智能保护继电器系统设计及电网外围构建

保护继电器位于中心站和变电站，长期以来一直是屏蔽电网和变电站故障的最后阶段。如今，智能电网和分布式发电系统的结合推动了智能保护继电器的需求，这些保护继电器能够使智能故障保护更接近电力消费者和各个设备。除了传统的机械式甚至固态继电器之外，智能保护继电器是基于处理器的复杂系统，旨在识别故障并安全地从电网断开 - 并在服务恢复时可靠地重新连接。对于工程师而言，由于ADI公司，Atmel公司，凌力尔特公司，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广泛的可用设备，因此大大降低了构建经济高效的智能保护继电器系统的复杂性。德州仪器。

智能保护继电器，也称为数字保护继电器，本身就是复杂的系统（图1）。与传统的机械或静态固态继电器相比，这些系统提供了精确性能，灵活性和易用性的独特组合。这些系统至少使用多通道模拟前端（AFE）来监测线路电流和电压，以检测每条线路的特性。

图1：基于处理器的智能保护继电器将线路监控与继电器控制相结合，实现连接和断开事件的独立操作和远程控制。 （由德州仪器公司提供）

根据具体的应用性能要求，AFE信号链通常以精密仪表放大器级开始，旨在优化AFE的动态范围，同时降低噪声和漂移误差。反过来，这些放大器驱动转换级，采用模数转换器（ADC）构建，分辨率范围为10位至16位，分别满足约1％至0.05％的应用精度要求。

具体的转换要求决定了转换器架构的选择。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具有零延迟和这些应用中经常需要的高线性度。对于过采样ΔΣADC，信号链包括一个平滑ADC输出的最终滤波级。

AFE IC集成了合适信号链的所有阶段，提供高达24位的分辨率，并为这些应用提供近乎可靠的解决方案。例如，ADI公司的AD73360 ADC提供6个16位通道，每个通道都有完整的信号链，包括信号调理器，可编程增益放大器（PGA），Σ-Δ转换器和数字抽取滤波器。

On在输出侧，智能保护继电器驱动高压继电器或断路器，以打开或关闭与电网的连接。此处，处理器启用或禁用继电器驱动器，如凌力尔特公司的LTC4441，Maxim Integrated MAX4820/4821（图2）和Micrel MIC4420。反过来，这些驱动器可以打开或关闭高压继电器，例如TE Connectivity LEV200A4ANA，这是该公司LEV200 KILOVAC系列高压继电器的一部分。

图2：智能保护继电器使用基于处理器的继电器驱动器控制，如Maxim Integrated MAX4820（串行接口）和MAX4821（并行接口） ）在线路故障发作期间打开或关闭高压继电器或断路器。 （由Maxim Integrated提供）

智能控制

作为智能保护继电器系统的核心，微控制器和DSP执行旨在检测故障和控制线继电器的算法。具有集成模拟外设的处理器的可用性有助于简化设计，同时提供实现复杂保护继电器功能所需的功率和分辨率。

事实上，设计人员可以利用具有分辨率高达24位的集成多通道ADC的32位MCU，以满足要求最高精度的应用。例如，Analog的ADuCM系列中的ADI公司ADUCM360将ARM Cortex-M3 32位内核与两个通道相结合，提供具有专用信号调理，24位Σ-Δ转换器和数字滤波器的独立路径。每个通道还连接到输入多路复用器，用于处理多个源。对于精度要求不太严格的应用，设计人员可以在集成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，但可配置为8位和10位结果，以缩短转换时间。

在其功能中，智能保护继电器增强了自身的功能，可以独立监控和断开网格，其功能旨在支持人员和自动网格管理软件的远程操作。在这里，这些智能中继设计实现了各种连接选项，以确保网格事件与远程操作员的低延迟通信，以及对远程操作员发出的断开连接命令的快速响应。

因此，智能继电器通常需要支持各种灵活的TCP/IP和基于以太网的协议，如EtherCAT，Profinet，Profibus和EtherNet/IP，专为低延迟实时控制而设计和工业应用。此外，这些中继系统有望支持更专业的网格连接协议。特别是，IEC 61850以太网已成为首选的网格通信协议，提供满足标准要求所需的速度和效率，例如保护继电器的毫秒响应时间。

为了支持这些不断增长的连接要求，半导体制造商正在通过直接，集成的工业连接要求支持来增强MCU。例如，德州仪器AM335x Sitara系列32位处理器包括一个专用通信模块，称为可编程实时单元子系统和工业通信子系统（PRU-ICSS）（图3）。

图3：集成MCU，如德州仪器AM335x Sitara系列，将12位ADC和通用外设与专用可编程实时单元子系统相结合和工业通信子系统（PRU-ICSS），旨在支持电网通信所需的工业协议。 （由Texas Instruments提供）

PRU-ICSS旨在从ARM内核卸载实时通信处理任务，直接支持实时工业通信协议，如EtherCAT，PROFINET，EtherNet/IP，PROFIBUS ，EtherNet Powerlink，Sercos等。此外，工程师可以利用PRU-ICSS的可编程性来支持更复杂的协议或定制接口 - 所有这些都不会影响设备集成的ARM Cortex-A8主处理器的处理负载。

结论

智能保护继电器构成电网的最后一道防线，防止故障传播到变电站，本地子网甚至各个设备。因此，随着对这些复杂系统的需求更深入到网格外围，设计人员需要更具成本效益的解决方案来构建适应每个应用和操作环境的特殊需求的复杂系统。对于工程师而言，相应丰富的IC阵列可实现智能保护继电器系统的高效设计，从而满足更广泛的精度要求，快速响应和复杂功能。