引言

電力產業的快速發展推動全世界加強現有電力網的傳輸和配電并且建設新的變電站。微處理器技術的進步和技術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高壓變電站的主要推動力。

按照電壓高低，變電站可以分為兩類：高壓變電站包括500 kV，330kV和一些220 kV變電站；而220 kV終端變電站、110 kV和35 kV變電站則歸為中、低壓變電站。高壓（傳輸）變電站是大型戶外站。低壓（配電）變電站則為城區室內系統，用來控制城區高負載密度。

日益增強的信號處理技術使得下一代系統的準確度可優于0.1%，而目前系統的準確度典型值為0.5 % — 準確度的提升主要由于采用高性能同時采樣ADC；它們提供了滿足未來系統要求的分辨率和性能。

系統體系結構

圖1示出了一個典型三相測量系統中的波形。每一相功率由一個電流互感器（CT）和一個電壓互感器（PT）來表示。完整的系統由三相組成。系統任意時刻平均功率，可以通過對每一互感器器輸出做快速大量采樣，對采樣數據做離散傅立葉變換（DFT）并且完成必要的乘法和求和運算。

圖1. 典型3相系統中的電流波形和電壓波形

ADC對三個CT和三個PT輸出做32組同時采樣，并將結果保存在RAM中。然后系統對6路輸出做DFT運算，并且用實部和虛部形式(A+jB) 表示結果。每一個互感器的幅度和相位信息可按下式計算：

假設用A+jB表示CT1的實部和虛部；用C+jD表示PT1的的實部和虛部 ，那么其幅度（M_i）和相位（P_i）則為：

通過PT1和CT1的功率為：

同理可計算通過PT2和CT2以及PT3和CT3的功率Ü2和Ü3。系統總功率可以通過對三個單相功率求和得到：

上述方法使用DFT和計算公式可確定單一頻率的系統功率。如果使用快速傅立葉變換（FFT）代替DFT，可以提供高次諧波和其它高頻分量；這可以計算系統的其它信息，例如系統損耗或無用噪聲的作用。

系統要求

變電站可能包含幾百個互感器。將待測的電壓和電流值調節到±5 V或±10 V互感器的滿度輸出范圍表示比輸電線的滿度輸出功率能力大得多。一般，待測的輸電線值（特別是電流）小于互感器滿度范圍的5%，互感器輸出典型值在±20 mV范圍內，超出這個范圍的信號很少出現；當出現大信號時一般認為系統故障。

準確測量這些小信號需要具有高信噪比（S/N）的高分辨率ADC。采用的多通道ADC還必須具備同時采樣能力。例如，目前可提供的系統具有14 bit分辨率能力 — AD7865¹ 4通道、14 bit ADC可以接受真正的雙極性輸入信號，并且提供80 dB SNR。然而，現在對于10 kSPS采樣速率16 bit分辨率的高性能多通道ADC的需求越來越強烈。為了完成三相電流和電壓的準確測量，ADC應該具有同時采樣6個通道的能力，并且必須具有優良的SNR測量小信號。當一個系統中使用很多ADC時，功耗問題也很重要。

滿足以上全部要求的一個例子是AD7656，²它包含6個低功耗、16bit、250 kSPS逐次逼近（SAR）型ADC。如圖2所示，AD7656采用iCMOS®工業CMOS工藝³，它將制造高壓器件的工藝與亞微CMOS工藝和互補雙極型工藝相結合。iCMOS工藝能夠制造出高電壓工作能力的高性能模擬IC。與采用傳統的CMOS工藝制造的模擬IC不同，iCMOS器件能夠接受雙極性輸入信號，從而提高了性能，并且大幅度縮減了功耗和封裝尺寸。

