引言

電力產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展推動(dòng)全世界加強(qiáng)現(xiàn)有電力網(wǎng)的傳輸和配電并且建設(shè)新的變電站。微處理器技術(shù)的進(jìn)步和技術(shù)支持人員成本的增加是電力公司使用高精度集成自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)新的自動(dòng)高壓變電站的主要推動(dòng)力。

按照電壓高低，變電站可以分為兩類：高壓變電站包括500 kV，330kV和一些220 kV變電站；而220 kV終端變電站、110 kV和35 kV變電站則歸為中、低壓變電站。高壓（傳輸）變電站是大型戶外站。低壓（配電）變電站則為城區(qū)室內(nèi)系統(tǒng)，用來控制城區(qū)高負(fù)載密度。

日益增強(qiáng)的信號(hào)處理技術(shù)使得下一代系統(tǒng)的準(zhǔn)確度可優(yōu)于0.1%，而目前系統(tǒng)的準(zhǔn)確度典型值為0.5 % — 準(zhǔn)確度的提升主要由于采用高性能同時(shí)采樣ADC；它們提供了滿足未來系統(tǒng)要求的分辨率和性能。

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖1示出了一個(gè)典型三相測(cè)量系統(tǒng)中的波形。每一相功率由一個(gè)電流互感器（CT）和一個(gè)電壓互感器（PT）來表示。完整的系統(tǒng)由三相組成。系統(tǒng)任意時(shí)刻平均功率，可以通過對(duì)每一互感器器輸出做快速大量采樣，對(duì)采樣數(shù)據(jù)做離散傅立葉變換（DFT）并且完成必要的乘法和求和運(yùn)算。

圖1. 典型3相系統(tǒng)中的電流波形和電壓波形

ADC對(duì)三個(gè)CT和三個(gè)PT輸出做32組同時(shí)采樣，并將結(jié)果保存在RAM中。然后系統(tǒng)對(duì)6路輸出做DFT運(yùn)算，并且用實(shí)部和虛部形式(A+jB) 表示結(jié)果。每一個(gè)互感器的幅度和相位信息可按下式計(jì)算：

假設(shè)用A+jB表示CT1的實(shí)部和虛部；用C+jD表示PT1的的實(shí)部和虛部 ，那么其幅度（M_i）和相位（P_i）則為：

通過PT1和CT1的功率為：

同理可計(jì)算通過PT2和CT2以及PT3和CT3的功率Ü2和Ü3。系統(tǒng)總功率可以通過對(duì)三個(gè)單相功率求和得到：

上述方法使用DFT和計(jì)算公式可確定單一頻率的系統(tǒng)功率。如果使用快速傅立葉變換（FFT）代替DFT，可以提供高次諧波和其它高頻分量；這可以計(jì)算系統(tǒng)的其它信息，例如系統(tǒng)損耗或無用噪聲的作用。

系統(tǒng)要求

變電站可能包含幾百個(gè)互感器。將待測(cè)的電壓和電流值調(diào)節(jié)到±5 V或±10 V互感器的滿度輸出范圍表示比輸電線的滿度輸出功率能力大得多。一般，待測(cè)的輸電線值（特別是電流）小于互感器滿度范圍的5%，互感器輸出典型值在±20 mV范圍內(nèi)，超出這個(gè)范圍的信號(hào)很少出現(xiàn)；當(dāng)出現(xiàn)大信號(hào)時(shí)一般認(rèn)為系統(tǒng)故障。

