保护继电器

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设计注意事项

电网基础设施 — 保护继电器

保护继电器在从发电到输配电等电网基础设施的各个环节上很常见。它们能够让运营商在不同的点监视和控制电网。

保护继电器的两大主要功能是测量和保护。在现代保护继电器中，通信也是解决方案的必要组成部分，能够让运营商远程监视和运行电网基础设施。

保护继电器通常可实现局部智能，即让断路器自行打开或关闭。保护继电器的基本目标是在出现故障的情况下保护电网（下流线路）。保护继电器通过监视特定电网线路的电流和电压来实现上述目的。断路器位于线路上。

保护继电器的输入通常是来自线路传感器的电流和电压，以及来自电网网络中其他相关设备的任何通信。输出包括向断路器发送的信号（打开或关闭）以及与电网网络的通信。

当保护继电器检测到故障时，它会命令断路器将经检测发生故障的线路置为开路，从而为保护继电器下游线路的一切提供保护。

典型的保护继电器会包括执行测量的模拟前端 (AFE)。如果测量精度很重要，AFE 会包含一个 Delta-Sigma ADC（如 ADS131）；如果要求快速响应，则会包含一个 SAR 类型的 ADC（如 ADS8558 或 ADS8568）。为实现更佳的性能，有时会在数据路径中使用运算放大器（如 OPA4188/4277 或 PGA116/7），置于 ADC 之前。

保护继电器以多种方式监视电流和电压。无论是电压还是电流，都可对其同时设定不同的阈值。例如，可将一个阈值设为高限值，另一个设为低限值（超出该值的时间需要达到一固定时长）。因此无论在哪种情况下，一旦触发了所设阈值，保护继电器就会启动断路器。

这些不同的阈值由处理器监控。处理器可能还会处理谐波分析和其他此类与电源相关的计算，从而更好地了解电力线状态。TI 的 MSP430 和 AM335x 系列处理器是处理各种此类应用的适当处理器的典范。

通常当*线路与电子产品连接时，数字隔离器（ISO7131 或 ISO7140）或模拟隔离器（AMC1204 或 AMC1304）会用于隔离数据路径。

如今的保护继电器不仅会通过 RS485/232（使用 ISO3080/82 或 SN65HVD3082/85）处理传统通信，还会处理基于以太网的通信（使用 TLK105/106）。IEC61850 现已获取了广泛的推动，同时还受到 TI（使用 AM3x 系列等处理器，如 AM335x）的支持。也可以通过 TI 使用与 IEC61850 Ethernet 通信相关的 HSR 和 PRP 协议。与使用 FPGA 或其他定制解决方案相比，使用这些 TI 处理器通常会享有更低的功耗和成本。最近，Bluetooth/Zigbee®（使用 CC25xx 器件）和低于 1GHz（CC11xx 器件）之类的其他无线解决方案在此行业中已开始有所使用。

鉴于电网配备了保护继电器，用电已不再是个问题。但为能够处理交流高电压的应用设计供电解决方案却成为一大挑战。通常情况下，首先要处理的是交流/直流转换（使用 UCC28910 和 UCC28710 等解决方案），然后再处理直流/直流转换（使用 TPS62240/TLV62080 或 LM3671 等解决方案）。TI 拥有最广泛的电源器件，可提供高效的电源解决方案。

保护继电器有时会使用的其他功能包括温度传感器（如 TMP75）、电压监控器（如 TPS8331/9）、外部基准（如 LM4050）和驱动器（如 ULN2003）。