利用高性能、同步采样ADC，降低高级电力线监控的系统成本

不断增长的电力需求和对节能的关注正在推动对全球供电基础设施的投资增加。因此，先进的电力线监控系统已成为单相和多相应用的新“智能电网”的关键要素。随着系统性能要求越来越严格，设计人员正在转向用于电力线监控或多通道SCADA（监控和数据采集）系统的同步采样、多通道、高性能ADC。

介绍

先进的电力线监控系统将电源监控、负载平衡、保护和计量功能结合在一个系统中。这种方法允许电力公司更有效地提供电网电力，客户可以更有效地消耗电网电力。除了高效交付外，先进的电力线监控系统还可以预测维护需求;检测并响应故障情况;记录并允许动态负载平衡和节能;监测（和控制）电力输送质量;并帮助保护设备。

为了实现这些监控系统，需要ADC（模数转换器）来监控多相电压和电流。然而，为了满足各种标准的严格要求，并测量和优化功率因数损耗，这些转换器必须同步，以确保它们同时对三相（加中性线）进行采样。同步单个转换器可能很困难，因此供应商在单个封装中提供多个同时采样ADC。如果需要集成度更高的解决方案，另一种选择是将同时采样转换器集成到定制ASIC中。

性能测量 — 当地标准和国际要求

由于定义能源测量精度的国际标准各不相同，先进电力线监控系统的开发和广泛采用非常复杂。输送能量的测量特性必须符合当地标准或国际要求。欧盟（欧盟）标准EN 50160、IEC 62053和IEC 61850规定了用于电力系统监控和计量的现代多通道ADC系统所需的最低精度。电力线监控还受到与实时供电监控、故障检测和保护以及动态负载平衡相关的日益严格的精度要求的影响。例如，欧盟标准IEC 62053 0.2级（在全球范围内越来越多地用作通用标准）要求仪表精度为标称电流和电压的0.2%。对于功率因数精度测量，相位匹配应为0.1%或更好。

不仅规定了最低精度，而且国际和当地标准还规定了电力线监控和计量中使用的现代系统所需的采样率。现在需要对交流电源的多个高次谐波进行严格分析，并检测高速故障条件，例如瞬时尖峰和掉电。因此，这些应用通常需要在高达 90dB 的宽动态范围内以 16ksps 或更高的采样速率进行精确的同步多通道测量。

全球许多国家/地区都采用了欧盟标准的版本，因此这些标准是系统必须满足的测量要求的一个很好的例子。表1总结了EN 50160的要求。

 

电源电压现象	可接受的限制	测量间隔	监控周期	接受百分比 （%）
电网频率	49.5Hz 至 50.5Hz，47Hz 至 52Hz	10秒	1 周	95, 100
缓慢的电压变化	230V ±10%	10分	1 周	95
电压骤降或骤降（≤ 1分钟）	每年10至1000次（低于标称值的85%）	10毫秒	1 年	100
短暂中断（≤3分钟）	每年10至100次（低于标称值的1%）	10毫秒	1 年	100
意外、长时间中断（> 3 分钟）	每年10至50次（低于标称值的1%）	10毫秒	1 年	100
临时过压（线对地）	大多<1.5kV	10毫秒	—	100
瞬态过电压（线对地）	大多<6kV	—	—	100
电压不平衡	大多为2%，但偶尔为3%	10分	1 周	95
谐波电压	8% 总谐波失真	10分	1 周	95

 

对于谐波电压，EN 50160 要求测量高达 25千-50Hz/60Hz电压的阶谐波。但是，对于各种非线性负载，例如电感式电机和开关电源驱动器，必须对多达 127千-50Hz/60Hz电压电源的阶谐波。

同样重要的是要注意，IEC 61850等新兴标准建议记录电源系统瞬态事件，每个交流周期或更高周期有256个样本。

典型的电网监控应用

三相电源是全球标准，使用所谓的“星形连接”进行分配。术语“星形”是指三个电压，它们在相位上相互偏移三分之一的周期（3°）。第四根线或零线通常用于适应不平衡负载。如果三相中每一相的负载相等，则系统是平衡的，没有电流流过零线。典型的电网监控方案如图120所示。每相的功率（电压和电流）测量值由电流互感器（CT）和电压互感器（配电命名法中的电位变压器PT）获得。整个系统包括四个这样的对（三相中各一对加上中性线）。

图1.使用同步采样ADC的典型电网监控应用

如图1所示，ADC同时测量三相以及零线电压和电流。通过对采样和数字转换的数据进行数字处理，可以找到有功、无功、视在能和功率因数参数，并动态调整线路负载以校正功率因数。结果是提高了电源效率。对采样数据执行FFT（快速傅里叶变换）可以实现频率和谐波失真计量，同时突出显示系统损耗和无用噪声的影响等信息。

电源监控系统要求

功率监控设备必须测量采样率高达 60Hz × 256 个样本或大于 15，360sps（每秒样本）的瞬时电流和电压值，以满足标准的要求。这一要求以及对高达90dB精度的需求构成了选择系统中使用的ADC的基础。

ADC的电压测量动态范围可以根据要监控的最大和标称电压以及功率测量所需的精度计算得出。例如，如果设计必须测量标称电压测量值为1V，指定精度为5.1500%，则电压测量子系统的总动态范围至少需要：

20log （（1500/220） × 2000） = 83dB

注意：在所有这些计算中，假设所需的设计精度为0.05%，这优于标准的0.2%精度要求。此设计裕量用于确保符合标准。

电流检测要求也会影响ADC规格。如果功率监控的设计要求是典型的100A：10A（标称10A和最大值100A）和0.2类（0.2%），则电流测量子系统的总动态范围需要：

