保護(hù)繼電器位于中心站和變電站,長(zhǎng)期以來(lái)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(dòng)了智能保護(hù)繼電器的需求,這些保護(hù)繼電器能夠使智能故障保護(hù)更接近電力消費(fèi)者和各個(gè)設(shè)備。除了傳統(tǒng)的機(jī)械式甚至固態(tài)繼電器之外,智能保護(hù)繼電器是基于處理器的復(fù)雜系統(tǒng),旨在識(shí)別故障并安全地從電網(wǎng)斷開(kāi) - 并在服務(wù)恢復(fù)時(shí)可靠地重新連接。對(duì)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(jì)高效的智能保護(hù)繼電器系統(tǒng)的復(fù)雜性。德州儀器。
智能保護(hù)繼電器,也稱為數(shù)字保護(hù)繼電器,本身就是復(fù)雜的系統(tǒng)(圖1)。與傳統(tǒng)的機(jī)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(dú)特組合。這些系統(tǒng)至少使用多通道模擬前端(AFE)來(lái)監(jiān)測(cè)線路電流和電壓,以檢測(cè)每條線路的特性。
圖1:基于處理器的智能保護(hù)繼電器將線路監(jiān)控與繼電器控制相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)連接和斷開(kāi)事件的獨(dú)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(hào)鏈通常以精密儀表放大器級(jí)開(kāi)始,旨在優(yōu)化AFE的動(dòng)態(tài)范圍,同時(shí)降低噪聲和漂移誤差。反過(guò)來(lái),這些放大器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換級(jí),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(duì)于過(guò)采樣ΔΣADC,信號(hào)鏈包括一個(gè)平滑ADC輸出的最終濾波級(jí)。
AFE IC集成了合適信號(hào)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(gè)16位通道,每個(gè)通道都有完整的信號(hào)鏈,包括信號(hào)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(hù)繼電器驅(qū)動(dòng)高壓繼電器或斷路器,以打開(kāi)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(dòng)器,如凌力爾特公司的LTC4441,Maxim Integrated MAX4820/4821(圖2)和Micrel MIC4420。反過(guò)來(lái),這些驅(qū)動(dòng)器可以打開(kāi)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(hù)繼電器使用基于處理器的繼電器驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(hù)繼電器系統(tǒng)的核心,微控制器和DSP執(zhí)行旨在檢測(cè)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(jiǎn)化設(shè)計(jì),同時(shí)提供實(shí)現(xiàn)復(fù)雜保護(hù)繼電器功能所需的功率和分辨率。
事實(shí)上,設(shè)計(jì)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(gè)通道相結(jié)合,提供具有專用信號(hào)調(diào)理,24位Σ-Δ轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器的獨(dú)立路徑。每個(gè)通道還連接到輸入多路復(fù)用器,用于處理多個(gè)源。對(duì)于精度要求不太嚴(yán)格的應(yīng)用,設(shè)計(jì)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(shí)間。
在其功能中,智能保護(hù)繼電器增強(qiáng)了自身的功能,可以獨(dú)立監(jiān)控和斷開(kāi)網(wǎng)格,其功能旨在支持人員和自動(dòng)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(jì)實(shí)現(xiàn)了各種連接選項(xiàng),以確保網(wǎng)格事件與遠(yuǎn)程操作員的低延遲通信,以及對(duì)遠(yuǎn)程操作員發(fā)出的斷開(kāi)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(shí)時(shí)控制而設(shè)計(jì)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(hù)繼電器的毫秒響應(yīng)時(shí)間。
為了支持這些不斷增長(zhǎng)的連接要求,半導(dǎo)體制造商正在通過(guò)直接,集成的工業(yè)連接要求支持來(lái)增強(qiáng)MCU。例如,德州儀器AM335x Sitara系列32位處理器包括一個(gè)專用通信模塊,稱為可編程實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)通信處理任務(wù),直接支持實(shí)時(shí)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(lái)支持更復(fù)雜的協(xié)議或定制接口 - 所有這些都不會(huì)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(hù)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(gè)設(shè)備。因此,隨著對(duì)這些復(fù)雜系統(tǒng)的需求更深入到網(wǎng)格外圍,設(shè)計(jì)人員需要更具成本效益的解決方案來(lái)構(gòu)建適應(yīng)每個(gè)應(yīng)用和操作環(huán)境的特殊需求的復(fù)雜系統(tǒng)。對(duì)于工程師而言,相應(yīng)豐富的IC陣列可實(shí)現(xiàn)智能保護(hù)繼電器系統(tǒng)的高效設(shè)計(jì),從而滿足更廣泛的精度要求,快速響應(yīng)和復(fù)雜功能。
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