電力工業的迅速發展使全世界都需要加強現有的輸配電網絡，并建造新的變電站。微處理器技術的進步和支持人員成本的增加是電力公司使用高精度集成自動化系統設計新的自動化高壓變電站的關鍵驅動力。

變電站根據電壓等級可分為兩類：高壓包括500 kV，330 kV和一些220 kV變電站，而220 kV終端變電站，110 kV和35 kV變電站被認為是中壓或低壓。高壓（輸電）變電站是大型室外站點。低壓（配電）變電站是位于城市地區的室內系統，用于處理高負載密度。

與當前系統典型的0.5%精度水平相比，改進的信號處理技術使得下一代系統的精度能夠達到0.1%以上——這一改進主要是通過使用高性能同步采樣ADC（模數轉換器）來實現的;它們提供了未來系統所需的分辨率和性能。

系統架構

圖1顯示了典型三相測量系統中的波形。每個電源相位由電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）表示。整個系統由三對這樣的系統組成。系統在任何時刻的平均功率都是通過快速獲取每個變壓器輸出的多個樣本，對采樣數據執行離散傅里葉變換（DFT）并執行必要的乘法和求和來計算的。

圖1.典型三相系統中的波形。

該ADC采集32組3個CT和3個PT輸出的同步采樣，并將結果存儲在RAM中。然后，系統計算所有六個輸出的DFT，并以實數和虛部格式（A + jB）顯示結果。每個變壓器的幅度和相位信息可以計算如下：

以 A + jB 和 C + jD 作為 CT1 和 PT1 的實項和虛項，幅度 （M我） 和階段 （P我） 是：

通過 PT1/CT1 對的功率為：

通過 PT2/CT2 和 PT3/CT3 的功率的類似計算得出 ü2和 ü3.系統中的總平均功率是通過將三個功率項相加來計算的：

該方法使用DFT和上述計算來確定單個頻率下的系統功率。執行快速傅里葉變換 （FFT） 而不是 DFT 可提供諧波和其他更高頻率分量的數據;這可以計算其他信息，例如系統損耗或不需要的噪聲的影響。

系統要求

一個變電站可能包含數百個變壓器。測量的電壓和電流按比例縮放，變壓器的±5 V或±10 V滿量程輸出范圍表示的范圍遠大于電源線的滿量程功率輸出能力。通常，電源線（尤其是電流測量）將運行在該范圍的5%以下，典型的變壓器輸出將位于±20 mV范圍內。較大的信號很少發生;當他們這樣做時，它們通常意味著系統故障。

精確測量這些小信號需要具有出色信噪比（S/N）的高分辨率ADC。所使用的多通道ADC還必須能夠同時采樣。目前可用的系統具有14位功能，例如，4通道AD7865 14位四通道ADC接受真雙極性信號并提供80 dB SNR。然而，對更高性能的多通道ADC的需求日益增加，在10 kSPS的采樣速率下具有16位分辨率。為了進行精確的三相電流和電壓測量，ADC應該能夠同時對六個通道進行采樣，并且必須具有出色的SNR來測量小信號。在一個系統中使用多個ADC時，低功耗也很重要。

AD7656就是滿足所有這些要求的器件的一個例子，它在單個封裝中集成了6個低功耗16位、250 kSPS逐次逼近型ADC。如圖2所示，AD7656采用工業CMOS（iCMOS）工藝制造，該工藝將高壓器件與亞微米CMOS和互補的雙極性技術相結合。我CMOS使各種能夠高壓工作的高性能模擬IC成為可能。與使用傳統CMOS工藝的模擬IC不同，iCMOS元件可以輕松接受雙極性輸入信號，從而提供更高的性能并顯著降低功耗和封裝尺寸。?

圖2.AD7656具有6個同步采樣ADC、1個基準電壓源、3個基準電壓緩沖器和1個振蕩器。

如圖3所示，AD7656的SNR為86.6 dB，可提供測量變壓器小交流輸出所需的性能。其 250kSPS 更新速率有助于簡化需要快速數據采集以進行實時 FFT 后處理的設計。它能夠直接接受來自變壓器的 ±5V 和 ±10V 輸出，無需增益或電平轉換，每個器件的最大功耗僅為 150mW。當電路板必須容納許多ADC通道時，這是一個重要的考慮因素。由于某些系統要求一塊板上有多達128個通道（多達22個六通道ADC），因此功耗可能是一個關鍵規格。

圖3.峰峰值噪聲是電力線監控應用中的關鍵規格。此處的AD7656在8192個樣本中只有6個代碼的峰峰值噪聲。

超越 ADC

完整的電力線測量系統如圖4所示。雖然ADC是系統的核心，但在設計高性能系統時還必須考慮許多其他因素。基準電壓源和輸入放大器對系統性能也至關重要，遠程通信可能需要隔離。

圖4.電力線監控系統。

ADC 基準電壓源考慮因素

是使用ADC的內置基準電壓源（適用于具有內部基準電壓源的器件）還是外部基準電壓源取決于系統要求。當在單個電路板上使用多個ADC時，外部基準電壓源效果最佳，因為公共基準電壓源可以消除器件間基準電壓源之間的差異，從而利用比率特性。

通常，低漂移基準對于降低基準電壓源對溫度的敏感性也很重要。簡單的計算有助于理解漂移的重要性，并決定是否使用內部基準電壓源。具有10 V滿量程輸入的16位ADC的分辨率為152 μV。AD7656內部基準電壓源的漂移規格最大值為25 ppm/°C（典型值為6 ppm/°C）。在 50°C 溫度范圍內，基準電壓源漂移可能高達 1250 ppm;或約 12.5 mV。在漂移很重要的應用中，外部低漂移基準電壓源（如ADR421 （1 ppm/°C））將是更好的選擇。1 ppm/°C基準電壓源在50°C溫度范圍內僅漂移0.5 mV。

