迅速发展使全世界都需要加强现有的输配电网络，并建造新的变电站。微处理器技术的进步和支持人员成本的增加是电力公司使用高精度集成自动化系统设计新的自动化高压变电站的关键驱动力。

变电站根据电压等级可分为两类：高压包括500 kV，330 kV和一些220 kV变电站，而220 kV终端变电站，110 kV和35 kV变电站被认为是中压或低压。高压（输电）变电站是大型室外站点。低压（配电）变电站是位于城市地区的室内系统，用于处理高负载密度。

与当前系统典型的0.5%精度水平相比，改进的信号处理技术使得下一代系统的精度能够达到0.1%以上——这一改进主要是通过使用高性能同步采样ADC（模数转换器）来实现的;它们提供了未来系统所需的分辨率和性能。

系统架构

图1显示了典型三相测量系统中的波形。每个电源相位由电流互感器（CT）和电压互感器（PT）表示。整个系统由三对这样的系统组成。系统在任何时刻的平均功率都是通过快速获取每个变压器输出的多个样本，对采样数据执行离散傅里叶变换（DFT）并执行必要的乘法和求和来计算的。

图1.典型三相系统中的波形。

该ADC采集32组3个CT和3个PT输出的同步采样，并将结果存储在RAM中。然后，系统计算所有六个输出的DFT，并以实数和虚部格式（A + jB）显示结果。每个变压器的幅度和相位信息可以计算如下：

以 A + jB 和 C + jD 作为 CT1 和 PT1 的实项和虚项，幅度 （M我） 和阶段 （P我） 是：

通过 PT1/CT1 对的功率为：

通过 PT2/CT2 和 PT3/CT3 的功率的类似计算得出 Ü2和 Ü3.系统中的总平均功率是通过将三个功率项相加来计算的：

该方法使用DFT和上述计算来确定单个频率下的系统功率。执行快速傅里叶变换 （FFT） 而不是 DFT 可提供谐波和其他更高频率分量的数据;这可以计算其他信息，例如系统损耗或不需要的噪声的影响。

系统要求

一个变电站可能包含数百个变压器。测量的电压和电流按比例缩放，变压器的±5 V或±10 V满量程输出范围表示的范围远大于电源线的满量程功率输出能力。通常，电源线（尤其是电流测量）将运行在该范围的5%以下，典型的变压器输出将位于±20 mV范围内。较大的信号很少发生;当他们这样做时，它们通常意味着系统故障。

精确测量这些小信号需要具有出色信噪比（S/N）的高分辨率ADC。所使用的多通道ADC还必须能够同时采样。目前可用的系统具有14位功能，例如，4通道AD7865 14位四通道ADC接受真双极性信号并提供80 dB SNR。然而，对更高性能的多通道ADC的需求日益增加，在10 kSPS的采样速率下具有16位分辨率。为了进行精确的三相电流和电压测量，ADC应该能够同时对六个通道进行采样，并且必须具有出色的SNR来测量小信号。在一个系统中使用多个ADC时，低功耗也很重要。

AD7656就是满足所有这些要求的器件的一个例子，它在单个封装中集成了6个低功耗16位、250 kSPS逐次逼近型ADC。如图2所示，AD7656采用工业CMOS（iCMOS）工艺制造，该工艺将高压器件与亚微米CMOS和互补的双极性技术相结合。我CMOS使各种能够高压工作的高性能模拟IC成为可能。与使用传统CMOS工艺的模拟IC不同，iCMOS元件可以轻松接受双极性输入信号，从而提供更高的性能并显著降低功耗和封装尺寸。®

图2.AD7656具有6个同步采样ADC、1个基准电压源、3个基准电压缓冲器和1个振荡器。

如图3所示，AD7656的SNR为86.6 dB，可提供测量变压器小交流输出所需的性能。其 250kSPS 更新速率有助于简化需要快速数据采集以进行实时 FFT 后处理的设计。它能够直接接受来自变压器的 ±5V 和 ±10V 输出，无需增益或电平转换，每个器件的最大功耗仅为 150mW。当电路板必须容纳许多ADC通道时，这是一个重要的考虑因素。由于某些系统要求一块板上有多达128个通道（多达22个六通道ADC），因此功耗可能是一个关键规格。

图3.峰峰值噪声是电力线监控应用中的关键规格。此处的AD7656在8192个样本中只有6个代码的峰峰值噪声。

超越 ADC

完整的电力线测量系统如图4所示。虽然ADC是系统的核心，但在设计高性能系统时还必须考虑许多其他因素。基准电压源和输入放大器对系统性能也至关重要，远程通信可能需要隔离。

图4.电力线监控系统。

ADC 基准电压源考虑因素

是使用ADC的内置基准电压源（适用于具有内部基准电压源的器件）还是外部基准电压源取决于系统要求。当在单个电路板上使用多个ADC时，外部基准电压源效果最佳，因为公共基准电压源可以消除器件间基准电压源之间的差异，从而利用比率特性。

通常，低漂移基准对于降低基准电压源对温度的敏感性也很重要。简单的计算有助于理解漂移的重要性，并决定是否使用内部基准电压源。具有10 V满量程输入的16位ADC的分辨率为152 μV。AD7656内部基准电压源的漂移规格最大值为25 ppm/°C（典型值为6 ppm/°C）。在 50°C 温度范围内，基准电压源漂移可能高达 1250 ppm;或约 12.5 mV。在漂移很重要的应用中，外部低漂移基准电压源（如ADR421 （1 ppm/°C））将是更好的选择。1 ppm/°C基准电压源在50°C温度范围内仅漂移0.5 mV。

