Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 23 октября
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Микросхема мультиплексора IZ320ROIC для тепловизионных камер

В статье рассматривается микросхема IZ320ROIC (аналог ISC9705), применяемая в качестве схемы обработки сигналов матрицы фотодиодов 320×256.

Сканер импеданса для контроля свёртывания крови

В статье рассказывается о принципе действия и преимуществах AD5933 — однокристального сканера для измерения комплексного импеданса, на основе которого создаются новые миниатюрные устройства для измерения свёртываемости крови.

Беспроводные датчики не потребуют замены батареек

Новинка от Texas Instruments – комплект оборудования Z430-RF2500-SHE – позволяет создать полностью энергонезависимую систему мониторинга температуры и других параметров по беспроводному каналу. Главное дос- тоинство этого технического решения – практически неограниченный срок службы без необходимости замены элементов питания на регистрирующих датчиках. Это позволит развернуть удобную и экономичную систему мониторинга, например, на складах, хранилищах продуктов и других объектах, требующих постоянного контроля температуры в разных точках.

 

1 сентября

Высококачественный мониторинг линий электропередач с помощью многоканальных АЦП

В статье описывается построение мониторинга линий электропередач, приведены расчетные соотношения и структурная схема. Помимо этого рассмотрены основные компоненты системы и даны практические рекомендации. Статья представляет собой сокращенный вариант [2]



В

ведение

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.
Исходя из величины рабочего напряжения, можно выделить два типа подстанций: к высоковольтным подстанциям относят 500- и 330-кВ, некоторые 220-кВ, а также 220-кВ распределительные подстанции, тогда как 110- и 35-кВ 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, которые обеспечивают требуемую разрешающую способность и частоту дискретизации.

Архитектура системы

На рисунке 1 показаны формы сигналов типичной трёхфазной 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 отсчётов выходных сигналов от каждого трансформатора, выполнения дискретного преобразования Фурье (ДПФ) над полученными данными и проведения необходимых арифметических действий.

Рис. 1. Сигналы в типичной 3-фазной системе

АЦП производит 32 набора отсчётов одновременно по трём каналам тока и трём каналам напряжения, при этом оцифрованные значения сигналов сохраняются в ОЗУ. Затем производится дискретное преобразование Фурье по всем шести каналам, и результаты представляются в комплексном виде, т.е. (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 (Mi) есть модуль, а фаза (Pi) — аргумент соответствующего комплексного числа:

 


P1(CT1) = arctg(B/A) = ψ,

 

 

P2(PT1) = arctg(D/C) = θ.

 

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

 

U1 = M1 · M2 cos(ψ – θ).

 

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

U = U1+ U2 + U3.

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, что позволяет получать сведения о потерях в системе и об уровне нежелательный 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. 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 [1] — 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 тыс. отсчётов 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[1], выполненный по технологии iCMOS. Он содержит шесть малопотребляющих 16-битных АЦП последовательного приближения, обеспечивающих частоту отсчётов 250 кГц. Технология iCMOS сделала возможным производство широкого спектра высококачественных интегральных микросхем, предназначенных для применения в высоковольтных схемах. AD7656 обеспечивает отношение сигнал/шум в 86,6 дБ, что достаточно для измерения малых сигналов переменного тока с трансформаторов.

Другие элементы схемы (после АЦП)


Структурная схема измерительной системы приведена на рисунке 2. 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.

Рис. 2. Измерительная схема для мониторинга линий электропередач

Источник опорного напряжения для АЦП

В различных устройствах применяют либо встроенные источники опорного напряжения (ИОН), либо внешние. Выбор зависит от конкретных требований, предъявляемых к системе. Внешние источники напряжения используют, когда в одном устройстве имеется несколько АЦП, т.к. 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). При изменении температуры на 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[1] с дрейфом не более 1 ppm/°C. Такой дрейф будет соответствовать изменению опорного напряжения всего на 0,5 мВ при аналогичном изменении температуры.

Связь с центральным контроллером

Подстанция обычно состоит из множества различных систем, которые нуждаются в подключении к удаленному общему системному контроллеру. Такое подключение обычно производится с обеспечением гальванической развязки. 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. Четырёхканальное устройство гальванической развязки цифрового сигнала ADuM1402 [1] обеспечивает скорость передачи до 100 Мбит/с и изоляцию при напряжении до 2,5 кВ.
Для систем, в которых применяется интерфейс RS-485, создан интегрированный приёмопередатчик ADM2486 [1]. 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 процессором для обеспечения DFT, FFT и других алгоритмов в подобных системах является процессор ADSP-BF531 Blackfin [1], обладающий высокой производительностью, малым энергопотреблением и низкой стоимостью.
Процессор Blackfin представляет собой высокоинтегрированную систему на кристалле. В состав процессора входят 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 ADSP-BF536 [1] и ADSP-BF537 [1] также оборудованы IEEE-совместимым интерфейсом 802.3 10/100 Ethernet MAC, который в настоящее время является стандартным для многих измерительных систем.

Практическая разработка

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 проведения цифровых дорожек под АЦП, т.к. 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 шиной и 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 ёмкос­тью в 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. Все более необходимы автоматические системы мониторинга и контроля, и при этом требуется всё большее количество каналов измерения. При наличии множества АЦП в одном устройстве становятся всё более важными эффективность использования пространства на печатной плате, снижение энергопотребления и себестоимости системы.
Высококлассные характеристики системы могут быть достигнуты за счёт использования качественных АЦП, таких как AD7656. Шесть каналов оцифровки, 16-разрядное разрешение, низкое энергопотребление, хорошее соотношение сигнал/шум и малые размеры — эти качества удовлетворяют всем требованиям для разработки следующего поколения систем контроля линий электропередач.

Литература

1. Информация с сайта Analog Devices Inc.
2. Высококачественный мониторинг линий электропередач с помощью многоканальных АЦП//Сборник статей «Элек­тронные системы и устройства на основе элементов компании Analog Devices», выпуск 2, ДГТУ, Махачкала, 2008.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Колм Слеттери (Colm Slattery), инженер, Analog Devices



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты