高性能電力線監(jiān)測、繼電保護系統(tǒng)設(shè)計指南

隨著全球電網(wǎng)持續(xù)的發(fā)展，電力線監(jiān)測、繼電保護產(chǎn)品在不斷地更新?lián)Q代并改變著設(shè)計模式。作為全球領(lǐng)先的高性能信號處理解決方案供應(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產(chǎn)品均采用模擬開關(guān)，采用單通道16位ADC（如AD976 、AD574）進行設(shè)計；后來出現(xiàn)了使用16位的AD7656 和14位的AD7865配合模擬開關(guān)的第二代繼電保護產(chǎn)品，AD7656和AD7865在當(dāng)前很多電力繼電保護產(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，尤其是其±10V雙極多通道同步輸入等技術(shù)特點，使AD7656成為上一代電力繼電保護的主流選擇，目前該產(chǎn)品仍在大量的電力監(jiān)測及保護設(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，電力線監(jiān)測及保護產(chǎn)品設(shè)計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)計人員需要應(yīng)對諸如雙電源、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)對智能電網(wǎng)時代開發(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雙極性信號輸入，每通道的采樣率能達到200ksps。單芯片內(nèi)集成多個通道可支持變電站自動化設(shè)備中三相電流、電壓和零線的測量。同步采樣功能允許保留相位信息，同時可以在較寬的動態(tài)范圍內(nèi)，對雙極性電壓和電流進行采樣。

AD7606系列的所有8個通道都能實現(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90dB，選用片內(nèi)數(shù)字濾波器可以進一步改善SNR性能、縮小誤碼、擴頻并提高抗混疊抑制。轉(zhuǎn)換過程與數(shù)據(jù)采集利用CONVST信號和內(nèi)部振蕩器進行控制。通過兩個CONVST引腳，可以對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）同時進行采樣，以顧及變壓器之間的相位差。

AD7606內(nèi)部的信號調(diào)理電路中已經(jīng)包含了低噪聲、高輸入阻抗的信號調(diào)理電路，其等效輸入阻抗完全獨立于采樣率且固定為1MΩ。同時，輸入端集成了具有40 dB抗混疊抑制特性的濾波器，更是簡化了前端設(shè)計，不再需要外部驅(qū)動和濾波電路。因此，二次互感器輸出的信號無需再經(jīng)過運放來緩沖就可以直接接入AD7606。AD7606內(nèi)部集成了2.5V帶隙電壓基準和基準緩沖電路，設(shè)計應(yīng)用中可根據(jù)系統(tǒng)要求選用內(nèi)置基準或外部基準，在多片ADC的設(shè)計中，如果需求高絕對精度，則應(yīng)采用高初始精度和低溫度系數(shù)的外部基準，以消除不同器件內(nèi)置基準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)置第一片AD7606工作在內(nèi)置基準模式，其余AD7606為外部基準模式，然后通過第一片AD7606的內(nèi)置基準輸出供給其余AD7606。從而在不加外部基準的情況下即可保證多個AD7606通道間數(shù)據(jù)的匹配性。

而AD7606低至100mW的運行功耗和僅25mW的待機功耗保持了ADI公司在ADC低功耗技術(shù)上的優(yōu)勢，特別是當(dāng)一塊電路板上有若干多通道ADC時（某些系統(tǒng)需要一塊電路板上有多達上百個ADC通道），功耗是一項重要考量因素，這種低功耗的特性是簡化系統(tǒng)熱設(shè)計、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，針對需要多通道系統(tǒng)應(yīng)用，設(shè)計者可以分別采用8+4、8+6通道的靈活設(shè)計組合，在利用到ADI新ADC系列產(chǎn)品的高性能的同時，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)測系統(tǒng)都會采用多個AD7606器件以實現(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稱布局。AV_CC電壓平面沿兩個器件的右側(cè)布置，V_DRIVE電源走線沿兩個AD7606器件的左側(cè)布置。基準電壓芯片ADR421位于兩個AD7606器件之間，基準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。使用實心接地層。這些對稱布局原則適用于含有兩個以上AD7606器件的系統(tǒng)。AD7606器件可以沿南北方向放置，基準電壓位于器件的中間，基準電壓走線則沿南北方向。

良好的去耦對于電力線監(jiān)測系統(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?？赡艿脑挘瑧?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)計十分簡潔，僅需要9個低值陶瓷電容，包括2個10uF、2個1uF、5個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化校準過程。AD7606器件、模擬輸入通道和去耦電容的對稱布局有助于多個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)雜化和保護要求的提高，當(dāng)前的繼電保護產(chǎn)品除了擁有傳統(tǒng)的繼電保護設(shè)備基本的測試功能外，還具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和通信能力，而且對可靠性、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實現(xiàn)的完整電力線監(jiān)測解決方案。

Blackfin處理器是ADI公司的核心旗艦產(chǎn)品，強大的處理能力和匯聚式架構(gòu)使得在繼電保護產(chǎn)品設(shè)計中無須增設(shè)單獨的通訊處理器，可以幫助客戶實現(xiàn)了總線不出芯片的方案，大大提高系統(tǒng)抗干擾能力，輕松滿足國際IEC-6100-4標準要求。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)置了具有媒體獨立接口與簡化媒體獨立接口的以太網(wǎng)10/100 MAC，更首次在Blackfin處理器中引入了內(nèi)置的PTP_TSYNC引擎，實現(xiàn)了硬件支持的IEEE1588（網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議）時鐘同步，與IEEE1588 version2標準完全兼容。電力行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化催生了繼電保護裝置的網(wǎng)絡(luò)化，而變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)國際標準IEC61850規(guī)約的推出反應(yīng)了這種發(fā)展趨勢，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)展趨勢中占據(jù)更加主動的地位。

該方案在測試中表現(xiàn)出了卓越的性能。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，該方案在實際應(yīng)用中采樣精度最高可以達到19位。在高壓保護的應(yīng)用中，AD7606具有更明顯的性能優(yōu)勢，而且具有較高的單通道性價比。