摘  要： 闡述了MAX11046等同時(shí)采樣ADC在電力線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，介紹了交流電測(cè)量的基本原理，給出了電網(wǎng)監(jiān)測(cè)的典型應(yīng)用以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。歸納了MAX11046電力線監(jiān)測(cè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)并提供了一個(gè)應(yīng)用案例，介紹如何選擇外圍器件，優(yōu)化系統(tǒng)性能。
關(guān)鍵詞： 同時(shí)采樣；ADC；電力線監(jiān)控；電網(wǎng)監(jiān)測(cè)

    供電質(zhì)量管理系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄多相電網(wǎng)的三相電壓和電流，這些監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)還可以監(jiān)控零相的電壓和電流，以檢測(cè)負(fù)載的不平衡性或頻率諧波。此外，功率測(cè)量系統(tǒng)對(duì)三相電中的每一相電壓、電流的均方根值(RMS)進(jìn)行測(cè)量，由此決定功率損耗。先進(jìn)的電力線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括供電質(zhì)量管理、監(jiān)控與保護(hù)以及表計(jì)功能。這些系統(tǒng)能夠幫助電力部門(mén)和用戶進(jìn)行前兆維護(hù)、管理能耗和成本、控制供電質(zhì)量并為設(shè)備提供有效保護(hù)，所有這些嘗試的目的都是為了提高能效。
測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)
    圖1給出了交流電測(cè)量的基本原理，采樣并計(jì)算瞬時(shí)功率和平均功率。圖2所示為典型的電網(wǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，三相電壓之間的相位差為120°(1/3周期)。第四條線稱為零相，用于調(diào)整負(fù)載的不均衡。如果三相負(fù)載完全相同，則系統(tǒng)達(dá)到平衡，此時(shí)將沒(méi)有電流流過(guò)零相線。這種三相電力系統(tǒng)是全球的通用標(biāo)準(zhǔn)，稱為“Y”型連接，形似其矢量圖。每相功率測(cè)量通過(guò)電流變壓器(CT)和電壓變壓器(PT)表示，一個(gè)完整系統(tǒng)包含四對(duì)信號(hào)，三相電的每相和零相各對(duì)應(yīng)一對(duì)信號(hào)。

    如圖2所示，MAX11044/MAX11045/MAX11046同時(shí)測(cè)量三相及零相電壓和電流。數(shù)字處理器對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算數(shù)字轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、有功電能、無(wú)功電能、視在電能以及功率因數(shù)。對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)可以進(jìn)一步計(jì)算得到頻率和諧波失真。傳輸能量的測(cè)量必須符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)的要求，例如，歐盟(EU)標(biāo)準(zhǔn)EN 50160，即為一種通用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
    IEC 62053是另一項(xiàng)EU標(biāo)準(zhǔn)，制定了高精度電表的規(guī)范。該規(guī)范定義了四級(jí)計(jì)量精度：2級(jí)、1級(jí)、0.5級(jí)和0.2級(jí)(例如0.2級(jí)代表0.2%的標(biāo)稱電流和電壓測(cè)量精度)。對(duì)于功率因數(shù)的測(cè)量精度，相位匹配度需保持在0.1%或更高精度。對(duì)于諧波電壓，EN 50160要求測(cè)量50 Hz/60 Hz電壓的25次諧波。然而，各種非線性負(fù)載(例如熒光燈、開(kāi)關(guān)電源等)會(huì)產(chǎn)生50 Hz/60 Hz電壓的127次諧波。IEC 61850等新一代標(biāo)準(zhǔn)要求記錄電力系統(tǒng)的瞬態(tài)值，每交流周期提供256個(gè)(或更多)采樣點(diǎn)。
對(duì)于ADC系統(tǒng)的基本要求
    EN 50160、IEC 62053、IEC 61850等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于電力監(jiān)控和計(jì)量系統(tǒng)的多通道ADC的最低精度要求和采樣速率。電網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備必須以高達(dá)60 Hz×256，或高于15 360 S/s的采樣速率測(cè)量瞬態(tài)電流和電壓，另外，電網(wǎng)監(jiān)測(cè)還需要滿足IEC 62053標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電源測(cè)量精度的要求。
    ADC的電壓測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍按照需要監(jiān)測(cè)的最大電壓和標(biāo)稱電壓以及對(duì)電源測(cè)量精度的要求進(jìn)行計(jì)算。例如，如果設(shè)計(jì)要求測(cè)量1.5 kV的瞬態(tài)過(guò)壓(故障條件下)，標(biāo)稱電壓為220 V，精度要求為0.2級(jí)(0.2%)，則電壓測(cè)量子系統(tǒng)的總動(dòng)態(tài)范圍為：20log((1500/220)×2000))=83 dB。
    為了滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的0.2%精度，需要將所有計(jì)算精度控制在0.05%以內(nèi)。另外，對(duì)于電流測(cè)量的要求也會(huì)影響ADC的規(guī)格，如果設(shè)計(jì)對(duì)電源監(jiān)測(cè)的要求是：100 A:10 A(標(biāo)稱值10 A，最大值100 A)和0.2級(jí)(0.2%)，電流測(cè)量子系統(tǒng)的總動(dòng)態(tài)范圍為：20log((100/10)×2 000))=86 dB。
    從上述示例可以明顯看出系統(tǒng)對(duì)ADC的動(dòng)態(tài)范圍要求較高，16位分辨率和16 kS/s的采樣速率是最基本的要求。為了確保三相和零相“Y”型連接系統(tǒng)的電流、電壓測(cè)量精度，ADC必須能夠同時(shí)采樣8個(gè)通道(4路電壓和4路電流)，必須具有86 dB甚至更高的SNR。
SAR ADC在電網(wǎng)監(jiān)控中的應(yīng)用
    Maxim提供多種可同時(shí)測(cè)量三相及零相電壓和電流的ADC，每款A(yù)DC均采用逐次逼近寄存器(SAR)架構(gòu)。從其名稱即可看出，SAR ADC采用的是對(duì)半查找法則(逐次逼近)。CT、PT(傳感器)變壓器的典型輸出為±10 VP-P或±5 VP-P。MAX130x和MAX132x系列ADC可支持這些范圍，MAX11046的輸入范圍只適用于±5 V的變壓器常用輸入范圍。MAX130x和MAX132x系列ADC的輸入阻抗較低，在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中需要增加輸入緩沖器和低通濾波器，以保證12位至14位的精度，如圖3所示。

