智能保護繼電器系統(tǒng)設(shè)計及電網(wǎng)外圍構(gòu)建

保護繼電器位于中心站和變電站，長期以來一直是屏蔽電網(wǎng)和變電站故障的最后階段。如今，智能電網(wǎng)和分布式發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)合推動了智能保護繼電器的需求，這些保護繼電器能夠使智能故障保護更接近電力消費者和各個設(shè)備。除了傳統(tǒng)的機械式甚至固態(tài)繼電器之外，智能保護繼電器是基于處理器的復(fù)雜系統(tǒng)，旨在識別故障并安全地從電網(wǎng)斷開 - 并在服務(wù)恢復(fù)時可靠地重新連接。對于工程師而言，由于ADI公司，Atmel公司，凌力爾特公司，Maxim Integrated公司，Micrel公司，Microchip公司公司，TE Connectivity公司和其他制造商提供了廣泛的可用設(shè)備，因此大大降低了構(gòu)建經(jīng)濟高效的智能保護繼電器系統(tǒng)的復(fù)雜性。德州儀器。

智能保護繼電器，也稱為數(shù)字保護繼電器，本身就是復(fù)雜的系統(tǒng)（圖1）。與傳統(tǒng)的機械或靜態(tài)固態(tài)繼電器相比，這些系統(tǒng)提供了精確性能，靈活性和易用性的獨特組合。這些系統(tǒng)至少使用多通道模擬前端（AFE）來監(jiān)測線路電流和電壓，以檢測每條線路的特性。

圖1：基于處理器的智能保護繼電器將線路監(jiān)控與繼電器控制相結(jié)合，實現(xiàn)連接和斷開事件的獨立操作和遠(yuǎn)程控制。 （由德州儀器公司提供）

根據(jù)具體的應(yīng)用性能要求，AFE信號鏈通常以精密儀表放大器級開始，旨在優(yōu)化AFE的動態(tài)范圍，同時降低噪聲和漂移誤差。反過來，這些放大器驅(qū)動轉(zhuǎn)換級，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）構(gòu)建，分辨率范圍為10位至16位，分別滿足約1％至0.05％的應(yīng)用精度要求。

具體的轉(zhuǎn)換要求決定了轉(zhuǎn)換器架構(gòu)的選擇。例如，delta-sigma（ΔΣ）ADC提供高分辨率和信噪比，而逐次逼近寄存器（SAR）ADC具有零延遲和這些應(yīng)用中經(jīng)常需要的高線性度。對于過采樣ΔΣADC，信號鏈包括一個平滑ADC輸出的最終濾波級。

AFE IC集成了合適信號鏈的所有階段，提供高達(dá)24位的分辨率，并為這些應(yīng)用提供近乎可靠的解決方案。例如，ADI公司的AD73360 ADC提供6個16位通道，每個通道都有完整的信號鏈，包括信號調(diào)理器，可編程增益放大器（PGA），Σ-Δ轉(zhuǎn)換器和數(shù)字抽取濾波器。

On在輸出側(cè)，智能保護繼電器驅(qū)動高壓繼電器或斷路器，以打開或關(guān)閉與電網(wǎng)的連接。此處，處理器啟用或禁用繼電器驅(qū)動器，如凌力爾特公司的LTC4441，Maxim Integrated MAX4820/4821（圖2）和Micrel MIC4420。反過來，這些驅(qū)動器可以打開或關(guān)閉高壓繼電器，例如TE Connectivity LEV200A4ANA，這是該公司LEV200 KILOVAC系列高壓繼電器的一部分。

圖2：智能保護繼電器使用基于處理器的繼電器驅(qū)動器控制，如Maxim Integrated MAX4820（串行接口）和MAX4821（并行接口） ）在線路故障發(fā)作期間打開或關(guān)閉高壓繼電器或斷路器。 （由Maxim Integrated提供）

智能控制

作為智能保護繼電器系統(tǒng)的核心，微控制器和DSP執(zhí)行旨在檢測故障和控制線繼電器的算法。具有集成模擬外設(shè)的處理器的可用性有助于簡化設(shè)計，同時提供實現(xiàn)復(fù)雜保護繼電器功能所需的功率和分辨率。

