利用同步采樣ADC進(jìn)行高性能多通道電力線監(jiān)控

電力工業(yè)的迅速發(fā)展使全世界都需要加強(qiáng)現(xiàn)有的輸配電網(wǎng)絡(luò)，并建造新的變電站。微處理器技術(shù)的進(jìn)步和支持人員成本的增加是電力公司使用高精度集成自動化系統(tǒng)設(shè)計新的自動化高壓變電站的關(guān)鍵驅(qū)動力。

變電站根據(jù)電壓等級可分為兩類：高壓包括500 kV，330 kV和一些220 kV變電站，而220 kV終端變電站，110 kV和35 kV變電站被認(rèn)為是中壓或低壓。高壓（輸電）變電站是大型室外站點(diǎn)。低壓（配電）變電站是位于城市地區(qū)的室內(nèi)系統(tǒng)，用于處理高負(fù)載密度。

與當(dāng)前系統(tǒng)典型的0.5%精度水平相比，改進(jìn)的信號處理技術(shù)使得下一代系統(tǒng)的精度能夠達(dá)到0.1%以上——這一改進(jìn)主要是通過使用高性能同步采樣ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）來實(shí)現(xiàn)的;它們提供了未來系統(tǒng)所需的分辨率和性能。

系統(tǒng)架構(gòu)

圖1顯示了典型三相測量系統(tǒng)中的波形。每個電源相位由電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）表示。整個系統(tǒng)由三對這樣的系統(tǒng)組成。系統(tǒng)在任何時刻的平均功率都是通過快速獲取每個變壓器輸出的多個樣本，對采樣數(shù)據(jù)執(zhí)行離散傅里葉變換（DFT）并執(zhí)行必要的乘法和求和來計算的。

圖1.典型三相系統(tǒng)中的波形。

該ADC采集32組3個CT和3個PT輸出的同步采樣，并將結(jié)果存儲在RAM中。然后，系統(tǒng)計算所有六個輸出的DFT，并以實(shí)數(shù)和虛部格式（A + jB）顯示結(jié)果。每個變壓器的幅度和相位信息可以計算如下：

以 A + jB 和 C + jD 作為 CT1 和 PT1 的實(shí)項和虛項，幅度 （M我） 和階段 （P我） 是：

通過 PT1/CT1 對的功率為：

通過 PT2/CT2 和 PT3/CT3 的功率的類似計算得出 ü2和 ü3.系統(tǒng)中的總平均功率是通過將三個功率項相加來計算的：

該方法使用DFT和上述計算來確定單個頻率下的系統(tǒng)功率。執(zhí)行快速傅里葉變換 （FFT） 而不是 DFT 可提供諧波和其他更高頻率分量的數(shù)據(jù);這可以計算其他信息，例如系統(tǒng)損耗或不需要的噪聲的影響。

系統(tǒng)要求

一個變電站可能包含數(shù)百個變壓器。測量的電壓和電流按比例縮放，變壓器的±5 V或±10 V滿量程輸出范圍表示的范圍遠(yuǎn)大于電源線的滿量程功率輸出能力。通常，電源線（尤其是電流測量）將運(yùn)行在該范圍的5%以下，典型的變壓器輸出將位于±20 mV范圍內(nèi)。較大的信號很少發(fā)生;當(dāng)他們這樣做時，它們通常意味著系統(tǒng)故障。

精確測量這些小信號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還必須能夠同時采樣。目前可用的系統(tǒng)具有14位功能，例如，4通道AD7865 14位四通道ADC接受真雙極性信號并提供80 dB SNR。然而，對更高性能的多通道ADC的需求日益增加，在10 kSPS的采樣速率下具有16位分辨率。為了進(jìn)行精確的三相電流和電壓測量，ADC應(yīng)該能夠同時對六個通道進(jìn)行采樣，并且必須具有出色的SNR來測量小信號。在一個系統(tǒng)中使用多個ADC時，低功耗也很重要。

AD7656就是滿足所有這些要求的器件的一個例子，它在單個封裝中集成了6個低功耗16位、250 kSPS逐次逼近型ADC。如圖2所示，AD7656采用工業(yè)CMOS（iCMOS）工藝制造，該工藝將高壓器件與亞微米CMOS和互補(bǔ)的雙極性技術(shù)相結(jié)合。我CMOS使各種能夠高壓工作的高性能模擬IC成為可能。與使用傳統(tǒng)CMOS工藝的模擬IC不同，iCMOS元件可以輕松接受雙極性輸入信號，從而提供更高的性能并顯著降低功耗和封裝尺寸。?

