Высококачественный мониторинг линий электропередач с помощью многоканальных АЦП

Бурное развитие электроэнергетики привело к необходимости переоборудования существующих передающих и распределительных сетей и сооружения новых подстанций. Достижения в микропроцессорной технике и постоянный рост стоимости труда обслуживающего персонала подталкивают энергетические компании к разработке новых автоматизированных высоковольтных подстанций с интегрированными автоматическими системами высокой точности.

Введение

В зависимости от величины рабочего напряжения можно выделить два типа подстанций: к высоковольтным подстанциям относят 500- и 330-киловольтные, некоторые 220-киловольтные, а также 220-киловольтные распределительные подстанции, тогда как 110- и 35-киловольтные относят к средне- или низковольтным подстанциям. Высоковольтные (передающие) подстанции являются отдельными сооружениями. А низковольтные (распределительные) подстанции представляют собой оборудование, размещаемое внутри зданий, в городах, и предназначенное для питания больших нагрузок.

Высокоразвитые технологии обработки сигналов позволили обеспечить в новом поколении систем точность 0,1%, тогда как до сих пор в подобных системах точность составляла 0,5%. Такие достижения стали возможны благодаря применению высококачественных многоканальных АЦП (аналогоцифровых преобразователей), которые обеспечивают требуемую разрешающую способность и частоту дискретизации.

Архитектура системы

На рис. 1 показаны формы сигналов типичной трехфазной измерительной системы. В каждой фазе имеется пара трансформаторов: трансформатор тока (CT) и трансформатор напряжения (PT). В системе имеется три таких пары. Средний уровень мощности за короткий промежуток времени определяется путем выборки ряда отсчетов выходных сигналов от каждого трансформатора, выполнения дискретного преобразования Фурье (DFT) над полученными данными и проведения необходимых арифметических действий.

АЦП производит 32 набора отсчетов одновременно по трем каналам тока и трем каналам напряжения, при этом оцифрованные значения сигналов сохраняются в ОЗУ. Затем производится дискретное преобразование Фурье (DFT) по всем шести каналам, и результаты представляются в комплексном виде, то есть в виде (A+jB). Амплитуда и фаза сигнала каждого из трансформаторов может быть вычислена следующим образом:

Если (A+jB) и (С+jD) — комплексная запись сигналов с CT1 и PT1, то амплитуда (M_i) есть модуль, а фаза (P_i) — аргумент соответствующего комплексного числа:

Тогда активная мощность в фазе 1 (измеряемая с помощью пары трансформаторов PT1/CT1) составит:

Аналогично вычисляются мощности на парах PT2/CT2 (U₂) и PT3/CT3 (U₃). Суммарная средняя мощность составляет:

В данном методе применяется алгоритм дискретного преобразования Фурье, что дает возможность определять мощность системы на одной выбранной частоте. Если же использовать алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ), то можно получить данные о мощности гармоник и других частотных составляющих. Это позволяет получать данные о потерях в системе и об уровне нежелательных шумов.

Требования к системе

В системе может быть несколько сотен измерительных трансформаторов. Диапазон напряжений трансформаторов выбран таким образом, что выходное напряжение ±5 В (или ±10 В) соответствует напряжениям и токам силовой сети, с большим запасом, превышающим максимальные значения рабочих токов и напряжений. Обычно линии электропередач (особенно по току) работают в пределах менее 5% от этого диапазона, и типичное значение сигнала на выходе трансформатора составляет ±20 мВ. Сигналы большей величины бывают редко, и чаще всего говорят о сбое в работе системы.

Для точных измерений таких небольших сигналов требуются АЦП с высокой разрешающей способностью и хорошим отношением «сигнал/шум». Кроме того, обязательно необходима одновременная многоканальная оцифровка.

На сегодняшний день доступны системы с 14-битным разрешением, например 4-канальный AD7865 — это 14-битный АЦП, работающий с сигналами обеих полярностей и обеспечивающий отношение «сигнал/шум» 80 дБ. Однако существует потребность в более точных и быстродействующих многоканальных АЦП с 16-битным разрешением и скоростью оцифровки 10 тысяч отсчетов в секунду и выше. Для измерения 3-фазного тока и напряжения АЦП должен иметь возможность одновременной шестиканальной оцифровки, и, кроме того, обладать большой величиной отношения «сигнал/шум» для измерения малых сигналов. В системах, где используется большое количество АЦП, также требуется низкое энергопотребление.

Примером устройства, соответствующего всем этим требованиям, является преобразователь AD7656 (рис. 2). Он содержит шесть малопотребляющих 16-битных АЦП последовательного приближения, обеспечивающих частоту отсчетов 250 кГц. AD7656 производится по технологии iCMOS, которая позволяет сочетать субмикронную технологию CMOS и биполярные технологии. Технология iCMOS сделала возможным производство широкого спектра высококачественных интегральных микросхем, предназначенных для применения в высоковольтных схемах. В отличие от аналогичных интегральных микросхем, произведенных по стандартной технологии CMOS, компоненты, созданные по технологии iCMOS, могут работать с входными сигналами обеих полярностей, обеспечивая высокие характеристики и способствуя значительному снижению энергопотребления и размеров устройства.

