Снижение стоимости мониторинга электросетей с помощью высокопроизводительных АЦП с одновременной выборкой

Введение

Мониторинг современных линий электропередач предусматривает функции контроля энергоснабжения, выравнивания нагрузки, защиты и измерения параметров. Такой подход обеспечивает эффективную доставку электроэнергии потребителю. Наряду с эффективной поставкой энергии современные системы мониторинга выполняют некоторые эксплуатационные функции, определяют и реагируют на аварийные ситуации, регистрируют параметры и обеспечивают динамическое выравнивание нагрузки и сохранение энергии, отслеживают (и контролируют) качество доставки энергии и позволяют защищать оборудование.

Реализация таких систем мониторинга возможна с помощью АЦП, отслеживающих напряжение и ток в многофазных линиях. Однако для выполнения строгих требований разных стандартов, а также для измерения и оптимизации потерь коэффициента мощности такие преобразователи должны быть синхронизированы, чтобы обеспечить одновременный замер параметров во всех трех фазах (плюс нейтральный провод). Синхронизация отдельных АЦП может оказаться очень непростой задачей, поэтому производители предлагают многоканальные АЦП с одновременной выборкой, выполненные в одном корпусе. Существуют еще более интегрированные решения, позволяющие встроить АЦП с одновременной выборкой в ASIC.

Локальные и международные стандарты измерения характеристик

Развитие и широкое внедрение современных систем мониторинга линий электропередач затруднено из-за разнообразия международных стандартов, определяющих точность измерения мощности. Измерение характеристик поставляемой электроэнергии должно проводиться в соответствии со стандартами предприятий и международными стандартами. Стандарты Европейского Союза (ЕС) EN 50160, IEC 62053 и IEC 61850 задают минимальную точность, необходимую для современных многоканальных АЦП, используемых в системах мониторинга линий электропередач. На мониторинг электросетей также оказывают влияние ужесточающиеся требования по точности измерений, связанные с контролем над поставкой энергии в реальном времени, обнаружением аварийных ситуаций и защитой оборудования, а также с динамической компенсацией нагрузки. Например, стандарт IEC 62053 Class 0.2 (наиболее распространенный во всем мире) определяет точность измерительных приборов на уровне 0,2% от номинального значения тока и напряжения. Для точного измерения коэффициента мощности согласование фаз должно составлять 0,1% и выше.

Международные стандарты и стандарты предприятий задают не только минимальную точность, но и определяют частоту опроса, требуемую для работы современных систем мониторинга и измерения параметров, что необходимо для проведения точного анализа многочисленных гармоник высшего порядка в сети переменного тока, а также для обнаружения таких аварийных ситуаций как мгновенные всплески и падения напряжения. Очевидно, что такие приложения требуют высокой точности одновременных многоканальных измерений в широком динамическом диапазоне вплоть до 90 дБ с частотой опроса 16 Квыб./с и выше.

Многие страны приняли версии стандартов ЕС, поэтому их можно считать хорошим примером требований, предъявляемых к системе измерений. В таблице 1 сведены требования, определенные стандартом EN 50160.

Таблица 1. Требования стандарта EN 50160

Параметры напряжения питания	Допустимые пределы	Интервал измерения	Период мониторинга	Выборочный контроль, %
Частота электропередачи	49,5…50,5 Гц, 47…52 Гц	10 с	1 неделя	95, 100
Медленные изменения напряжения	230В ±10%	10 мин		95
Падения напряжений (≤ 1 мин)	10—1000 раз в году (ниже 85% от номинального значения)	10 мс	1 год	100
Короткие прерывания (≤ 3 мин)	10—100 раз в году (ниже 1% от номинального значения)
Случайные длинные прерывания (> 3 мин)	10—50 раз в году (ниже 1% от номинального значения)
Временные перенапряжения (фазное напряжение)	В основном, < 1,5 кВ		–
Кратковременные перенапряжения (фазное напряжение)	В основном, < 6 кВ	–	–
Разбаланс напряжения	В основном, 2%, но бывает до 3%	10 мин	1 неделя	95
Гармонические напряжения	8% THD (суммарное значение коэффициента нелинейных искажений)

Для напряжений с частотой 50/60 Гц стандарт EN 50160 рекомендует проводить измерения до гармоники 25 по-
рядка. Однако в случае нелинейных нагрузок, таких как моторы и драйверы импульсных источников питания, измерения должны проводиться до гармоники 127 порядка для напряжений питания с частотой 50/60 Гц.

Следует отметить, что в некоторых стандартах, таких как IEC 61850, рекомендуется регистрировать измеряемые параметры с частотой опроса не ниже 256 замеров за период переменного напряжения.

Типовые системы мониторинга электросетей

Во всем мире принят стандарт трехфазных распределенных линий электропередач, соединенных в конфигурацию «звезда». В этой топологии три напряжения смещены по фазе друг относительно друга на одну треть периода (120°), а линии имеют общую точку, к которой подключен четвертый — нейтральный провод. Этот провод часто используется для выравнивания несбалансированной нагрузки. Если нагрузки на каждой из трех фаз равны, система сбалансирована, и в нейтральном проводе тока нет. На рисунке 1 показана типовая схема мониторинга электросетей. Ток и напряжение в каждой из силовых фаз измеряются с помощью трансформатора тока (СТ) и трансформатора напряжения (РТ), или потенциального трансформатора. Вся система состоит из четырех пар таких трансформаторов (по одной паре на каждую из фаз плюс нейтральный провод).