圖2. AD7656包含6個同時采樣ADC、一個參考電壓源、 三個參考緩沖器和一個振蕩器

如圖3所示，AD7656具有86.6 dB的高SNR可以提供滿足測量互感器輸出的交流小信號所需的性能指標。其250 kSPS更新速率有助于簡化快速數據采集所要求的系統設計以實現實時FFT后處理。AD7656可以直接接受來自互感器的±5 V和±10 V輸出，無需增益或電平變換 — 而且每個器件的最大功耗僅為150 mW。當一塊電路板上有許多通道ADC時，功耗是一項重要考慮。因為有一些系統需要一塊電路板上有多達128個ADC通道（即22片6通道ADC），所以功耗成為一項關鍵指標。

圖3. 在輸電線監測應用中峰峰噪聲是一項關鍵指標。AD7656在8192次采樣中，只有6個碼字峰峰值噪聲。

ADC以外的其它因素

一個完整的輸電線測量系統如圖4所示。雖然ADC是系統的核心，但是在設計一個高性能系統時，其它的許多因素也必須考慮。參考電壓源和輸入放大器也是系統性能的關鍵因素，隔離問題可能是遠程通信中還需要考慮的問題。

圖4. 輸電線監測系統

ADC參考電壓源考慮

使用ADC內置參考電壓源（帶內部參考電壓源的器件）還是外部參考電壓源取根據系統要求。當一塊電路板上使用多片ADC時，最好使用外部參考電壓源，因為公共參考電壓源能夠消除不同參考電壓直接的差別，所以利用比率測量的優點。

一般，低漂移參考電壓源對于減少參考電壓源對溫度的敏感性也很重要。一些簡單的計算可以幫助我們理解漂移的重要性，并決定是否采用內部參考電壓源。例如，一款10 V滿度輸入的16 bit ADC的具有152 µV分辨率。AD7656內部參考電壓的溫度漂移為25 ppm/°C最大值（6 ppm/°C典型值）。在50°C溫度范圍內，參考電壓漂移達1250ppm，即12.5 mV。在對漂移要求嚴格的應用中，最后選擇外部低漂移參考電壓，例如ADR421⁴（1 ppm/°C）。在50°溫度范圍內，一個1ppm/°C參考電壓的漂移僅為0.5 mV。

放大器選擇

為輸電線監測應用選擇放大器的主要考慮是低噪聲和低失調電壓。

驅動放大器產生的噪聲必須盡可能低以保證SNR和ADC的轉移噪聲性能。低噪聲放大器在測量交流小信號時很有用。放大器在全溫度范圍內總的失調誤差（包括漂移）應該小于所要求的分辨率。OP1177⁵/OP2177⁶/OP4177⁷系列放大器具有低噪聲性能（8.5 nV/√Hz）和低失調漂移。例如，OP1177運算放大器具有60 µV失調電壓最大值和0.7 µV/°C失調電壓漂移最大值。在50℃溫度范圍內，失調電壓漂移最大值為35 µV，所以由于失調和失調漂移引起的總誤差小于95 µV或0.0625LSB。

對于輸電線監測應用，功耗可能是重要考慮，特別是測量一塊PCB板上的128個通道時。OP1177系列放大器通常每只放大器消耗的電源電流小于400 µA。

下表列出了為輸電線監測應用推薦的幾款放大器。

ADC電源設計

ADC需要模擬電源和數字電源。大多數系統都具有5 V數字電源，但許多系統卻沒有5 V模擬電源。如果模擬電路和數字電路使用同一個電源，會將有害的噪聲耦合到系統，通常應該避免這樣的操作。對于可提供±12 V雙極性電源的設計，可使用低成本、低壓差（LDO）穩壓器, 例如ADP3330¹⁰，產生3 V或5 V優質電源，隨著溫度、負載和輸電線電壓的波動可達到1.4%準確度。

