配电自动化需要高精度模拟数据转换器 转换器

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关键词： 配电自动化 , ADC , 传感器 , 智能电网

作者: David Andeen 一般来说，配电自动化包括传感器、开关以及遍布智能电网的通信网络，这些要素协同工作，“定位并自动修复故障以及微调电网电压。”这意味着，电网配电的各个方面均采用智能、自动化控制，其目标是提高电网可靠性、性能，并支持可再生能源并网，而无需对核心基础设施进行大幅度改动。该术语适用于智能电表上游，供电公司需要在此主动监测电网活动，在全网范围内实现有效配电。 配电自动化包括检测、诊断、定位和隔离故障，以及快速恢复供电(见图1)。为了实现以上目的，供电公司就需要模拟数据转换器具备优异的静态和动态性能以精确测量功率流和故障。通过部署具有高速、高精度、高分辨数据转换器的智能配电自动化系统，供电公司就能够描述出故障的性质；可将平均断电减少33%，将恢复供电时间从45分钟缩短为3分钟。快速响应时间允许电力公司降低断电的频度和持续时间，从而降低断电成本。在美国，每年因为断电造成的经济损失估计有620亿欧元(约合790亿美元)，在欧洲则为1500亿欧元(约合1900亿美元)。了解这些数据后，民众对电力公司在配电自动化领域投入重金的行为就不会感到奇怪了。配电自动化市场规模从2012年的44亿美元上升到2013年的54亿美元，其主要原因是“中国、美国及欧洲在再生资源整合和电网可靠性领域的复兴。” 图1.供电公司并不是总能够预测何时以及哪里将会发生故障。为了快速响应故障事件，必须具备能够高精度、实时测量功率流的基础设施。照片为遭受雷击的配电站。 故障检测要求新的数据转换技术 配电自动化中使用的传统数据转换器具有高分辨率、高速度以及相干采样，这些特性相组合起来使得供电公司能够优化功率因数，实现超高效率配电以及描述故障特性。但供电公司现在希望通过增加传感器来进一步提高电网可靠性(图2)，希望也确实需要更高精度的动态数据来制定决策，以及尽可能接近实时地进行响应。 图2.供电公司正通过在电力线上安装更多的电流故障传感器来提高系统可靠性。 在较旧的供电基础设施上增加电流故障传感器，可以使基础设施变得更加智能。提高供电公司检测故障的准确程度，即可快速定位和修复故障。此外，如果供电公司安装了智能电表通信网络，供电公司也确实安装了这样的网络，这些附加传感器即可通过此网络进行通信。所以，这些传感器本质上依赖于自动表计基础设施(AMI)。智能传感器和智能电表相组合，再次降低断电成本。 尽管这一切都非常合乎逻辑，供电公司仍然面临另一项巨大挑战。当今的大多数电流传感器并不具备支持普遍采用110VAC/220VAC的变电站的能力。因此，这些传感器往往需要依靠电池或光纤线路。传感器也必须是低功耗的。 为满足以上条件，半导体公司已经推出新型低功耗、高速度、单通道模/数转换器(ADC)，以解决智能电网甚至更敏感网络的这一需求。这些数据转换器特别定位于电流故障检测方案，必须保证极低功耗，同时保持高速和高分辨率性能(图3)。 图3.来自于MAXREFDES38#子系统参考设计上16位MAX11901 ADC的FFT数据6。输入为±3V 50Hz正弦波差分信号，采样率为10ksps，采用Blackman-Harris窗，室温条件。信号链在工作期间的功耗小于85mW。 具备这些能力的现代化ADC只需很小的功耗即可为供电公司提供丰富的信息，非常适合用于智能电网的配电自动化。有了这些数据转换器，智能电网变得更加智能，推动配电自动化的繁荣发展。