【導(dǎo)讀】在我之前撰寫(xiě)的關(guān)于提高數(shù)據(jù)采集(DAQ)以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)保護(hù)和控制的兩篇博文中，我闡述了將多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）連接到單處理器以及使用可編程實(shí)時(shí)單元子系統(tǒng)和工業(yè)通信子系統(tǒng)(PRU-ICSS)來(lái)提升傳感器DAQ性能的必要性。此篇博文中，我將討論電網(wǎng)應(yīng)用中電壓、電流和有功電能的DAQ精度要求，以及基于ADS131A04 24位delta-sigma ADC的采用24位 Delta-Sigma ADC的高精度±0.5%電流和隔離電壓測(cè)量的參考設(shè)計(jì)。
電網(wǎng)保護(hù)和測(cè)量
DAQ可以用來(lái)保護(hù)電網(wǎng)資產(chǎn)，測(cè)量用于計(jì)量/監(jiān)測(cè)的電氣參數(shù)。使用單個(gè)硬件配置在指定精度限制內(nèi)測(cè)量大范圍的電壓和電流輸入（包括保護(hù)和測(cè)量范圍）是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。
為了保護(hù)電網(wǎng)一次設(shè)備，DAQ（二次設(shè)備）必須在寬輸入范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量電壓和電流輸出，以提供可重復(fù)的故障監(jiān)測(cè)和跳閘時(shí)間性能。對(duì)于保護(hù)而言，精度等級(jí)規(guī)定了電壓（3P）和電流（5P、10P）范圍，具體取決于電網(wǎng)主要設(shè)備。對(duì)于測(cè)量而言，電流范圍為額定電流In的5%至最大電流，其中最大電流是In（1A或5A）的4倍；電壓范圍為額定電壓Vn的80%-120%。電網(wǎng)應(yīng)用中使用的DAQ還提供了有限范圍內(nèi)的電能計(jì)量功能，精度等級(jí)為1級(jí)或更高。模擬前端（AFE）能夠精確測(cè)量大范圍的輸入且同時(shí)滿足保護(hù)和測(cè)量等級(jí)精度的要求，從而簡(jiǎn)化了DAQ設(shè)計(jì)。
圖1所示的AFE包括一個(gè)傳感器接口、ADC范圍的增益縮放、輸入瞬態(tài)保護(hù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換和一個(gè)主機(jī)接口。
圖1：包括AFE在內(nèi)的DAQ子系統(tǒng)
電流、電壓和有功電能的保護(hù)和測(cè)量等級(jí)精度要求
電流互感器（CT）會(huì)將一次電流轉(zhuǎn)換為成比例的二次電流，而且電壓互感器（PT）會(huì)將一次電壓轉(zhuǎn)換為成比例的二次電壓。電流、電壓和有功電能的測(cè)量范圍以及精度要求隨規(guī)定的精度等級(jí)而變化，以下章節(jié)提供了更多詳細(xì)信息。
電流互感器
電流互感器（CT）可以使設(shè)備不受過(guò)載、短路和不平衡的影響。盡管保護(hù)級(jí)CT的精度較低，但仍足以檢測(cè)故障電流。在保護(hù)級(jí)CT中，誤差規(guī)定為In的100%。保護(hù)級(jí)CT被指定為5P20，因此，20倍的In（準(zhǔn)確限值系數(shù)）的誤差必須小于±5%。標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確限值系數(shù)為5、10、20和30，且P表示保護(hù)等級(jí)。測(cè)量級(jí)CT在有限范圍內(nèi)具有更高的精度要求。