事實上，設(shè)計人員可以利用具有分辨率高達(dá)24位的集成多通道ADC的32位MCU，以滿足要求最高精度的應(yīng)用。例如，Analog的ADuCM系列中的ADI公司ADUCM360將ARM Cortex-M3 32位內(nèi)核與兩個通道相結(jié)合，提供具有專用信號調(diào)理，24位Σ-Δ轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器的獨立路徑。每個通道還連接到輸入多路復(fù)用器，用于處理多個源。對于精度要求不太嚴(yán)格的應(yīng)用，設(shè)計人員可以在集成MCU中找到10位和12位ADC，例如Atmel SAM D20系列，Microchip Technology PIC 32MX系列和Texas Instruments Concerto系列。例如，Atmel的ATSAMD20J18提供12位ADC，但可配置為8位和10位結(jié)果，以縮短轉(zhuǎn)換時間。

在其功能中，智能保護繼電器增強了自身的功能，可以獨立監(jiān)控和斷開網(wǎng)格，其功能旨在支持人員和自動網(wǎng)格管理軟件的遠(yuǎn)程操作。在這里，這些智能中繼設(shè)計實現(xiàn)了各種連接選項，以確保網(wǎng)格事件與遠(yuǎn)程操作員的低延遲通信，以及對遠(yuǎn)程操作員發(fā)出的斷開連接命令的快速響應(yīng)。

因此，智能繼電器通常需要支持各種靈活的TCP/IP和基于以太網(wǎng)的協(xié)議，如EtherCAT，Profinet，Profibus和EtherNet/IP，專為低延遲實時控制而設(shè)計和工業(yè)應(yīng)用。此外，這些中繼系統(tǒng)有望支持更專業(yè)的網(wǎng)格連接協(xié)議。特別是，IEC 61850以太網(wǎng)已成為首選的網(wǎng)格通信協(xié)議，提供滿足標(biāo)準(zhǔn)要求所需的速度和效率，例如保護繼電器的毫秒響應(yīng)時間。

為了支持這些不斷增長的連接要求，半導(dǎo)體制造商正在通過直接，集成的工業(yè)連接要求支持來增強MCU。例如，德州儀器AM335x Sitara系列32位處理器包括一個專用通信模塊，稱為可編程實時單元子系統(tǒng)和工業(yè)通信子系統(tǒng)（PRU-ICSS）（圖3）。

圖3：集成MCU，如德州儀器AM335x Sitara系列，將12位ADC和通用外設(shè)與專用可編程實時單元子系統(tǒng)相結(jié)合和工業(yè)通信子系統(tǒng)（PRU-ICSS），旨在支持電網(wǎng)通信所需的工業(yè)協(xié)議。 （由Texas Instruments提供）

PRU-ICSS旨在從ARM內(nèi)核卸載實時通信處理任務(wù)，直接支持實時工業(yè)通信協(xié)議，如EtherCAT，PROFINET，EtherNet/IP，PROFIBUS ，EtherNet Powerlink，Sercos等。此外，工程師可以利用PRU-ICSS的可編程性來支持更復(fù)雜的協(xié)議或定制接口 - 所有這些都不會影響設(shè)備集成的ARM Cortex-A8主處理器的處理負(fù)載。

結(jié)論

智能保護繼電器構(gòu)成電網(wǎng)的最后一道防線，防止故障傳播到變電站，本地子網(wǎng)甚至各個設(shè)備。因此，隨著對這些復(fù)雜系統(tǒng)的需求更深入到網(wǎng)格外圍，設(shè)計人員需要更具成本效益的解決方案來構(gòu)建適應(yīng)每個應(yīng)用和操作環(huán)境的特殊需求的復(fù)雜系統(tǒng)。對于工程師而言，相應(yīng)豐富的IC陣列可實現(xiàn)智能保護繼電器系統(tǒng)的高效設(shè)計，從而滿足更廣泛的精度要求，快速響應(yīng)和復(fù)雜功能。