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数据采集:智能电网管理的关键

Gordon Lee?? Maxim Integrated技术团队主要成员?? 2015年08月28日 ?? 收藏0
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,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所示为三相电压波形,图2所示为配置为4线Y型或星型连接的三个单相。3线Y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Y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。

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°。
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°。

图2.4线Y型配置。负载不平衡时,使用零线(黑色)。
图2.4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。功率计包括电流表和电压表,一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。

图3.3线Y型系统负载。总功率为两个功率计的瓦特数之和。
图3.3线Y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。则:

图4

因此:

图5

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
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,ADC必须同时采样输入,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IO,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ADC,这正是Petaluma子系统的解决方案。

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