放大器选择

为电力线监控应用选择放大器时要考虑的关键要求是低噪声和低失调。

驱动放大器产生的噪声必须保持在尽可能低的水平，以保持ADC的SNR和转换噪声性能。低噪声放大器也可用于测量小交流信号。放大器在整个温度范围内的总失调误差（包括漂移）应小于所需的分辨率。OP1177/OP2177/OP4177系列放大器兼具出色的噪声性能（8.5 nV/rtHz）和低失调漂移。例如，运算放大器OP1177的最大失调电压为60 μV，最大失调漂移为0.7 μV/°C。在50°C工作范围内，最大失调漂移为35 μV，因此失调和失调漂移引起的总误差将小于95 μV或0.0625 LSB。

对于电力线监控应用，功耗考虑因素可能很重要，尤其是当一块板上可以测量多达128个通道时。OP1177系列每个放大器的电源电流通常低于400 μA。

下表比较了用于电力线监控应用的一些推荐放大器。

 

部件号	噪声 （nV/rtHz）	失调电压，典型值 （mV）	失调电压，最大值 （mV）	电源电流（毫安）	包
OP4177	8.0	15	75	0.4	TSSOP， SOIC
ADA4004	1.8	40	125	1.7	LFCSP， SOIC
OP747	15	30	100	0.3	索伊克

 

ADC 电源生成

ADC需要模拟和数字电源。大多数系统具有 5V 数字电源，但许多系统没有 5V 模拟电源。由于对模拟和数字电路使用相同的电源可能会将不需要的噪声耦合到系统中，因此通常应避免这种做法。对于采用双极性±12 V电源的设计，可以使用ADP3330等低成本低压差稳压器（LDO）来生成高质量的3 V或5 V电源，在温度、负载和线路变化范围内精度为1.4%。

通信

单个变电站中的许多系统需要与远程主系统控制器通信，通常具有电气隔离。光耦合器解决方案及其LED和光电二极管现在正被我耦合器数字隔离器®，使用芯片级微变压器。i耦合器器件的数据速率比常用的高速光耦合器快2到4倍，功耗仅为1/50，散热也相应降低，可靠性更高，成本更低。除了这些优点外，该集成解决方案还减少了电路板空间并简化了布局。ADuM1402 4通道数字隔离器可处理高达100 MSPS的数据速率和高达2.5 kV的隔离。

RS-232通常用于连接多个系统，因此每个系统和总线之间的隔离至关重要。数字隔离器不支持RS-232标准，因此不能在收发器和电缆之间使用;相反，它们在收发器和本地系统之间使用。结合ADuM1402 i耦合器数字隔离器、ADM232L RS-232收发器和隔离电源，可消除接地环路，并提供有效的浪涌损坏保护。

对于采用RS-485协议的系统，可以使用ADM2486单芯片隔离式RS-485收发器（图5）。它可以支持高达 20 Mbps 的数据速率，并具有 2.5kV 隔离额定值。

图5.ADM2486是一款节省成本和空间的隔离式RS-485收发器。

信号处理

电力线监控应用需要数字信号处理（DSP）来执行复杂的数学计算。高性能、低成本、低功耗ADSP-BF531 Blackfin处理器非常适合执行这些复杂的DFT或FFT计算。

这款Blackfin处理器是一款高度集成的片上系统，包括一个CAN 2.0B控制器、一个TWI控制器、两个UART端口、一个SPI端口、两个串行端口（SPORT）、9个通用32位定时器（8个具有PWM功能）、一个实时时钟、一个看门狗定时器和一个并行外设接口（PPI）。这些外设提供了跨系统多个部件和接口进行通信所需的灵活性。

ADSP-BF536和ADSP-BF537等Blackfin处理器包括符合IEEE标准的802.3 10/100以太网MAC（媒体访问控制器）。这现在是许多电力线监控系统的标准要求。

实际设计注意事项

在设计印刷电路板时，应特别考虑ADC的位置和周围环境。模拟和数字电路应分开，并限制在电路板的某些区域。应至少使用一个接地层。避免在ADC下运行数字线路，因为它们会将噪声耦合到芯片上。应允许模拟接地层在AD7656下方运行，以避免噪声耦合。时钟和其他高速开关信号应用数字地屏蔽，以避免将噪声辐射到电路板的其他部分，并且它们不应在模拟信号路径附近运行。应避免数字和模拟信号的交叉。电路板不同但紧密层上的走线应彼此成直角，以减少馈通的影响。

ADC的电源线应使用尽可能大的走线，以提供低阻抗路径并减少电源线路上的毛刺影响。AD7656电源引脚和电路板上的电源走线之间应建立良好的连接;这应该涉及为每个电源引脚使用单个或多个过孔。良好的去耦对于降低AD7656的电源阻抗和减小电源尖峰幅度也很重要。并联去耦电容（通常为100 nF和10 μF）应放置在所有电源引脚上，靠近或理想情况下正靠这些引脚及其相应的接地引脚。

结论

全球电力需求的增加正在推动电力线和电力线变电站数量的增加。随着越来越多的自动化监控和故障检测系统的需求，趋势将是具有大量通道的系统。由于每个电路板上有多个ADC，因此有效利用电路板面积和功耗变得至关重要，因为系统设计人员试图降低成本，同时提高性能。

使用高性能ADC（如AD7656）可以实现更高的系统性能。凭借 6 通道和 16 位分辨率，其低功耗、高 SNR 和小封装相结合，可满足下一代电力线监控系统设计的需求。

审核编辑：郭婷