数据采集：智能电网管理的关键

现代观念的智能电网由高效、可靠、随时保持有效的配电网络组成。为了达到这些目标，电网必须支持配电资源管理，例如太阳能和风能发电，据此，新型电气设备能够获得所需的新能源，例如，大量的电动汽车或现代化家电便利设施。由于人们对电网的依赖性非常大，所以正常运行时间成为关键，电网必须7x24小时不间断、高效运行。任何机械系统常见的、甚至是最普通的系统故障和缺陷都是不可容忍的。所以智能电网必须自动检测系统故障，然后快速隔离，以便快速修复。

实现这一愿景的关键是数据：高精度和动态可用性。全球范围的供电公司都采用智能电网设备，此类设备提供关于动态变化负荷的高精度、随时间变化的信息。为精确收集此类电力数据，必须同时采集所有电力线的电压和电流数据，供电公司即可了解不同相之间的时序，确保电网的正常运行时间。最关键的应用是测量三相功率，要求每条线路有多路时间对齐的模拟输入，用于测量电压和电流。

本文回顾三相系统的功率测量要求，然后介绍称为Petaluma的新型子系统参考设计，该设计监测智能电网，同时收集三相模拟数据。Petaluma为更加智能的电网数据管理提供了保证。
三相电功率测量基础知识

三相电力系统承载频率相同的三相交流电(AC)，各相之间彼此相位差120°。图1所示为三相电压波形，图2所示为配置为4线Y型或星型连接的三个单相。3线Y型连接与没有零线的4线连接完全相同。零线(图2中黑色线)连接至Y型配置系统的中心点，供不平衡负载使用。如果负载恰好平衡，意味着各相电流相同，相电流彼此抵消，零线中没有电流。因此，3线连接常用于平衡负载。显而易见，线越少，消耗的铜缆就越少，系统成本越低、也更经济。


图1.三相电波形。三相均为交流电(AC)，频率相同，各相之间彼此相位差为120°。


图2.4线Y型配置。负载不平衡时，使用零线(黑色)。

功率是负载上电压和电流的乘积。功率计包括电流表和电压表，一起测量电力线上的功率。对于三相三线系统，测量总功耗至少需要两个功率计，如图3所示。总功率为两个功率计的瓦特数之和。


图3.3线Y型系统负载。总功率为两个功率计的瓦特数之和。

在这里，我们有必要对图3中的电路进行简要分析。以三相负载的中心点作为0V参考点。则：



因此：



现在，我们需要稍做修改。然而，仅使用两个功率计，是不能计算每相功率的；如图4所示，测量每相的功率基本要求三个功率计，每相一个，此时将零线用作地参考点。对于负载不平衡的4线三相系统，零线中有电流。尽管可对全部三相电流进行求和，从而计算得到通过零线的电流，但额外增加一个电流表来测量零线的电流更简单。此外，在发生电流故障时，这种方法提供的数据更有效。


图4.采用7路模拟输入的三相功率测量配置

如图4所示，有3个电压表和4个电流表。每个表需要一个电流变压器或电压变压器(衰减电压或电流)和一个ADC模拟输入，将模拟电压/电流信息转换为数字数据。中央控制单元负责处理这些数据并进行相应的响应。与直流电源不同，无论负载如何，每相交流电压和电流随时间发生变化。因此，ADC必须同时采样输入，以正确计算瞬态功率。一种方案是采用7个独立的ADC，每个电压表或电流表一个；中央控制单元需要连接全部并行的ADC。但这种方法存在问题。这种方法中，要求控制器和ADC之间有许多控制线，造成电路板布局较大、结构复杂，难以优化性能。为提供大量IO，控制器封装的尺寸可能也较大。有一种更好的解决方案：采用多通道ADC，这正是Petaluma子系统的解决方案。