通信

單個變電站中的許多系統需要與遠端主系統控制器通信，通常要保證電氣隔離。使用發光二極管（LED）和光電二極管的光耦合解決方案正在被iCoupler®數字隔離器¹¹所替代。iCoupler®數字隔離器使用芯片級微變壓器，其數據傳輸速率是常用高速光耦的2～4倍，功耗僅為1/50 — 從而降低了散熱功耗，提高了穩定度并且降低了成本。除了以上優點，集成解決方案還能節省PCB面積并且簡化了布線。ADuM1402¹²4通道數字隔離器支持高達100 MSPS數據傳輸速率和高達2.5 kV額定隔離電壓。

RS-232經常被用于連接多個系統，所以每個系統和總線之間的隔離非常關鍵。數字隔離器不支持RS-232標準，所以它們不能用在收發器和電纜之間；它們只能用在收發器和本地系統之間。ADuM1402iCoupler數字隔離器與ADM232L¹³ RS-232收發器和隔離電源配合使用，可以消除接地環路，并且可有效地防止浪涌損害。

對于使用RS-485協議的系統，可以提供ADM2486¹⁴單片隔離的RS0-485收發器（見圖5）。它支持高達20 Mbps數據傳輸速率和高達2.5 kV隔離電壓。

圖5. ADM2486是一款低成本、小封裝帶隔離的RS-485收發器

信號處理

輸電線監測應用需要數字信號處理（DSP）完成復雜的數學計算。

ADSP-BF531¹⁵高性能、低成本、低功耗Blackfin處理器非常適合完成這些復雜的DFT或FFT計算。

Blackfin¹⁶處理器——高集成度系統芯片（SoC）——包含一個CAN 2.0B控制器、一個TWI控制器、兩個UART接口、一個SPI接口、兩個串行接口（SPORT）、9個通用32 bit定時器（8個帶PWM功能）、一個實時時鐘、一個監視定時器和一個并行外設接口（PPI）。這些外圍設備提供了該系統多個組成部分與接口之間通信所要求的靈活性。

ADSP-BF536¹⁷和ADSP-BF537¹⁸ Blackfin處理器都支持IEEE 802.3 10/100 以太網媒體接入控制器（MAC）標準。這是現在滿足許多輸電線監測系統要求的標準。

實際設計考慮

當設計PCB板時，ADC的位置和布局應該做特別考慮。模擬電路和數字電路應當彼此分開，并且應該限定在PCB的某個區域內。至少應該使用一個接地平面。避免在ADC下走數字線，因為數字線會將噪聲耦合到ADC管芯。允許模擬接地平面在AD7656下布線以避免噪聲耦合。時鐘和其它高速開關信號應該用數字地屏蔽，避免將數字噪聲輻射到電路板的其它部分；高速開關信號決不能靠近模擬信號線路。模擬信號和數字信號線應當避免交叉。PCB上不同的相鄰層的印制線彼此間應當成直角以減少饋通影響。

進入ADC的電源線應當使用盡可能粗的印制線，以降低線路阻抗，并且減少電源線尖峰毛刺的影響。AD7656電源引腳與PCB板上電源印制線之間應該有良好的歐姆接觸；每個電源引腳應當使用單個過孔或多個過孔。良好的去耦對于降低接到AD7656的電源阻抗以及減小電源尖峰幅度影響也很重要。所有的電源引腳都應該連接并聯去耦電容（一般為100 nF和10 µV），電容應盡可能靠近——最好直接連接到——電源引腳及相應接地引腳。

結論

全世界電力需求日益增長正在推動輸電線和輸電線變電站數目的增加。隨著對自動監測和故障檢測系統的要求越來越高，使用具有大量通道的系統將成為一種趨勢。當在每塊PCB使用多個ADC時，雖然可以有效地利用PCB面積但功耗問題卻變得至關重要，因為系統設計工程師要努力降低成本，同時還要提高系統的性能。

使用高性能ADC（例如AD7656）可以提高系統性能。利用AD7656具有6通道和16 bit分辨率及其低功耗、高SNR和小封裝組合優勢滿足下一代輸電線監測系統設計的需求。