高级电力线监控需要高性能、同步采样ADC

本应用笔记解释了MAX11046等同步采样ADC如何用于高级电力线监测。本文通过采样介绍了交流功率测量的基础知识。它展示了一个典型的电网监控应用，并解释了国际标准如何影响监控系统要求。本文总结了MAX11046在电力线监测方面的独特优势，并提供了一个应用实例。

介绍

电能质量系统实时监控并记录电力公司多相馈电的三个相位中每个相位的电压和电流。这些监控和数据采集（SCADA）系统还可以监控零线上的电压和电流，从而检测不平衡的负载或频率谐波。此外，功率计量系统测量三相中每一相的均方根（RMS）电压和电流，以确定功耗。

先进的电力线监控系统将电能质量、监控保护和计量功能结合在一个系统中。这些系统使电力公司和客户能够执行预测性维护、管理能耗和成本、控制质量并保护其设备，所有这些系统现在都更高效地执行。

测量系统架构

图1通过对瞬时和平均用电量进行抽样计算，展示了交流功率测量的基本原理。图2显示了一个典型的电网监控应用。 图3所示的三相电源设计是指三个电压在相位上相互偏移2°，即一个周期的三分之一。第四根称为中性线用于适应不平衡的负载。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。

这种类型的三相电力系统是全世界的标准。它被称为星形连接，因为它出现在相量图上的方式。每个电源相位的测量值由电流互感器（CT）和电压互感器（PT）表示。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.通过采样测量交流功率的图示。

图2.典型的电网监控应用。星形设计是全世界的标准设计。

如图2所示，MAX11044/MAX11045/MAX11046同时测量三相、中性线电压和电流。通过对采样和数字转换的数据进行数字处理计算，可以找到有功、无功、视在能量和功率因数参数。频率和谐波失真计量可以通过对采样数据执行快速傅里叶变换（FFT）来实现。

输送能量的测量特性必须符合国际要求或当地标准。国际要求的一个例子是欧盟 （EU） 标准 EN 50160。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	监测周期（周）	接受百分比 （%）
电网频率	49.5Hz 至 50.5Hz，47Hz 至 52Hz	10	1	95, 100
缓慢的电压变化	230V ±10%	10分	1	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、长时间的中断（> 3 分钟）	每年10至50次（低于标称值的1%）	10毫秒	1 年	100
临时过电压（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	95
谐波电压	8% 总谐波失真 （THD）	10分	1	95

 

另一个欧盟标准IEC 62053要求能源计量设备的精度。它定义了四类仪表：2 类、1 类、0.5 类和 0.2 类。（例如，0.2 类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。

对于谐波电压，EN 50160 要求测量高达 25 次 50Hz/60Hz 电压的谐波。然而，荧光灯和开关电源等各种“非线性”负载的传播会驱动127Hz/50Hz电压高达60次谐波的测量。

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 256 个样本或更高。

基本 ADC 系统要求

EN 50160、IEC 62053 和 IEC 61850 等标准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和采样速率。

功率监控设备必须测量采样率高达 60Hz x 256 个样本或大于 15360sps 的瞬时电流和电压值。此外，功率监控应能够足够精确地测量功率，以适应IEC 62053标准要求。

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（参见表1和IEC 62053的评论）。例如，如果设计必须测量1.5kV （1500V）临时过压（在故障条件下），标称电压测量为220V，精度要求为0.2类（0.2%），则电压测量子系统的总动态范围需要：

20log （（1500/220） × 2000）） = 83dB

注意：在所有计算中，我们假设预期精度为0.05%，远低于标准的0.2%精度要求。

此外，电流检测要求也会影响ADC规格。如果电源监控的设计要求通常为100A：10A（标称10A，最大值为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

上述示例清楚地表明，ADC对更高性能的需求日益增加。如今，采样率为16ksps或更高的16位分辨率至关重要。为了确保精确的三相和中性星形系统电流和电压测量，ADC必须能够同时对3个通道（4个电压和4个电流）进行采样，并且必须具有86dB或更高的出色SNR。

MAX11046 ADC的电力线监测功能

MAX11046在单封装中包括16路同步采样、低功耗、250位、<>ksps、逐次逼近型ADC。它非常适合电力系统监控和测量应用：

±5V输入能力，仅采用+5V电源供电

MAX11046系列的高输入阻抗值以及自保护输入箝位允许直接连接低输出阻抗传感器，包括CT和PT测量变压器;无需外部缓冲器。

同步采样允许在每个线路相位上的电压和电流之间进行极其精确的角度测量。

图3总结了MAX11046的独特优势。

图3.描述MAX11046用于功率测量监测的独特功能。

图4所示为MAX11046评估（EV）板连接至电力线监控变压器时产生的应用示例。原理图显示了电力线变压器与MAX11046之间简单的成本和节省空间的接口。

左示波器图显示了来自紧凑型荧光灯泡的电流和电压，取自CT（电流）和PT（电压）变压器。此配置用作负载和测试示例。右边的软件图显示了数字化后CT和PT信号采集和重建的结果。

图4.

结论

不断增长的全球电力需求正在推动对供电基础设施的投资增加。这些新型供电系统的一个关键要素是多通道监控和数据采集（SCADA）系统，其中包括用于自动供电监控以及故障检测和保护的数字继电器。SCADA系统需要多通道高分辨率ADC，如MAX11046。

MAX11046提供最高效的16位、8通道同步采样，尺寸为8mm x 8mm。由于其高阻抗输入结构，它省去了外部缓冲器。该器件针对三相电源监控和测量系统进行了优化，是需要降低成本和电路板面积同时提高性能的高密度设计的自然选择。

审核编辑：郭婷