摘  要： 阐述了MAX11046等同时采样ADC在电力线监测中的应用，介绍了交流电测量的基本原理，给出了电网监测的典型应用以及国际标准对监测系统的要求。归纳了MAX11046电力线监测的独特优势并提供了一个应用案例，介绍如何选择外围器件，优化系统性能。
关键词： 同时采样；ADC；电力线监控；电网监测

    供电质量管理系统需要实时监测、记录多相电网的三相电压和电流，这些监控和数据采集(SCADA)系统还可以监控零相的电压和电流，以检测负载的不平衡性或频率谐波。此外，功率测量系统对三相电中的每一相电压、电流的均方根值(RMS)进行测量，由此决定功率损耗。先进的电力线监测系统包括供电质量管理、监控与保护以及表计功能。这些系统能够帮助电力部门和用户进行前兆维护、管理能耗和成本、控制供电质量并为设备提供有效保护，所有这些尝试的目的都是为了提高能效。
测量系统架构
    图1给出了交流电测量的基本原理，采样并计算瞬时功率和平均功率。图2所示为典型的电网监测应用，三相电压之间的相位差为120°(1/3周期)。第四条线称为零相，用于调整负载的不均衡。如果三相负载完全相同，则系统达到平衡，此时将没有电流流过零相线。这种三相电力系统是全球的通用标准，称为“Y”型连接，形似其矢量图。每相功率测量通过电流变压器(CT)和电压变压器(PT)表示，一个完整系统包含四对信号，三相电的每相和零相各对应一对信号。

    如图2所示，MAX11044/MAX11045/MAX11046同时测量三相及零相电压和电流。数字处理器对采样数据进行处理，计算数字转换数据、有功电能、无功电能、视在电能以及功率因数。对采样数据进行快速傅里叶变换(FFT)可以进一步计算得到频率和谐波失真。传输能量的测量必须符合国际标准或当地标准的要求，例如，欧盟(EU)标准EN 50160，即为一种通用的国际标准。
    IEC 62053是另一项EU标准，制定了高精度电表的规范。该规范定义了四级计量精度：2级、1级、0.5级和0.2级(例如0.2级代表0.2%的标称电流和电压测量精度)。对于功率因数的测量精度，相位匹配度需保持在0.1%或更高精度。对于谐波电压，EN 50160要求测量50 Hz/60 Hz电压的25次谐波。然而，各种非线性负载(例如荧光灯、开关电源等)会产生50 Hz/60 Hz电压的127次谐波。IEC 61850等新一代标准要求记录电力系统的瞬态值，每交流周期提供256个(或更多)采样点。
对于ADC系统的基本要求
    EN 50160、IEC 62053、IEC 61850等标准规定了用于电力监控和计量系统的多通道ADC的最低精度要求和采样速率。电网监控设备必须以高达60 Hz×256，或高于15 360 S/s的采样速率测量瞬态电流和电压，另外，电网监测还需要满足IEC 62053标准对电源测量精度的要求。
    ADC的电压测量动态范围按照需要监测的最大电压和标称电压以及对电源测量精度的要求进行计算。例如，如果设计要求测量1.5 kV的瞬态过压(故障条件下)，标称电压为220 V，精度要求为0.2级(0.2%)，则电压测量子系统的总动态范围为：20log((1500/220)×2000))=83 dB。
    为了满足标准要求的0.2%精度，需要将所有计算精度控制在0.05%以内。另外，对于电流测量的要求也会影响ADC的规格，如果设计对电源监测的要求是：100 A:10 A(标称值10 A，最大值100 A)和0.2级(0.2%)，电流测量子系统的总动态范围为：20log((100/10)×2 000))=86 dB。
    从上述示例可以明显看出系统对ADC的动态范围要求较高，16位分辨率和16 kS/s的采样速率是最基本的要求。为了确保三相和零相“Y”型连接系统的电流、电压测量精度，ADC必须能够同时采样8个通道(4路电压和4路电流)，必须具有86 dB甚至更高的SNR。
SAR ADC在电网监控中的应用
    Maxim提供多种可同时测量三相及零相电压和电流的ADC，每款ADC均采用逐次逼近寄存器(SAR)架构。从其名称即可看出，SAR ADC采用的是对半查找法则(逐次逼近)。CT、PT(传感器)变压器的典型输出为±10 VP-P或±5 VP-P。MAX130x和MAX132x系列ADC可支持这些范围，MAX11046的输入范围只适用于±5 V的变压器常用输入范围。MAX130x和MAX132x系列ADC的输入阻抗较低，在电网监控系统中需要增加输入缓冲器和低通滤波器，以保证12位至14位的精度，如图3所示。