準(zhǔn)確測(cè)量這些小信號(hào)需要具有高信噪比（S/N）的高分辨率ADC。采用的多通道ADC還必須具備同時(shí)采樣能力。例如，目前可提供的系統(tǒng)具有14 bit分辨率能力 — AD7865¹ 4通道、14 bit ADC可以接受真正的雙極性輸入信號(hào)，并且提供80 dB SNR。然而，現(xiàn)在對(duì)于10 kSPS采樣速率16 bit分辨率的高性能多通道ADC的需求越來越強(qiáng)烈。為了完成三相電流和電壓的準(zhǔn)確測(cè)量，ADC應(yīng)該具有同時(shí)采樣6個(gè)通道的能力，并且必須具有優(yōu)良的SNR測(cè)量小信號(hào)。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中使用很多ADC時(shí)，功耗問題也很重要。

滿足以上全部要求的一個(gè)例子是AD7656，²它包含6個(gè)低功耗、16bit、250 kSPS逐次逼近（SAR）型ADC。如圖2所示，AD7656采用iCMOS®工業(yè)CMOS工藝³，它將制造高壓器件的工藝與亞微CMOS工藝和互補(bǔ)雙極型工藝相結(jié)合。iCMOS工藝能夠制造出高電壓工作能力的高性能模擬IC。與采用傳統(tǒng)的CMOS工藝制造的模擬IC不同，iCMOS器件能夠接受雙極性輸入信號(hào)，從而提高了性能，并且大幅度縮減了功耗和封裝尺寸。

圖2. AD7656包含6個(gè)同時(shí)采樣ADC、一個(gè)參考電壓源、 三個(gè)參考緩沖器和一個(gè)振蕩器

如圖3所示，AD7656具有86.6 dB的高SNR可以提供滿足測(cè)量互感器輸出的交流小信號(hào)所需的性能指標(biāo)。其250 kSPS更新速率有助于簡(jiǎn)化快速數(shù)據(jù)采集所要求的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)FFT后處理。AD7656可以直接接受來自互感器的±5 V和±10 V輸出，無需增益或電平變換 — 而且每個(gè)器件的最大功耗僅為150 mW。當(dāng)一塊電路板上有許多通道ADC時(shí)，功耗是一項(xiàng)重要考慮。因?yàn)橛幸恍┫到y(tǒng)需要一塊電路板上有多達(dá)128個(gè)ADC通道（即22片6通道ADC），所以功耗成為一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。

圖3. 在輸電線監(jiān)測(cè)應(yīng)用中峰峰噪聲是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。AD7656在8192次采樣中，只有6個(gè)碼字峰峰值噪聲。

ADC以外的其它因素

一個(gè)完整的輸電線測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示。雖然ADC是系統(tǒng)的核心，但是在設(shè)計(jì)一個(gè)高性能系統(tǒng)時(shí)，其它的許多因素也必須考慮。參考電壓源和輸入放大器也是系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，隔離問題可能是遠(yuǎn)程通信中還需要考慮的問題。

圖4. 輸電線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

ADC參考電壓源考慮

使用ADC內(nèi)置參考電壓源（帶內(nèi)部參考電壓源的器件）還是外部參考電壓源取根據(jù)系統(tǒng)要求。當(dāng)一塊電路板上使用多片ADC時(shí)，最好使用外部參考電壓源，因?yàn)楣矃⒖茧妷涸茨軌蛳煌瑓⒖茧妷褐苯拥牟顒e，所以利用比率測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。

一般，低漂移參考電壓源對(duì)于減少參考電壓源對(duì)溫度的敏感性也很重要。一些簡(jiǎn)單的計(jì)算可以幫助我們理解漂移的重要性，并決定是否采用內(nèi)部參考電壓源。例如，一款10 V滿度輸入的16 bit ADC的具有152 µV分辨率。AD7656內(nèi)部參考電壓的溫度漂移為25 ppm/°C最大值（6 ppm/°C典型值）。在50°C溫度范圍內(nèi)，參考電壓漂移達(dá)1250ppm，即12.5 mV。在對(duì)漂移要求嚴(yán)格的應(yīng)用中，最后選擇外部低漂移參考電壓，例如ADR421⁴（1 ppm/°C）。在50°溫度范圍內(nèi)，一個(gè)1ppm/°C參考電壓的漂移僅為0.5 mV。

