将多个ADC连接到单处理器以实现电网保护和控制

随着全球能源需求和能耗的增加以及对绿色能源的推动加强,许多公用事业公司正在改变他们的战略。这些公司并没有增加发电量,而是通过提高交付给客户的电能质量来提高输配电效率,从而使电力系统具有容错性。同时通过增强保护、监控、控制和自动化,延长设备的使用寿命,最大限度地减少停机时间并降低运营费用。

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例如,具有容错性的电力系统减少了可用的故障电流,并通过与二级保护设备连接的传感器和通信来实现设备的智能化。这些设备能够准确地检测故障电流并缩短故障清除时间,进行远程操作,准确、快速地确定故障位置,从而最大限度地减少停机时间和降低供电恢复时间,并在数据分析中引入冗余来提高可靠性,从而做到提前预测和预防设备故障。一次设备,如输电线路、电力变压器(见图1)、断路器和负载开关等,在维护电力系统完整性和供电可用性方面发挥着重要作用。

所使用的高端二次设备包括带AC模拟输入模块的保护继电器和终端单元,如远程终端单元、配电终端单元、馈线终端单元、相量测量单元等,用于一次设备的保护、控制、测量和电能分析。公用事业公司也正在实施和改进多种保护算法和诊断方案,以保护资产和电网,并尽早预测故障。

图1:安装在变电站的电力变压器

大多数连接的传感器可以提供与其测量的参数(电压、电流和/或温度)成比例的模拟输出。为了获取连接到一次设备的不同传感器的模拟输出,越来越需要在数据采集(DAQ)系统上扩展模拟输入通道。DAQ是精确测量和处理如电压、电流和温度等电气输入的过程,能够选择采样率并使用集成信号处理器实时计算被测参数。

高性能DAQ系统的一些关键要求包括:

  • 使用多个模数转换器(ADC)(2个或2个以上)来采样多个传感器(4,8,16个或以上)的模拟输入,以实现多通道采集和冗余。
  • 使用16位或以上的精度逐次逼近寄存器(SAR)或Δ-Σ ADC来准确测量电气参数。
  • 依照国际电工委员会(IEC)61850-9-2(用于保护的80个样品,用于测量的256个样品),能够改变基于测量或保护的采样率,同时对输入进行相干采样,以用不同线路频率
  • 同时对输入进行采样,以保持电压和电流的相位角关系,从而简化保护算法,减少跳闸次数。
  • 将多个ADC连接到主处理器,以实时获取ADC转换器采样数字数据。
  • 主处理器能够同时从多个ADC中采集样本并实时处理样本,包括计算复杂的电气参数。
  • 鉴于系统复杂性的增加,需要优化系统成本。
  • 能够使用数字隔离器选择性地隔离连接至主处理器的ADC接口,以提高系统性能和可靠性。

有多种可用的ADC架构。最流行的是SAR或Δ-Σ,并且ACD和主处理器之间的接口是可以并行或串行的。每种主机接口方法都有其优点。在菊花链配置中使用串联接口是最简单的解决方案,因为您可以对ADC进行菊花链式连接,但其弊端是降低了吞吐量。并行接口提供了更高的吞吐量,但限制了ADC的选择,增加了成本和电路板的复杂性。

或者,您可以使用具有独立可控芯片选择的多个串行外围接口(SPI)端口来实现更高的吞吐量,同时保持采样的灵活性。所需的SPI端口数量随着所连接的ADC数量的增加而增加,但这提高了实时处理能力的要求。这限制了主处理器(具有有限的SPI端口和实时处理能力)的使用。因此,一些设计人员选择使用具有多个SPI端口的现场可编程门阵列(FPGA)与ADC进行连接,以实现所需的采样灵活性和数据吞吐量。此架构需要一个用于人机和通信接口的额外应用处理器,然而,这将提升系统的成本和复杂性。

带集成外围设备的16位SAR ADC,包括一个可编程增益放大器(PGA),一个准确基准,一个连接至带有双核可编程实时单元以及工业通信子系统(PRU-ICSS)简化DAQ系统设计的主处理器SPI串行接口。如TI的采用多个ADC且适用于同步相干DAQ的灵活接口(PRU-ICSS)参考设计所示。主处理器和ADC中增强的功能集成降低了整体系统成本,同时提高了性能和可靠性。

结论

当您需要将多个ADC连接到单处理器时,设备和架构的选择对于设计的成功至关重要。TI的集成电路和参考设计简化了架构选择和需要16个或更多精度模拟输入通道的多通道精度DAQ系统的设计。

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