摘  要： 闡述了MAX11046等同時采樣ADC在電力線監(jiān)測中的應(yīng)用,，介紹了交流電測量的基本原理,，給出了電網(wǎng)監(jiān)測的典型應(yīng)用以及國際標準對監(jiān)測系統(tǒng)的要求。歸納了MAX11046電力線監(jiān)測的獨特優(yōu)勢并提供了一個應(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： 同時采樣,；ADC,；電力線監(jiān)控；電網(wǎng)監(jiān)測

    供電質(zhì)量管理系統(tǒng)需要實時監(jiān)測,、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，以檢測負載的不平衡性或頻率諧波,。此外,，功率測量系統(tǒng)對三相電中的每一相電壓、電流的均方根值(RMS)進行測量,，由此決定功率損耗,。先進的電力線監(jiān)測系統(tǒng)包括供電質(zhì)量管理、監(jiān)控與保護以及表計功能,。這些系統(tǒng)能夠幫助電力部門和用戶進行前兆維護,、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,，所有這些嘗試的目的都是為了提高能效,。
測量系統(tǒng)架構(gòu)
    圖1給出了交流電測量的基本原理，采樣并計算瞬時功率和平均功率,。圖2所示為典型的電網(wǎng)監(jiān)測應(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)整負載的不均衡,。如果三相負載完全相同,，則系統(tǒng)達到平衡，此時將沒有電流流過零相線,。這種三相電力系統(tǒng)是全球的通用標準,，稱為“Y”型連接，形似其矢量圖,。每相功率測量通過電流變壓器(CT)和電壓變壓器(PT)表示,，一個完整系統(tǒng)包含四對信號，三相電的每相和零相各對應(yīng)一對信號,。

    如圖2所示,，MAX11044/MAX11045/MAX11046同時測量三相及零相電壓和電流,。數(shù)字處理器對采樣數(shù)據(jù)進行處理,，計算數(shù)字轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、有功電能,、無功電能,、視在電能以及功率因數(shù)。對采樣數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換(FFT)可以進一步計算得到頻率和諧波失真,。傳輸能量的測量必須符合國際標準或當?shù)貥藴实囊?，例如，歐盟(EU)標準EN 50160,，即為一種通用的國際標準,。
    IEC 62053是另一項EU標準，制定了高精度電表的規(guī)范,。該規(guī)范定義了四級計量精度：2級,、1級、0.5級和0.2級(例如0.2級代表0.2%的標稱電流和電壓測量精度),。對于功率因數(shù)的測量精度,，相位匹配度需保持在0.1%或更高精度。對于諧波電壓,，EN 50160要求測量50 Hz/60 Hz電壓的25次諧波,。然而，各種非線性負載(例如熒光燈,、開關(guān)電源等)會產(chǎn)生50 Hz/60 Hz電壓的127次諧波,。IEC 61850等新一代標準要求記錄電力系統(tǒng)的瞬態(tài)值，每交流周期提供256個(或更多)采樣點,。
對于ADC系統(tǒng)的基本要求
    EN 50160,、IEC 62053、IEC 61850等標準規(guī)定了用于電力監(jiān)控和計量系統(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60 Hz×256,，或高于15 360 S/s的采樣速率測量瞬態(tài)電流和電壓,，另外，電網(wǎng)監(jiān)測還需要滿足IEC 62053標準對電源測量精度的要求,。
    ADC的電壓測量動態(tài)范圍按照需要監(jiān)測的最大電壓和標稱電壓以及對電源測量精度的要求進行計算,。例如，如果設(shè)計要求測量1.5 kV的瞬態(tài)過壓(故障條件下),，標稱電壓為220 V,，精度要求為0.2級(0.2%)，則電壓測量子系統(tǒng)的總動態(tài)范圍為：20log((1500/220)×2000))=83 dB,。
    為了滿足標準要求的0.2%精度,，需要將所有計算精度控制在0.05%以內(nèi)。另外,，對于電流測量的要求也會影響ADC的規(guī)格,，如果設(shè)計對電源監(jiān)測的要求是：100 A:10 A(標稱值10 A，最大值100 A)和0.2級(0.2%),，電流測量子系統(tǒng)的總動態(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ADC的動態(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,、電壓測量精度，ADC必須能夠同時采樣8個通道(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提供多種可同時測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)，可以通過簡單的RC模擬前端(AFE)直接連接到MAX11046輸入端,。如果測量信號頻帶內(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給出了一個簡單的高性價比解決方案,，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變壓器負載將會引入增益誤差,，圖3所示電路的增益誤差可由下式計算：
    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,，它在一個封裝內(nèi)集成了兩個精確匹配的電阻。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評估(EV)板提供完備的8通道DAS,，幫助設(shè)計工程師快速完成圖3推薦的設(shè)計方案驗證。圖5給出了基于MAX11046EVKIT的開發(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行高精度電路測試，測試結(jié)果通過USB口送入PC機并轉(zhuǎn)換成Excel文件,，以待進一步處理,。
    圖5中，函數(shù)發(fā)生器1產(chǎn)生的擺幅為±5 V的信號通過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)換時間(MAX11046的典型值為3 μs),；k為RC時間常數(shù)，需滿足ADC分辨率的要求(16位ADC,，時間常數(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)計算得知,，采樣率為2.5 kS/s時,，R1MAX約為12.1 kΩ、C1=2 700 pF,。在設(shè)計限制的范圍內(nèi),，選擇R1=10.0 kΩ。C1=2 700 pF,，大于CSAMPLE 100倍,，能夠為內(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的信號并通過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,。該指標符合歐盟(EU)通用標準IEC 62053對高精度電表測試設(shè)備的精度要求(0.2%級精度)。按照圖5所示電路的要求搭建測試裝置,，可以得到高精度測量結(jié)果,，如表2所示。

    隨著人們對能源需求的增長,，全球范圍內(nèi)對電網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)的投資也迅速增長,。這些新型電力系統(tǒng)包含一個關(guān)鍵單元，即多通道監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng),，需要自動監(jiān)測供電系統(tǒng)并提供故障檢測和保護,。SCADA系統(tǒng)需要一個類似于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)控和測量系統(tǒng),，高密度設(shè)計在提高性能的同時有效降低了系統(tǒng)成本和電路板面積,。