Рис. 1. Типовая система мониторинга электросетей с многоканальными АЦП с одновременной выборкой

Как видно из рисунка 1, АЦП одновременно измеряют токи и напряжения в трех фазах и в нейтральном проводе. Выполняя цифровую обработку измеренных и преобразованных в цифровой код данных, можно определить значения активной, реактивной и полной составляющих мощности, рассчитать величину коэффициента мощности и динамически выровнять нагрузку линий для его коррекции, что увеличивает эффективность всей системы электропередачи. При помощи быстрого преобразования Фурье (БПФ) измеренных параметров можно получить их частотные и спектральные распределения, позволяющие выявить информацию о потерях в системе и влиянии нежелательных помех.

Требования к мониторингу электросетей

Для соответствия стандартам оборудование системы мониторинга должно измерять значения тока и напряжения с частотой опроса 60 Гц × 256 замеров или выше 15,360 Квыб./с. Данные требования и необходимость обеспечения точности в широком динамическом диапазоне вплоть до 90 дБ определяют базис для выбора АЦП для таких систем.

Динамический диапазон АЦП для измерения напряжений может быть рассчитан, исходя из максимального и минимального значений регистрируемых напряжений с учетом заданной точности измеряемой мощности. Например, если система рассчитана на измерение временных перегрузок по напряжению до 1,5 кВ (в случае аварийных ситуаций) при номинальном регистрируемом напряжении 220 В и заданной точности 0,2%, полный динамический диапазон блока измерения напряжения должен быть, по крайней мере, равен:

20log((1500/220) · 2000) = 86 дБ.

Примечание. В этих расчетах заданная точность системы полагалась равной 0,05% — выше, чем определенное стандартом значение 0,2%. Точность в 0,05% выбрана для надежного соответствия требованиям стандарта.

Требования к измерениям тока также влияют на выбор параметров АЦП. Если требования к системе для мониторинга мощности соответствуют стандарту 100 А:10 А (10 А — номинальное значение и 100 А — максимальное значение) и точности 0,2%, полный динамический диапазон блока измерения тока должен быть, по крайней мере, равен:

20log((100/10) · 2000) = 86 дБ.

Из этих примеров отчетливо видна необходимость в высокопроизводительных современных АЦП. Для динамического диапазона в 86 дБ следует использовать 16-разрядные АЦП, работающие с частотой выше 16 Квыб./с. Для обеспечения точных замеров тока и напряжения в трех фазах и в нейтральном проводе АЦП должен одновременно опрашивать 8 каналов (четыре для измерения напряжения и четыре для измерения тока). Более того, системы, измеряющие и корректирующие коэффициент мощности, чтобы обеспечить ее максимальную эффективность, должны компенсировать фазовые сдвиги (или задержки), вносимые трансформаторами тока и напряжения.

Выбор АЦП

При выборе АЦП для мониторинга электросетей разработчики должны исходить из заданной частоты опроса и требований стандартов. В настоящее время им также необходимо учитывать такие факторы как эффективный входной импеданс (ZIN), возможность подстройки фазы сигнала и небольшие габариты корпуса. Сопоставив все эти требования, разработчики систем мониторинга силовых линий или многоканальных систем SCADA (диспетчерское управление и сбор данных) остановили свой выбор на многоканальных высокопроизводительных АЦП с одновременной выборкой.

Существует несколько типов АЦП, способных удовлетворить жестким требованиям стандартов в отношении систем мониторинга электросетей. Большинство из них являются 6-канальными 16-разрядными АЦП с одновременной выборкой и частотой опроса до 250 Квыб./с.

Несколько компаний предлагает кристаллы, в состав которых входят до 6 маломощных АЦП последовательного приближения с частотой опроса до 250 Квыб./с. Maxim предлагает ИС MAX11046, в состав которой входят 8 высокоточных маломощных 16-разрядных АЦП последовательного приближения с частотой опроса до 250 Квыб./с. Соотношение сигнал/шум для MAX11046 превышает 90 дБ.

Эффективный входной импеданс (ZIN)

Величина ZIN определяется входной емкостью и частотой опроса следующим образом:

ZIN = 1/(CIN · Fsample),

где Fsample — частота опроса, а CIN = 15 пФ.

Если АЦП характеризуется высоким значением ZIN, как например MAX11046, он может быть подключен к трансформаторам тока и напряжения напрямую, что исключает применение внешних прецизионных инструментальных усилителей и буферов. В результате уменьшается стоимость системы, место на плате и потребляемая мощность. На рисунке 2 приведен пример однофазной системы мониторинга на базе макетной платы MAX11046 EV, соединенной с трансформаторами, которые контролируют линию питания. Из рисунка видно, что интерфейс между измерительными трансформаторами и многоканальным АЦП с одновременной выборкой обеспечивает низкую стоимость решения и эффективное пространственное размещение. Для трехфазной цепи аналогичную схему необходимо воспроизвести для каждой фазы.

