智能電網(wǎng)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(guān)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(shí)保持有效的配電網(wǎng)絡(luò)組成。為了達(dá)到這些目標(biāo)，電網(wǎng)必須支持配電資源管理，例如太陽能和風(fēng)能發(fā)電，據(jù)此，新型電氣設(shè)備能夠獲得所需的新能源，例如，大量的電動(dòng)汽車或現(xiàn)代化家電便利設(shè)施。由于人們對(duì)電網(wǎng)的依賴性非常大，所以正常運(yùn)行時(shí)間成為關(guān)鍵，電網(wǎng)必須7x24小時(shí)不間斷、高效運(yùn)行。任何機(jī)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(dòng)檢測系統(tǒng)故障，然后快速隔離，以便快速修復(fù)。實(shí)現(xiàn)這一愿景的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)：高精度和動(dòng)態(tài)可用性。全球范圍的供電公司都采用智能電網(wǎng)設(shè)備，此類設(shè)備提供關(guān)于動(dòng)態(tài)變化負(fù)荷

2、的高精度、隨時(shí)間變化的信息。為精確收集此類電力數(shù)據(jù)，必須同時(shí)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(shí)序，確保電網(wǎng)的正常運(yùn)行時(shí)間。最關(guān)鍵的應(yīng)用是測量三相功率，要求每條線路有多路時(shí)間對(duì)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(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)監(jiān)測智能電網(wǎng)，同時(shí)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(chǔ)知識(shí)：三相電力系統(tǒng)承載頻率相同的三相交流電(AC)，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(gè)單相。3線

3、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(diǎn)，供不平衡負(fù)載使用。如果負(fù)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(fù)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(jì)。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(fù)載不平衡時(shí)，使用零線(黑色)。..功率是負(fù)載上電壓和電流的乘積。功率計(jì)包括電流表和電壓表，一起測量電力線上的功率。對(duì)于三相三線系統(tǒng)，測量總功耗至少需要兩個(gè)功率計(jì)，如圖3所示?？偣β蕿閮蓚€(gè)功率計(jì)的瓦特?cái)?shù)之和。圖3線Y型系統(tǒng)負(fù)載

4、?？偣β蕿閮蓚€(gè)功率計(jì)的瓦特?cái)?shù)之和。在這里，我們有必要對(duì)圖3中的電路進(jìn)行簡要分析。以三相負(fù)載的中心點(diǎn)作為0V參考點(diǎn)。則：..現(xiàn)在，我們需要稍做修改。然而，僅使用兩個(gè)功率計(jì)，是不能計(jì)算每相功率的；如圖4所示，測量每相的功率基本要求三個(gè)功率計(jì)，每相一個(gè)，此時(shí)將零線用作地參考點(diǎn)。對(duì)于負(fù)載不平衡的4線三相系統(tǒng)，零線中有電流。盡管可對(duì)全部三相電流進(jìn)行求和，從而計(jì)算得到通過零線的電流，但額外增加一個(gè)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(shí)，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(gè)電壓表和4個(gè)電流表。每個(gè)表需要一個(gè)電流變壓器或電壓變壓器(衰減

5、電壓或電流)和一個(gè)ADC模擬輸入，將模擬電壓/電流信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。中央控制單元負(fù)責(zé)處理這些數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)。與直流電源不同，無論負(fù)載如何，每相交流電壓和電流隨時(shí)間發(fā)生變化。因此，ADC必須同時(shí)采樣輸入，以正確計(jì)算瞬態(tài)功率。一種方案是采用7個(gè)獨(dú)立的ADC，每個(gè)電壓表或電流表一個(gè)；中央控制單元需要連接全部并行的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(jié)構(gòu)復(fù)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

6、度三相功率監(jiān)測必須同時(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。圖5.Petaluma(MAXREFDES30#)子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)電路板。適用于配電自動(dòng)化的低功耗、完備信號(hào)鏈，AFEPeta

7、luma子系統(tǒng)方框圖如圖6所示，接下來我們做進(jìn)一步分析討論。..圖6.Petaluma子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖。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