AD7656 обеспечивает отношение «сигнал/шум» в 86,6 дБ, что достаточно для измерения малых сигналов переменного тока с трансформаторов. Высокая частота оцифровки (250 тысяч отсчетов в секунду) позволяет упростить системы мониторинга, где нужен быстрый набор отсчетов для последующей обработки в реальном времени с помощью алгоритма БПФ. Данный АЦП способен обрабатывать выходные сигналы трансформаторов с напряжением в ±5 и ±10 В без какого-либо предварительного усиления, при этом максимальное энергопотребление АЦП составляет всего 150 мВт. Это важно в тех случаях, когда в схеме имеется много каналов оцифровки. Известны системы, где необходимо до 128 каналов оцифровки (тогда используют 22 шестиканальных АЦП), и, разумеется, величина мощности, рассеиваемой на каждом из АЦП, в таких системах является важным параметром.

Другие элементы схемы (после АЦП)

Полностью структурная схема измерительной системы приведена на рис. 3. Несмотря на то, что АЦП, безусловно, является ключевым устройством в схеме, следует учитывать множество других факторов при разработке высококачественной системы. Источники опорного напряжения и усилители сигнала на входе АЦП также влияют на качество системы. Для удаленного подключения может потребоваться гальваническая развязка линии передачи.

Источник опорного напряжения для АЦП

В различных устройствах применяют либо встроенные источники опорного напряжения (если они есть), либо внешние. Выбор здесь зависит от конкретных требований, предъявляемых к системе. Внешние источники напряжения используют, когда в одном устройстве имеется несколько АЦП, так как общий источник исключает возможность разброса опорного напряжения на различных АЦП.

Для того чтобы система обеспечивала высокую точность в широком температурном диапазоне, необходимо использовать источники опорного напряжения с малым дрейфом. Для понимания значения дрейфа и выбора между внутренними и внешними ИОН можно привести следующие несложные расчеты. 16-разрядный АЦП с максимальным входным сигналом в 10 В обеспечивает разрешающую способность 152 мкВ. Максимальный температурный дрейф внутреннего ИОН AD7656 равен 25 ppm/°C (обычно дрейф составляет около 6 ppm/°C, 1 ppm = 10^–6). В диапазоне температур 50 °C опорное напряжение может измениться на 1250 ppm, или на 12,5 мВ. В случаях, когда требуется температурная стабильность, лучше применять внешние ИОНы, такие как ADR421 с дрейфом не более 1 ppm/°C. Такой дрейф будет соответствовать изменению опорного напряжения всего на 0,5 мВ при изменении температуры на 50 °C.

Выбор усилителя

Основные требования к усилителю для измерительной системы — это малый шум и малое смещение.

Шум, генерируемый усилителем, должен быть достаточно мал, чтобы соответствовать отношению «сигнал/шум» АЦП. Кроме того, малошумящие усилители пригодны для измерения малых сигналов переменного тока. Погрешность смещения усилителя, включая дрейф во всем температурном диапазоне, должна быть меньше, чем необходимая разрешающая способность АЦП. Необходимыми характеристиками обладает семейство усилителей OP1177/OP2177/OP4177. Они сочетают хорошие шумовые характеристики (8,5 нВ/√Гц) и малый дрейф. Например, операционные усилители OP1177 обеспечивают напряжение смещения не более 60 мкВ, а температурный дрейф смещения составляет 0,7 мкВ/°C. В 50-градусном рабочем диапазоне максимальный дрейф составит 35 мкВ, и таким образом суммарная ошибка из-за дрейфа и напряжения смещения — менее 95 мкВ, или 0,625 LSB.

Для измерительных систем также важна потребляемая усилителем мощность, особенно в системах, где требуется оцифровка по многим каналам. Усилители OP1177 потребляют менее 400 мкА.

В таблице приведено несколько рекомендуемых типов усилителей для подобных измерительных устройств.

Организация питания АЦП

Для АЦП необходимы источники питания как для цифровой, так и для аналоговой части. В большинстве систем имеется 5-вольтовый источник для питания цифровой части, а вот для аналоговой части устройства питание предусмотрено далеко не везде. Использование одного и того же источника питания и для цифровой и для аналоговой частей схемы крайне нежелательно, так как это вносит дополнительные шумы в систему. В устройствах, где имеется двухполярный источник питания ±12 В, можно применять недорогие стабилизаторы, такие как ADP3330; они способны обеспечить высококачественное питание напряжением 3 и 5 В с погрешностью 1,4%.

