作者：Martin Mason Director，Precision ADC Maxim Integrated Products

1 引言

一個高級電力線監控系統通常由功率監測、負載均衡、保護以及表計功能組成，這一架構能夠使電力得到有效傳輸，用戶充分利用電力資源，保證電網的高效運轉。隨著電力的有效傳輸，高級電力線監測系統能夠預測電力需求、檢測并報告故障條件，還可以記錄、動態均衡負載以節省能源，監測（和控制）電力傳輸質量、協助保護設備。

為了實現這些系統監控功能，需要使用ADC （模/數轉換器）監測多相電壓和電流。此外，為了滿足各種標準的苛刻要求，測量并優化功率因數損耗，這些轉換器必須能夠同時同步采樣三個通道（以及零相通道）。考慮到對單個轉換器進行同步比較困難，廠商在單一封裝內集成了多路同時采樣ADC。如果需要更高集成度的方案，可以選擇定制ASIC同時采樣轉換器。

2 性能測試—當地標準與國際標準的要求

不同的國際標準對電能測量精度的規定不盡相同，這為電力線監控系統的開發帶來一定的難度，所設計的產品很難得到普遍認同。供電量的測量特性必須滿足當地標準或國際標準的規定。EU （歐共體）標準EN 50160、IEC 62053和IEC 61850對于現代電力監控系統使用的多通道ADC的精度給出了嚴格的下限要求。此外，電力線監控系統對于電力傳輸的實時監測精度的要求也越來越嚴格，而且需要完備的故障檢測和保護以及動態負載均衡功能。例如，EU標準IEC 62053 0.2類（被普遍作為一種全球性的公共標準）要求表計精度達到標稱電流和電壓的0.2%。為了精確測量功率因數，相位匹配度應該達到0.1%甚至更好。

國際標準和當地標準不僅給出了最低精度的要求，還給出了現代電力線監測和計量系統對于采樣速率的要求。要求對交流電源進行更加嚴格的高次諧波分析，快速檢測故障條件，例如，瞬間的電壓毛刺和電壓跌落故障。由此可見，這類應用需要在高達90dB的動態范圍內、以16ksps甚至更高的采樣速率，對多個通道進行高精度、同時測量。

目前，全球的許多國家已經采納了EU標準，因此，最好參考這些測量標準，將其作為系統必須滿足的指標。表1歸納了EN 50160的要求。對于諧波電壓，EN 50160要求能夠測量50Hz/60Hz電源電壓的25次諧波，而對于一些非線性負載，例如：感性電機和開關電源驅動器，則要求測量50Hz/60Hz電源電壓的127次諧波。另外，需要特別注意的是：IEC 61850等一些新興標準還建議記錄電力系統的瞬態事件，每個交流周期的采樣次數將達到256次甚至更高。

3 典型的電網監測系統

全球的3相電網的分布形式均采用所謂的“Y型連接”，“Y型”表示三路電壓彼此之間的相位偏差120°（一周的三分之一）。第4條線，零相，通常供給非平衡負載。如果三相中的每相負載保持均等，則系統保持均衡，沒有電流流入零相。典型的電網監測架構如圖1所示，每相功率（電壓和電流）可通過電流變壓器（CT）和電壓變壓器測量（電力分配系統也稱為電動勢變壓器，PT）。一個完整的系統應該包括四對線路（三相中的每相對應一對，零相對應一對）。

按照圖1所示，ADC同時測量三相和零相的電壓、電流，對采樣和經過數字轉換的數據進行數字處理后，可以得到有功功率、無功功率、視在功率、功率因數等參數，并且可以動態調節電力線負載，修正功率因數，從而提高供電效率。對采樣數據進行FFT （快速傅立葉變換）運算，可以測得頻率和諧波失真，確定系統損耗、噪聲影響等信息。

圖1. 典型的電網監測系統，采用同時采樣ADC。

4 電力監測系統的要求

電力監控設備必須能夠以高達60Hz x 256或高于15，360sps （每秒采樣數）的采樣率測量瞬態電流和電壓，以滿足標準要求。根據精度要求，系統中所使用的ADC的動態范圍需要達到90dB。

電壓測量ADC的動態范圍可以根據所監測的最大電壓和標稱電壓，按照功率測量的精度要求進行計算。例如，如果設計要求測量1.5kV （1500V）的臨時性過壓（低于故障條件），電源電壓標稱值為220V，精度指標要求達到0.2%，電壓測量子系統的總動態范圍至少為：

20log （（1500 ÷ 220） × 2000） = 83dB

注：所有計算中，假設設計精度要求為0.05%，優于精度為0.2%的標準要求。這一設計裕量可確保最終系統滿足標準要求。

電流檢測也會影響ADC的規格，如果電力監測系統設計要求達到典型值為100A:10A （10A標稱值、100A最大值）和0.2類（0.2%）規范要求，電流測量子系統的總動態范圍為：

20log （（100 ÷ 10） × 2000） = 86dB

從上述案例可以明確看出當前設計對高性能ADC的需求，對于86dB的動態范圍，需要采樣率為16ksps甚至更高采樣率的16位ADC。為了確保精確測量3相和零相Y型系統的電流和電壓，ADC必須能夠同時采樣多達八個通道（四路電壓、四路電流）。此外，還需要修正變壓器引入的電流、電壓的相位偏移（或延時），這一點對于測量并修正功率因數，有效提高供電效率的系統非常重要。

