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高性能電力線監(jiān)測(cè)、繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南

   2013年01月29日 14:56  
  摘要:隨著電網(wǎng)持續(xù)的發(fā)展,電力線監(jiān)測(cè)、繼電保護(hù)產(chǎn)品在不斷地更新?lián)Q代并改變著設(shè)計(jì)模式。本文介紹了高性能電力線監(jiān)測(cè)、繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南,供大家了解。
  
  隨著電網(wǎng)持續(xù)的發(fā)展,電力線監(jiān)測(cè)、繼電保護(hù)產(chǎn)品在不斷地更新?lián)Q代并改變著設(shè)計(jì)模式。作為的高性能信號(hào)處理解決方案供應(yīng)商,ADI公司推出的系列高性能ADC一直該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展路線:*代電力繼電保護(hù)產(chǎn)品均采用模擬開關(guān),采用單通道16位ADC(如AD976、AD574)進(jìn)行設(shè)計(jì);后來出現(xiàn)了使用16位的AD7656和14位的AD7865配合模擬開關(guān)的第二代繼電保護(hù)產(chǎn)品,AD7656和AD7865在當(dāng)前很多電力繼電保護(hù)產(chǎn)品中仍有非常成功的應(yīng)用案例;隨著技術(shù)的更新和產(chǎn)品工藝的改進(jìn),尤其是其±10V雙極多通道同步輸入等技術(shù)特點(diǎn),使AD7656成為上一代電力繼電保護(hù)的主流選擇,目前該產(chǎn)品仍在大量的電力監(jiān)測(cè)及保護(hù)設(shè)備中發(fā)揮重要作用。
  
  隨著電網(wǎng)智能化管理發(fā)展趨勢(shì),電力線監(jiān)測(cè)及保護(hù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)面臨越來越多的挑戰(zhàn),多通道電流與電壓監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要應(yīng)對(duì)諸如雙電源、有限的模擬輸入范圍、低模擬輸入阻抗、以及采用昂貴的分立器件所造成的高成本等一系列復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。作為電力二次設(shè)備制造商的關(guān)鍵方案提供商,ADI公司深刻理解電力設(shè)備企業(yè)的技術(shù)需求,在AD7656成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上,再次成功推出16位8通道同步采樣AD7606系列,幫助客戶更好地應(yīng)對(duì)智能電網(wǎng)時(shí)代開發(fā)二次設(shè)備所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。
  
  圖1:ADI公司高性能ADC產(chǎn)品發(fā)展路線圖
  
  AD7606簡(jiǎn)化電力線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
  
  AD7606系列器件采用單5V供電,并支持真正的±10V和±5V雙極性信號(hào)輸入,每通道的采樣率能達(dá)到200ksps。單芯片內(nèi)集成多個(gè)通道可支持變電站自動(dòng)化設(shè)備中三相電流、電壓和零線的測(cè)量。同步采樣功能允許保留相位信息,同時(shí)可以在較寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi),對(duì)雙極性電壓和電流進(jìn)行采樣。
  
  AD7606系列的所有8個(gè)通道都能實(shí)現(xiàn)zui高200kSPS的采樣速率。它內(nèi)置低噪聲、高阻抗輸入和信號(hào)調(diào)整放大器,可處理zui高22kHz的輸入頻率。AD7606的信噪比(SNR)高達(dá)90dB,選用片內(nèi)數(shù)字濾波器可以進(jìn)一步改善SNR性能、縮小誤碼、擴(kuò)頻并提高抗混疊抑制。轉(zhuǎn)換過程與數(shù)據(jù)采集利用CONVST信號(hào)和內(nèi)部振蕩器進(jìn)行控制。通過兩個(gè)CONVST引腳,可以對(duì)所有八路模擬輸入或者兩組模擬輸入通道(四路模擬輸入構(gòu)成一組)同時(shí)進(jìn)行采樣,以顧及變壓器之間的相位差。
  
