使用同時(shí)采樣ADC進(jìn)行高性能多通道輸電線監(jiān)測(cè)

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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)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。

　　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：

　　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(wú)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(lái)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(wèn)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、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(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(lái)自互感器的±5 V和±10 V輸出，無(wú)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)。