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(yè)公司正在改變他們的戰(zhàn)略。這些公司并沒有增加發(fā)電量，而是通過提高交付給客戶的電能質(zhì)量來提高輸配電效率，從而使電力系統(tǒng)具有容錯性。同時通過增強保護、監(jiān)控、控制和自動化，延長設(shè)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(tǒng)變電站轉(zhuǎn)向智能變電站

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例如，具有容錯性的電力系統(tǒng)減少了可用的故障電流，并通過與二級保護設(shè)備連接的傳感器和通信來實現(xiàn)設(shè)備的智能化。這些設(shè)備能夠準(zhǔn)確地檢測故障電流并縮短故障清除時間，進行遠(yuǎn)程操作，準(zhǔn)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(fù)時間，并在數(shù)據(jù)分析中引入冗余來提高可靠性，從而做到提前預(yù)測和預(yù)防設(shè)備故障。一次設(shè)備，如輸電線路、電力變壓器（見圖1）、斷路器和負(fù)載開關(guān)等，在維護電力系統(tǒng)完整性和供電可用性方面發(fā)揮著重要作用。

所使用的高端二次設(shè)備包括帶AC模擬輸入模塊的保護繼電器和終端單元，如遠(yuǎn)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(shè)備的保護、控制、測量和電能分析。公用事業(yè)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(chǎn)和電網(wǎng)，并盡早預(yù)測故障。

大多數(shù)連接的傳感器可以提供與其測量的參數(shù)（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(shè)備的不同傳感器的模擬輸出，越來越需要在數(shù)據(jù)采集（DAQ）系統(tǒng)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(shù)。

高性能DAQ系統(tǒng)的一些關(guān)鍵要求包括：

使用多個模數(shù)轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhǔn)確測量電氣參數(shù)。

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(guān)系，從而簡化保護算法，減少跳閘次數(shù)。

將多個ADC連接到主處理器，以實時獲取ADC轉(zhuǎn)換器采樣數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

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(fù)雜的電氣參數(shù)。

鑒于系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，需要優(yōu)化系統(tǒng)成本。

能夠使用數(shù)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(tǒng)性能和可靠性。

有多種可用的ADC架構(gòu)。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(yōu)點。在菊花鏈配置中使用串聯(lián)接口是最簡單的解決方案，因為您可以對ADC進行菊花鏈?zhǔn)竭B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(fù)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(xiàn)更高的吞吐量，同時保持采樣的靈活性。所需的SPI端口數(shù)量隨著所連接的ADC數(shù)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(shè)計人員選擇使用具有多個SPI端口的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）與ADC進行連接，以實現(xiàn)所需的采樣靈活性和數(shù)據(jù)吞吐量。此架構(gòu)需要一個用于人機和通信接口的額外應(yīng)用處理器，然而，這將提升系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。

帶集成外圍設(shè)備的16位SAR ADC，包括一個可編程增益放大器（PGA），一個準(zhǔn)確基準(zhǔn)，一個連接至帶有雙核可編程實時單元以及工業(yè)通信子系統(tǒng)（PRU-ICSS）簡化DAQ系統(tǒng)設(shè)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(shè)計所示。主處理器和ADC中增強的功能集成降低了整體系統(tǒng)成本，同時提高了性能和可靠性。

結(jié)論

當(dāng)您需要將多個ADC連接到單處理器時，設(shè)備和架構(gòu)的選擇對于設(shè)計的成功至關(guān)重要。TI的集成電路和參考設(shè)計簡化了架構(gòu)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(tǒng)的設(shè)計。

審核編輯：何安