确保高精度三相监测

高精度三相功率监测必须同时采样全部模拟输入，以高精度计算瞬态功耗。Petaluma (MAXREFDES30#)子系统参考设计(图5)是高精度模拟输入前端(AFE)。Petaluma采用16位精度和8通道操作，监测智能电网，同时收集三相模拟数据。每通道250ksps的高速采样率支持±10V输入信号，确保高精度捕获故障事件，供电公司可在单个周期内立即采取措施。

Petaluma子系统也优化用于要求多路高速、高精度、同时采样模拟输入的应用，例如多相电机控制和工业振动检测。


图5.Petaluma (MAXREFDES30#)子系统参考设计电路板。

适用于配电自动化的低功耗、完备信号链AFE

Petaluma子系统方框图如图6所示，接下来我们做进一步分析讨论。


图6. Petaluma子系统设计方框图。

Petaluma采用两片四路、超高精度超低噪声运算放大器(MAX44252)，对±10V输入信号进行衰减和缓冲，以匹配ADC (MAX11046)输入范围。运算放大器采用反相配置，所以信号的ADC输入的信号极性是反相的。ADC转换结果与电压的关系式为：10-CODE/65536 × 20。

MAX11046为8通道、250ksps、16位、单电源供电、双极性、同时采样ADC。虽然ADC内部提供了4.096V电压基准，如果Petaluma使用外部高精度电压基准MAX6126，可提供更高精度。MAX6126的初始精度为0.02%，最大温度系数(tempco)为3ppm/oC。

MAX1659和MAX8881稳压器分别提供后端稳压，产生5V和10V电源。MAX765 DC-DC反相器和LM337负压LDO产生-10V电源。

Petaluma连接至FMC兼容现场可编程门阵列(FPGA)/微控制器开发板。子系统要求FMC连接器提供3.3V和12V。

针对ZedBoard平台的固件

针对ZedBoard平台发布的Petaluma固件支持Xilinx Zynq片上系统(SoC)内部的ARM Cortex-A9处理器。固件利用Xilinx SDK工具用C语言编写，基于Eclipse开源标准。固件连接硬件、收集采样并将其保存至存储器。固件接收命令，配置ADC，以支持250ksps最大采样率，通过虚拟COM端口将采样数据下载至标准终端程序。对应的固件平台文件包括代码文档。

性能测量

图7和图8所示为ADC采样的FFT图，以250ksps高采样率获得数据。这些动态测试结果表明，Petaluma子系统在信噪比和总谐波失真(THD)方面具有非常好的性能。

往往利用直流信号的直方图确定ADC系统的噪声。由于系统中存在噪声，ADC产生的结果将在主值附近。转换结果的分散性表示ADC的噪声信息。图9的直方图表明，计算得到的标准方差为0.711，非常好。此外，97.7%的转换结果在前三个中心主值之内。

注意，如要复现测试数据，要求精度高于被测件的信号源。为复现结果，必须采用低失真信号源。采用Audio Precision SYS-2722产生输入信号。利用Mitov Software的SignalLab中的FFT控件产生FFT。


图7.通道7 (AIN7)的交流FFT，采用板载电源；-10V至+10V、10kHz正弦波输入信号；250ksps采样率；Blackman-Harris窗；室温。


图8.通道7 (AIN7)的交流FFT，采用板载电源；-2.5V至+2.5V、10kHz正弦波输入信号；250ksps采样率；Blackman-Harris窗；室温。


图9.通道7 (AIN7)的直流直方图，采用板载电源；0V直流输入信号；250ksps采样率；65536个采样；编码分散性为21 LSB，97.7%的编码在三个中心LSB之内；标准偏差为0.711；室温。

总结

当今的现代化智能电网是一套智能系统，可监测配电网络，保证高效率供电，支持电网的新能源替代。这是全球成功智能电网的美好愿景和使命。该使命的核心是数据收集。智能电网必须以高精度监测三相配电网络的功率，实时并且所有相同时进行。
Petaluma子系统支持更智能的电网管理，采用八路、16位、高速、同时采样模拟输入通道，以监测和测量三相系统电能。该子系统确保高精度捕获故障事件，供电公司由此可在单周期内立即采取措施。