Рис. 2. Пример однофазного мониторинга. Многоканальные АЦП с одновременной выборкой, например, Maxim MAX11046, упрощают разработку современных систем мониторинга линий электропередачи

Подстройка фазы сигнала

При преобразовании трансформатором напряжения из более высокого в низкое происходит фазовый сдвиг (или задержка). Такая задержка затрудняет работу приложений по управлению мощностью или ее мониторингу. Существуют два способа решения этой проблемы: либо разработчики программно корректируют фазу на выходе системы, либо преобразуют сигналы схемотехнически. Устранение фазовых сдвигов сигналов тока и напряжения позволяет точно измерить коэффициент мощности в конфигурации «звезда». Сдвиг фаз между соседними линиями, отличный от 120°, означает потери мощности. При точном определении коэффициента мощности его можно скорректировать для повышения эффективности энергосистемы.

Обычно подстройка фаз сигналов в системах с многоканальными 16-разрядными АЦП с одновременной выборкой происходит на заключительном этапе цифровой обработки выходных данных АЦП. Именно так выполняется коррекция фаз в высокоточном преобразователе данных MAX11046 компании Maxim. При использовании этих АЦП для подстройки фаз требуется непрерывная программная обработка сигналов.

Некоторые из современных АЦП обеспечивают фазовую коррекцию входных сигналов в диапазоне 0…333 мкс с задержкой, независимо устанавливаемой по каждому каналу с шагом 1,33 мкс. Этот подход позволяет отказаться от использования программной коррекции. К таким устройствам относится 24-разрядный 4-канальный сигма-дельта АЦП MAX11040, обеспечивающий не только фазовую подстройку сигналов, но и высокоточные измерения до 32 каналов. В каждом канале можно осуществлять коррекцию фазы, что позволяет компенсировать сдвиг, возникающий из-за внешних трансформаторов или входных фильтров. Имеется вход для внешнего сигнала SYNC, который позволяет периодически синхронизировать выборку до 32 каналов (8 микросхем).

Малые размеры корпусов

Во многих системах мониторинга электросетей важны физические размеры устройств. Например, часто возникает потребность контролировать работу большого количества многофазных линий электропередач, особенно в энергораспределительных центрах. Предлагаемые на рынке АЦП имеют разные значения параметра, который характеризует площадь платы, приходящейся на реализацию одного канала. Так, для реализации одного канала АЦП MAX11040 требуется площадь в 15,9 мм2, что почти в два раза меньше аналогичного показателя АЦП других производителей.

Высокая плотность упаковки АЦП позволяет физически разместить на плате большее количество каналов. За счет этого снижаются размеры всего устройства, энергопотребление и стоимость системы измерения.

Защита от перенапряжений

Оптимальная конструкция системы должна также обеспечить ее защиту от перегрузок и аварийных ситуаций в линиях электропередач. MAX11040 и другие АЦП данного семейства имеют встроенную защиту от перенапряжений (аналогичную защите от статического электричества), реализованную на базе ограничительных диодов на 6 В и внутренней логической схемы, устанавливающей аварийный флаг (бит) при обнаружении высокого напряжения. Другие производители АЦП предлагают иные схемотехнические решения, но и в них, как правило, имеется внешняя диодная защита.

Детектирование коротких замыканий и разрывов в электросетях является основной функцией систем защиты на базе АЦП и выполняется при анализе данных с этого преобразователя. Критерии срабатывания реле защиты очень сложны и у каждого производителя индивидуальны. Одинаково плохими считаются ситуации как ложного срабатывания защиты, так и несрабатывания ее в аварийной ситуации.

Заключение

Современные системы мониторинга электросетей, обладающие функциями динамического выравнивания нагрузки, защиты оборудования и измерения параметров сигналов, позволяют коммунальным компаниям (или потребителям) эффективнее контролировать работу энергосистем.

Разные стандарты и требования усложняют развитие и повсеместное внедрение таких систем мониторинга. Жесткие технические условия, определенные стандартами EN 50160, IEC 62053 и IEC 61850, задают правила измерения мощности, минимальную точность и частоту опроса, необходимые для проведения в реальном масштабе времени мониторинга поставки электроэнергии, обнаружения аварийных ситуаций и защиты оборудования, а также динамического выравнивания нагрузки. Эти стандарты определяют критерии выбора АЦП, используемых в современных многоканальных системах мониторинга. Другими факторами, влияющими на выбор АЦП, являются эффективный входной импеданс (ZIN), коррекция фаз сигналов и малые размеры корпусов.

Современные многоканальные высокопроизводительные АЦП с одновременной выборкой являются оптимальным выбором при создании систем мониторинга трехфазных линий, соединенных в конфигурацию «звезда». Такие устройства позволяют создавать высокопроизводительные системы с большой плотностью упаковки, одновременно снижая их стоимость и размеры плат.