本應(yīng)用筆記解釋了MAX11046等同步采樣ADC如何用于高級電力線監(jiān)測。本文通過采樣介紹了交流功率測量的基礎(chǔ)知識。它展示了一個典型的電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用，并解釋了國際標(biāo)準(zhǔn)如何影響監(jiān)控系統(tǒng)要求。本文總結(jié)了MAX11046在電力線監(jiān)測方面的獨特優(yōu)勢，并提供了一個應(yīng)用實例。

介紹

電能質(zhì)量系統(tǒng)實時監(jiān)控并記錄電力公司多相饋電的三個相位中每個相位的電壓和電流。這些監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)還可以監(jiān)控零線上的電壓和電流，從而檢測不平衡的負(fù)載或頻率諧波。此外，功率計量系統(tǒng)測量三相中每一相的均方根（RMS）電壓和電流，以確定功耗。

先進(jìn)的電力線監(jiān)控系統(tǒng)將電能質(zhì)量、監(jiān)控保護(hù)和計量功能結(jié)合在一個系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)使電力公司和客戶能夠執(zhí)行預(yù)測性維護(hù)、管理能耗和成本、控制質(zhì)量并保護(hù)其設(shè)備，所有這些系統(tǒng)現(xiàn)在都更高效地執(zhí)行。

測量系統(tǒng)架構(gòu)

圖1通過對瞬時和平均用電量進(jìn)行抽樣計算，展示了交流功率測量的基本原理。圖2顯示了一個典型的電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用。 圖3所示的三相電源設(shè)計是指三個電壓在相位上相互偏移2°，即一個周期的三分之一。第四根稱為中性線用于適應(yīng)不平衡的負(fù)載。如果三相中每一相的負(fù)載相等，則系統(tǒng)是平衡的，沒有電流流過零線。

這種類型的三相電力系統(tǒng)是全世界的標(biāo)準(zhǔn)。它被稱為星形連接，因為它出現(xiàn)在相量圖上的方式。每個電源相位的測量值由電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）表示。整個系統(tǒng)包括四個這樣的對（三相中各一對加上中性線）。

圖1.通過采樣測量交流功率的圖示。

圖2.典型的電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用。星形設(shè)計是全世界的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

如圖2所示，MAX11044/MAX11045/MAX11046同時測量三相、中性線電壓和電流。通過對采樣和數(shù)字轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理計算，可以找到有功、無功、視在能量和功率因數(shù)參數(shù)。頻率和諧波失真計量可以通過對采樣數(shù)據(jù)執(zhí)行快速傅里葉變換（FFT）來實現(xiàn)。

輸送能量的測量特性必須符合國際要求或當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)。國際要求的一個例子是歐盟 （EU） 標(biāo)準(zhǔn) EN 50160。表1總結(jié)了EN 50160的要求：

另一個歐盟標(biāo)準(zhǔn)IEC 62053要求能源計量設(shè)備的精度。它定義了四類儀表：2 類、1 類、0.5 類和 0.2 類。（例如，0.2 類要求儀表精度為標(biāo)稱電流和電壓的 0.2%）。對于功率因數(shù)精度測量，相位匹配應(yīng)為0.1%或更好。

對于諧波電壓，EN 50160 要求測量高達(dá) 25 次 50Hz/60Hz 電壓的諧波。然而，熒光燈和開關(guān)電源等各種“非線性”負(fù)載的傳播會驅(qū)動127Hz/50Hz電壓高達(dá)60次諧波的測量。

IEC 61850 等新興標(biāo)準(zhǔn)建議記錄電源系統(tǒng)瞬態(tài)事件，每個交流周期 256 個樣本或更高。

基本 ADC 系統(tǒng)要求

EN 50160、IEC 62053 和 IEC 61850 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于電力系統(tǒng)監(jiān)控和計量的現(xiàn)代多通道 ADC 系統(tǒng)所需的最低精度和采樣速率。

功率監(jiān)控設(shè)備必須測量采樣率高達(dá) 60Hz x 256 個樣本或大于 15360sps 的瞬時電流和電壓值。此外，功率監(jiān)控應(yīng)能夠足夠精確地測量功率，以適應(yīng)IEC 62053標(biāo)準(zhǔn)要求。

ADC的電壓測量動態(tài)范圍可以根據(jù)要監(jiān)控的最大和標(biāo)稱電壓以及功率測量所需的精度計算得出（參見表1和IEC 62053的評論）。例如，如果設(shè)計必須測量1.5kV （1500V）臨時過壓（在故障條件下），標(biāo)稱電壓測量為220V，精度要求為0.2類（0.2%），則電壓測量子系統(tǒng)的總動態(tài)范圍需要：

20log （（1500/220） × 2000）） = 83dB

注意：在所有計算中，我們假設(shè)預(yù)期精度為0.05%，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)的0.2%精度要求。

此外，電流檢測要求也會影響ADC規(guī)格。如果電源監(jiān)控的設(shè)計要求通常為100A：10A（標(biāo)稱10A，最大值為100A）和0.2類（0.2%），則電流測量子系統(tǒng)的總動態(tài)范圍需要：

20log （（100/10） × 2000）） = 86dB

上述示例清楚地表明，ADC對更高性能的需求日益增加。如今，采樣率為16ksps或更高的16位分辨率至關(guān)重要。為了確保精確的三相和中性星形系統(tǒng)電流和電壓測量，ADC必須能夠同時對3個通道（4個電壓和4個電流）進(jìn)行采樣，并且必須具有86dB或更高的出色SNR。

MAX11046 ADC的電力線監(jiān)測功能

MAX11046在單封裝中包括16路同步采樣、低功耗、250位、<>ksps、逐次逼近型ADC。它非常適合電力系統(tǒng)監(jiān)控和測量應(yīng)用：

±5V輸入能力，僅采用+5V電源供電

MAX11046系列的高輸入阻抗值以及自保護(hù)輸入箝位允許直接連接低輸出阻抗傳感器，包括CT和PT測量變壓器;無需外部緩沖器。

同步采樣允許在每個線路相位上的電壓和電流之間進(jìn)行極其精確的角度測量。

圖3總結(jié)了MAX11046的獨特優(yōu)勢。

圖3.描述MAX11046用于功率測量監(jiān)測的獨特功能。

圖4所示為MAX11046評估（EV）板連接至電力線監(jiān)控變壓器時產(chǎn)生的應(yīng)用示例。原理圖顯示了電力線變壓器與MAX11046之間簡單的成本和節(jié)省空間的接口。

左示波器圖顯示了來自緊湊型熒光燈泡的電流和電壓，取自CT（電流）和PT（電壓）變壓器。此配置用作負(fù)載和測試示例。右邊的軟件圖顯示了數(shù)字化后CT和PT信號采集和重建的結(jié)果。

圖4.

結(jié)論

不斷增長的全球電力需求正在推動對供電基礎(chǔ)設(shè)施的投資增加。這些新型供電系統(tǒng)的一個關(guān)鍵要素是多通道監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)，其中包括用于自動供電監(jiān)控以及故障檢測和保護(hù)的數(shù)字繼電器。SCADA系統(tǒng)需要多通道高分辨率ADC，如MAX11046。

MAX11046提供最高效的16位、8通道同步采樣，尺寸為8mm x 8mm。由于其高阻抗輸入結(jié)構(gòu)，它省去了外部緩沖器。該器件針對三相電源監(jiān)控和測量系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，是需要降低成本和電路板面積同時提高性能的高密度設(shè)計的自然選擇。

審核編輯：郭婷