【導讀】在我之前撰寫的關于提高數據采集(DAQ)以實現電網保護和控制的兩篇博文中，我闡述了將多個模數轉換器（ADC）連接到單處理器以及使用可編程實時單元子系統和工業通信子系統(PRU-ICSS)來提升傳感器DAQ性能的必要性。此篇博文中，我將討論電網應用中電壓、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%電流和隔離電壓測量的參考設計。
電網保護和測量
DAQ可以用來保護電網資產，測量用于計量/監測的電氣參數。使用單個硬件配置在指定精度限制內測量大范圍的電壓和電流輸入（包括保護和測量范圍）是一項關鍵要求。
為了保護電網一次設備，DAQ（二次設備）必須在寬輸入范圍內準確測量電壓和電流輸出，以提供可重復的故障監測和跳閘時間性能。對于保護而言，精度等級規定了電壓（3P）和電流（5P、10P）范圍，具體取決于電網主要設備。對于測量而言，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%。電網應用中使用的DAQ還提供了有限范圍內的電能計量功能，精度等級為1級或更高。模擬前端（AFE）能夠精確測量大范圍的輸入且同時滿足保護和測量等級精度的要求，從而簡化了DAQ設計。
圖1所示的AFE包括一個傳感器接口、ADC范圍的增益縮放、輸入瞬態保護、模數轉換和一個主機接口。
圖1：包括AFE在內的DAQ子系統
電流、電壓和有功電能的保護和測量等級精度要求
電流互感器（CT）會將一次電流轉換為成比例的二次電流，而且電壓互感器（PT）會將一次電壓轉換為成比例的二次電壓。電流、電壓和有功電能的測量范圍以及精度要求隨規定的精度等級而變化，以下章節提供了更多詳細信息。
電流互感器
電流互感器（CT）可以使設備不受過載、短路和不平衡的影響。盡管保護級CT的精度較低，但仍足以檢測故障電流。在保護級CT中，誤差規定為In的100%。保護級CT被指定為5P20，因此，20倍的In（準確限值系數）的誤差必須小于±5%。標準準確限值系數為5、10、20和30，且P表示保護等級。測量級CT在有限范圍內具有更高的精度要求。
更多電網設備正使用非傳統的互感器，包括電子電流互感器（ECT）。ECT具有體積小、重量輕、隔離增強、線性度良好和易于數字化的特點。ECT規定了一類特殊的精度限制，稱為瞬態保護電子（TPE）等級。TPE的等級由精度限制條件下的最大峰值瞬時誤差的10%定義。等級5的TPE ECT滿足保護應用和記錄瞬態故障的要求。表1列出了測量和保護等級的精度要求。
表1：測量和保護級CT精度要求，包括瞬態
*精度限制的額定一次電流是保護級CT符合復合誤差精度要求的一次電流值。
**峰值瞬時誤差評估瞬態DC和AC元件的誤差。
電壓互感器
PT（電壓互感器）可以使設備不受電壓故障/不平衡的影響。在次級側，PT將一次電壓轉換為110 V/240 V的額定電壓Vn。一次電壓取決于應用。表2列出了測量和保護等級的精度要求。
測量范圍：0.8-1.2 * Vn
表2：測量和保護級PT精度要求
功率和能量
除了測量指定精度范圍內的電壓和電流外，電網應用中的DAQ還可測量功率和能量，以執行專門的保護和監控。表3列出了精度要求。
表3：精度等級1有功電能的精度限制
我們的電流和隔離電壓測量參考設計說明了如何在大范圍內以高精度測量電壓、電流和能量，并具有如圖2所示的功能塊。
圖2：參考設計AFE框圖
AFE的關鍵功能：
● 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后進行測量。
● 隔離電源：變壓器驅動器和低壓差穩壓器產生所需的隔離電源。
● 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后進行測量。
● 電流輸入：您可以將一個外部CT連接至帶增益放大器的板載負載放大器后測量電流輸入。
● 增益放大器：可擴展固定增益運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：補償與溫度相關的精度漂移。
在參考設計中，兩個ADC被鏈接在一起，并使用一個帶時鐘緩沖器的公共時鐘來同步所有通道。將兩個ACD鏈接在一起將輸入通道擴展到8，且使得通道之間的同步延遲小于等于5µs。
設計性能總結
我使用帶有固定增益放大器的CT/Rogowski線圈（用于測量電流）和帶有固定增益放大器/隔離放大器（用于測量電壓）的分壓器來測試設計性能。在100ms到1000ms的不同積分周期內，測量精度始終在±0.5%以內。電流輸入的動態范圍性能為>500到1（測量的最大和最小電流之比），滿足了標準精度限值系數≥30的測量和保護等級精度要求。根據國際電工委員會（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性能的電源架構的選項。
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