放大器選擇

為電力線監控應用選擇放大器時要考慮的關鍵要求是低噪聲和低失調。

驅動放大器產生的噪聲必須保持在盡可能低的水平，以保持ADC的SNR和轉換噪聲性能。低噪聲放大器也可用于測量小交流信號。放大器在整個溫度范圍內的總失調誤差（包括漂移）應小于所需的分辨率。OP1177/OP2177/OP4177系列放大器兼具出色的噪聲性能（8.5 nV/rtHz）和低失調漂移。例如，運算放大器OP1177的最大失調電壓為60 μV，最大失調漂移為0.7 μV/°C。在50°C工作范圍內，最大失調漂移為35 μV，因此失調和失調漂移引起的總誤差將小于95 μV或0.0625 LSB。

對于電力線監控應用，功耗考慮因素可能很重要，尤其是當一塊板上可以測量多達128個通道時。OP1177系列每個放大器的電源電流通常低于400 μA。

下表比較了用于電力線監控應用的一些推薦放大器。

ADC 電源生成

ADC需要模擬和數字電源。大多數系統具有 5V 數字電源，但許多系統沒有 5V 模擬電源。由于對模擬和數字電路使用相同的電源可能會將不需要的噪聲耦合到系統中，因此通常應避免這種做法。對于采用雙極性±12 V電源的設計，可以使用ADP3330等低成本低壓差穩壓器（LDO）來生成高質量的3 V或5 V電源，在溫度、負載和線路變化范圍內精度為1.4%。

通信

單個變電站中的許多系統需要與遠程主系統控制器通信，通常具有電氣隔離。光耦合器解決方案及其LED和光電二極管現在正被我耦合器數字隔離器?，使用芯片級微變壓器。i耦合器器件的數據速率比常用的高速光耦合器快2到4倍，功耗僅為1/50，散熱也相應降低，可靠性更高，成本更低。除了這些優點外，該集成解決方案還減少了電路板空間并簡化了布局。ADuM1402 4通道數字隔離器可處理高達100 MSPS的數據速率和高達2.5 kV的隔離。

RS-232通常用于連接多個系統，因此每個系統和總線之間的隔離至關重要。數字隔離器不支持RS-232標準，因此不能在收發器和電纜之間使用;相反，它們在收發器和本地系統之間使用。結合ADuM1402 i耦合器數字隔離器、ADM232L RS-232收發器和隔離電源，可消除接地環路，并提供有效的浪涌損壞保護。

對于采用RS-485協議的系統，可以使用ADM2486單芯片隔離式RS-485收發器（圖5）。它可以支持高達 20 Mbps 的數據速率，并具有 2.5kV 隔離額定值。

圖5.ADM2486是一款節省成本和空間的隔離式RS-485收發器。

信號處理

電力線監控應用需要數字信號處理（DSP）來執行復雜的數學計算。高性能、低成本、低功耗ADSP-BF531 Blackfin處理器非常適合執行這些復雜的DFT或FFT計算。

這款Blackfin處理器是一款高度集成的片上系統，包括一個CAN 2.0B控制器、一個TWI控制器、兩個UART端口、一個SPI端口、兩個串行端口（SPORT）、9個通用32位定時器（8個具有PWM功能）、一個實時時鐘、一個看門狗定時器和一個并行外設接口（PPI）。這些外設提供了跨系統多個部件和接口進行通信所需的靈活性。

ADSP-BF536和ADSP-BF537等Blackfin處理器包括符合IEEE標準的802.3 10/100以太網MAC（媒體訪問控制器）。這現在是許多電力線監控系統的標準要求。

實際設計注意事項

在設計印刷電路板時，應特別考慮ADC的位置和周圍環境。模擬和數字電路應分開，并限制在電路板的某些區域。應至少使用一個接地層。避免在ADC下運行數字線路，因為它們會將噪聲耦合到芯片上。應允許模擬接地層在AD7656下方運行，以避免噪聲耦合。時鐘和其他高速開關信號應用數字地屏蔽，以避免將噪聲輻射到電路板的其他部分，并且它們不應在模擬信號路徑附近運行。應避免數字和模擬信號的交叉。電路板不同但緊密層上的走線應彼此成直角，以減少饋通的影響。

ADC的電源線應使用盡可能大的走線，以提供低阻抗路徑并減少電源線路上的毛刺影響。AD7656電源引腳和電路板上的電源走線之間應建立良好的連接;這應該涉及為每個電源引腳使用單個或多個過孔。良好的去耦對于降低AD7656的電源阻抗和減小電源尖峰幅度也很重要。并聯去耦電容（通常為100 nF和10 μF）應放置在所有電源引腳上，靠近或理想情況下正靠這些引腳及其相應的接地引腳。

結論

全球電力需求的增加正在推動電力線和電力線變電站數量的增加。隨著越來越多的自動化監控和故障檢測系統的需求，趨勢將是具有大量通道的系統。由于每個電路板上有多個ADC，因此有效利用電路板面積和功耗變得至關重要，因為系統設計人員試圖降低成本，同時提高性能。

使用高性能ADC（如AD7656）可以實現更高的系統性能。憑借 6 通道和 16 位分辨率，其低功耗、高 SNR 和小封裝相結合，可滿足下一代電力線監控系統設計的需求。

審核編輯：郭婷