电力工业的迅速发展使全世界都需要加强现有的输配电网络和建造新的变电站。微处理器技术的进步和支持人员成本的增加是电力公司使用高精度集成自动化系统设计新的自动化高压变电站的关键驱动因素。

根据电压等级，变电站可以分为两类:高压包括500-kV、330-kV和部分220-kV变电站，而220-kV终端变电站、110-kV和35 -kV变电站被认为是中低压。高压(输电)变电站是大型室外站点。低压(配电)变电站是位于城市地区的室内系统，以处理高负荷密度。

与目前系统典型的0.5%精度水平相比，改进的信号处理技术使下一代系统的精度可以达到0.1%以上，这一改进主要通过使用高性能同步采样adc(数字转换器)实现;它们提供了未来系统所需的分辨率和性能。

系统架构

图1显示了典型三相测量系统的波形。每个功率相位由电流互感器(CT)和电压互感器(PT)表示。完整的系统由三个这样的对组成。系统在任意时刻的平均功率是通过对每个变压器的输出进行快速采样，对采样数据进行离散傅里叶变换(DFT)，并进行必要的乘法和求和来计算的。

ADC对三个CT和三个PT输出同时进行32组采样，并将结果存储在RAM中。然后系统计算所有六个输出的DFT，并以实和虚格式(a + jB)表示结果。每个变压器的幅值和相位信息可以计算如下:

以A + jB和C + jD作为CT1和PT1的实项和虚项，则量级(M(i))和相(P(i))为:

通过PT1/CT1对的功率为:

通过PT2/CT2和PT3/CT3进行类似的功率计算得到Ü(2)和Ü(3)。系统的总平均功率由三个功率项之和计算得出:

该方法使用DFT和上述计算来确定单频下的系统功率。执行快速傅里叶变换(FFT)而不是DFT提供谐波和其他高频分量的数据;这样可以计算额外的信息，如系统损耗或不需要的噪声的影响。

系统需求

变电站可能包含数百台变压器。测量的电压和电流经过缩放，使得变压器的±5v或±10v满量程输出范围比电源线的满量程功率输出能力大得多。通常，电源线(特别是电流测量)将运行在小于此范围的5%，典型的变压器输出将位于±20mv范围内。更大的信号很少出现;当他们这样做时，通常意味着系统故障。

这些小信号的精确测量需要高分辨率的ADC具有优异的信噪比(S/N)。所使用的多通道adc也必须能够同时采样。目前可用的系统具有14位能力-例如，4通道AD7865 14位四路ADC接受真双极信号并提供80 db信噪比。然而，对具有16位分辨率、采样率为10 kSPS的高性能多通道adc的需求越来越大。为了进行精确的三相电流和电压测量，ADC应该能够同时对六个通道进行采样，并且必须具有出色的信噪比来测量小信号。当在一个系统中使用多个adc时，低功耗也很重要。

满足所有这些要求的器件示例是AD7656，它在单个封装中包含6个低功耗16位、250 ksps连续逼近adc。如图2所示，AD7656是在工业CMOS (我CMOS )工艺，将高压器件与亚微米CMOS和互补双极技术相结合。我CMOS使得各种高性能的高电压集成电路成为可能。与使用传统CMOS工艺的集成电路不同，我CMOS元件可以完全接受双极输入信号，提供更高的性能，并显着降低功耗和封装尺寸。

如图3所示，AD7656的信噪比为86.6 db，提供了测量变压器小交流输出所需的性能。其250 ksps的更新速率有助于简化需要快速数据采集以进行实时FFT后处理的设计。它能够直接接受变压器的±5v和±10v输出，而不需要增益或电平漂移，并且每个设备的最大功耗仅为150mw。当电路板必须容纳多个ADC通道时，这是一个重要的考虑因素。由于某些系统在一块板上需要多达128个通道(多达22个六通道adc)，因此功耗可能是一个关键规格。

超越艺发局

完整的电力线测量系统如图4所示。虽然ADC是系统的核心，但在设计高性能系统时还必须考虑许多其他因素。参考电压和输入放大器对系统性能也至关重要，远程通信可能需要隔离。

ADC参考考虑

使用ADC的内置参考(对于有内部参考的设备)还是外部参考取决于系统要求。当在一块电路板上使用多个adc时，外部参考效果最好，因为公共参考可以消除部分之间的参考变化，从而利用比率特性。

一般来说，低漂移基准对于降低基准对温度的灵敏度也很重要。一个简单的计算可以帮助理解漂移的重要性，并决定是否采用内部参考。具有10v满量程输入的16位ADC的分辨率为152 μ V。AD7656内部参考的漂移规格最大为25 ppm/°C(典型为6 ppm/°C)。在50°C的温度范围内，基准可能漂移多达1250 ppm;约12.5 mV。在漂移很重要的应用中，外部低漂移参考，如ADR421 (1 ppm/°C)，将是更好的选择。1 ppm/°C的基准在50°C的温度范围内仅漂移0.5 mV。

