隨著全球能源需求和能耗的增加以及對綠色能源的推動加強,許多公用事業公司正在改變他們的戰略。這些公司并沒有增加發電量,而是通過提高交付給客戶的電能質量來提高輸配電效率,從而使電力系統具有容錯性。同時通過增強保護、監控、控制和自動化,延長設備的使用壽命,最大限度地減少停機時間并降低運營費用。
從傳統變電站轉向智能變電站
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例如,具有容錯性的電力系統減少了可用的故障電流,并通過與二級保護設備連接的傳感器和通信來實現設備的智能化。這些設備能夠準確地檢測故障電流并縮短故障清除時間,進行遠程操作,準確、快速地確定故障位置,從而最大限度地減少停機時間和降低供電恢復時間,并在數據分析中引入冗余來提高可靠性,從而做到提前預測和預防設備故障。一次設備,如輸電線路、電力變壓器(見圖1)、斷路器和負載開關等,在維護電力系統完整性和供電可用性方面發揮著重要作用。
所使用的高端二次設備包括帶AC模擬輸入模塊的保護繼電器和終端單元,如遠程終端單元、配電終端單元、饋線終端單元、相量測量單元等,用于一次設備的保護、控制、測量和電能分析。公用事業公司也正在實施和改進多種保護算法和診斷方案,以保護資產和電網,并盡早預測故障。
大多數連接的傳感器可以提供與其測量的參數(電壓、電流和/或溫度)成比例的模擬輸出。為了獲取連接到一次設備的不同傳感器的模擬輸出,越來越需要在數據采集(DAQ)系統上擴展模擬輸入通道。DAQ是精確測量和處理如電壓、電流和溫度等電氣輸入的過程,能夠選擇采樣率并使用集成信號處理器實時計算被測參數。
高性能DAQ系統的一些關鍵要求包括:
使用多個模數轉換器(ADC)(2個或2個以上)來采樣多個傳感器(4,8,16個或以上)的模擬輸入,以實現多通道采集和冗余。
使用16位或以上的精度逐次逼近寄存器(SAR)或Δ-Σ ADC來準確測量電氣參數。
依照國際電工委員會(IEC)61850-9-2(用于保護的80個樣品,用于測量的256個樣品),能夠改變基于測量或保護的采樣率,同時對輸入進行相干采樣,以用不同線路頻率
同時對輸入進行采樣,以保持電壓和電流的相位角關系,從而簡化保護算法,減少跳閘次數。
將多個ADC連接到主處理器,以實時獲取ADC轉換器采樣數字數據。
主處理器能夠同時從多個ADC中采集樣本并實時處理樣本,包括計算復雜的電氣參數。
鑒于系統復雜性的增加,需要優化系統成本。
能夠使用數字隔離器選擇性地隔離連接至主處理器的ADC接口,以提高系統性能和可靠性。
有多種可用的ADC架構。最流行的是SAR或Δ-Σ,并且ACD和主處理器之間的接口是可以并行或串行的。每種主機接口方法都有其優點。在菊花鏈配置中使用串聯接口是最簡單的解決方案,因為您可以對ADC進行菊花鏈式連接,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的選擇,增加了成本和電路板的復雜性。
或者,您可以使用具有獨立可控芯片選擇的多個串行外圍接口(SPI)端口來實現更高的吞吐量,同時保持采樣的靈活性。所需的SPI端口數量隨著所連接的ADC數量的增加而增加,但這提高了實時處理能力的要求。這限制了主處理器(具有有限的SPI端口和實時處理能力)的使用。因此,一些設計人員選擇使用具有多個SPI端口的現場可編程門陣列(FPGA)與ADC進行連接,以實現所需的采樣靈活性和數據吞吐量。此架構需要一個用于人機和通信接口的額外應用處理器,然而,這將提升系統的成本和復雜性。
帶集成外圍設備的16位SAR ADC,包括一個可編程增益放大器(PGA),一個準確基準,一個連接至帶有雙核可編程實時單元以及工業通信子系統(PRU-ICSS)簡化DAQ系統設計的主處理器SPI串行接口。如TI的采用多個ADC且適用于同步相干DAQ的靈活接口(PRU-ICSS)參考設計所示。主處理器和ADC中增強的功能集成降低了整體系統成本,同時提高了性能和可靠性。
結論
當您需要將多個ADC連接到單處理器時,設備和架構的選擇對于設計的成功至關重要。TI的集成電路和參考設計簡化了架構選擇和需要16個或更多精度模擬輸入通道的多通道精度DAQ系統的設計。
審核編輯:何安
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