智能电网的数据采集系统

1、智能电网的数据采集系统关键词： 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，

2、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

3、形，图2所示为配置为4线丫型或星型连接的三个单相。3线丫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）连接至丫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。 Phase APhaw &Phau C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°A1JLPHASE BPHASE CNEUTRAL图2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

4、流表和电压表,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WATTMETER 1图3线丫型系统负载。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。贝卩：Power =(卩口 » la) + (l/b * /b) + (l/c* Zc)Va =VcVlVb-Vc+ V2Ic = (/a + /b)la =A1lb = AZPower = (Vc + Vl) >41 + (Vc + V2) * A2 一 Vc -+ A2)Power = l/l *

5、 141 + V2 * ?42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

6、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，ADM、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 10,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 ADQ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 （MAXRE

7、FDES30#子系统参考设计（图5）是咼精度模拟输入前端（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的高速采样率支持士 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AMAX44252MAX44252A

8、DCNAX1104SVOLTAGE REFERENCE MAXB126 町5VREGULATED POWE Fl MAXB381*NEGATIVE'r -rVOLTAGEDODC IWERTERREGULATORtLM337LREGULATED POWER MAXI 659y| |mwDEVELOPMENT KITOR mCFK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),对士 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

9、的。ADC转换结果与电压的关系式为： 10-CODE/65536 X 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 MAX165侨口 MAX888稳压器分别提供后端稳压，产生 5V和 10V电源。MAX765 DC-D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

10、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。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

11、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勺噪声信息。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AudioPrecision SYS-2722 产生输入信号。利用 Mitov Software 的SignalLab中的FFT控件产生FFTFFT胃"H上Fifequei图7.通道7 (AIN

12、7)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His togarrm3577100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