4.1 ADC選擇

為電網監測系統選擇正確的ADC時，設計人員必須了解采樣速率和標準要求。對于當前設計，他們還必須考慮其它因素，例如：有效輸入阻抗（ZIN）、信號相位調節、小尺寸封裝等。了解這些需求后，設計人員將注意力轉向支持多通道同時采樣的高性能ADC，用于電力線監控或多通道SCADA （管理控制和數據采集系統）。幾種ADC方案能夠滿足電網監測的苛刻要求，這些目標方案中的絕大多數是6通道、16位同時采樣ADC，采樣速率可達250ksps。

有些公司提供六通道、低功耗、250ksps SAR （逐次逼近寄存器）型ADC。Maxim提供的MAX11046*在單一芯片內集成了八路高精度、低功耗、16位、250ksps SAR ADC。MAX11046能夠達到高于90dB的信噪比。

4.2 有效輸入阻抗（ZIN）

ZIN由輸入電容和采樣頻率確定：

ZIN = 1/（CIN × FSAMPLE）

式中，FSAMPLE為采樣頻率，CIN = 15pF。

如果ADC具有較高的ZIN，如：MAX11046，則可直接連接到電壓和電流測量變壓器。這種連接省去了外部精密儀表放大器或緩沖器，從而有效降低系統成本、電路板面積以及系統功耗。圖2所示應用案例給出了基于MAX11046EV（評估）板的單相監控系統，連接到電力線監測變壓器。從結構圖可以看出：電力線變壓器與同時采樣、多通道數據轉換器之間的連接非常簡單，可有效節省成本和空間。對于三相供電系統，可以把該電路復制到三相的每一相以及零相。

4.3 信號相位調節

當高壓信號通過變壓器并瞬變到較低電壓時會產生一定的相差（或延時），該延時在電力管理或電網監控應用中造成比較嚴重的問題。為了解決這些問題，設計人員需要在后端通過軟件調節相位，或者在前端通過ADC重新調整信號，消除電壓和電流信號的偏差，以便在Y型配置下獲得真實的、精確的功率因數測量。三相電的相差偏離120°表示存在功率損耗，一旦精確測量到了功率因數，即可對其進行修正，使電網保持高效運轉。

傳統方案中，利用同時采樣、多通道、16位ADC解決信號相位調整問題時采用的是數字方式，對ADC輸出數據進行后續處理。Maxim的MAX11046即采用了這種方式，使用這種ADC，需要占用較大的軟件開銷調整信號相位。

目前新推出的一些ADC方案能夠獨立調節每個通道的輸入相位，可調節延時為0至333μs，調節步長為1.33μs。這種設計節省了上面提到的軟件開銷，MAX11040 24位、4通道、Σ-Δ ADC即采用了這一方案，采用級聯配置后能夠對最多32個通道進行高精度的同時采樣。每個通道所具備的可調節采樣相位功能能夠在內部補償外部變壓器或輸入濾波器產生的相差。/SYNC輸入可以利用遠端時鐘源周期性地同步多達八個器件的轉換時序。

圖2. MAX11046等多通道同時采樣ADC可有效簡化高級電網監測系統的設計，這里給出了一個單相監測方案的例子

4.4 小尺寸封裝

在許多電網監測應用中需要考慮物理尺寸問題，因為系統通常需要監測多路多相電源，特別是在電力分配中心。對于不同方案，ADC每個通道占用的電路板面積也不同，例如：MAX11040每個通道占用的面積是15.9mm2，尺寸只有其它廠商方案的一半。ADC較高的封裝密度允許在PCB板上容納更多通道，有助于減小整體測量系統的尺寸、功耗及成本。

4.5 過壓保護

優化系統設計還必須避免系統在過壓或其它電力線干擾下出現失效，MAX11040以及該系列的其它器件集成了過壓保護功能（類似于ESD保護），保護電路使用了6V鉗位二極管和內部邏輯電路，邏輯電路檢測到過壓時能夠將故障位置位。其它ADC供應商采用了自己的保戶架構，但多數需要使用外部二極管。

使用ADC時，檢測電網的短路和開路故障是這類保護系統最重要的功能。通過觀察ADC的數據進行檢測。制定在什么條件下觸發繼電保護是一個復雜問題，很大程度上取決于監測系統廠商。盡管如此，比較公認的一種看法是：故障條件下觸發繼電器保護與不觸發的結果同樣糟糕。

5 結論

人們對電力需求的增長使得電力傳輸基礎架構或“智能電網”的投資迅速增長，通過集成功率監測、負載均衡、保護以及表計功能，構建高級電力線監測系統，電力公司（和用戶）能夠更有效地監測、傳輸、使用并控制電網。

標準的多樣性以及不同企業提出的種種要求一方面增加了電網監測系統的開發難度，另一方面也需要這些設備得到更普遍的認可。一些較為嚴格的標準，例如：EN 50160、IEC 62053和IEC 61850，規定了較高的能量檢測精度，給出了嚴格的下限要求；這些標準還要求采樣速率滿足實時電力傳輸監測、故障檢測以及動態負載均衡的要求。標準為現代多通道監測系統所使用的ADC制定了嚴格、清晰的原則。其它考慮因素，包括：有效輸入阻抗（ZIN）、信號相位調節以及小尺寸封裝等，也會影響ADC的選擇。目前，高性能、同時采樣ADC通常針對三相電（和零相）的監測及測量系統進行優化，這些器件也成為高密度設計的首選方案，在提供高性能指標的同時還能夠降低整體系統的成本，使電路板面積最小。

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