20log （（100/10） × 2000） = 86dB

这些示例清楚地表明，当今的ADC需要更高的性能。为了实现86dB的动态范围，采样速率为16ksps或更高的16位ADC是必不可少的。为确保精确的三相和中性星形系统电流和电压测量，ADC必须同时采样多达3个通道（<>个电压和<>个电流）。此外，校正电流和电压互感器引起的相移（或延迟）的能力对于试图测量和校正功率因数以最大限度地提高功率效率的系统至关重要。

模数转换器替代方案

在为电网监控应用选择合适的ADC时，设计人员必须超越采样速率和标准要求。如今，他们还必须考虑有效输入阻抗（Z在）、信号相位调整和小封装尺寸。鉴于这些众多的系统要求，设计人员正在转向用于电力线监控或多通道SCADA（监控和数据采集）系统的同步采样、多通道、高性能ADC。

几种ADC解决方案符合这些电网监控应用的严格标准。这些目标解决方案大多数是6通道、16位同步采样ADC，采样速率高达250ksps。

几家公司提供具有多达六个低功耗250ksps SAR（逐次逼近寄存器）型ADC的芯片。ADI公司提供MAX11046，在单个封装中集成16个高精度、低功耗、250位、11046ksps SAR ADC。MAX90可实现大于<>dB的信噪比。

有效输入阻抗 （Z在)

Z在由输入电容和采样频率决定：

Z在= 1/（C在×F样本)

其中 F样本是采样频率和C在= 15pF。

如果 ADC 具有高 Z在与MAX11046一样，它可以直接与电压和电流测量变压器连接。该接口通常无需外部精密仪表放大器或缓冲器。因此，该设计可节省系统成本、电路板面积和功耗。图2所示为基于MAX11046评估板的单相监测系统的应用示例，该板与电力线监测变压器相连。原理图显示了电力线变压器与同时采样、多通道数据转换器之间的简单成本和节省空间的接口。对于三相电源系统，该电路针对每相和中性线进行复制。

图2.ADI公司的MAX11046等多通道同时采样ADC简化了高级功率监控系统的设计。本例显示了单相监控解决方案。

信号相位调整

当高压通过变压器并过渡到较低电压时，会发生相移（或延迟）。这种延迟给电源管理或电源监控应用带来了重大问题。为了解决这个问题，设计人员可以在后端调整软件中的相位，也可以预先重新调整ADC内部的信号。纠偏电压和电流信号可以真实准确地测量星形配置中的功率因数。三相120°分离的相位偏移表示功率损失。一旦准确测量了功率因数，就可以对其进行校正，使电网效率呈指数级增长。

传统上，使用同时采样、多通道16位ADC的信号相位调整以数字方式解决，作为对ADC输出数据执行的后处理步骤。ADI公司的MAX11046高精度数据转换器以这种方式处理相位调整。使用这种ADC时，需要连续的软件开销来解决信号相位调整问题。

当今的一些ADC解决方案提供0至333μs的输入相位调整，每个通道的延迟可独立设置，步长为1.33μs。这种设计消除了上述软件开销。其中一种器件是24位、4通道MAX11040K-Σ-Δ型ADC，它提供这种能力，以及利用内置级联功能对多达32个通道进行高精度同步采样。每个通道包括一个可调采样相位，允许对输入端的外部变压器或滤波器引起的相移进行内部补偿。一个/SYNC输入允许使用一个远程时序源对多达<>个器件的转换时序进行周期性对齐。

小封装尺寸

在许多电网监控应用中，物理尺寸很重要。通常需要监控多条多相供电线路，特别是在配电中心。在检查ADC每通道实现方案消耗的电路板面积时，目前可用的解决方案存在差异。例如，MAX11040K方案使用15.9mm2每个渠道，不到其他供应商提供的解决方案面积的一半。

ADC的高封装密度允许在PCB上物理加载更多通道。这有助于最大限度地减小测量系统的整体尺寸、功耗和成本。

过压保护

优化的系统设计还必须防止系统故障因过载或其他线路干扰而发生。MAX11040K及其系列中的其它器件具有内置过压保护（类似于ESD保护），通过设置为6V的箝位二极管和内部逻辑电路，在检测到高电压时设置故障位。其他ADC供应商有自己的方法，但通常使用外部二极管保护。

检测电网短路和断开是许多使用ADC的保护系统的主要功能。通过查看来自ADC的数据来完成检测。继电器何时跳闸的标准很复杂，并且每个监控系统供应商都高度专有。尽管如此，人们普遍认为，在错误的情况下绊倒和在故障情况下不绊倒一样糟糕。

结论

不断增长的全球电力需求正在推动对供电基础设施或“智能电网”的快速投资。通过集成电源监控、动态负载平衡、保护和计量功能以及先进的电力线监控系统，公用事业公司（和客户）可以更有效地监控、输送、消耗和控制电网电力。

使这些电网监控系统的开发和广泛采用复杂化的是不同的标准和机构要求。EN 50160、IEC 62053 和 IEC 61850 标准等严格规范规定了实时供电监控、故障检测和保护以及动态负载平衡所需的精确能量测量、最低精度和采样率。这些标准要求为这种现代多通道ADC系统中使用的ADC创建了明确的标准。其他因素，包括有效输入阻抗（Z在）、信号相位调整和小封装尺寸也会影响ADC的选择。

当今的高性能同步采样ADC针对三相电源（加中性线）监控和测量系统进行了优化。这些器件是高密度设计的自然选择，这些设计需要提供高性能，同时降低总系统成本并最大限度地减少电路板面积。

审核编辑：郭婷