    MAX11046提供可选择的有源输入缓冲器/低通滤波器，MAX11046具有非常高的输入阻抗，可直接连接到特定传感器。以CT、PT测量变压器为代表的低阻传感器(等效阻抗RTRANS在10 Ω～100 Ω量级)，可以通过简单的RC模拟前端(AFE)直接连接到MAX11046输入端。如果测量信号频带内的50 Hz/60 Hz混叠噪声较低，则由输入RC电路构成的低通滤波器即可满足要求。图4给出了一个简单的高性价比解决方案，使得MAX11046能够支持±5 V或±10 V的输入范围。

    考虑图3所示输入电路，需要特别注意R1、C1、Rd和C2参数的选择。1:1电阻分压器(Rd1=Rd2=Rd)作为PT和CT变压器负载将会引入增益误差，图3所示电路的增益误差可由下式计算：
    增益误差%=(1-2×Rd/(2×Rd+RTRANS))×100    (1)
式中：Rd为分压器阻抗；RTRANS为变压器阻抗。电阻值对增益误差的影响如表1所示。

    为了保持低增益误差，必须使用精密电阻。最好选择金属膜电阻，这种电阻具有低温漂，误差满足要求。MAX5491提供了一种优异的电阻分压方案，它在一个封装内集成了两个精确匹配的电阻。MAX5491的电阻比具有极低温漂，在-40 ℃～+85 ℃温度范围内温漂保持在2 ppm/℃以内，其端到端电阻为30 kΩ，能够提供并保持0.17%的增益误差。
    MAX11046评估(EV)板提供完备的8通道DAS，帮助设计工程师快速完成图3推荐的设计方案验证。图5给出了基于MAX11046EVKIT的开发系统装置。从图中可以看出，只需极少的外部元件即可进行高精度电路测试，测试结果通过USB口送入PC机并转换成Excel文件，以待进一步处理。
    图5中，函数发生器1产生的摆幅为±5 V的信号通过R1和C1滤波后发送到MAX11046的通道1输入端，R1和C1取值需满足ADC采样时间的要求，可以由式(2)求得。

式中：R1MAX为最大源阻抗；FSAMPLE为采样率；TCONV为ADC转换时间(MAX11046的典型值为3 μs)；k为RC时间常数，需满足ADC分辨率的要求(16位ADC，时间常数为12)；CSAMPLE为内部采样电容(MAX11046的采样电容约为20 pF)。从式(2)计算得知，采样率为2.5 kS/s时，R1MAX约为12.1 kΩ、C1=2 700 pF。在设计限制的范围内，选择R1=10.0 kΩ。C1=2 700 pF，大于CSAMPLE 100倍，能够为内部采样电容提供足够的电荷支持。
    图5中，函数发生器2产生的摆幅为±10 V的信号并通过Rd分压器和C2发送到MAX11046的输入通道8，Rd=20.0 kΩ，从表1可知，这将产生大约0.12%的增益误差。该指标符合欧盟(EU)通用标准IEC 62053对高精度电表测试设备的精度要求(0.2%级精度)。按照图5所示电路的要求搭建测试装置，可以得到高精度测量结果，如表2所示。

    随着人们对能源需求的增长，全球范围内对电网基础架构的投资也迅速增长。这些新型电力系统包含一个关键单元，即多通道监控和数据采集(SCADA)系统，需要自动监测供电系统并提供故障检测和保护。SCADA系统需要一个类似于MAX11046的多通道、高分辨率ADC。MAX11046提供最高效的16位、8通道同时采样功能，采用8 mm×8 mm封装。由于器件的高阻输入架构，省去了外部缓冲器。器件优化用于三相电网监控和测量系统，高密度设计在提高性能的同时有效降低了系统成本和电路板面积。