放大器選擇

為輸電線監(jiān)測(cè)應(yīng)用選擇放大器的主要考慮是低噪聲和低失調(diào)電壓。

驅(qū)動(dòng)放大器產(chǎn)生的噪聲必須盡可能低以保證SNR和ADC的轉(zhuǎn)移噪聲性能。低噪聲放大器在測(cè)量交流小信號(hào)時(shí)很有用。放大器在全溫度范圍內(nèi)總的失調(diào)誤差（包括漂移）應(yīng)該小于所要求的分辨率。OP1177⁵/OP2177⁶/OP4177⁷系列放大器具有低噪聲性能（8.5 nV/√Hz）和低失調(diào)漂移。例如，OP1177運(yùn)算放大器具有60 µV失調(diào)電壓最大值和0.7 µV/°C失調(diào)電壓漂移最大值。在50℃溫度范圍內(nèi)，失調(diào)電壓漂移最大值為35 µV，所以由于失調(diào)和失調(diào)漂移引起的總誤差小于95 µV或0.0625LSB。

對(duì)于輸電線監(jiān)測(cè)應(yīng)用，功耗可能是重要考慮，特別是測(cè)量一塊PCB板上的128個(gè)通道時(shí)。OP1177系列放大器通常每只放大器消耗的電源電流小于400 µA。

下表列出了為輸電線監(jiān)測(cè)應(yīng)用推薦的幾款放大器。

ADC電源設(shè)計(jì)

ADC需要模擬電源和數(shù)字電源。大多數(shù)系統(tǒng)都具有5 V數(shù)字電源，但許多系統(tǒng)卻沒有5 V模擬電源。如果模擬電路和數(shù)字電路使用同一個(gè)電源，會(huì)將有害的噪聲耦合到系統(tǒng)，通常應(yīng)該避免這樣的操作。對(duì)于可提供±12 V雙極性電源的設(shè)計(jì)，可使用低成本、低壓差（LDO）穩(wěn)壓器, 例如ADP3330¹⁰，產(chǎn)生3 V或5 V優(yōu)質(zhì)電源，隨著溫度、負(fù)載和輸電線電壓的波動(dòng)可達(dá)到1.4%準(zhǔn)確度。

通信

單個(gè)變電站中的許多系統(tǒng)需要與遠(yuǎn)端主系統(tǒng)控制器通信，通常要保證電氣隔離。使用發(fā)光二極管（LED）和光電二極管的光耦合解決方案正在被iCoupler®數(shù)字隔離器¹¹所替代。iCoupler®數(shù)字隔離器使用芯片級(jí)微變壓器，其數(shù)據(jù)傳輸速率是常用高速光耦的2～4倍，功耗僅為1/50 — 從而降低了散熱功耗，提高了穩(wěn)定度并且降低了成本。除了以上優(yōu)點(diǎn)，集成解決方案還能節(jié)省PCB面積并且簡(jiǎn)化了布線。ADuM1402¹²4通道數(shù)字隔離器支持高達(dá)100 MSPS數(shù)據(jù)傳輸速率和高達(dá)2.5 kV額定隔離電壓。

RS-232經(jīng)常被用于連接多個(gè)系統(tǒng)，所以每個(gè)系統(tǒng)和總線之間的隔離非常關(guān)鍵。數(shù)字隔離器不支持RS-232標(biāo)準(zhǔn)，所以它們不能用在收發(fā)器和電纜之間；它們只能用在收發(fā)器和本地系統(tǒng)之間。ADuM1402iCoupler數(shù)字隔離器與ADM232L¹³ RS-232收發(fā)器和隔離電源配合使用，可以消除接地環(huán)路，并且可有效地防止浪涌損害。

對(duì)于使用RS-485協(xié)議的系統(tǒng)，可以提供ADM2486¹⁴單片隔離的RS0-485收發(fā)器（見圖5）。它支持高達(dá)20 Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率和高達(dá)2.5 kV隔離電壓。

