原创 应对当前智能电网中疯狂无序增长的模拟输入和输出信号

作者：Steven Chacko，德州仪器

    今天智能电网的一大特点就是极大地增加了电网中不同智能电子器件 (IED) 之间的互联互通。这些IED包括保护性继电器、断路器和远程终端单元 (RTU)，不一而足。

    从发电到电力传输和配电路径，保护性继电器在整个电网基础设施中都有应用。它一般是作为本地智能器件向电路断路器发送开闭信号。保护性继电器的基本用途是在故障发生时保护电网（及其下游设备）。保护性继电器通过监视电网上特定线路的电流和电压来保护电网。断路器位于线路上。输入保护性继电器的一般是来自线路上传感器的电流和电压，以及其他来自电网通信网络上的相关辅助设备或传感器的任一通信信号，例如温度和压力传感器发来的变压器状态信息。它的输出则包括进入断路器的信号（使其打开或关闭）和发给电网网络的通信信号。保护性继电器检测到一个故障时，会命令断路器打开线路，从而保护线路上所有在它之后的下游器件。在整个智能电网基础设施中还使用了远程终端单元，其用途是记录与发电机、电机或变压器等设备的健康状态相关的参数信息。

    从自动闭环控制到用于统计的数据记录等操作，任何控制形式的实现都需要电压、电流或其他一系列参数的准确测量值，诸如温度、压力以及电源系统设备震动等。测量这些参数的方法有很多，包括直接读数仪表和电子测量变送器。

    变送器产生一个准确的直流模拟输出（电压或电流），这一输出与被测量参数相对应。变送器的输出用途十分广泛，从为操作员简单显示测量值，到帮助网络自动化系统决定控制策略。多功能保护性继电器和RTU也产生模拟输出，可以将诸如电能的任一参数传送给普通RTU或保护性继电器。这些模拟输出还为模拟仪表系统提供所需的输入来源。基于电流的输入/输出的示例可在4至20mA范围内，或者是0至20mA区间内，甚至是+/-20mA的范围内。基于电压的输入/输出可以在0至10V或者是+/-10V范围内。

    TI的模拟IO参考设计 (TIDA-00310) 显示了多种电压和电流输入的管理方式。处理模拟输入的一个重要方面就是准确读取快速变化的信号的能力。为了达到这一目的，此参考设计使用运行速度能够达到500kSPS的16位逐次逼近 (SAR) ADC，ADS8684。

    这款参考设计的另外一个有价值的方面在于其灵活性。模拟输出既可被配置为电流输出也可为电压输出。这样就可按照需要选择功能。此外，这款模块与处理器的接口可由SPI端口实现。

    最后，这一解决方案还包括一个中继驱动器，用于需要高电流驱动的解决方案。