利用高性能、同步采樣ADC，降低高級電力線監控的系統成本

不斷增長的電力需求和對節能的關注正在推動對全球供電基礎設施的投資增加。因此，先進的電力線監控系統已成為單相和多相應用的新“智能電網”的關鍵要素。隨著系統性能要求越來越嚴格，設計人員正在轉向用于電力線監控或多通道SCADA（監控和數據采集）系統的同步采樣、多通道、高性能ADC。

介紹

先進的電力線監控系統將電源監控、負載平衡、保護和計量功能結合在一個系統中。這種方法允許電力公司更有效地提供電網電力，客戶可以更有效地消耗電網電力。除了高效交付外，先進的電力線監控系統還可以預測維護需求;檢測并響應故障情況;記錄并允許動態負載平衡和節能;監測（和控制）電力輸送質量;并幫助保護設備。

為了實現這些監控系統，需要ADC（模數轉換器）來監控多相電壓和電流。然而，為了滿足各種標準的嚴格要求，并測量和優化功率因數損耗，這些轉換器必須同步，以確保它們同時對三相（加中性線）進行采樣。同步單個轉換器可能很困難，因此供應商在單個封裝中提供多個同時采樣ADC。如果需要集成度更高的解決方案，另一種選擇是將同時采樣轉換器集成到定制ASIC中。

性能測量 — 當地標準和國際要求

由于定義能源測量精度的國際標準各不相同，先進電力線監控系統的開發和廣泛采用非常復雜。輸送能量的測量特性必須符合當地標準或國際要求。歐盟（歐盟）標準EN 50160、IEC 62053和IEC 61850規定了用于電力系統監控和計量的現代多通道ADC系統所需的最低精度。電力線監控還受到與實時供電監控、故障檢測和保護以及動態負載平衡相關的日益嚴格的精度要求的影響。例如，歐盟標準IEC 62053 0.2級（在全球范圍內越來越多地用作通用標準）要求儀表精度為標稱電流和電壓的0.2%。對于功率因數精度測量，相位匹配應為0.1%或更好。

不僅規定了最低精度，而且國際和當地標準還規定了電力線監控和計量中使用的現代系統所需的采樣率?，F在需要對交流電源的多個高次諧波進行嚴格分析，并檢測高速故障條件，例如瞬時尖峰和掉電。因此，這些應用通常需要在高達 90dB 的寬動態范圍內以 16ksps 或更高的采樣速率進行精確的同步多通道測量。

全球許多國家/地區都采用了歐盟標準的版本，因此這些標準是系統必須滿足的測量要求的一個很好的例子。表1總結了EN 50160的要求。

對于諧波電壓，EN 50160 要求測量高達 25千-50Hz/60Hz電壓的階諧波。但是，對于各種非線性負載，例如電感式電機和開關電源驅動器，必須對多達 127千-50Hz/60Hz電壓電源的階諧波。

同樣重要的是要注意，IEC 61850等新興標準建議記錄電源系統瞬態事件，每個交流周期或更高周期有256個樣本。

典型的電網監控應用

三相電源是全球標準，使用所謂的“星形連接”進行分配。術語“星形”是指三個電壓，它們在相位上相互偏移三分之一的周期（3°）。第四根線或零線通常用于適應不平衡負載。如果三相中每一相的負載相等，則系統是平衡的，沒有電流流過零線。典型的電網監控方案如圖120所示。每相的功率（電壓和電流）測量值由電流互感器（CT）和電壓互感器（配電命名法中的電位變壓器PT）獲得。整個系統包括四個這樣的對（三相中各一對加上中性線）。

圖1.使用同步采樣ADC的典型電網監控應用

如圖1所示，ADC同時測量三相以及零線電壓和電流。通過對采樣和數字轉換的數據進行數字處理，可以找到有功、無功、視在能和功率因數參數，并動態調整線路負載以校正功率因數。結果是提高了電源效率。對采樣數據執行FFT（快速傅里葉變換）可以實現頻率和諧波失真計量，同時突出顯示系統損耗和無用噪聲的影響等信息。

電源監控系統要求

功率監控設備必須測量采樣率高達 60Hz × 256 個樣本或大于 15，360sps（每秒樣本）的瞬時電流和電壓值，以滿足標準的要求。這一要求以及對高達90dB精度的需求構成了選擇系統中使用的ADC的基礎。

ADC的電壓測量動態范圍可以根據要監控的最大和標稱電壓以及功率測量所需的精度計算得出。例如，如果設計必須測量標稱電壓測量值為1V，指定精度為5.1500%，則電壓測量子系統的總動態范圍至少需要：

20log （（1500/220） × 2000） = 83dB

注意：在所有這些計算中，假設所需的設計精度為0.05%，這優于標準的0.2%精度要求。此設計裕量用于確保符合標準。

電流檢測要求也會影響ADC規格。如果功率監控的設計要求是典型的100A：10A（標稱10A和最大值100A）和0.2類（0.2%），則電流測量子系統的總動態范圍需要：

20log （（100/10） × 2000） = 86dB

這些示例清楚地表明，當今的ADC需要更高的性能。為了實現86dB的動態范圍，采樣速率為16ksps或更高的16位ADC是必不可少的。為確保精確的三相和中性星形系統電流和電壓測量，ADC必須同時采樣多達3個通道（<>個電壓和<>個電流）。此外，校正電流和電壓互感器引起的相移（或延遲）的能力對于試圖測量和校正功率因數以最大限度地提高功率效率的系統至關重要。

