使用24位delta-sigma ADC来覆盖宽模拟输入测量,以实现电网保护和控制

作者:Kallikuppa Sreenivasa

在我之前撰写的关于提高数据采集(DAQ)以实现电网保护和控制的两篇博文中,我阐述了将多个模数转换器(ADC)连接到单处理器以及使用可编程实时单元子系统和工业通信子系统(PRU-ICSS)来提升传感器DAQ性能的必要性。此篇博文中,我将讨论电网应用中电压、电流和有功电能的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%电流和隔离电压测量的参考设计

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电网保护和测量

DAQ可以用来保护电网资产,测量用于计量/监测的电气参数。使用单个硬件配置在指定精度限制内测量大范围的电压和电流输入(包括保护和测量范围)是一项关键要求。

为了保护电网一次设备,DAQ(二次设备)必须在宽输入范围内准确测量电压和电流输出,以提供可重复的故障监测和跳闸时间性能。对于保护而言,精度等级规定了电压(3P)和电流(5P、10P)范围,具体取决于电网主要设备。对于测量而言,电流范围为额定电流In的5%至最大电流,其中最大电流是In(1A或5A)的4倍;电压范围为额定电压Vn的80%-120%。电网应用中使用的DAQ还提供了有限范围内的电能计量功能,精度等级为1级或更高。模拟前端(AFE)能够精确测量大范围的输入且同时满足保护和测量等级精度的要求,从而简化了DAQ设计。

图1所示的AFE包括一个传感器接口、ADC范围的增益缩放、输入瞬态保护、模数转换和一个主机接口。

图1:包括AFE在内的DAQ子系统

电流、电压和有功电能的保护和测量等级精度要求

电流互感器(CT)会将一次电流转换为成比例的二次电流,而且电压互感器(PT)会将一次电压转换为成比例的二次电压。电流、电压和有功电能的测量范围以及精度要求随规定的精度等级而变化,以下章节提供了更多详细信息。

电流互感器

电流互感器(CT)可以使设备不受过载、短路和不平衡的影响。尽管保护级CT的精度较低,但仍足以检测故障电流。在保护级CT中,误差规定为In的100%。保护级CT被指定为5P20,因此,20倍的In(准确限值系数)的误差必须小于±5%。标准准确限值系数为5、10、20和30,且P表示保护等级。测量级CT在有限范围内具有更高的精度要求。

更多电网设备正使用非传统的互感器,包括电子电流互感器(ECT)。ECT具有体积小、重量轻、隔离增强、线性度良好和易于数字化的特点。ECT规定了一类特殊的精度限制,称为瞬态保护电子(TPE)等级。TPE的等级由精度限制条件下的最大峰值瞬时误差的10%定义。等级5的TPE ECT满足保护应用和记录瞬态故障的要求。表1列出了测量和保护等级的精度要求。

 

额定电流百分比

电流比误差(%)

相位误差(分钟)

应用

在额定精度限制一次电流下的复合误差(%)

最大峰值瞬时误差的精度限制条件(%)

0.5

5-120

±1.5-±0.5

±90-130

测量

 

 

5P(P表示保护等级)

100

±5

±60

保护

5

 

5TPE

100

±5

±60

保护

5

10

10P(P表示保护等级)

100

±10

±120

保护

10

 

1:测量和保护级CT精度要求,包括瞬态 

*精度限制的额定一次电流是保护级CT符合复合误差精度要求的一次电流值。

**峰值瞬时误差评估瞬态DC和AC元件的误差。

电压互感器

PT(电压互感器)可以使设备不受电压故障/不平衡的影响。在次级侧,PT将一次电压转换为110 V/240 V的额定电压Vn。一次电压取决于应用。表2列出了测量和保护等级的精度要求。

测量范围:0.8-1.2 * Vn

保护范围:0.05 - 电压因素 (Vf) * Vn; Vf可以是1.2-1.9

精度等级

电压误差(%)

相位误差(分钟)

应用

0.5

±0.5

±20

测量

3P(P表示保护等级)

±3

±120

保护

表2:测量和保护级PT精度要求

功率和能量

除了测量指定精度范围内的电压和电流外,电网应用中的DAQ还可测量功率和能量,以执行专门的保护和监控。表3列出了精度要求。

电流值

功率因数

精度等级

百分比误差 

百分比误差

0.05in ≤ 1 ≤ Imax

1.0(统一)

1.0

±1.0

±0.5

0.1 in ≤ I ≤ Imax

0.5(电感应)

±1.0

±0.6

表3:精度等级1有功电能的精度限制

我们的电流和隔离电压测量参考设计说明了如何在大范围内以高精度测量电压、电流和能量,并具有如图2所示的功能块。

图2:参考设计AFE框图

AFE的关键功能:

  • 隔离电压输入:板载电阻分压器使用带±250-mV输入和带8.2增益差分输出的AMC1301隔离放大器,将输入电压缩放至0-175 mV rms后进行测量。
  • 隔离电源:变压器驱动器和低压差稳压器产生所需的隔离电源。
  • 非隔离电压输入:板载电阻分压器使用增益放大器将输入电压缩放至0-1,000 mV rms后进行测量。
  • 电流输入:您可以将一个外部CT连接至带增益放大器的板载负载放大器后测量电流输入。
  • 增益放大器:可扩展固定增益运算放大器将输入缩放至ADC范围。
  • ADC和主接口:增益放大器的输出连接到ADS131A04 24位delta-sigma四通道同步采样ADC,输入范围为±2.5 V,可配置参考为2.44 V或4 V(具体取决于信号输入范围)。使用串行外围接口将ADC连接至主接口。
  • 温度传感器:补偿与温度相关的精度漂移。

在参考设计中,两个ADC被链接在一起,并使用一个带时钟缓冲器的公共时钟来同步所有通道。将两个ACD链接在一起将输入通道扩展到8,且使得通道之间的同步延迟小于等于5µs。

设计性能总结

我使用带有固定增益放大器的CT/Rogowski线圈(用于测量电流)和带有固定增益放大器/隔离放大器(用于测量电压)的分压器来测试设计性能。在100ms到1000ms的不同积分周期内,测量精度始终在±0.5%以内。电流输入的动态范围性能为>500到1(测量的最大和最小电流之比),满足了标准精度限值系数≥30的测量和保护等级精度要求。根据国际电工委员会(IEC)60044-8,AFE可与0.6-mV至333-mV输入的低功率CT一起使用。

在下一篇博文中,我和同事Akshay Mehta将讨论提高DAQ性能的电源架构的选项。