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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(yáng)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(jiàn)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(cè)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(cè)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(cè)量電壓和電流。 本文回顧三相系統(tǒng)的功率測(cè)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(cè)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(cè)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Y型連接與沒(méi)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(méi)有電流。因此，3線連接常用于平衡負(fù)載。顯而易見(jiàn)，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2.4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(cè)量電力線上的功率。對(duì)于三相三線系統(tǒng)，測(cè)量總功耗至少需要兩個(gè)功率計(jì)，如圖3所示。總功率為兩個(gè)功率計(jì)的瓦特?cái)?shù)之和。 圖3.3線Y型系統(tǒng)負(fù)載。總功率為兩個(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(jiǎn)要分析。以三相負(fù)載的中心點(diǎn)作為0V參考點(diǎn)。則： 因此： 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(cè)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(guò)零線的電流，但額外增加一個(gè)電流表來(lái)測(cè)量零線的電流更簡(jiǎn)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(cè)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(wú)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(wèn)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(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)。 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。 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。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。 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，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。對(duì)應(yīng)的固件平臺(tái)文件包括代碼文檔。 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。 圖7.通道7 (AIN7)的交流FFT，采用板載電源；-10V至+10V、10kHz正弦波輸入信號(hào)；250ksps采樣率；Blackman-Harris窗；室溫。 圖8.通道7 (AIN7)的交流FFT，采用板載電源；-2.5V至+2.5V、10kHz正弦波輸入信號(hào)；250ksps采樣率；Blackman-Harris窗；室溫。 圖9.通道7 (AIN7)的直流直方圖，采用板載電源；0V直流輸入信號(hào)；250ksps采樣率；65536個(gè)采樣；編碼分散性為21 LSB，97.7%的編碼在三個(gè)中心LSB之內(nèi)；標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.711；室溫。 總結(jié) 當(dāng)今的現(xiàn)代化智能電網(wǎng)是一套智能系統(tǒng)，可監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)絡(luò)，保證高效率供電，支持電網(wǎng)的新能源替代。這是全球成功智能電網(wǎng)的美好愿景和使命。該使命的核心是數(shù)據(jù)收集。智能電網(wǎng)必須以高精度監(jiān)測(cè)三相配電網(wǎng)絡(luò)的功率，實(shí)時(shí)并且所有相同時(shí)進(jìn)行。 Petaluma子系統(tǒng)支持更智能的電網(wǎng)管理，采用八路、16位、高速、同時(shí)采樣模擬輸入通道，以監(jiān)測(cè)和測(cè)量三相系統(tǒng)電能。該子系統(tǒng)確保高精度捕獲故障事件，供電公司由此可在單周期內(nèi)立即采取措施。 |
