将多个ADC连接到单处理器以实现电网保护和控制

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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。