保護繼電器位于中心站和變電站，長期以來一直是屏蔽電網和變電站故障的最后階段。如今，智能電網和分布式發電系統的結合推動了智能保護繼電器的需求，這些保護繼電器能夠使智能故障保護更接近電力消費者和各個設備。除了傳統的機械式甚至固態繼電器之外，智能保護繼電器是基于處理器的復雜系統，旨在識別故障并安全地從電網斷開 - 并在服務恢復時可靠地重新連接。對于工程師而言，由于ADI公司，Atmel公司，凌力爾特公司，Maxim Integrated公司，Micrel公司，Microchip公司公司，TE Connectivity公司和其他制造商提供了廣泛的可用設備，因此大大降低了構建經濟高效的智能保護繼電器系統的復雜性。德州儀器。

智能保護繼電器，也稱為數字保護繼電器，本身就是復雜的系統（圖1）。與傳統的機械或靜態固態繼電器相比，這些系統提供了精確性能，靈活性和易用性的獨特組合。這些系統至少使用多通道模擬前端（AFE）來監測線路電流和電壓，以檢測每條線路的特性。

圖1：基于處理器的智能保護繼電器將線路監控與繼電器控制相結合，實現連接和斷開事件的獨立操作和遠程控制。 （由德州儀器公司提供）

根據具體的應用性能要求，AFE信號鏈通常以精密儀表放大器級開始，旨在優化AFE的動態范圍，同時降低噪聲和漂移誤差。反過來，這些放大器驅動轉換級，采用模數轉換器（ADC）構建，分辨率范圍為10位至16位，分別滿足約1％至0.05％的應用精度要求。

具體的轉換要求決定了轉換器架構的選擇。例如，delta-sigma（ΔΣ）ADC提供高分辨率和信噪比，而逐次逼近寄存器（SAR）ADC具有零延遲和這些應用中經常需要的高線性度。對于過采樣ΔΣADC，信號鏈包括一個平滑ADC輸出的最終濾波級。

AFE IC集成了合適信號鏈的所有階段，提供高達24位的分辨率，并為這些應用提供近乎可靠的解決方案。例如，ADI公司的AD73360 ADC提供6個16位通道，每個通道都有完整的信號鏈，包括信號調理器，可編程增益放大器（PGA），Σ-Δ轉換器和數字抽取濾波器。

On在輸出側，智能保護繼電器驅動高壓繼電器或斷路器，以打開或關閉與電網的連接。此處，處理器啟用或禁用繼電器驅動器，如凌力爾特公司的LTC4441，Maxim Integrated MAX4820/4821（圖2）和Micrel MIC4420。反過來，這些驅動器可以打開或關閉高壓繼電器，例如TE Connectivity LEV200A4ANA，這是該公司LEV200 KILOVAC系列高壓繼電器的一部分。

圖2：智能保護繼電器使用基于處理器的繼電器驅動器控制，如Maxim Integrated MAX4820（串行接口）和MAX4821（并行接口） ）在線路故障發作期間打開或關閉高壓繼電器或斷路器。 （由Maxim Integrated提供）

智能控制

作為智能保護繼電器系統的核心，微控制器和DSP執行旨在檢測故障和控制線繼電器的算法。具有集成模擬外設的處理器的可用性有助于簡化設計，同時提供實現復雜保護繼電器功能所需的功率和分辨率。

事實上，設計人員可以利用具有分辨率高達24位的集成多通道ADC的32位MCU，以滿足要求最高精度的應用。例如，Analog的ADuCM系列中的ADI公司ADUCM360將ARM Cortex-M3 32位內核與兩個通道相結合，提供具有專用信號調理，24位Σ-Δ轉換器和數字濾波器的獨立路徑。每個通道還連接到輸入多路復用器，用于處理多個源。對于精度要求不太嚴格的應用，設計人員可以在集成MCU中找到10位和12位ADC，例如Atmel SAM D20系列，Microchip Technology PIC 32MX系列和Texas Instruments Concerto系列。例如，Atmel的ATSAMD20J18提供12位ADC，但可配置為8位和10位結果，以縮短轉換時間。

在其功能中，智能保護繼電器增強了自身的功能，可以獨立監控和斷開網格，其功能旨在支持人員和自動網格管理軟件的遠程操作。在這里，這些智能中繼設計實現了各種連接選項，以確保網格事件與遠程操作員的低延遲通信，以及對遠程操作員發出的斷開連接命令的快速響應。

因此，智能繼電器通常需要支持各種靈活的TCP/IP和基于以太網的協議，如EtherCAT，Profinet，Profibus和EtherNet/IP，專為低延遲實時控制而設計和工業應用。此外，這些中繼系統有望支持更專業的網格連接協議。特別是，IEC 61850以太網已成為首選的網格通信協議，提供滿足標準要求所需的速度和效率，例如保護繼電器的毫秒響應時間。

為了支持這些不斷增長的連接要求，半導體制造商正在通過直接，集成的工業連接要求支持來增強MCU。例如，德州儀器AM335x Sitara系列32位處理器包括一個專用通信模塊，稱為可編程實時單元子系統和工業通信子系統（PRU-ICSS）（圖3）。

圖3：集成MCU，如德州儀器AM335x Sitara系列，將12位ADC和通用外設與專用可編程實時單元子系統相結合和工業通信子系統（PRU-ICSS），旨在支持電網通信所需的工業協議。 （由Texas Instruments提供）

PRU-ICSS旨在從ARM內核卸載實時通信處理任務，直接支持實時工業通信協議，如EtherCAT，PROFINET，EtherNet/IP，PROFIBUS ，EtherNet Powerlink，Sercos等。此外，工程師可以利用PRU-ICSS的可編程性來支持更復雜的協議或定制接口 - 所有這些都不會影響設備集成的ARM Cortex-A8主處理器的處理負載。

結論

智能保護繼電器構成電網的最后一道防線，防止故障傳播到變電站，本地子網甚至各個設備。因此，隨著對這些復雜系統的需求更深入到網格外圍，設計人員需要更具成本效益的解決方案來構建適應每個應用和操作環境的特殊需求的復雜系統。對于工程師而言，相應豐富的IC陣列可實現智能保護繼電器系統的高效設計，從而滿足更廣泛的精度要求，快速響應和復雜功能。