多通道采样键精确电力线监测

2019-04-15 15:42发布

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　　精确的电力线监测已成为一个重要的要求，不仅集中在电网本身，而且在其边缘。对于电网连接的能量收集发电系统，甚至是终端设备，正在进行的电能质量特性分析有助于确保电网和附属系统的健康。在电力监控系统的心脏，模拟数字转换器(ADC)在测量线电压和电流在一个水平的精度适合每个应用起着关键性的作用。工程师可以满足一系列的要求从实用级系统的精度需要收入的目的基本电力监控线路故障，利用高性能ADC检测和相关部件制造商包括模拟设备，科宝电子，Intersil，线性技术，集成，芯片技术，半导体，脉冲电子、德克萨斯文书。　　在最基本的层面上，电力监控系统依赖于测量瞬时电压和电流用电流互感器(CTS)和电压互感器(称为PT，电压互感器)输出转换的高速ADCs(图1)。反过来，处理器使用瞬时电流和电压测量来计算关键特征，包括有功功率、无功功率、视在功率和功率因数，甚至更复杂的计算，如谐波，这可能导致设备损坏。　　德克萨斯仪器典型电力监控系统图像
　　图1：典型的电力监控系统中线路的电流和电压，采用高速模拟数字转换器(ADC)向主处理器提供高分辨率的数据对电力参数的计算。　　执行这些功率计算主要取决于准确测量的电压和电流。标准，如ANSI c12.20北美洲和IEC 62053规定具体的精度水平等0.2类，这就需要±0.2%精度。在实际应用中，功率测量系统通常被设计为以高采样率和高分辨率转换器为标准，以捕捉高速瞬变，并确保更复杂的特性(如多重谐波)的可靠计算。　　同时，这些功率特性的测量需要在所有三个相位和中性点上紧密地同步、高分辨率地测量电压和电流。同步采样允许在每一行电压和电流之间的相位角进行非常精确的测量。电压和电流测量之间的差同步可能会引入伪影，降低整体精度，并严重损害更复杂的功率计算。
　　同时采样　　为了降低高精度的多通道测量的复杂性，设计人员可以向高度集成的器件的高分辨率ADC的模拟前端(AFE)，最后结合优化设计的阻抗匹配，信号的动态范围，偏移，和其他因素，可以影响性能和数据转换精度。制造商通常建立这些高性能的同步采样ADC在逐次逼近转换器登记(SAR)。SAR ADC提供高精度无周期的延迟与过采样采用∑-ΔADC实现高稳定性和转换的分辨率。　　对于最苛刻的应用，半导体制造商整合各渠道的一个复杂的AFE和专门的SAR ADC。高度精确的功率监测，八通道ADC，如集成max11046德克萨斯文书ads8568同时允许所有三个阶段和中性的采样(图2)。用一个专门的AFE和ADC为每个通道，这些设备都能够达到非常高的数据rates-250 KSPS每通道为ads8568的max11046 510 kSPS(并行输出接口)。　　广义三相功率监测的图像
　　图2：三相电源监控，同时采样ADC提供独立的模拟前端和ADC的八个通道需要高度精确的功率计算。　　对于某些应用，设计师可以把缓冲输出的电流互感器和电压互感器直接进入ADC包括集成max11046和Ti ads8568如图2显示输入。设备如max11046提供高输入阻抗和自我保护输入卡支持这类简单的配置。为了实现最大的吞吐量，但是，ADCs通常需要运放驱动传感器和ADC之间。事实上，马克西姆综合和德克萨斯仪器的评估板都包括这种驱动程序。对max11046其maxrefdes30评估板，集成包括max44252运放驱动。对ads8568钛ads8688evm-pdk评估板，德克萨斯仪器包括opa2209运放驱动。
　　要求不太严格　　对于要求精度不太严格的电源监控应用程序，设计者可以转向具有较低性能属性的设备。在电力监控，只需检测在电力线路故障的简单要求，可以利用低分辨率ADC。德克萨斯仪器lmp92064电流/电压监控电路采用这种方法提供一个单一的线功率监控IC，需要一些额外的组件(图3)。该器件集成了一个精密电流检测放大器来测量一个并联电阻和一个缓冲电压通道的负载电流来测量负载的电压供给。然而，能够采样电流和电压通道同时由独立125 kSPS、12位ADC，支持精确的功率计算。　　德克萨斯仪器lmp92064图
　　图3：芯片如德克萨斯仪器lmp92064使用一对12位的ADCs支持功率计算应用的精度要求不高的要求功率监测。　　对于更简单的监控要求，设计者通常可以使用一个具有外部多路复用器的ADC来监视每条线路上的电压和电流。事实上，8:1复用器如Intersil DG408，Maxim Integrated MAX4581，和半导体mc74hc4051a可以支持三相应用需要更基本的电力监控。设计师可以找到集成多路复用器设计用于支持广泛的渠道，ADC的数据吞吐量，和转换的分辨率。三相电源监控，设备如模拟设备ad7699，线性技术ltc2372，德克萨斯文书ads8688集成了一个八通道多路复用器和模数转换器，每个通道专用模拟前端。例如，TI的ads8688每个输入通道包括过压保护、可编程增益放大器(PGA)、低通滤波器，和司机送共享复用器单ADC。
　　结论　　确保电网电能质量要求对每相电压和电流进行高精度测量。并网发电系统及设备、电力监控同样需要高分辨率，同时线电压和使用模数转换器为每个通道提供一个专用的转换器的电流采样。虽然基本的故障监测建立在同样的原则作为高精度测量的应用，设计者可以使用低分辨率ADC或复用设备提供高分辨率的多通道测量低吞吐率。设计师可以设计来满足这种广泛的渠道支持，比特分辨率要求ADC的准备情况，和采样率。