智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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1、...智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關鍵詞：數(shù)據(jù)采集,智能電網(wǎng)現(xiàn)代觀念的智能電網(wǎng)由高效、可靠、隨時保持有效的配電網(wǎng)絡組成。為了達到這些目標，電網(wǎng)必須支持配電資源管理，例如太陽能和風能發(fā)電，據(jù)此，新型電氣設備能夠獲得所需的新能源，例如，大量的電動汽車或現(xiàn)代化家電便利設施。由于人們對電網(wǎng)的依賴性非常大，所以正常運行時間成為關鍵，電網(wǎng)必須7x24小時不間斷、高效運行。任何機械系統(tǒng)常見的、甚至是最普通的系統(tǒng)故障和缺陷都是不可容忍的。所以智能電網(wǎng)必須自動檢測系統(tǒng)故障，然后快速隔離，以便快速修復。實現(xiàn)這一愿景的關鍵是數(shù)據(jù)：高精度和動態(tài)可用性。全球范圍的

2、供電公司都采用智能電網(wǎng)設備，此類設備提供關于動態(tài)變化負荷的高精度、隨時間變化的信息。為精確收集此類電力數(shù)據(jù)，必須同時采集所有電力線的電壓和電流數(shù)據(jù)，供電公司即可了解不同相之間的時序，確保電網(wǎng)的正常運行時間。最關鍵的應用是測量三相功率，要求每條線路有多路時間對齊的模擬輸入，用于測量電壓和電流。本文回顧三相系統(tǒng)的功率測量要求，然后介紹稱為Petaluma的新型子系統(tǒng)參考設計，該設計監(jiān)測智能電網(wǎng)，同時收集三相模擬數(shù)據(jù)。Petaluma為更加智能的電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理提供了保證。三相電功率測量基礎知識：三相電力系統(tǒng)承載頻率相同的三相交流電(AC)，

3、各相之間彼此相位差120°。圖1所示為三相電壓波形，圖2所示為配置為4線Y型......或星型連接的三個單相。3線Y型連接與沒有零線的4線連接完全相同。零線(圖2中黑色線)連接至Y型配置系統(tǒng)的中心點，供不平衡負載使用。如果負載恰好平衡，意味著各相電流相同，相電流彼此抵消，零線中沒有電流。因此，3線連接常用于平衡負載。顯而易見，線越少，消耗的銅纜就越少，系統(tǒng)成本越低、也更經(jīng)濟。圖1.三相電波形。三相均為交流電(AC)，頻率相同，各相之間彼此相位差為120°。圖2線Y型配置。負載不平衡時，使用零線(黑色)。功率是負載上電壓和電流的乘積。

4、功率計包括電流表和電壓表，一起測量電力線上的功率。對于三相三線系統(tǒng)，測量總功耗至少需要......兩個功率計，如圖3所示?？偣β蕿閮蓚€功率計的瓦特數(shù)之和。圖3線Y型系統(tǒng)負載。總功率為兩個功率計的瓦特數(shù)之和。在這里，我們有必要對圖3中的電路進行簡要分析。以三相負載的中心點作為0V參考點。則：現(xiàn)在，我們需要稍做修改。然而，僅使用兩個功率計，是不能計算每相功率的；如圖4所示，測量每相的功率基本要求三個功率計，每相一個，此時將零線用作地參考點。對于負載不平衡的4線三相系統(tǒng)，零線中有電流。盡管可對全部三相電流進行求和，從而計算得到......

5、通過零線的電流，但額外增加一個電流表來測量零線的電流更簡單。此外，在發(fā)生電流故障時，這種方法提供的數(shù)據(jù)更有效。圖4.采用7路模擬輸入的三相功率測量配置如圖4所示，有3個電壓表和4個電流表。每個表需要一個電流變壓器或電壓變壓器(衰減電壓或電流)和一個ADC模擬輸入，將模擬電壓/電流信息轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)。中央控制單元負責處理這些數(shù)據(jù)并進行相應的響應。與直流電源不同，無論負載如何，每相交流電壓和電流隨時間發(fā)生變化。因此，ADC必須同時采樣輸入，以正確計算瞬態(tài)功率。一種方案是采用7個獨立的ADC，每個電壓表或電流表一個；中央控制單元需要連接全

6、部并行的ADC。但這種方法存在問題。這種方法中，要求控制器和ADC之間有許多控制線，造成電路板布局較大、結構復雜，難以優(yōu)化性能。為提供大量IO，控制器封裝的尺寸可能也較大。有一種更好的解決方案：采用多通道ADC，這正是Petaluma子系統(tǒng)的解決方案。確保高精度三相監(jiān)測：高精度三相功率監(jiān)測必須同時采樣全部模擬輸入，以高精度計算瞬態(tài)功耗。Petaluma(MAXREFDES30#子)系統(tǒng)......參考設計(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)測智能電網(wǎng)，同時收集三相模擬數(shù)據(jù)。每通道25

7、0ksps的高速采樣率支持±10V輸入信號，確保高精度捕獲故障事件，供電公司可在單個周期內(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、同時采樣模擬輸入的應用，例如多相電機控制和工業(yè)振動檢測。圖5.Petaluma(MAXREFDES30#子)系統(tǒng)參考設計電路板。適用于配電自動化的低功耗、完備信號鏈，AFEPetaluma子系統(tǒng)方框圖如圖6所示，接下來我們做進一步分析討論。......圖6.Petaluma子系統(tǒng)設計方框圖。Petaluma采用兩片四路、超高精度超低噪聲運算放大器(MAX44252)，對±10V

8、輸入信號進行衰減和緩沖，以匹配ADC(MAX11046)輸入范圍。運算放大器采用反相配置，所以信號的ADC輸入的信號極性是反相的。ADC轉換結果與電壓的關系式為：10-CODE/65536×20。MAX11046為8通道、250ksp