更多電網(wǎng)設(shè)備正使用非傳統(tǒng)的互感器，包括電子電流互感器（ECT）。ECT具有體積小、重量輕、隔離增強(qiáng)、線性度良好和易于數(shù)字化的特點(diǎn)。ECT規(guī)定了一類特殊的精度限制，稱為瞬態(tài)保護(hù)電子（TPE）等級(jí)。TPE的等級(jí)由精度限制條件下的最大峰值瞬時(shí)誤差的10%定義。等級(jí)5的TPE ECT滿足保護(hù)應(yīng)用和記錄瞬態(tài)故障的要求。表1列出了測(cè)量和保護(hù)等級(jí)的精度要求。
表1：測(cè)量和保護(hù)級(jí)CT精度要求，包括瞬態(tài)
*精度限制的額定一次電流是保護(hù)級(jí)CT符合復(fù)合誤差精度要求的一次電流值。
**峰值瞬時(shí)誤差評(píng)估瞬態(tài)DC和AC元件的誤差。
電壓互感器
PT（電壓互感器）可以使設(shè)備不受電壓故障/不平衡的影響。在次級(jí)側(cè)，PT將一次電壓轉(zhuǎn)換為110 V/240 V的額定電壓Vn。一次電壓取決于應(yīng)用。表2列出了測(cè)量和保護(hù)等級(jí)的精度要求。
測(cè)量范圍：0.8-1.2 * Vn
表2：測(cè)量和保護(hù)級(jí)PT精度要求
功率和能量
除了測(cè)量指定精度范圍內(nèi)的電壓和電流外，電網(wǎng)應(yīng)用中的DAQ還可測(cè)量功率和能量，以執(zhí)行專門的保護(hù)和監(jiān)控。表3列出了精度要求。
表3：精度等級(jí)1有功電能的精度限制
我們的電流和隔離電壓測(cè)量參考設(shè)計(jì)說(shuō)明了如何在大范圍內(nèi)以高精度測(cè)量電壓、電流和能量，并具有如圖2所示的功能塊。
圖2：參考設(shè)計(jì)AFE框圖
AFE的關(guān)鍵功能：
● 隔離電壓輸入：板載電阻分壓器使用帶±250-mV輸入和帶8.2增益差分輸出的AMC1301隔離放大器，將輸入電壓縮放至0-175 mV rms后進(jìn)行測(cè)量。
● 隔離電源：變壓器驅(qū)動(dòng)器和低壓差穩(wěn)壓器產(chǎn)生所需的隔離電源。
● 非隔離電壓輸入：板載電阻分壓器使用增益放大器將輸入電壓縮放至0-1,000 mV rms后進(jìn)行測(cè)量。
● 電流輸入：您可以將一個(gè)外部CT連接至帶增益放大器的板載負(fù)載放大器后測(cè)量電流輸入。
● 增益放大器：可擴(kuò)展固定增益運(yùn)算放大器將輸入縮放至ADC范圍。
● ADC和主接口：增益放大器的輸出連接到ADS131A04 24位delta-sigma四通道同步采樣ADC，輸入范圍為±2.5 V，可配置參考為2.44 V或4 V（具體取決于信號(hào)輸入范圍）。使用串行外圍接口將ADC連接至主接口。
● 溫度傳感器：補(bǔ)償與溫度相關(guān)的精度漂移。
在參考設(shè)計(jì)中，兩個(gè)ADC被鏈接在一起，并使用一個(gè)帶時(shí)鐘緩沖器的公共時(shí)鐘來(lái)同步所有通道。將兩個(gè)ACD鏈接在一起將輸入通道擴(kuò)展到8，且使得通道之間的同步延遲小于等于5µs。
設(shè)計(jì)性能總結(jié)
我使用帶有固定增益放大器的CT/Rogowski線圈（用于測(cè)量電流）和帶有固定增益放大器/隔離放大器（用于測(cè)量電壓）的分壓器來(lái)測(cè)試設(shè)計(jì)性能。在100ms到1000ms的不同積分周期內(nèi)，測(cè)量精度始終在±0.5%以內(nèi)。電流輸入的動(dòng)態(tài)范圍性能為>500到1（測(cè)量的最大和最小電流之比），滿足了標(biāo)準(zhǔn)精度限值系數(shù)≥30的測(cè)量和保護(hù)等級(jí)精度要求。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）60044-8，AFE可與0.6-mV至333-mV輸入的低功率CT一起使用。
在下一篇博文中，我和同事Akshay Mehta將討論提高DAQ性能的電源架構(gòu)的選項(xiàng)。
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