高級電力線監(jiān)控需要高性能、同步采樣ADC

本應(yīng)用筆記解釋了MAX11046等同步采樣ADC如何用于高級電力線監(jiān)測。本文通過采樣介紹了交流功率測量的基礎(chǔ)知識。它展示了一個典型的電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用，并解釋了國際標準如何影響監(jiān)控系統(tǒng)要求。本文總結(jié)了MAX11046在電力線監(jiān)測方面的獨特優(yōu)勢，并提供了一個應(yīng)用實例。

介紹

電能質(zhì)量系統(tǒng)實時監(jiān)控并記錄電力公司多相饋電的三個相位中每個相位的電壓和電流。這些監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)還可以監(jiān)控零線上的電壓和電流，從而檢測不平衡的負載或頻率諧波。此外，功率計量系統(tǒng)測量三相中每一相的均方根（RMS）電壓和電流，以確定功耗。

先進的電力線監(jiān)控系統(tǒng)將電能質(zhì)量、監(jiān)控保護和計量功能結(jié)合在一個系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)使電力公司和客戶能夠執(zhí)行預(yù)測性維護、管理能耗和成本、控制質(zhì)量并保護其設(shè)備，所有這些系統(tǒng)現(xiàn)在都更高效地執(zhí)行。

測量系統(tǒng)架構(gòu)

圖1通過對瞬時和平均用電量進行抽樣計算，展示了交流功率測量的基本原理。圖2顯示了一個典型的電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用。 圖3所示的三相電源設(shè)計是指三個電壓在相位上相互偏移2°，即一個周期的三分之一。第四根稱為中性線用于適應(yīng)不平衡的負載。如果三相中每一相的負載相等，則系統(tǒng)是平衡的，沒有電流流過零線。

這種類型的三相電力系統(tǒng)是全世界的標準。它被稱為星形連接，因為它出現(xiàn)在相量圖上的方式。每個電源相位的測量值由電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）表示。整個系統(tǒng)包括四個這樣的對（三相中各一對加上中性線）。

圖1.通過采樣測量交流功率的圖示。

圖2.典型的電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用。星形設(shè)計是全世界的標準設(shè)計。

如圖2所示，MAX11044/MAX11045/MAX11046同時測量三相、中性線電壓和電流。通過對采樣和數(shù)字轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行數(shù)字處理計算，可以找到有功、無功、視在能量和功率因數(shù)參數(shù)。頻率和諧波失真計量可以通過對采樣數(shù)據(jù)執(zhí)行快速傅里葉變換（FFT）來實現(xiàn)。

輸送能量的測量特性必須符合國際要求或當?shù)貥藴?。國際要求的一個例子是歐盟 （EU） 標準 EN 50160。表1總結(jié)了EN 50160的要求：

另一個歐盟標準IEC 62053要求能源計量設(shè)備的精度。它定義了四類儀表：2 類、1 類、0.5 類和 0.2 類。（例如，0.2 類要求儀表精度為標稱電流和電壓的 0.2%）。對于功率因數(shù)精度測量，相位匹配應(yīng)為0.1%或更好。

對于諧波電壓，EN 50160 要求測量高達 25 次 50Hz/60Hz 電壓的諧波。然而，熒光燈和開關(guān)電源等各種“非線性”負載的傳播會驅(qū)動127Hz/50Hz電壓高達60次諧波的測量。

IEC 61850 等新興標準建議記錄電源系統(tǒng)瞬態(tài)事件，每個交流周期 256 個樣本或更高。

基本 ADC 系統(tǒng)要求

EN 50160、IEC 62053 和 IEC 61850 等標準規(guī)定了用于電力系統(tǒng)監(jiān)控和計量的現(xiàn)代多通道 ADC 系統(tǒng)所需的最低精度和采樣速率。

功率監(jiān)控設(shè)備必須測量采樣率高達 60Hz x 256 個樣本或大于 15360sps 的瞬時電流和電壓值。此外，功率監(jiān)控應(yīng)能夠足夠精確地測量功率，以適應(yīng)IEC 62053標準要求。

ADC的電壓測量動態(tài)范圍可以根據(jù)要監(jiān)控的最大和標稱電壓以及功率測量所需的精度計算得出（參見表1和IEC 62053的評論）。例如，如果設(shè)計必須測量1.5kV （1500V）臨時過壓（在故障條件下），標稱電壓測量為220V，精度要求為0.2類（0.2%），則電壓測量子系統(tǒng)的總動態(tài)范圍需要：

20log （（1500/220） × 2000）） = 83dB

注意：在所有計算中，我們假設(shè)預(yù)期精度為0.05%，遠低于標準的0.2%精度要求。

此外，電流檢測要求也會影響ADC規(guī)格。如果電源監(jiān)控的設(shè)計要求通常為100A：10A（標稱10A，最大值為100A）和0.2類（0.2%），則電流測量子系統(tǒng)的總動態(tài)范圍需要：

20log （（100/10） × 2000）） = 86dB

上述示例清楚地表明，ADC對更高性能的需求日益增加。如今，采樣率為16ksps或更高的16位分辨率至關(guān)重要。為了確保精確的三相和中性星形系統(tǒng)電流和電壓測量，ADC必須能夠同時對3個通道（4個電壓和4個電流）進行采樣，并且必須具有86dB或更高的出色SNR。

MAX11046 ADC的電力線監(jiān)測功能

MAX11046在單封裝中包括16路同步采樣、低功耗、250位、<>ksps、逐次逼近型ADC。它非常適合電力系統(tǒng)監(jiān)控和測量應(yīng)用：

±5V輸入能力，僅采用+5V電源供電

MAX11046系列的高輸入阻抗值以及自保護輸入箝位允許直接連接低輸出阻抗傳感器，包括CT和PT測量變壓器;無需外部緩沖器。

同步采樣允許在每個線路相位上的電壓和電流之間進行極其精確的角度測量。

圖3總結(jié)了MAX11046的獨特優(yōu)勢。

圖3.描述MAX11046用于功率測量監(jiān)測的獨特功能。

圖4所示為MAX11046評估（EV）板連接至電力線監(jiān)控變壓器時產(chǎn)生的應(yīng)用示例。原理圖顯示了電力線變壓器與MAX11046之間簡單的成本和節(jié)省空間的接口。

左示波器圖顯示了來自緊湊型熒光燈泡的電流和電壓，取自CT（電流）和PT（電壓）變壓器。此配置用作負載和測試示例。右邊的軟件圖顯示了數(shù)字化后CT和PT信號采集和重建的結(jié)果。

圖4.

結(jié)論

不斷增長的全球電力需求正在推動對供電基礎(chǔ)設(shè)施的投資增加。這些新型供電系統(tǒng)的一個關(guān)鍵要素是多通道監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)，其中包括用于自動供電監(jiān)控以及故障檢測和保護的數(shù)字繼電器。SCADA系統(tǒng)需要多通道高分辨率ADC，如MAX11046。

MAX11046提供最高效的16位、8通道同步采樣，尺寸為8mm x 8mm。由于其高阻抗輸入結(jié)構(gòu)，它省去了外部緩沖器。該器件針對三相電源監(jiān)控和測量系統(tǒng)進行了優(yōu)化，是需要降低成本和電路板面積同時提高性能的高密度設(shè)計的自然選擇。

審核編輯：郭婷