三相高速數(shù)據(jù)收集方案支持智能化更高的電網(wǎng)管理

　　2 確保高精度三相監(jiān)測(cè)

　　高精度三相功率監(jiān)測(cè)必須同時(shí)采樣全部模擬輸入，以高精度計(jì)算瞬態(tài)功耗。Petaluma (MAXREFDES30#)子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)(圖5)是高精度模擬輸入前端(AFE)。Petaluma采用16位精度和8通道操作，監(jiān)測(cè)智能電網(wǎng)，同時(shí)收集三相模擬數(shù)據(jù)。每通道250ksps的高速采樣率支持±10V輸入信號(hào)，確保高精度捕獲故障事件，供電公司可在單個(gè)周期內(nèi)立即采取措施。

　　Petaluma子系統(tǒng)也優(yōu)化用于要求多路高速、高精度、同時(shí)采樣模擬輸入的應(yīng)用，例如多相電機(jī)控制和工業(yè)振動(dòng)檢測(cè)。

　　適用于配電自動(dòng)化的低功耗、完備信號(hào)鏈AFE，Petaluma子系統(tǒng)方框圖如圖6所示，接下來(lái)我們做進(jìn)一步分析討論。

　　Petaluma采用兩片四路、超高精度超低噪聲運(yùn)算放大器(MAX44252)，對(duì)±10V輸入信號(hào)進(jìn)行衰減和緩沖，以匹配ADC (MAX11046)輸入范圍。運(yùn)算放大器采用反相配置，所以信號(hào)的ADC輸入的信號(hào)極性是反相的。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果與電壓的關(guān)系式為：10-CODE/65536 × 20。

　　MAX11046為8通道、250ksps、16位、單電源供電、雙極性、同時(shí)采樣ADC。雖然ADC內(nèi)部提供了4.096V電壓基準(zhǔn)，如果Petaluma使用外部高精度電壓基準(zhǔn)MAX6126，可提供更高精度。MAX6126的初始精度為0.02%，最大溫度系數(shù)(tempco)為3ppm/ºC。

　　MAX1659和MAX8881穩(wěn)壓器分別提供后端穩(wěn)壓，產(chǎn)生5V和10V電源。MAX765 DC-DC反相器和LM337負(fù)壓LDO產(chǎn)生-10V電源。

　　Petaluma連接至FMC兼容現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)/微控制器開(kāi)發(fā)板。子系統(tǒng)要求FMC連接器提供3.3V和12V。

　　3 針對(duì)ZedBoard™平臺(tái)的固件

　　針對(duì)ZedBoard平臺(tái)發(fā)布的Petaluma固件支持Xilinx^® Zynq^®片上系統(tǒng)(SoC)內(nèi)部的ARM^® Cortex^®-A9處理器。固件利用Xilinx SDK工具用C語(yǔ)言編寫(xiě)，基于Eclipse™開(kāi)源標(biāo)準(zhǔn)。固件連接硬件、收集采樣并將其保存至存儲(chǔ)器。固件接收命令，配置ADC，以支持250ksps最大采樣率，通過(guò)虛擬COM端口將采樣數(shù)據(jù)下載至標(biāo)準(zhǔn)終端程序。

　　4 性能測(cè)量

　　圖7和圖8所示為ADC采樣的FFT圖，以250ksps高采樣率獲得數(shù)據(jù)。這些動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果表明，Petaluma子系統(tǒng)在信噪比和總諧波失真(THD)方面具有非常好的性能。

　　往往利用直流信號(hào)的直方圖確定ADC系統(tǒng)的噪聲。由于系統(tǒng)中存在噪聲，ADC產(chǎn)生的結(jié)果將在主值附近。轉(zhuǎn)換結(jié)果的分散性表示ADC的噪聲信息。圖9的直方圖表明，計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)方差為0.711，非常好。此外，97.7%的轉(zhuǎn)換結(jié)果在前三個(gè)中心主值之內(nèi)。

　　注意，如要復(fù)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，要求精度高于被測(cè)件的信號(hào)源。為復(fù)現(xiàn)結(jié)果，必須采用低失真信號(hào)源。采用Audio Precision SYS-2722產(chǎn)生輸入信號(hào)。利用Mitov Software的SignalLab中的FFT控件產(chǎn)生FFT。