精確的電力線監(jiān)測已成為一個重要的要求，不僅集中在電網(wǎng)本身，而且在其邊緣。對于電網(wǎng)連接的能量收集發(fā)電系統(tǒng)，甚至是終端設(shè)備，正在進行的電能質(zhì)量特性分析有助于確保電網(wǎng)和附屬系統(tǒng)的健康。在電力監(jiān)控系統(tǒng)的心臟，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)在測量線電壓和電流在一個水平的精度適合每個應(yīng)用起著關(guān)鍵性的作用。工程師可以滿足一系列的要求從實用級系統(tǒng)的精度需要收入的目的基本電力監(jiān)控線路故障，利用高性能ADC檢測和相關(guān)部件制造商包括模擬設(shè)備，科寶電子，Intersil，線性技術(shù)，集成，芯片技術(shù)，半導(dǎo)體，脈沖電子、德克薩斯文書。

　　在最基本的層面上，電力監(jiān)控系統(tǒng)依賴于測量瞬時電壓和電流用電流互感器(CTS)和電壓互感器(稱為PT，電壓互感器)輸出轉(zhuǎn)換的高速ADCs(圖1)。反過來，處理器使用瞬時電流和電壓測量來計算關(guān)鍵特征，包括有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)，甚至更復(fù)雜的計算，如諧波，這可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。

　　德克薩斯儀器典型電力監(jiān)控系統(tǒng)圖像

　　圖1：典型的電力監(jiān)控系統(tǒng)中線路的電流和電壓，采用高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)向主處理器提供高分辨率的數(shù)據(jù)對電力參數(shù)的計算。

　　執(zhí)行這些功率計算主要取決于準確測量的電壓和電流。標準，如ANSI c12.20北美洲和IEC 62053規(guī)定具體的精度水平等0.2類，這就需要±0.2%精度。在實際應(yīng)用中，功率測量系統(tǒng)通常被設(shè)計為以高采樣率和高分辨率轉(zhuǎn)換器為標準，以捕捉高速瞬變，并確保更復(fù)雜的特性(如多重諧波)的可靠計算。

　　同時，這些功率特性的測量需要在所有三個相位和中性點上緊密地同步、高分辨率地測量電壓和電流。同步采樣允許在每一行電壓和電流之間的相位角進行非常精確的測量。電壓和電流測量之間的差同步可能會引入偽影，降低整體精度，并嚴重損害更復(fù)雜的功率計算。

　　同時采樣

　　為了降低高精度的多通道測量的復(fù)雜性，設(shè)計人員可以向高度集成的器件的高分辨率ADC的模擬前端(AFE)，最后結(jié)合優(yōu)化設(shè)計的阻抗匹配，信號的動態(tài)范圍，偏移，和其他因素，可以影響性能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度。制造商通常建立這些高性能的同步采樣ADC在逐次逼近轉(zhuǎn)換器登記(SAR)。SAR ADC提供高精度無周期的延遲與過采樣采用∑-ΔADC實現(xiàn)高穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換的分辨率。

　　對于最苛刻的應(yīng)用，半導(dǎo)體制造商整合各渠道的一個復(fù)雜的AFE和專門的SAR ADC。高度精確的功率監(jiān)測，八通道ADC，如集成max11046德克薩斯文書ads8568同時允許所有三個階段和中性的采樣(圖2)。用一個專門的AFE和ADC為每個通道，這些設(shè)備都能夠達到非常高的數(shù)據(jù)rates-250 KSPS每通道為ads8568的max11046 510 kSPS(并行輸出接口)。

　　廣義三相功率監(jiān)測的圖像

　　圖2：三相電源監(jiān)控，同時采樣ADC提供獨立的模擬前端和ADC的八個通道需要高度精確的功率計算。

　　對于某些應(yīng)用，設(shè)計師可以把緩沖輸出的電流互感器和電壓互感器直接進入ADC包括集成max11046和Ti ads8568如圖2顯示輸入。設(shè)備如max11046提供高輸入阻抗和自我保護輸入卡支持這類簡單的配置。為了實現(xiàn)最大的吞吐量，但是，ADCs通常需要運放驅(qū)動傳感器和ADC之間。事實上，馬克西姆綜合和德克薩斯儀器的評估板都包括這種驅(qū)動程序。對max11046其maxrefdes30評估板，集成包括max44252運放驅(qū)動。對ads8568鈦ads8688evm-pdk評估板，德克薩斯儀器包括opa2209運放驅(qū)動。

　　要求不太嚴格

　　對于要求精度不太嚴格的電源監(jiān)控應(yīng)用程序，設(shè)計者可以轉(zhuǎn)向具有較低性能屬性的設(shè)備。在電力監(jiān)控，只需檢測在電力線路故障的簡單要求，可以利用低分辨率ADC。德克薩斯儀器lmp92064電流/電壓監(jiān)控電路采用這種方法提供一個單一的線功率監(jiān)控IC，需要一些額外的組件(圖3)。該器件集成了一個精密電流檢測放大器來測量一個并聯(lián)電阻和一個緩沖電壓通道的負載電流來測量負載的電壓供給。然而，能夠采樣電流和電壓通道同時由獨立125 kSPS、12位ADC，支持精確的功率計算。

　　德克薩斯儀器lmp92064圖

　　圖3：芯片如德克薩斯儀器lmp92064使用一對12位的ADCs支持功率計算應(yīng)用的精度要求不高的要求功率監(jiān)測。

　　對于更簡單的監(jiān)控要求，設(shè)計者通常可以使用一個具有外部多路復(fù)用器的ADC來監(jiān)視每條線路上的電壓和電流。事實上，8:1復(fù)用器如Intersil DG408，Maxim Integrated MAX4581，和半導(dǎo)體mc74hc4051a可以支持三相應(yīng)用需要更基本的電力監(jiān)控。設(shè)計師可以找到集成多路復(fù)用器設(shè)計用于支持廣泛的渠道，ADC的數(shù)據(jù)吞吐量，和轉(zhuǎn)換的分辨率。三相電源監(jiān)控，設(shè)備如模擬設(shè)備ad7699，線性技術(shù)ltc2372，德克薩斯文書ads8688集成了一個八通道多路復(fù)用器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個通道專用模擬前端。例如，TI的ads8688每個輸入通道包括過壓保護、可編程增益放大器(PGA)、低通濾波器，和司機送共享復(fù)用器單ADC。

　　結(jié)論

　　確保電網(wǎng)電能質(zhì)量要求對每相電壓和電流進行高精度測量。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及設(shè)備、電力監(jiān)控同樣需要高分辨率，同時線電壓和使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器為每個通道提供一個專用的轉(zhuǎn)換器的電流采樣。雖然基本的故障監(jiān)測建立在同樣的原則作為高精度測量的應(yīng)用，設(shè)計者可以使用低分辨率ADC或復(fù)用設(shè)備提供高分辨率的多通道測量低吞吐率。設(shè)計師可以設(shè)計來滿足這種廣泛的渠道支持，比特分辨率要求ADC的準備情況，和采樣率。

總結(jié)

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