  圖2:AD7606進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)(上下圖分別為采用AD7656和AD7606的電路示意圖)。
  
  AD7606內(nèi)部的信號(hào)調(diào)理電路中已經(jīng)包含了低噪聲、高輸入阻抗的信號(hào)調(diào)理電路,其等效輸入阻抗*獨(dú)立于采樣率且固定為1MΩ。同時(shí),輸入端集成了具有40dB抗混疊抑制特性的濾波器,更是簡(jiǎn)化了前端設(shè)計(jì),不再需要外部驅(qū)動(dòng)和濾波電路。因此,二次互感器輸出的信號(hào)無(wú)需再經(jīng)過運(yùn)放來緩沖就可以直接接入AD7606。AD7606內(nèi)部集成了2.5V帶隙電壓基準(zhǔn)和基準(zhǔn)緩沖電路,設(shè)計(jì)應(yīng)用中可根據(jù)系統(tǒng)要求選用內(nèi)置基準(zhǔn)或外部基準(zhǔn),在多片ADC的設(shè)計(jì)中,如果需求高精度,則應(yīng)采用高初始精度和低溫度系數(shù)的外部基準(zhǔn),以消除不同器件內(nèi)置基準(zhǔn)之間的差異而帶來的誤差。推薦選用初始精度0.04%,溫度系數(shù)3ppm/℃的ADR421B。如果需求多片ADC通道之間的數(shù)值匹配,可設(shè)置*片AD7606工作在內(nèi)置基準(zhǔn)模式,其余AD7606為外部基準(zhǔn)模式,然后通過*片AD7606的內(nèi)置基準(zhǔn)輸出供給其余AD7606。從而在不加外部基準(zhǔn)的情況下即可保證多個(gè)AD7606通道間數(shù)據(jù)的匹配性。
  
  圖3:AD7606突出的性能優(yōu)勢(shì)讓您的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單
  
  而AD7606低至100mW的運(yùn)行功耗和僅25mW的待機(jī)功耗保持了ADI公司在ADC低功耗技術(shù)上的優(yōu)勢(shì),特別是當(dāng)一塊電路板上有若干多通道ADC時(shí)(某些系統(tǒng)需要一塊電路板上有多達(dá)上百個(gè)ADC通道),功耗是一項(xiàng)重要考量因素,這種低功耗的特性是簡(jiǎn)化系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)、提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素之一。
  
  AD7606系列共包含8通道、6通道和4通道三款同步采樣ADC器件,針對(duì)需要多通道系統(tǒng)應(yīng)用,設(shè)計(jì)者可以分別采用8+4、8+6通道的靈活設(shè)計(jì)組合,在利用到ADI新ADC系列產(chǎn)品的高性能的同時(shí),確保方案的低成本(四通道和六通道的AD7606-4、AD7606-6分別比雙8通道AD7606成本低19%及34%)。而且,這幾款器件之間管腳兼容,相同的電路設(shè)計(jì)可以適用于多種不同通道數(shù)的系統(tǒng)配置。
  
  電路設(shè)計(jì)建議
  
  大多數(shù)電力線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都會(huì)采用多個(gè)AD7606器件以實(shí)現(xiàn)多通道同步采樣。為確保器件之間的性能良好匹配,這些器件必須采用對(duì)稱布局。AVCC電壓平面沿兩個(gè)器件的右側(cè)布置,VDRIVE電源走線沿兩個(gè)AD7606器件的左側(cè)布置。基準(zhǔn)電壓芯片ADR421位于兩個(gè)AD7606器件之間,基準(zhǔn)電壓走線向上布置到U2的引腳42,向下布設(shè)到U1的引腳42。使用實(shí)心接地層。這些對(duì)稱布局原則適用于含有兩個(gè)以上AD7606器件的系統(tǒng)。AD7606器件可以沿南北方向放置,基準(zhǔn)電壓位于器件的中間,基準(zhǔn)電壓走線則沿南北方向。
  
