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從傳統(tǒng)變電站轉(zhuǎn)向智能變電站

電子設(shè)計(jì) ? 來(lái)源:電子設(shè)計(jì) ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2022-01-21 14:03 ? 次閱讀
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作者:Kallikuppa Sreenivasa

在我之前撰寫(xiě)的關(guān)于提高數(shù)據(jù)采集(DAQ)以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)保護(hù)和控制的兩篇博文中,我闡述了將多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC)連接到單處理器以及使用可編程實(shí)時(shí)單元子系統(tǒng)和工業(yè)通信子系統(tǒng)(PRU-ICSS)來(lái)提升傳感器DAQ性能的必要性。此篇博文中,我將討論電網(wǎng)應(yīng)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(cè)量的參考設(shè)計(jì)。

從傳統(tǒng)變電站轉(zhuǎn)向智能變電站

通過(guò)閱讀我們的最新版白皮書(shū),“從傳統(tǒng)變電站轉(zhuǎn)向智能變電站”,了解有關(guān)智能變電站的更多信息。

電網(wǎng)保護(hù)和測(cè)量

DAQ可以用來(lái)保護(hù)電網(wǎng)資產(chǎn),測(cè)量用于計(jì)量/監(jiān)測(cè)的電氣參數(shù)。使用單個(gè)硬件配置在指定精度限制內(nèi)測(cè)量大范圍的電壓和電流輸入(包括保護(hù)和測(cè)量范圍)是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。

為了保護(hù)電網(wǎng)一次設(shè)備,DAQ(二次設(shè)備)必須在寬輸入范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量電壓和電流輸出,以提供可重復(fù)的故障監(jiān)測(cè)和跳閘時(shí)間性能。對(duì)于保護(hù)而言,精度等級(jí)規(guī)定了電壓(3P)和電流(5P、10P)范圍,具體取決于電網(wǎng)主要設(shè)備。對(duì)于測(cè)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(wǎng)應(yīng)用中使用的DAQ還提供了有限范圍內(nèi)的電能計(jì)量功能,精度等級(jí)為1級(jí)或更高。模擬前端(AFE)能夠精確測(cè)量大范圍的輸入且同時(shí)滿(mǎn)足保護(hù)和測(cè)量等級(jí)精度的要求,從而簡(jiǎn)化了DAQ設(shè)計(jì)。

圖1所示的AFE包括一個(gè)傳感器接口、ADC范圍的增益縮放、輸入瞬態(tài)保護(hù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換和一個(gè)主機(jī)接口。

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圖1:包括AFE在內(nèi)的DAQ子系統(tǒng)

電流、電壓和有功電能的保護(hù)和測(cè)量等級(jí)精度要求

電流互感器(CT)會(huì)將一次電流轉(zhuǎn)換為成比例的二次電流,而且電壓互感器(PT)會(huì)將一次電壓轉(zhuǎn)換為成比例的二次電壓。電流、電壓和有功電能的測(cè)量范圍以及精度要求隨規(guī)定的精度等級(jí)而變化,以下章節(jié)提供了更多詳細(xì)信息。

電流互感器

電流互感器(CT)可以使設(shè)備不受過(guò)載、短路和不平衡的影響。盡管保護(hù)級(jí)CT的精度較低,但仍足以檢測(cè)故障電流。在保護(hù)級(jí)CT中,誤差規(guī)定為In的100%。保護(hù)級(jí)CT被指定為5P20,因此,20倍的In(準(zhǔn)確限值系數(shù))的誤差必須小于±5%。標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確限值系數(shù)為5、10、20和30,且P表示保護(hù)等級(jí)。測(cè)量級(jí)CT在有限范圍內(nèi)具有更高的精度要求。

更多電網(wǎng)設(shè)備正使用非傳統(tǒng)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(qiáng)、線性度良好和易于數(shù)字化的特點(diǎn)。ECT規(guī)定了一類(lèi)特殊的精度限制,稱(chēng)為瞬態(tài)保護(hù)電子(TPE)等級(jí)。TPE的等級(jí)由精度限制條件下的最大峰值瞬時(shí)誤差的10%定義。等級(jí)5的TPE ECT滿(mǎn)足保護(hù)應(yīng)用和記錄瞬態(tài)故障的要求。表1列出了測(cè)量和保護(hù)等級(jí)的精度要求。

