【導讀】在我之前撰寫(xiě)的關(guān)于提高數據采集(DAQ)以實(shí)現電網(wǎng)保護和控制的兩篇博文中，我闡述了將多個(gè)模數轉換器（ADC）連接到單處理器以及使用可編程實(shí)時(shí)單元子系統和工業(yè)通信子系統(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)應用中電壓、電流和有功電能的DAQ精度要求，以及基于A(yíng)DS131A04 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(wǎng)保護和測量
DAQ可以用來(lái)保護電網(wǎng)資產(chǎn)，測量用于計量/監測的電氣參數。使用單個(gè)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(guān)鍵要求。
為了保護電網(wǎng)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(shí)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(wǎng)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(wǎng)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(shí)滿(mǎn)足保護和測量等級精度的要求，從而簡(jiǎn)化了DAQ設計。
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、模數轉換和一個(gè)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(huì )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(huì )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(guò)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(wǎng)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(xiàn)性度良好和易于數字化的特點(diǎn)。ECT規定了一類(lèi)特殊的精度限制，稱(chēng)為瞬態(tài)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(shí)誤差的10%定義。等級5的TPE ECT滿(mǎn)足保護應用和記錄瞬態(tài)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(tài)
*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(shí)誤差評估瞬態(tài)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(wǎng)應用中的DAQ還可測量功率和能量，以執行專(zhuān)門(mén)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(shuō)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(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)行測量。
● 隔離電源：變壓器驅動(dòng)器和低壓差穩壓器產(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(guān)的精度漂移。
在參考設計中，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(xiàn)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(lái)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?xún)?。電流輸入的?dòng)態(tài)范圍性能為>500到1（測量的最大和最小電流之比），滿(mǎn)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(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性能的電源架構的選項。
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