先進的電力線監測需要高性能同時采樣ADC

引言

供電質量管理系統需要實時監測、記錄多相電網的三相電壓和電流，這些監控和數據采集(SCADA)系統還可以監控零相的電壓和電流，以檢測負載的不平衡性或頻率諧波。此外，功率測量系統對三相電中的每一相電壓、電流的均方根值(RMS)進行測量，由此決定功率損耗。

先進的電力線監測系統包括供電質量管理、監控與保護以及表計功能。這些系統能夠幫助電力部門和用戶進行前兆維護、管理能耗和成本、控制供電質量并為設備提供有效保護，所有這些嘗試的目的都是為了提高能效。

測量系統架構

圖1給出了交流電測量的基本原理，采樣并計算瞬時功率和平均功率。圖2所示為典型的電網監測應用，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，用于調整負載的不均衡。如果3相負載完全相同，系統達到平衡，此時將沒有電流流過零相線。

這種3相電力系統是全球的通用標準，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，一個完整系統包含四對信號(3相電的每相和零相各對應一對信號)。

圖1. 交流電測量中的數據采樣

圖2. 典型的電網監測應用，采用全球標準的Y型連接。

如圖2所示，MAX11044/MAX11045/MAX11046同時測量三相及零相電壓和電流。數字處理器對采樣數據進行處理，計算數字轉換數據、有功電能、無功電能、視在電能以及功率因數。對采樣數據進行快速傅立葉變換(FFT)可以進一步計算得到頻率和諧波失真。

傳輸能量的測量必須符合國際標準或當地標準的要求，例如，歐盟(EU)標準EN 50160即為一種通用的國際標準。表1總結了EN 50160的要求：

表1. EN 50160供電規格

IEC 62053是另一項EU標準，制定了高精度電表的規范。該規范定義了四級計量精度：2級、1級、0.5級和0.2級(例如，0.2級代表0.2%的標稱電流和電壓測量精度)。對于功率因數的測量精度，相位匹配度需要保持在0.1%或更高精度。

對于諧波電壓，EN 50160要求測量50Hz/60Hz電壓的25次諧波。然而，各種非線性負載(例如：熒光燈、開關電源等)會產生50Hz/60Hz電壓的127次諧波。

IEC 61850等新一代標準要求記錄電力系統的瞬態值，每交流周期提供256個(或更多個)采樣點。

對于ADC系統的基本要求

EN 50160、IEC 62053、IEC 61850等標準規定了用于電力監控和計量系統的多通道ADC的最低精度要求和采樣速率。

電網監控設備必須以高達60Hz x 256，或高于15360sps的采樣速率測量瞬態電流和電壓，另外，電網監測還需要滿足IEC 62053標準對電源測量精度的要求。

ADC的電壓測量動態范圍可以根據需要監測的最大電壓和標稱電壓以及對電源測量精度的要求(參見表1以及關于IEC 62053的注釋)進行計算。例如，如果設計要求測量1.5kV (1500V)的瞬態過壓(故障條件下)，標稱電壓為220V，精度要求為0.2級(0.2%)，則電壓測量子系統的總動態范圍為：

20log ((1500/220) × 2000)) = 83dB

注：為了滿足標準要求的0.2%精度，我們需要將所有計算精度控制在0.05%以內。

另外，對于電流測量的要求也會影響ADC的規格，如果設計對電源監測的要求是：100A:10A (10A標稱值，100A最大值)和0.2級(0.2%)，電流測量子系統的總動態范圍為：

20log ((100/10) × 2000)) = 86dB

從上述示例可以明顯看出系統要求較高動態范圍的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”型連接系統的電流、電壓測量精度，ADC必須能夠同時采樣八個通道(4路電壓和4路電流)，必須具有86dB甚至更高的SNR。

MAX11046 ADC的電力線監測能力

MAX11046在單芯片內集成了八路同時采樣、低功耗、16位、250ksps逐次逼近ADC，非常適合電力監測系統：

采用+5V單電源供電時能夠處理±5V輸入。
MAX11046的高輸入阻抗及其輸入鉗位自保護能力使其能夠與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總結了MAX11046的獨特優勢。

圖3. MAX11046在電網監測中的獨特優勢

圖4所示為MAX11046評估(EV)板與電力線監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，可有效節省成本和空間。

左側的示波器圖顯示的是一個日光燈的電流和電壓，信號取自CT (電流)和PT (電壓)變壓器，該配置可以作為一個負載或測試的例子。右側為CT、PT信號采集和重建數字信號的軟件繪圖。

詳細圖片(PDF, 759KB)
圖4.

結論

隨著人們對能源需求的增長，全球范圍內對電網基礎架構的投資也迅速增長。這些新型電力系統包含一個關鍵單元，即多通道監控和數據采集(SCADA)系統，需要自動監測供電系統并提供故障檢測和保護。SCADA系統需要一個類似于MAX11046的多通道、高分辨率ADC。

MAX11046提供最高效的16位、8通道同時采樣功能，采用8mm x 8mm封裝。由于器件的高阻輸入架構，省去了外部緩沖器。器件優化用于三相電網監控和測量系統，高密度設計在提高性能的同時有效降低了系統成本和電路板面積。