額定電流百分比 電流比誤差(%) 相位誤差(分鐘) 應(yīng)用 在額定精度限制一次電流下的復(fù)合誤差(%) 最大峰值瞬時(shí)誤差的精度限制條件(%)
0.5 5-120 ±1.5-±0.5 ±90-130 測(cè)量
5P(P表示保護(hù)等級(jí)) 100 ±5 ±60 保護(hù) 5
5TPE 100 ±5 ±60 保護(hù) 5 10
10P(P表示保護(hù)等級(jí)) 100 ±10 ±120 保護(hù) 10

表1:測(cè)量和保護(hù)級(jí)CT精度要求,包括瞬態(tài)

*精度限制的額定一次電流是保護(hù)級(jí)CT符合復(fù)合誤差精度要求的一次電流值。

**峰值瞬時(shí)誤差評(píng)估瞬態(tài)DCAC元件的誤差。

電壓互感器

PT(電壓互感器)可以使設(shè)備不受電壓故障/不平衡的影響。在次級(jí)側(cè),PT將一次電壓轉(zhuǎn)換為110 V/240 V的額定電壓Vn。一次電壓取決于應(yīng)用。表2列出了測(cè)量和保護(hù)等級(jí)的精度要求。

測(cè)量范圍:0.8-1.2 * Vn
保護(hù)范圍:0.05 - 電壓因素 (Vf) * Vn; Vf可以是1.2-1.9
精度等級(jí) 電壓誤差(%) 相位誤差(分鐘) 應(yīng)用
0.5 ±0.5 ±20 測(cè)量
3P(P表示保護(hù)等級(jí)) ±3 ±120 保護(hù)

表2:測(cè)量和保護(hù)級(jí)PT精度要求

功率和能量

除了測(cè)量指定精度范圍內(nèi)的電壓和電流外,電網(wǎng)應(yīng)用中的DAQ還可測(cè)量功率和能量,以執(zhí)行專(zhuān)門(mén)的保護(hù)和監(jiān)控。表3列出了精度要求。

電流值 功率因數(shù) 精度等級(jí) 百分比誤差 百分比誤差
0.05in ≤ 1 ≤ Imax 1.0(統(tǒng)一) 1.0 ±1.0 ±0.5
0.1 in ≤ I ≤ Imax 0.5(電感應(yīng)) ±1.0 ±0.6

表3:精度等級(jí)1有功電能的精度限制

我們的電流和隔離電壓測(cè)量參考設(shè)計(jì)說(shuō)明了如何在大范圍內(nèi)以高精度測(cè)量電壓、電流和能量,并具有如圖2所示的功能塊。

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圖2:參考設(shè)計(jì)AFE框圖

AFE的關(guān)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(jìn)行測(cè)量。

隔離電源:變壓器驅(qū)動(dòng)器和低壓差穩(wěn)壓器產(chǎn)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(jìn)行測(cè)量。

電流輸入:您可以將一個(gè)外部CT連接至帶增益放大器的板載負(fù)載放大器后測(cè)量電流輸入。

增益放大器:可擴(kuò)展固定增益運(yùn)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(hào)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(bǔ)償與溫度相關(guān)的精度漂移。

在參考設(shè)計(jì)中,兩個(gè)ADC被鏈接在一起,并使用一個(gè)帶時(shí)鐘緩沖器的公共時(shí)鐘來(lái)同步所有通道。將兩個(gè)ACD鏈接在一起將輸入通道擴(kuò)展到8,且使得通道之間的同步延遲小于等于5μs。

設(shè)計(jì)性能總結(jié)

我使用帶有固定增益放大器的CT/Rogowski線圈(用于測(cè)量電流)和帶有固定增益放大器/隔離放大器(用于測(cè)量電壓)的分壓器來(lái)測(cè)試設(shè)計(jì)性能。在100ms到1000ms的不同積分周期內(nèi),測(cè)量精度始終在±0.5%以?xún)?nèi)。電流輸入的動(dòng)態(tài)范圍性能為>500到1(測(cè)量的最大和最小電流之比),滿(mǎn)足了標(biāo)準(zhǔn)精度限值系數(shù)≥30的測(cè)量和保護(hù)等級(jí)精度要求。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(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(gòu)的選項(xiàng)。

審核編輯:何安

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