公用事業公司專注於綠色電力、提高效率和采用智能電網技術
，正在從傳統變電站升級到數字變電站。

 

變電站互連不同的電壓水平，構成傳輸、分配和消耗之間的關鍵環節。位於變電站開關站的電力變壓器
、斷路器和斷路開關等主要設​​備可保護和管理電網電源。保護繼電器和終端器件等輔助器件通常遠離控製室麵板內的開關站，保護、控製和監控主要器件。

 

測量傳統變電站中的電氣參數

 

諸如電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）的常規儀表變壓器測量流經主器件的高壓和電流。銅線將變壓器的模擬輸出連接到輔助器件，銅線的數量根據應用而增加。

 

圖1所示為用於保護

、控製和監控的獨立CT和PT，由you於yu銅tong線xian多duo而er導dao致zhi安an裝zhuang和he維wei護hu複fu雜za性xing
，並bing導dao致zhi更geng高gao成cheng本ben的de潛qian在zai故gu障zhang增zeng加jia。此ci外wai
，使shi用yong多duo個ge變bian壓ya器qi使shi得de器qi件jian內nei的de初chu級ji電dian流liu和he電dian壓ya數shu字zi值zhi不bu同tong
，從cong而er限xian製zhi了le係xi統tong性xing能neng和he可ke靠kao性xing。

 

圖1：使用銅線的傳統變電站中的CT和PT布線

 

數字化變電站

 

數字化變電站是二級係統的一部分，包括與主要過程相關的所有保護、控製、測量、狀態監測

、記錄和監督係統。

 

數字化變電站使用一些光纖電纜取代了開關站和智能電子器件（IED）之間數百（有時數千）米的銅線。使用光纖電纜進行通信的數字化變電站使用傳統或非常規儀表變壓器（NCIT）和合並單元將與正在測量的過程參數相關的數據數字化。使用更少的銅使數字化變電站更簡易
、更緊湊
、更高效。

 

數字化變電站架構

 

根據國際電工委員會（IEC）61850標準的定義
，數字化變電站架構包括三個級別：過程級
、托架級和站級，如圖2所示。

 

圖2：數字化變電站架構

 

每個級別執行特定功能，且應用程序一同工作，以執行數字子站功能。

 

過程級包括電力變壓器、儀表變壓器和開關器件。過程級是主要器件和輔助（保護和控製）器件之間的接口。在傳統的變電站中
，接口采用銅纜布線硬連線
；電流和電壓以可接受的標準化輔助信號電平通到保護和控製麵板，而控製電纜發送和接收狀態信息。在數字化變電站中，所有數據 - 模擬和二進製 - 都靠近信號源進行數字化，並使用IEC 61850-9-2協議通過光纖電纜發送到IED。

 

托架級包括輔助器件或IED
，如托架控製器、保護繼電器
、故障記錄器和電表。IED不bu再zai具ju有you模mo擬ni輸shu入ru
，因yin為wei數shu據ju采cai集ji發fa生sheng在zai過guo程cheng級ji。合he並bing輸shu入ru還hai可ke以yi減jian少shao或huo消xiao除chu對dui二er進jin製zhi輸shu入ru的de需xu求qiu，從cong而er實shi現xian通tong常chang僅jin占zhan傳chuan統tong一yi半ban占zhan用yong空kong間jian的de緊jin湊cou型xing器qi件jian。IED處理保護和控製算法和邏輯，製定跳閘/不跳閘決策，以及為較低（過程）和上部（站）級以太網提供基於IEC 61850的通信能力。通信網絡冗餘是一種典型要求，可確保最高的可用性和可靠性。兩種IEC 62439標準 - 高可用性無縫冗餘（HSR）和並行冗餘協議（PRP） - 促進IED互操作性以及從不同供應商到變電站網絡的集成。

 

站級包括變電站計算機、以太網交換機和網關。除傳統的監控和數據采集（SCADA）總線外，變電站總線還提供了額外的通信功能
，因為它允許多個客戶端交換數據；支持點對點器件通信；並鏈接到變電站間、廣域通信的網關。站級器件可包括變電站人機界麵（HMI）、IED訪問的工程工作站或電力係統數據的本地集中和存檔
、SCADA網關，至遠程HMI的代理服務器鏈接或控製器。

