利用高性能ADC降低高级电力线监测系统的成本

1 引言

一个高级电力线监控系统通常由功率监测、负载均衡、保护以及表计功能组成，这一架构能够使电力得到有效传输，用户充分利用电力资源，保证电网的高效运转。随着电力的有效传输，高级电力线监测系统能够预测电力需求、检测并报告故障条件，还可以记录、动态均衡负载以节省能源，监测(和控制)电力传输质量、协助保护设备。

为了实现这些系统监控功能，需要使用ADC (模/数转换器)监测多相电压和电流。此外，为了满足各种标准的苛刻要求，测量并优化功率因数损耗，这些转换器必须能够同时同步采样三个通道(以及零相通道)。考虑到对单个转换器进行同步比较困难，厂商在单一封装内集成了多路同时采样ADC。如果需要更高集成度的方案，可以选择定制ASIC同时采样转换器。

2 性能测试—当地标准与国际标准的要求

不同的国际标准对电能测量精度的规定不尽相同，这为电力线监控系统的开发带来一定的难度，所设计的产品很难得到普遍认同。供电量的测量特性必须满足当地标准或国际标准的规定。EU (欧共体)标准EN 50160、IEC 62053和IEC 61850对于现代电力监控系统使用的多通道ADC的精度给出了严格的下限要求。此外，电力线监控系统对于电力传输的实时监测精度的要求也越来越严格，而且需要完备的故障检测和保护以及动态负载均衡功能。例如，EU标准IEC 62053 0.2类(被普遍作为一种全球性的公共标准)要求表计精度达到标称电流和电压的0.2%。为了精确测量功率因数，相位匹配度应该达到0.1%甚至更好。

国际标准和当地标准不仅给出了最低精度的要求，还给出了现代电力线监测和计量系统对于采样速率的要求。要求对交流电源进行更加严格的高次谐波分析，快速检测故障条件，例如，瞬间的电压毛刺和电压跌落故障。由此可见，这类应用需要在高达90dB的动态范围内、以16ksps甚至更高的采样速率，对多个通道进行高精度、同时测量。

目前，全球的许多国家已经采纳了EU标准，因此，最好参考这些测量标准，将其作为系统必须满足的指标。表1归纳了EN 50160的要求。对于谐波电压，EN 50160要求能够测量50Hz/60Hz电源电压的25次谐波，而对于一些非线性负载，例如：感性电机和开关电源驱动器，则要求测量50Hz/60Hz电源电压的127次谐波。另外，需要特别注意的是：IEC 61850等一些新兴标准还建议记录电力系统的瞬态事件，每个交流周期的采样次数将达到256次甚至更高。

3 典型的电网监测系统

全球的3相电网的分布形式均采用所谓的“Y型连接”，“Y型”表示三路电压彼此之间的相位偏差120°(一周的三分之一)。第4条线，零相，通常供给非平衡负载。如果三相中的每相负载保持均等，则系统保持均衡，没有电流流入零相。典型的电网监测架构如图1所示，每相功率(电压和电流)可通过电流变压器(CT)和电压变压器测量(电力分配系统也称为电动势变压器，PT)。一个完整的系统应该包括四对线路(三相中的每相对应一对，零相对应一对)。

按照图1所示，ADC同时测量三相和零相的电压、电流，对采样和经过数字转换的数据进行数字处理后，可以得到有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等参数，并且可以动态调节电力线负载，修正功率因数，从而提高供电效率。对采样数据进行FFT (快速傅立叶变换)运算，可以测得频率和谐波失真，确定系统损耗、噪声影响等信息。

图1. 典型的电网监测系统，采用同时采样ADC。

4 电力监测系统的要求

电力监控设备必须能够以高达60Hz x 256或高于15,360sps (每秒采样数)的采样率测量瞬态电流和电压，以满足标准要求。根据精度要求，系统中所使用的ADC的动态范围需要达到90dB。

电压测量ADC的动态范围可以根据所监测的最大电压和标称电压，按照功率测量的精度要求进行计算。例如，如果设计要求测量1.5kV (1500V)的临时性过压(低于故障条件)，电源电压标称值为220V，精度指标要求达到0.2%，电压测量子系统的总动态范围至少为：

20log ((1500 ÷ 220) × 2000) = 83dB

注：所有计算中，假设设计精度要求为0.05%，优于精度为0.2%的标准要求。这一设计裕量可确保最终系统满足标准要求。

电流检测也会影响ADC的规格，如果电力监测系统设计要求达到典型值为100A:10A (10A标称值、100A最大值)和0.2类(0.2%)规范要求，电流测量子系统的总动态范围为：

20log ((100 ÷ 10) × 2000) = 86dB

从上述案例可以明确看出当前设计对高性能ADC的需求，对于86dB的动态范围，需要采样率为16ksps甚至更高采样率的16位ADC。为了确保精确测量3相和零相Y型系统的电流和电压，ADC必须能够同时采样多达八个通道(四路电压、四路电流)。此外，还需要修正变压器引入的电流、电压的相位偏移(或延时)，这一点对于测量并修正功率因数，有效提高供电效率的系统非常重要。