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

隨著全球電網(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。作為全球領(lǐng)先的高性能信號(hào)處理解決方案供應(yīng)商，ADI公司推出的系列高性能ADC一直引領(lǐng)該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展路線：第一代電力繼電保護(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(lái)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(lái)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公司深刻理解全球電力設(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)。

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)最高200 kSPS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，可處理最高22 kHz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(guò)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(guò)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。

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，其等效輸入阻抗完全獨(dú)立于采樣率且固定為1MΩ。同時(shí)，輸入端集成了具有40 dB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(guò)運(yùn)放來(lái)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，如果需求高絕對(duì)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(lái)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)置第一片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(guò)第一片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。

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。

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。AV_CC電壓平面沿兩個(gè)器件的右側(cè)布置，V_DRIVE電源走線沿兩個(gè)AD7606器件的左側(cè)布置?；鶞?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(guò)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。

為適應(yīng)全球電力行業(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。

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)抗干擾能力，輕松滿足國(guó)際IEC-6100-4標(biāo)準(zhǔn)要求。BF518是目前已經(jīng)在全球電力設(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)10/100 MAC，更首次在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IEEE1588 version2標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。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)國(guó)際標(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)出了卓越的性能。由于AD7606提供了過(guò)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)用中采樣精度最高可以達(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。