基于高性能电力线监测、继电保护系统的设计指南

随着全球电网持续的发展，电力线监测、继电保护产品在不断地更新换代并改变着设计模式。作为全球领先的高性能信号处理解决方案供应商，ADI公司推出的系列高性能ADC一直引领该领域的技术发展路线：第一代电力继电保护产品均采用模拟开关，采用单通道16位ADC(如AD976 、AD574)进行设计;后来出现了使用16位的AD7656和14位的AD7865配合模拟开关的第二代继电保护产品，AD7656和AD7865在当前很多电力继电保护产品中仍有非常成功的应用案例;随着技术的更新和产品工艺的改进，尤其是其±10V双极多通道同步输入等技术特点，使AD7656成为上一代电力继电保护的主流选择，目前该产品仍在大量的电力监测及保护设备中发挥重要作用。

随着电网智能化管理发展趋势，电力线监测及保护产品设计面临越来越多的挑战，多通道电流与电压监控系统的设计人员需要应对诸如双电源、有限的模拟输入范围、低模拟输入阻抗、以及采用昂贵的分立器件所造成的高成本等一系列复杂的设计挑战。作为电力二次设备制造商的关键方案提供商，ADI公司深刻理解全球电力设备企业的技术需求，在AD7656成功应用的经验基础之上，再次成功推出16位8通道同步采样AD7606系列，帮助客户更好地应对智能电网时代开发二次设备所面临的技术挑战。

图1：ADI公司高性能ADC产品发展路线图。

AD7606简化电力线监测系统设计

AD7606系列器件采用单5V供电，并支持真正的±10V和±5V双极性信号输入，每通道的采样率能达到200ksps。单芯片内集成多个通道可支持变电站自动化设备中三相电流、电压和零线的测量。同步采样功能允许保留相位信息，同时可以在较宽的动态范围内，对双极性电压和电流进行采样。

AD7606系列的所有8个通道都能实现最高200 kSPS的采样速率。它内置低噪声、高阻抗输入和信号调整放大器，可处理最高22kHz的输入频率。AD7606的信噪比(SNR)高达90dB，选用片内数字滤波器可以进一步改善SNR性能、缩小误码、扩频并提高抗混叠抑制。转换过程与数据采集利用CONVST信号和内部振荡器进行控制。通过两个CONVST引脚，可以对所有八路模拟输入或者两组模拟输入通道(四路模拟输入构成一组)同时进行采样，以顾及变压器之间的相位差。

图2：AD7606进一步简化电路设计(上下图分别为采用AD7656和AD7606的电路示意图)。

AD7606内部的信号调理电路中已经包含了低噪声、高输入阻抗的信号调理电路，其等效输入阻抗完全独立于采样率且固定为1MΩ。同时，输入端集成了具有40 dB抗混叠抑制特性的滤波器，更是简化了前端设计，不再需要外部驱动和滤波电路。因此，二次互感器输出的信号无需再经过运放来缓冲就可以直接接入AD7606。AD7606内部集成了2.5V带隙电压基准和基准缓冲电路，设计应用中可根据系统要求选用内置基准或外部基准，在多片ADC的设计中，如果需求高绝对精度，则应采用高初始精度和低温度系数的外部基准，以消除不同器件内置基准之间的差异而带来的误差。推荐选用初始精度0.04%，温度系数3ppm/℃的ADR421B。如果需求多片ADC通道之间的数值匹配，可设置第一片AD7606工作在内置基准模式，其余AD7606为外部基准模式，然后通过第一片AD7606的内置基准输出供给其余AD7606。从而在不加外部基准的情况下即可保证多个AD7606通道间数据的匹配性。

图3：AD7606突出的性能优势让您的系统设计更简单。

而AD7606低至100mW的运行功耗和仅25mW的待机功耗保持了ADI公司在ADC低功耗技术上的优势，特别是当一块电路板上有若干多通道ADC时(某些系统需要一块电路板上有多达上百个ADC通道)，功耗是一项重要考量因素，这种低功耗的特性是简化系统热设计、提高系统可靠性的关键因素之一。