  良好的去耦對(duì)于電力線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體性能表現(xiàn)非常重要,恰當(dāng)?shù)娜ヱ钆渲每梢员憬档虯D7606的電源阻抗及其電源尖峰幅度。REFIN/REFOUT引腳和REFCAPA、REFCAPB引腳的去耦電容是攸關(guān)性能的重要電容,應(yīng)盡可能靠近相應(yīng)的AD7606引腳。可能的話,應(yīng)將這些電容放在電路板上與AD7606器件相同的一側(cè)。AD7606的去耦設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)潔,僅需要9個(gè)低值陶瓷電容,包括2個(gè)10uF、2個(gè)1uF、5個(gè)0.1uF。在高通道系統(tǒng)中,良好的通道間和器件間性能匹配可以大大簡(jiǎn)化校準(zhǔn)過程。AD7606器件、模擬輸入通道和去耦電容的對(duì)稱布局有助于多個(gè)器件之間的性能匹配。
  
  圖4:推薦的多通道應(yīng)用中的電路布局
  
  (更詳細(xì)的設(shè)計(jì)建議,請(qǐng)參見“基于16位8通道DASAD7606的可擴(kuò)展多通道同步采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的布局考慮”)
  
  AD7606+BF518的完整解決方案
  
  為適應(yīng)電力行業(yè)的迅速發(fā)展以及電力系統(tǒng)的復(fù)雜化和保護(hù)要求的提高,當(dāng)前的繼電保護(hù)產(chǎn)品除了擁有傳統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)備基本的測(cè)試功能外,還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和通信能力,而且對(duì)可靠性、選擇性、靈敏性和快速性都有很高的要求。而且,隨著IEC61580規(guī)范的逐步推行,必將對(duì)處理器的處理能力提出更高的要求,包括更高的通信能力、存儲(chǔ)能力、智能特性等。ADI與第三方北京億旗聯(lián)合開發(fā)了基于AD7606和Blackfin處理器BF518實(shí)現(xiàn)的完整電力線監(jiān)測(cè)解決方案。
  
  圖5:由BF518及雙AD7606實(shí)現(xiàn)的16通道電力線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Demo
  
  Blackfin處理器是ADI公司的核心旗艦產(chǎn)品,強(qiáng)大的處理能力和匯聚式架構(gòu)使得在繼電保護(hù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中無(wú)須增設(shè)單獨(dú)的通訊處理器,可以幫助客戶實(shí)現(xiàn)了總線不出芯片的方案,大大提高系統(tǒng)抗*力,輕松滿足IEC-6100-4標(biāo)準(zhǔn)要求。BF518是目前已經(jīng)在電力設(shè)備新產(chǎn)品中獲得廣泛應(yīng)用的一款匯聚式處理器,該處理器內(nèi)置了具有媒體獨(dú)立接口與簡(jiǎn)化媒體獨(dú)立接口的以太網(wǎng)10/100MAC,更在Blackfin處理器中引入了內(nèi)置的PTP_TSYNC引擎,實(shí)現(xiàn)了硬件支持的IEEE1588(網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議)時(shí)鐘同步,與IEEE1588version2標(biāo)準(zhǔn)*兼容。電力行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化催生了繼電保護(hù)裝置的網(wǎng)絡(luò)化,而變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)IEC61850規(guī)約的推出反應(yīng)了這種發(fā)展趨勢(shì),支持IEEE1588協(xié)議的BF518處理器必將幫助電力設(shè)備企業(yè)在這種發(fā)展趨勢(shì)中占據(jù)更加主動(dòng)的地位。
  
  該方案在測(cè)試中表現(xiàn)出了的性能。由于AD7606提供了過采樣、抗混疊濾波器和數(shù)字濾波等功能特性,該方案在實(shí)際應(yīng)用中采樣精度zui高可以達(dá)到19位。在高壓保護(hù)的應(yīng)用中,AD7606具有更明顯的性能優(yōu)勢(shì),而且具有較高的單通道性價(jià)比。

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