放大器的选择

在选择用于电力线监测应用的放大器时，要考虑的关键要求是低噪声和低偏移。

驱动放大器产生的噪声必须保持尽可能低，以保持ADC的信噪比和过渡噪声性能。低噪声放大器也可用于测量小的交流信号。放大器的总偏置误差(包括漂移)在整个温度范围内应小于所需的分辨率。OP1177 / OP2177 / OP4177系列放大器结合了出色的噪声性能(8.5 nV/rtHz)和低偏移漂移。例如，OP1177运算放大器指定60µV最大偏移和0.7µV/°C最大偏移漂移。在50°C的工作范围内，最大偏移漂移为35µV，因此由于偏移和偏移漂移引起的总误差将小于95µV，即0.0625 LSB。

对于电力线监测应用，功率方面的考虑可能很重要，特别是当一块电路板上可能测量多达128个通道时。OP1177系列每个放大器的供电电流通常小于400µa。

下表比较了一些用于电力线监测应用的推荐放大器。

ADC电源产生

adc需要两种电源和数字电源。大多数系统都有5v数字电源，但许多系统没有5v电源。由于对数字电路和数字电路使用相同的电源可能会将不必要的噪声耦合到系统中，因此通常要避免这种做法。对于具有双极±12v电源的设计，低成本，低压降稳压器(LDO)，如ADP3330，可用于产生高质量的3-V或5-V电源，在温度，负载和线路变化方面具有1.4%的精度。

通信

单个变电站中的许多系统需要与远程主系统控制器通信，通常采用电气隔离。光耦合器解决方案，其led和光电二极管，现在正在被取代我耦合器 数字隔离器，使用芯片级微变压器。我耦合器设备的数据速率比常用的高速光耦合器快两到四倍，而且它们的工作功率只有1/50，相应地散热更低，可靠性更高，成本更低。除了这些优点之外，集成解决方案还减少了电路板空间并简化了布局。ADuM1402 4通道数字隔离器处理数据速率高达100 MSPS，隔离度高达2.5 kV。

RS-232通常用于连接多个系统，因此每个系统和总线之间的隔离至关重要。数字隔离器不支持RS-232标准，因此不能在收发器和电缆之间使用;相反，它们在收发器和本地系统之间使用。结合ADuM1402我耦合器数字隔离器，ADM232L RS-232收发器和隔离电源消除了接地回路，并提供有效的保护，防止浪涌损坏。

对于使用RS-485协议的系统，可以使用ADM2486单芯片隔离RS-485收发器(图5)。它可以支持高达20 Mbps的数据速率，具有2.5 kv隔离等级。

信号处理

电力线监测应用需要数字信号处理(DSP)来执行复杂的数学计算。高性能、低成本、低功耗的ADSP-BF531 Blackfin处理器非常适合执行这些复杂的DFT或FFT计算。

Blackfin处理器是一个高度集成的片上系统，包括一个CAN 2.0B控制器、一个TWI控制器、两个UART端口、一个SPI端口、两个串行端口(SPORTs)、9个通用32位定时器(8个具有PWM功能)、一个实时时钟、一个看门狗定时器和一个并行外设接口(PPI)。这些外设提供了在系统中的多个部件和接口之间进行通信所需的灵活性。

Blackfin处理器如ADSP-BF536和ADSP-BF537包括一个符合ieee标准的802.3 10/100以太网MAC(媒体访问控制器)。这是现在许多电力线监控系统的标准要求。

实用设计注意事项

在设计印刷电路板时，应特别考虑ADC的位置和周围环境。数字电路应该被分开并限制在电路板的某些区域。至少使用一个接地面平面。避免在ADC下运行数字线，因为它们会将噪声耦合到芯片上。应允许接地平面运行在AD7656下面，以避免噪声耦合。时钟和其他高速开关信号应该用数字接地屏蔽，以避免对电路板的其他部分产生噪声，并且它们不应该在信号路径附近运行。应避免数字和信号的交叉。在不同但接近的电路板层上的走线应该以彼此成直角的方式运行，以减少馈通的影响。

ADC的电源线应使用尽可能大的走线，以提供低阻抗路径，并减少故障对电源线的影响。AD7656电源引脚与电路板上的电源轨道之间应连接良好;这应该包括为每个电源引脚使用单个或多个过孔。良好的去耦对于降低AD7656的电源阻抗和降低电源尖峰的幅度也很重要。并联去耦电容器，通常为100 nF和10µF，应放置在所有电源引脚上，靠近或理想情况下正好靠近这些引脚及其相应的接地引脚。

结论

日益增长的全球电力需求正在推动电力线和电力线变电站数量的增加。随着越来越多的自动化监测和故障检测系统的需求，大通道系统将成为趋势。由于每块电路板上都有多个adc，因此有效利用电路板面积和功耗变得至关重要，因为系统设计人员试图在提高性能的同时降低成本。

通过使用高性能的adc，如AD7656，可以实现更高的系统性能。具有6通道和16位分辨率，其低功耗，高信噪比和小封装相结合，以满足下一代电力线监测系统设计的需求。