利用高性能ADC降低高级电力线监测系统的成本

4.1 ADC选择

为电网监测系统选择正确的ADC时，设计人员必须了解采样速率和标准要求。对于当前设计，他们还必须考虑其它因素，例如：有效输入阻抗(ZIN)、信号相位调节、小尺寸封装等。了解这些需求后，设计人员将注意力转向支持多通道同时采样的高性能ADC，用于电力线监控或多通道SCADA (管理控制和数据采集系统)。几种ADC方案能够满足电网监测的苛刻要求，这些目标方案中的绝大多数是6通道、16位同时采样ADC，采样速率可达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*在单一芯片内集成了八路高精度、低功耗、16位、250ksps SAR ADC。MAX11046能够达到高于90dB的信噪比。

4.2 有效输入阻抗(ZIN)

ZIN由输入电容和采样频率确定：

ZIN = 1/(CIN × FSAMPLE)

式中，FSAMPLE为采样频率，CIN = 15pF。

如果ADC具有较高的ZIN，如：MAX11046，则可直接连接到电压和电流测量变压器。这种连接省去了外部精密仪表放大器或缓冲器，从而有效降低系统成本、电路板面积以及系统功耗。图2所示应用案例给出了基于MAX11046EV(评估)板的单相监控系统，连接到电力线监测变压器。从结构图可以看出：电力线变压器与同时采样、多通道数据转换器之间的连接非常简单，可有效节省成本和空间。对于三相供电系统，可以把该电路复制到三相的每一相以及零相。

4.3 信号相位调节

当高压信号通过变压器并瞬变到较低电压时会产生一定的相差(或延时)，该延时在电力管理或电网监控应用中造成比较严重的问题。为了解决这些问题，设计人员需要在后端通过软件调节相位，或者在前端通过ADC重新调整信号，消除电压和电流信号的偏差，以便在Y型配置下获得真实的、精确的功率因数测量。三相电的相差偏离120°表示存在功率损耗，一旦精确测量到了功率因数，即可对其进行修正，使电网保持高效运转。

传统方案中，利用同时采样、多通道、16位ADC解决信号相位调整问题时采用的是数字方式，对ADC输出数据进行后续处理。Maxim的MAX11046即采用了这种方式，使用这种ADC，需要占用较大的软件开销调整信号相位。

目前新推出的一些ADC方案能够独立调节每个通道的输入相位，可调节延时为0至333μs，调节步长为1.33μs。这种设计节省了上面提到的软件开销，MAX11040 24位、4通道、Σ-Δ ADC即采用了这一方案，采用级联配置后能够对最多32个通道进行高精度的同时采样。每个通道所具备的可调节采样相位功能能够在内部补偿外部变压器或输入滤波器产生的相差。/SYNC输入可以利用远端时钟源周期性地同步多达八个器件的转换时序。

图2. MAX11046等多通道同时采样ADC可有效简化高级电网监测系统的设计，这里给出了一个单相监测方案的例子

4.4 小尺寸封装

在许多电网监测应用中需要考虑物理尺寸问题，因为系统通常需要监测多路多相电源，特别是在电力分配中心。对于不同方案，ADC每个通道占用的电路板面积也不同，例如：MAX11040每个通道占用的面积是15.9mm2，尺寸只有其它厂商方案的一半。ADC较高的封装密度允许在PCB板上容纳更多通道，有助于减小整体测量系统的尺寸、功耗及成本。

4.5 过压保护

优化系统设计还必须避免系统在过压或其它电力线干扰下出现失效，MAX11040以及该系列的其它器件集成了过压保护功能(类似于ESD保护)，保护电路使用了6V钳位二极管和内部逻辑电路，逻辑电路检测到过压时能够将故障位置位。其它ADC供应商采用了自己的保户架构，但多数需要使用外部二极管。

使用ADC时，检测电网的短路和开路故障是这类保护系统最重要的功能。通过观察ADC的数据进行检测。制定在什么条件下触发继电保护是一个复杂问题，很大程度上取决于监测系统厂商。尽管如此，比较公认的一种看法是：故障条件下触发继电器保护与不触发的结果同样糟糕。

5 结论

人们对电力需求的增长使得电力传输基础架构或“智能电网”的投资迅速增长，通过集成功率监测、负载均衡、保护以及表计功能，构建高级电力线监测系统，电力公司(和用户)能够更有效地监测、传输、使用并控制电网。

标准的多样性以及不同企业提出的种种要求一方面增加了电网监测系统的开发难度，另一方面也需要这些设备得到更普遍的认可。一些较为严格的标准，例如：EN 50160、IEC 62053和IEC 61850，规定了较高的能量检测精度，给出了严格的下限要求；这些标准还要求采样速率满足实时电力传输监测、故障检测以及动态负载均衡的要求。标准为现代多通道监测系统所使用的ADC制定了严格、清晰的原则。其它考虑因素，包括：有效输入阻抗(ZIN)、信号相位调节以及小尺寸封装等，也会影响ADC的选择。目前，高性能、同时采样ADC通常针对三相电(和零相)的监测及测量系统进行优化，这些器件也成为高密度设计的首选方案，在提供高性能指标的同时还能够降低整体系统的成本，使电路板面积最小。