基于AD7606同步采樣ADC的智能電網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

摘 要：AD7606是ADI公司推出的新一代16位、8通道、同步采樣、雙極性輸入的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC。本文以國(guó)家智能電網(wǎng)的發(fā)展為契機(jī)，基于智能化變電站的解決方案，重點(diǎn)介紹AD7606系列ADC的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，為電力系統(tǒng)二次設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供有力的幫助。

1引言

低碳時(shí)代的到來(lái)，智能電網(wǎng)是當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動(dòng)向，也是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程。我國(guó)的智能電網(wǎng)[1]是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各電壓等級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。智能電網(wǎng)以“安全、經(jīng)濟(jì)、高效、清潔、低碳”為核心，充分滿足用戶對(duì)電力的需求和優(yōu)化資源配置，確保電力供應(yīng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，滿足環(huán)保約束，保證電能質(zhì)量。

日益增強(qiáng)的信號(hào)處理技術(shù)使得下一代系統(tǒng)的準(zhǔn)確度可優(yōu)于0.1%，準(zhǔn)確度的提升主要得益于采用高性能同步采樣的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC，它提供了滿足未來(lái)智能化變電站系統(tǒng)所需要的分辨率和性能[2]。美國(guó)亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)公司(ADI)最新推出的新一代8通道同步采樣ADC家族系列可實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)異的信噪比 (SNR)，可選的過(guò)采樣模式更可以進(jìn)一步提高SNR 性能。AD7606多通道的集成可方便實(shí)現(xiàn)智能化變電站設(shè)備中的多路IV(電流和電壓)的測(cè)量和監(jiān)控，這使得電力線路監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和管理電網(wǎng)上發(fā)生的各種異常事件，實(shí)現(xiàn)智能化變電站功能綜合化，系統(tǒng)保護(hù)、控制、測(cè)量設(shè)備數(shù)字化，運(yùn)行管理智能化，適應(yīng)電力市場(chǎng)的發(fā)展，確保我國(guó)智能電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)性。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

一個(gè)典型的電力二次設(shè)備系統(tǒng)示意如下圖1所示。一次側(cè)的電壓電流信號(hào)接入二次互感器PT/CT，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后輸入ADC，采樣轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由CPU/DSP進(jìn)行處理，控制信號(hào)經(jīng)隔離后輸出，狀態(tài)信號(hào)經(jīng)隔離后輸入。


圖1：典型的電力二次設(shè)備系統(tǒng)示意圖。

傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，要求電力二次設(shè)備具有更強(qiáng)的接口能力、控制能力、保護(hù)能力、測(cè)量能力、通信能力和數(shù)據(jù)處理能力，因此CPU/DSP和ADC一般是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的兩個(gè)關(guān)鍵器件。

ADI 公司的Blackfin系列處理器以強(qiáng)大的處理能力、高性能以及低成本特點(diǎn)符合電力二次設(shè)備市場(chǎng)的發(fā)展方向，使設(shè)備制造商能夠輕松實(shí)現(xiàn)各種通用或定制化的功能，可以在不改變(或很少改變)硬件的情況下迅速適應(yīng)不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)和新增功能需求，并大大降低產(chǎn)品研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和制造成本。同時(shí)在外設(shè)上，Blackfin系列提供了豐富的選擇，從而給客戶提供了極大的設(shè)計(jì)便利性和豐富的可用片上設(shè)計(jì)資源。參考ADI應(yīng)用工程師程濤的文章《ADI DSP處理器在電力二次設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用》[3]，可以獲取更多的信息。

以下將重點(diǎn)介紹ADC相關(guān)的部分。ADC是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)選用的ADC分辨率一般為14位，比如業(yè)界流行的4通道AD7865，輸入端可以接受真雙極性輸入信號(hào)，并且提供80dB的SNR。隨著業(yè)界對(duì)16 位分辨率和多通道ADC的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，ADI公司開(kāi)發(fā)了6通道16bit的AD7656以滿足設(shè)計(jì)的需求。AD7656具有86.5dB的SNR，可以提供滿足測(cè)量交流小信號(hào)所需的性能指標(biāo)。但是在新的設(shè)計(jì)需求中，系統(tǒng)中包含的電流/電壓互感器CT/PT的數(shù)量會(huì)有多個(gè)，對(duì)ADC總通道數(shù)的需求往往超過(guò)12個(gè)。作為電力二次設(shè)備制造商的關(guān)鍵供應(yīng)商，ADI公司深刻理解中國(guó)客戶的需求，在AD7656成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，再次推出16位8通道同步采樣的AD7606系列，以便能夠更好的滿足用戶在應(yīng)對(duì)這些困難時(shí)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。