圖2.AD7656具有6個同步采樣ADC、1個基準(zhǔn)電壓源、3個基準(zhǔn)電壓緩沖器和1個振蕩器。

如圖3所示，AD7656的SNR為86.6 dB，可提供測量變壓器小交流輸出所需的性能。其 250kSPS 更新速率有助于簡化需要快速數(shù)據(jù)采集以進(jìn)行實(shí)時 FFT 后處理的設(shè)計。它能夠直接接受來自變壓器的 ±5V 和 ±10V 輸出，無需增益或電平轉(zhuǎn)換，每個器件的最大功耗僅為 150mW。當(dāng)電路板必須容納許多ADC通道時，這是一個重要的考慮因素。由于某些系統(tǒng)要求一塊板上有多達(dá)128個通道（多達(dá)22個六通道ADC），因此功耗可能是一個關(guān)鍵規(guī)格。

圖3.峰峰值噪聲是電力線監(jiān)控應(yīng)用中的關(guān)鍵規(guī)格。此處的AD7656在8192個樣本中只有6個代碼的峰峰值噪聲。

超越 ADC

完整的電力線測量系統(tǒng)如圖4所示。雖然ADC是系統(tǒng)的核心，但在設(shè)計高性能系統(tǒng)時還必須考慮許多其他因素。基準(zhǔn)電壓源和輸入放大器對系統(tǒng)性能也至關(guān)重要，遠(yuǎn)程通信可能需要隔離。

圖4.電力線監(jiān)控系統(tǒng)。

ADC 基準(zhǔn)電壓源考慮因素

是使用ADC的內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源（適用于具有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源的器件）還是外部基準(zhǔn)電壓源取決于系統(tǒng)要求。當(dāng)在單個電路板上使用多個ADC時，外部基準(zhǔn)電壓源效果最佳，因為公共基準(zhǔn)電壓源可以消除器件間基準(zhǔn)電壓源之間的差異，從而利用比率特性。

通常，低漂移基準(zhǔn)對于降低基準(zhǔn)電壓源對溫度的敏感性也很重要。簡單的計算有助于理解漂移的重要性，并決定是否使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。具有10 V滿量程輸入的16位ADC的分辨率為152 μV。AD7656內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源的漂移規(guī)格最大值為25 ppm/°C（典型值為6 ppm/°C）。在 50°C 溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓源漂移可能高達(dá) 1250 ppm;或約 12.5 mV。在漂移很重要的應(yīng)用中，外部低漂移基準(zhǔn)電壓源（如ADR421 （1 ppm/°C））將是更好的選擇。1 ppm/°C基準(zhǔn)電壓源在50°C溫度范圍內(nèi)僅漂移0.5 mV。

放大器選擇

為電力線監(jiān)控應(yīng)用選擇放大器時要考慮的關(guān)鍵要求是低噪聲和低失調(diào)。

驅(qū)動放大器產(chǎn)生的噪聲必須保持在盡可能低的水平，以保持ADC的SNR和轉(zhuǎn)換噪聲性能。低噪聲放大器也可用于測量小交流信號。放大器在整個溫度范圍內(nèi)的總失調(diào)誤差（包括漂移）應(yīng)小于所需的分辨率。OP1177/OP2177/OP4177系列放大器兼具出色的噪聲性能（8.5 nV/rtHz）和低失調(diào)漂移。例如，運(yùn)算放大器OP1177的最大失調(diào)電壓為60 μV，最大失調(diào)漂移為0.7 μV/°C。在50°C工作范圍內(nèi)，最大失調(diào)漂移為35 μV，因此失調(diào)和失調(diào)漂移引起的總誤差將小于95 μV或0.0625 LSB。

對于電力線監(jiān)控應(yīng)用，功耗考慮因素可能很重要，尤其是當(dāng)一塊板上可以測量多達(dá)128個通道時。OP1177系列每個放大器的電源電流通常低于400 μA。

下表比較了用于電力線監(jiān)控應(yīng)用的一些推薦放大器。

ADC 電源生成

ADC需要模擬和數(shù)字電源。大多數(shù)系統(tǒng)具有 5V 數(shù)字電源，但許多系統(tǒng)沒有 5V 模擬電源。由于對模擬和數(shù)字電路使用相同的電源可能會將不需要的噪聲耦合到系統(tǒng)中，因此通常應(yīng)避免這種做法。對于采用雙極性±12 V電源的設(shè)計，可以使用ADP3330等低成本低壓差穩(wěn)壓器（LDO）來生成高質(zhì)量的3 V或5 V電源，在溫度、負(fù)載和線路變化范圍內(nèi)精度為1.4%。