模數轉換器替代方案

在為電網監控應用選擇合適的ADC時，設計人員必須超越采樣速率和標準要求。如今，他們還必須考慮有效輸入阻抗（Z在）、信號相位調整和小封裝尺寸。鑒于這些眾多的系統要求，設計人員正在轉向用于電力線監控或多通道SCADA（監控和數據采集）系統的同步采樣、多通道、高性能ADC。

幾種ADC解決方案符合這些電網監控應用的嚴格標準。這些目標解決方案大多數是6通道、16位同步采樣ADC，采樣速率高達250ksps。

幾家公司提供具有多達六個低功耗250ksps SAR（逐次逼近寄存器）型ADC的芯片。ADI公司提供MAX11046，在單個封裝中集成16個高精度、低功耗、250位、11046ksps SAR ADC。MAX90可實現大于<>dB的信噪比。

有效輸入阻抗 （Z在)

Z在由輸入電容和采樣頻率決定：

Z在= 1/（C在×F樣本)

其中 F樣本是采樣頻率和C在= 15pF。

如果 ADC 具有高 Z在與MAX11046一樣，它可以直接與電壓和電流測量變壓器連接。該接口通常無需外部精密儀表放大器或緩沖器。因此，該設計可節省系統成本、電路板面積和功耗。圖2所示為基于MAX11046評估板的單相監測系統的應用示例，該板與電力線監測變壓器相連。原理圖顯示了電力線變壓器與同時采樣、多通道數據轉換器之間的簡單成本和節省空間的接口。對于三相電源系統，該電路針對每相和中性線進行復制。

圖2.ADI公司的MAX11046等多通道同時采樣ADC簡化了高級功率監控系統的設計。本例顯示了單相監控解決方案。

信號相位調整

當高壓通過變壓器并過渡到較低電壓時，會發生相移（或延遲）。這種延遲給電源管理或電源監控應用帶來了重大問題。為了解決這個問題，設計人員可以在后端調整軟件中的相位，也可以預先重新調整ADC內部的信號。糾偏電壓和電流信號可以真實準確地測量星形配置中的功率因數。三相120°分離的相位偏移表示功率損失。一旦準確測量了功率因數，就可以對其進行校正，使電網效率呈指數級增長。

傳統上，使用同時采樣、多通道16位ADC的信號相位調整以數字方式解決，作為對ADC輸出數據執行的后處理步驟。ADI公司的MAX11046高精度數據轉換器以這種方式處理相位調整。使用這種ADC時，需要連續的軟件開銷來解決信號相位調整問題。

當今的一些ADC解決方案提供0至333μs的輸入相位調整，每個通道的延遲可獨立設置，步長為1.33μs。這種設計消除了上述軟件開銷。其中一種器件是24位、4通道MAX11040K-Σ-Δ型ADC，它提供這種能力，以及利用內置級聯功能對多達32個通道進行高精度同步采樣。每個通道包括一個可調采樣相位，允許對輸入端的外部變壓器或濾波器引起的相移進行內部補償。一個/SYNC輸入允許使用一個遠程時序源對多達<>個器件的轉換時序進行周期性對齊。

小封裝尺寸

在許多電網監控應用中，物理尺寸很重要。通常需要監控多條多相供電線路，特別是在配電中心。在檢查ADC每通道實現方案消耗的電路板面積時，目前可用的解決方案存在差異。例如，MAX11040K方案使用15.9mm2每個渠道，不到其他供應商提供的解決方案面積的一半。

ADC的高封裝密度允許在PCB上物理加載更多通道。這有助于最大限度地減小測量系統的整體尺寸、功耗和成本。

過壓保護

優化的系統設計還必須防止系統故障因過載或其他線路干擾而發生。MAX11040K及其系列中的其它器件具有內置過壓保護（類似于ESD保護），通過設置為6V的箝位二極管和內部邏輯電路，在檢測到高電壓時設置故障位。其他ADC供應商有自己的方法，但通常使用外部二極管保護。

檢測電網短路和斷開是許多使用ADC的保護系統的主要功能。通過查看來自ADC的數據來完成檢測。繼電器何時跳閘的標準很復雜，并且每個監控系統供應商都高度專有。盡管如此，人們普遍認為，在錯誤的情況下絆倒和在故障情況下不絆倒一樣糟糕。

結論

不斷增長的全球電力需求正在推動對供電基礎設施或“智能電網”的快速投資。通過集成電源監控、動態負載平衡、保護和計量功能以及先進的電力線監控系統，公用事業公司（和客戶）可以更有效地監控、輸送、消耗和控制電網電力。

使這些電網監控系統的開發和廣泛采用復雜化的是不同的標準和機構要求。EN 50160、IEC 62053 和 IEC 61850 標準等嚴格規范規定了實時供電監控、故障檢測和保護以及動態負載平衡所需的精確能量測量、最低精度和采樣率。這些標準要求為這種現代多通道ADC系統中使用的ADC創建了明確的標準。其他因素，包括有效輸入阻抗（Z在）、信號相位調整和小封裝尺寸也會影響ADC的選擇。

當今的高性能同步采樣ADC針對三相電源（加中性線）監控和測量系統進行了優化。這些器件是高密度設計的自然選擇，這些設計需要提供高性能，同時降低總系統成本并最大限度地減少電路板面積。

審核編輯：郭婷