使用同時采樣ADC進行高性能多通道輸電線監(jiān)測

引言

　　電力產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展推動全世界加強現(xiàn)有電力網(wǎng)的傳輸和配電并且建設新的變電站。微處理器技術的進步和技術支持人員成本的增加是電力公司使用高精度集成自動化系統(tǒng)設計新的自動高壓變電站的主要推動力。

　　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)高負載密度。日益增強的信號處理技術使得下一代系統(tǒng)的準確度可優(yōu)于0.1%，而目前系統(tǒng)的準確度典型值為0.5 % —— 準確度的提升主要由于采用高性能同時采樣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示出了一個典型三相測量系統(tǒng)中的波形。每一相功率由一個電流 互感器（CT）和一個電壓互感器（PT）來表示。完整的系統(tǒng)由三相組 成。系統(tǒng)任意時刻平均功率，可以通過對每一互感器器輸出做快速 大量采樣，對采樣數(shù)據(jù)做離散傅立葉變換（DFT）并且完成必要的乘 法和求和運算。

　　ADC對三個CT和三個PT輸出做32組同時采樣，并將結(jié)果保存在 RAM中。然后系統(tǒng)對6路輸出做DFT運算，并且用實部和虛部形式 (A+jB) 表示結(jié)果。每一個互感器的幅度和相位信息可按下式計算：

　　上述方法使用DFT和計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互感器。將待測的電壓和電流值調(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)，超出這個范圍的信號很 少出現(xiàn)；當出現(xiàn)大信號時一般認為系統(tǒng)故障。

　　準確測量這些小信號需要具有高信噪比（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，并且提供80 dB SNR。然而，現(xiàn)在對于10 kSPS采 樣速率16 bit分辨率的高性能多通道ADC的需求越來越強烈。為了完 成三相電流和電壓的準確測量，ADC應該具有同時采樣6個通道的 能力，并且必須具有優(yōu)良的SNR測量小信號。當一個系統(tǒng)中使用很多 ADC時，功耗問題也很重要。

　　滿足以上全部要求的一個例子是AD7656，2它包含6個低功耗、16 bit、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，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個同時采樣ADC、一個參考電壓源、 三個參考緩沖器和一個振蕩器。

　　如圖3所示， AD7656具有86.6 dB的高 SNR可以提供滿足測量互感器 輸出的交流小信號所需的性能指標。其250 kSPS更新速率有助于簡化 快速數(shù)據(jù)采集所要求的系統(tǒng)設計以實現(xiàn)實時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——而且每個器件的最大功耗僅為150 mW。當一塊電路板上有許 多通道ADC時，功耗是一項重要考慮。因為有一些系統(tǒng)需要一塊電路 板上有多達128個ADC通道（即22片6通道ADC），所以功耗成為一項 關鍵指標。

　　圖3. 在輸電線監(jiān)測應用中峰峰噪聲是一項關鍵指標。