AD7606系列共包含8通道、6通道和4通道三款同步采样ADC器件，针对需要多通道系统应用，设计者可以分别采用8+4、8+6通道的灵活设计组合，在利用到ADI新ADC系列产品的高性能的同时，确保方案的低成本(四通道和六通道的AD7606-4、AD7606-6分别比双8通道AD7606成本低19%及34%)。而且，这几款器件之间管脚兼容，相同的电路设计可以适用于多种不同通道数的系统配置。

电路设计建议

大多数电力线监测系统都会采用多个AD7606器件以实现多通道同步采样。为确保器件之间的性能良好匹配，这些器件必须采用对称布局。AVCC电压平面沿两个器件的右侧布置，VDRIVE电源走线沿两个AD7606器件的左侧布置。基准电压芯片ADR421位于两个AD7606器件之间，基准电压走线向上布置到U2的引脚42，向下布设到U1的引脚42。使用实心接地层。这些对称布局原则适用于含有两个以上AD7606器件的系统。AD7606器件可以沿南北方向放置，基准电压位于器件的中间，基准电压走线则沿南北方向。

良好的去耦对于电力线监测系统整体性能表现非常重要，恰当的去耦配置可以便降低AD7606的电源阻抗及其电源尖峰幅度。REFIN/REFOUT引脚和REFCAPA、REFCAPB引脚的去耦电容是攸关性能的重要电容，应尽可能靠近相应的AD7606引脚。可能的话，应将这些电容放在电路板上与AD7606器件相同的一侧。AD7606的去耦设计十分简洁，仅需要9个低值陶瓷电容，包括2个10uF、2个1uF、5个0.1uF。在高通道系统中，良好的通道间和器件间性能匹配可以大大简化校准过程。AD7606器件、模拟输入通道和去耦电容的对称布局有助于多个器件之间的性能匹配。

图4：推荐的多通道应用中的电路布局。

AD7606+BF518的完整解决方案

为适应全球电力行业的迅速发展以及电力系统的复杂化和保护要求的提高，当前的继电保护产品除了拥有传统的继电保护设备基本的测试功能外，还具有强大的数据处理能力和通信能力，而且对可靠性、选择性、灵敏性和快速性都有很高的要求。而且，随着IEC61580规范的逐步推行，必将对处理器的处理能力提出更高的要求，包括更高的通信能力、存储能力、智能特性等。ADI与第三方北京亿旗联合开发了基于AD7606和Blackfin处理器BF518 实现的完整电力线监测解决方案。

图5：由BF518及双AD7606实现的16通道电力线监测系统Demo。

Blackfin处理器是ADI公司的核心旗舰产品，强大的处理能力和汇聚式架构使得在继电保护产品设计中无须增设单独的通讯处理器，可以帮助客户实现了总线不出芯片的方案，大大提高系统抗干扰能力，轻松满足国际IEC-6100-4标准要求。BF518是目前已经在全球电力设备新产品中获得广泛应用的一款汇聚式处理器，该处理器内置了具有媒体独立接口与简化媒体独立接口的以太网10/100 MAC，更首次在Blackfin处理器中引入了内置的PTP_TSYNC引擎，实现了硬件支持的IEEE1588(网络测量和控制系统的精密时钟同步协议)时钟同步，与IEEE1588 version2标准完全兼容。电力行业的网络化、智能化催生了继电保护装置的网络化，而变电站通信网络和系统国际标准IEC61850规约的推出反应了这种发展趋势，支持IEEE1588协议的BF518处理器必将帮助电力设备企业在这种发展趋势中占据更加主动的地位。

该方案在测试中表现出了卓越的性能。由于AD7606提供了过采样、抗混叠滤波器和数字滤波等功能特性，该方案在实际应用中采样精度最高可以达到19位。在高压保护的应用中，AD7606具有更明显的性能优势，而且具有较高的单通道性价比。

图6：基于Blackfin处理器BF518与AD7606的完整解决方案功能框图。