数据采集智能电网管理的关键

数据采集：智能电网管理的关键2015年08月28日10:08designapp关键词：数据采集,智能电网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AFEPetaluma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。MAX765DC-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XilinxZynq片上系统(SoC)内部的ARMCortex-A9处理器。固件利用XilinxSDK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AudioPrecisionSYS-2722产生输入信号。利用MitovSoftware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21LSB，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。