通信

單個變電站中的許多系統(tǒng)需要與遠(yuǎn)程主系統(tǒng)控制器通信，通常具有電氣隔離。光耦合器解決方案及其LED和光電二極管現(xiàn)在正被我耦合器數(shù)字隔離器?，使用芯片級微變壓器。i耦合器器件的數(shù)據(jù)速率比常用的高速光耦合器快2到4倍，功耗僅為1/50，散熱也相應(yīng)降低，可靠性更高，成本更低。除了這些優(yōu)點(diǎn)外，該集成解決方案還減少了電路板空間并簡化了布局。ADuM1402 4通道數(shù)字隔離器可處理高達(dá)100 MSPS的數(shù)據(jù)速率和高達(dá)2.5 kV的隔離。

RS-232通常用于連接多個系統(tǒng)，因此每個系統(tǒng)和總線之間的隔離至關(guān)重要。數(shù)字隔離器不支持RS-232標(biāo)準(zhǔn)，因此不能在收發(fā)器和電纜之間使用;相反，它們在收發(fā)器和本地系統(tǒng)之間使用。結(jié)合ADuM1402 i耦合器數(shù)字隔離器、ADM232L RS-232收發(fā)器和隔離電源，可消除接地環(huán)路，并提供有效的浪涌損壞保護(hù)。

對于采用RS-485協(xié)議的系統(tǒng)，可以使用ADM2486單芯片隔離式RS-485收發(fā)器（圖5）。它可以支持高達(dá) 20 Mbps 的數(shù)據(jù)速率，并具有 2.5kV 隔離額定值。

圖5.ADM2486是一款節(jié)省成本和空間的隔離式RS-485收發(fā)器。

信號處理

電力線監(jiān)控應(yīng)用需要數(shù)字信號處理（DSP）來執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算。高性能、低成本、低功耗ADSP-BF531 Blackfin處理器非常適合執(zhí)行這些復(fù)雜的DFT或FFT計算。

這款Blackfin處理器是一款高度集成的片上系統(tǒng)，包括一個CAN 2.0B控制器、一個TWI控制器、兩個UART端口、一個SPI端口、兩個串行端口（SPORT）、9個通用32位定時器（8個具有PWM功能）、一個實(shí)時時鐘、一個看門狗定時器和一個并行外設(shè)接口（PPI）。這些外設(shè)提供了跨系統(tǒng)多個部件和接口進(jìn)行通信所需的靈活性。

ADSP-BF536和ADSP-BF537等Blackfin處理器包括符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)的802.3 10/100以太網(wǎng)MAC（媒體訪問控制器）。這現(xiàn)在是許多電力線監(jiān)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

實(shí)際設(shè)計注意事項

在設(shè)計印刷電路板時，應(yīng)特別考慮ADC的位置和周圍環(huán)境。模擬和數(shù)字電路應(yīng)分開，并限制在電路板的某些區(qū)域。應(yīng)至少使用一個接地層。避免在ADC下運(yùn)行數(shù)字線路，因為它們會將噪聲耦合到芯片上。應(yīng)允許模擬接地層在AD7656下方運(yùn)行，以避免噪聲耦合。時鐘和其他高速開關(guān)信號應(yīng)用數(shù)字地屏蔽，以避免將噪聲輻射到電路板的其他部分，并且它們不應(yīng)在模擬信號路徑附近運(yùn)行。應(yīng)避免數(shù)字和模擬信號的交叉。電路板不同但緊密層上的走線應(yīng)彼此成直角，以減少饋通的影響。

ADC的電源線應(yīng)使用盡可能大的走線，以提供低阻抗路徑并減少電源線路上的毛刺影響。AD7656電源引腳和電路板上的電源走線之間應(yīng)建立良好的連接;這應(yīng)該涉及為每個電源引腳使用單個或多個過孔。良好的去耦對于降低AD7656的電源阻抗和減小電源尖峰幅度也很重要。并聯(lián)去耦電容（通常為100 nF和10 μF）應(yīng)放置在所有電源引腳上，靠近或理想情況下正靠這些引腳及其相應(yīng)的接地引腳。

結(jié)論

全球電力需求的增加正在推動電力線和電力線變電站數(shù)量的增加。隨著越來越多的自動化監(jiān)控和故障檢測系統(tǒng)的需求，趨勢將是具有大量通道的系統(tǒng)。由于每個電路板上有多個ADC，因此有效利用電路板面積和功耗變得至關(guān)重要，因為系統(tǒng)設(shè)計人員試圖降低成本，同時提高性能。

使用高性能ADC（如AD7656）可以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)性能。憑借 6 通道和 16 位分辨率，其低功耗、高 SNR 和小封裝相結(jié)合，可滿足下一代電力線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的需求。

審核編輯：郭婷