圖5. ADM2486是一款低成本、小封裝帶隔離的RS-485收發(fā)器

信號(hào)處理

輸電線監(jiān)測(cè)應(yīng)用需要數(shù)字信號(hào)處理（DSP）完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算。

ADSP-BF531¹⁵高性能、低成本、低功耗Blackfin處理器非常適合完成這些復(fù)雜的DFT或FFT計(jì)算。

Blackfin¹⁶處理器——高集成度系統(tǒng)芯片（SoC）——包含一個(gè)CAN 2.0B控制器、一個(gè)TWI控制器、兩個(gè)UART接口、一個(gè)SPI接口、兩個(gè)串行接口（SPORT）、9個(gè)通用32 bit定時(shí)器（8個(gè)帶PWM功能）、一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘、一個(gè)監(jiān)視定時(shí)器和一個(gè)并行外設(shè)接口（PPI）。這些外圍設(shè)備提供了該系統(tǒng)多個(gè)組成部分與接口之間通信所要求的靈活性。

ADSP-BF536¹⁷和ADSP-BF537¹⁸ Blackfin處理器都支持IEEE 802.3 10/100 以太網(wǎng)媒體接入控制器（MAC）標(biāo)準(zhǔn)。這是現(xiàn)在滿足許多輸電線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求的標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)際設(shè)計(jì)考慮

當(dāng)設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，ADC的位置和布局應(yīng)該做特別考慮。模擬電路和數(shù)字電路應(yīng)當(dāng)彼此分開，并且應(yīng)該限定在PCB的某個(gè)區(qū)域內(nèi)。至少應(yīng)該使用一個(gè)接地平面。避免在ADC下走數(shù)字線，因?yàn)閿?shù)字線會(huì)將噪聲耦合到ADC管芯。允許模擬接地平面在AD7656下布線以避免噪聲耦合。時(shí)鐘和其它高速開關(guān)信號(hào)應(yīng)該用數(shù)字地屏蔽，避免將數(shù)字噪聲輻射到電路板的其它部分；高速開關(guān)信號(hào)決不能靠近模擬信號(hào)線路。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)線應(yīng)當(dāng)避免交叉。PCB上不同的相鄰層的印制線彼此間應(yīng)當(dāng)成直角以減少饋通影響。

進(jìn)入ADC的電源線應(yīng)當(dāng)使用盡可能粗的印制線，以降低線路阻抗，并且減少電源線尖峰毛刺的影響。AD7656電源引腳與PCB板上電源印制線之間應(yīng)該有良好的歐姆接觸；每個(gè)電源引腳應(yīng)當(dāng)使用單個(gè)過孔或多個(gè)過孔。良好的去耦對(duì)于降低接到AD7656的電源阻抗以及減小電源尖峰幅度影響也很重要。所有的電源引腳都應(yīng)該連接并聯(lián)去耦電容（一般為100 nF和10 µV），電容應(yīng)盡可能靠近——最好直接連接到——電源引腳及相應(yīng)接地引腳。

結(jié)論

全世界電力需求日益增長(zhǎng)正在推動(dòng)輸電線和輸電線變電站數(shù)目的增加。隨著對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè)系統(tǒng)的要求越來越高，使用具有大量通道的系統(tǒng)將成為一種趨勢(shì)。當(dāng)在每塊PCB使用多個(gè)ADC時(shí)，雖然可以有效地利用PCB面積但功耗問題卻變得至關(guān)重要，因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)工程師要努力降低成本，同時(shí)還要提高系統(tǒng)的性能。

使用高性能ADC（例如AD7656）可以提高系統(tǒng)性能。利用AD7656具有6通道和16 bit分辨率及其低功耗、高SNR和小封裝組合優(yōu)勢(shì)滿足下一代輸電線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。