    MAX11046提供可選擇的有源輸入緩沖器/低通濾波器，MAX11046具有非常高的輸入阻抗，可直接連接到特定傳感器。以CT、PT測(cè)量變壓器為代表的低阻傳感器(等效阻抗RTRANS在10 Ω～100 Ω量級(jí))，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的RC模擬前端(AFE)直接連接到MAX11046輸入端。如果測(cè)量信號(hào)頻帶內(nèi)的50 Hz/60 Hz混疊噪聲較低，則由輸入RC電路構(gòu)成的低通濾波器即可滿足要求。圖4給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的高性價(jià)比解決方案，使得MAX11046能夠支持±5 V或±10 V的輸入范圍。

    考慮圖3所示輸入電路，需要特別注意R1、C1、Rd和C2參數(shù)的選擇。1:1電阻分壓器(Rd1=Rd2=Rd)作為PT和CT變壓器負(fù)載將會(huì)引入增益誤差，圖3所示電路的增益誤差可由下式計(jì)算：
    增益誤差%=(1-2×Rd/(2×Rd+RTRANS))×100    (1)
式中：Rd為分壓器阻抗；RTRANS為變壓器阻抗。電阻值對(duì)增益誤差的影響如表1所示。

    為了保持低增益誤差，必須使用精密電阻。最好選擇金屬膜電阻，這種電阻具有低溫漂，誤差滿足要求。MAX5491提供了一種優(yōu)異的電阻分壓方案，它在一個(gè)封裝內(nèi)集成了兩個(gè)精確匹配的電阻。MAX5491的電阻比具有極低溫漂，在-40 ℃～+85 ℃溫度范圍內(nèi)溫漂保持在2 ppm/℃以內(nèi)，其端到端電阻為30 kΩ，能夠提供并保持0.17%的增益誤差。
    MAX11046評(píng)估(EV)板提供完備的8通道DAS，幫助設(shè)計(jì)工程師快速完成圖3推薦的設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證。圖5給出了基于MAX11046EVKIT的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)裝置。從圖中可以看出，只需極少的外部元件即可進(jìn)行高精度電路測(cè)試，測(cè)試結(jié)果通過(guò)USB口送入PC機(jī)并轉(zhuǎn)換成Excel文件，以待進(jìn)一步處理。
    圖5中，函數(shù)發(fā)生器1產(chǎn)生的擺幅為±5 V的信號(hào)通過(guò)R1和C1濾波后發(fā)送到MAX11046的通道1輸入端，R1和C1取值需滿足ADC采樣時(shí)間的要求，可以由式(2)求得。

式中：R1MAX為最大源阻抗；FSAMPLE為采樣率；TCONV為ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間(MAX11046的典型值為3 μs)；k為RC時(shí)間常數(shù)，需滿足ADC分辨率的要求(16位ADC，時(shí)間常數(shù)為12)；CSAMPLE為內(nèi)部采樣電容(MAX11046的采樣電容約為20 pF)。從式(2)計(jì)算得知，采樣率為2.5 kS/s時(shí)，R1MAX約為12.1 kΩ、C1=2 700 pF。在設(shè)計(jì)限制的范圍內(nèi)，選擇R1=10.0 kΩ。C1=2 700 pF，大于CSAMPLE 100倍，能夠?yàn)閮?nèi)部采樣電容提供足夠的電荷支持。
    圖5中，函數(shù)發(fā)生器2產(chǎn)生的擺幅為±10 V的信號(hào)并通過(guò)Rd分壓器和C2發(fā)送到MAX11046的輸入通道8，Rd=20.0 kΩ，從表1可知，這將產(chǎn)生大約0.12%的增益誤差。該指標(biāo)符合歐盟(EU)通用標(biāo)準(zhǔn)IEC 62053對(duì)高精度電表測(cè)試設(shè)備的精度要求(0.2%級(jí)精度)。按照?qǐng)D5所示電路的要求搭建測(cè)試裝置，可以得到高精度測(cè)量結(jié)果，如表2所示。

    隨著人們對(duì)能源需求的增長(zhǎng)，全球范圍內(nèi)對(duì)電網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)的投資也迅速增長(zhǎng)。這些新型電力系統(tǒng)包含一個(gè)關(guān)鍵單元，即多通道監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)，需要自動(dòng)監(jiān)測(cè)供電系統(tǒng)并提供故障檢測(cè)和保護(hù)。SCADA系統(tǒng)需要一個(gè)類似于MAX11046的多通道、高分辨率ADC。MAX11046提供最高效的16位、8通道同時(shí)采樣功能，采用8 mm×8 mm封裝。由于器件的高阻輸入架構(gòu)，省去了外部緩沖器。器件優(yōu)化用于三相電網(wǎng)監(jiān)控和測(cè)量系統(tǒng)，高密度設(shè)計(jì)在提高性能的同時(shí)有效降低了系統(tǒng)成本和電路板面積。