Связь с центральным контроллером

Подстанция обычно состоит из множества различных систем, которые нуждаются в подключении к удаленному общему системному контроллеру, и такое подключение обычно производится через гальваническую развязку. Привычные решения с использованием оптопар на основе свето- и фотодиодов сейчас заменяются на устройства гальванической развязки iCoupler на основе микротрансформаторов. По сравнению с обычными оптопарами устройства iCoupler способны обеспечить в четыре раза более высокую скорость передачи цифровых данных, имеют в 50 раз меньшее энергопотребление, что означает малое рассеивание тепла; для них характерны высокая надежность и низкая цена. Кроме того, высокая степень интеграции упрощает компоновку и способствует экономии места на плате. Четырехканальное устройство гальванической развязки цифрового сигнала ADuM1402 обеспечивает скорость передачи до 100 Мбит/с и изоляцию при напряжении до 2,5 кВ.

Для соединения нескольких систем часто применяется интерфейс стандарта RS-232, и гальваническая развязка между каждым устройством и шиной крайне важна. Цифровые устройства гальванической развязки iCoupler не работают с сигналами интерфейса RS-232, поэтому они не применяются в цепи между приемопередатчиком RS-232 и кабелем; вместо этого они применяются для обеспечения изоляции между локальным устройством и приемопередатчиком [2]. Схема, состоящая из устройства гальванической развязки ADuM1402, трансивера RS-232 и изолированного источника питания обеспечивает разрыв паразитных контуров и защиту от импульсных помех.

Для систем, в которых применяется интерфейс RS-485, создан интегрированный приемопередатчик ADM2486. Он поддерживает скорость передачи данных до 20 Mбит/с и обеспечивает изоляцию при напряжении до 2,5 кВ.

Обработка сигнала

При мониторинге линии электропередачи для выполнения сложных математических операций требуется процессор цифровой обработки сигналов. Идеально подходящим для обеспечения DFT, FFT и других алгоритмов в подобных системах является процессор ADSP-BF531 Blackfin, обладающий высокой производительностью, малым энергопотреблением и низкой стоимостью.

Процессор Blackfin представляет собой высокоинтегрированную систему на кристалле; в составе процессора имеются контроллеры CAN 2.0B и TWI, два порта UART и порт SPI, два последовательных порта (SPORT), девять 32-битных таймеров общего назначения, из которых восемь поддерживают режим широтно-импульсной модуляции (ШИМ), часы реального времени, сторожевой таймер и параллельный периферийный интерфейс (PPI). Такая развитая периферия позволяет добиться совместимости с различными системами и интерфейсами.

Процессоры семейства Blackfin ADSPBF536 и ADSP-BF537 также оборудованы IEEE-совместимым интерфейсом 802.3 10/100 Ethernet MAC, который в настоящее время является стандартным для многих измерительных систем.

Соображения практической разработки

При разработке печатных плат необходимо уделить особое внимание расположению АЦП и окружающих его элементов. Аналоговая и цифровая схемы должны быть разделены и размещены в разных частях платы. Необходимо наличие хотя бы одной поверхности заземления. Следует избегать прокладки цифровых линий под АЦП, так как они могут наводить шумы в кристалле. АЦП должен находиться над аналоговой заземляющей поверхностью во избежание наводки шумов. Тактовые генераторы и другие устройства с быстро переключающимися сигналами должны быть заэкранированы цифровой заземляющей поверхностью и должны находиться на достаточном удалении от аналоговых цепей устройства. Необходимо избегать пересечения цифровых и аналоговых сигнальных линий. Дорожки в разных, но близких слоях платы должны проходить под прямыми углами друг к другу, чтобы уменьшить эффект взаимного влияния.

Дорожки питания АЦП должны быть максимально широкими, для того чтобы обеспечить низкое сопротивление и снизить амплитуду выбросов на линии питания. Важно обеспечить качественное соединение между выводами питания АЦП и линиями питания на плате, для этого полезно использовать одно или несколько межслойных соединений для каждого вывода питания. Также важна хорошая развязка по питанию, поскольку она обеспечивает низкий импеданс источника питания и уменьшает амплитуду шумов линии питания. Параллельно подключаемые конденсаторы развязки, обычно емкостью 100 нФ и 10 мкФ, должны быть установлены на всех выводах питания, причем как можно ближе к этим выводам и соответствующим им выводам заземления.

Заключение

Постоянно растущие мировые потребности в электроэнергии приводят к увеличению числа линий электропередач и, соответственно, числа подстанций. Энергетика все больше нуждается в автоматических системах мониторинга и контроля, и при этом требуется все большее количество каналов измерения. При наличии множества АЦП в одном устройстве становятся все более важными эффективность использования пространства на печатной плате, снижение энергопотребления и снижение себестоимости системы.

Высококлассные характеристики системы могут быть достигнуты за счет использования качественных АЦП, таких как AD7656. Шесть каналов оцифровки, 16-разрядное разрешение, низкое энергопотребление, хорошее отношение «сигнал/шум» и малые размеры — эти качества удовлетворяют всем требованиям для разработки следующего поколения систем контроля для линий электропередач.

Литература

1. www.analog.com.ru
2. Скотт Уэйн. Применение устройств гальванической развязки цифрового сигнала iCoupler в интерфейсах RS-232, RS-485 и CAN // Компоненты и технологии. 2005. № 9.