 

使用合並單元測量電參數

 

合並單元將儀表變壓器輸出轉換為標準化的基於以太網的數據輸出，並實現IEC 61850。

 

在數字變電站中
，不是將傳感器輸出連接到托架級的保護和控製器件，而是將合並單元放置在連接到過程級的主器件的傳感器附近。

 

合並單元將模擬信號（電壓、電流）轉換為基於IEC 61850-9-2的采樣值，用於保護
、測量和控製

，並通過數字通信與變電站中的IED通信，如圖3所示。一些關鍵的合並單元功能包括模數轉換、重采樣、與全球時間基準的同步，樣本轉換為IEC 61850-9-2協議以及使用光纖以太網接口與IED通信。

 

圖3；帶有傳統變壓器的合並單元

 

合並單元執行必要的處理，以根據IEC 61850-9-2標準生成精確的
、按時間排列的采樣值輸出數據流。該處理包括模擬值的采樣；精確的實時參考；消息格式化為采樣值；並將單一數據源發布到測量、保護和控製器件。

 

 

設計合並單元麵臨的主要挑戰

 

在設計合並單元時存在多種挑戰。影響架構和性能的一些關鍵挑戰包括：

 

●    選擇可縮放采樣率並將采樣與精確全局時序參考同步的ADC。

●    將多個ADC連接到主處理器並實時捕獲數據
，以增加模擬輸入通道的數量。

●    實時捕獲采樣

，以滿足保護和測量采樣要求。

●    使用帶光纖接口的以太網通信

●    根據IEC 61850-9-2實現通信協議，並使采樣數據能夠與多個用戶通信

，而不會丟失數據包。

●    使協議棧可用於實現冗餘協議
，包括基於電氣和電子工程師協會（IEEE）1588精確時間協議（PTP）的HSR
、PRP和時間同步。

●    實現多個I/O
，包括二進製輸入（16個或更多輸入），覆蓋寬AC和DC輸入和DC傳感器輸入和輸出
，並具有擴展選項。

●    在惡劣的開關站環境中可靠運行，具有高瞬態、更高的環境溫度和磁場。

 

解決合並單元設計挑戰

 

德州儀器（TI）的集成電路和參考設計可幫助設計人員應對這些挑戰。圖4所示為合並單元中的功能塊。

 

圖4：合並單元框圖

 

合並單元包括下述的多個子係統，這些子係統互連，以執行信號縮放/捕獲、處理和通信功能。德州儀器推薦器件的獨特特性和功能（加括號）簡化了關鍵組件的選擇，並最大限度地減少了設計工作量。

 

●    處理器模塊（使用AM3359或AM4372或AM5706或AM6548）使用可編程實時單元工業通信子係統（PRU-ICSS）連接到ADC，並包括用於處理電氣參數和算法的數字信號處理器（DSP）內核和Arm®Cortex®-A15微處理器子係統，用於外部通信
、用戶界麵和變電站通信協議的執行。

 

●    使用光纖電纜或銅線的以太網接口（DP83822、DP83840）連接到使用媒介獨立接口（MII）或簡化MII和基於硬件輔助IEEE 1588 PTP的時間的主機
，以100 Mbps的速度進行通信同步。

 

●    AC/DC（使用UCC28600、UCC28740、UCC24630）寬輸入
、高效率
、基於同步整流器的電源。

 

●    DC/DC電源樹（使用LMZM33604、TPS82085），其包括具有小尺寸的高效電源模塊

、集成電感和> 2-A負載電流
，具有快速瞬態響應和由於集成一個封裝中的控製器
、高側和低側FET及電感器導致的降低的電磁幹擾（EMI）。

 

●    內存終止（使用TPS51200
、TPS51116）

，其使用符合JEDEC標準的源或彙型雙倍數據速率（DDR）終端LDO或帶有同步降壓控製器、LDO和緩衝基準的一體式DDR電源管理器件。

 

●    交流模擬輸入模塊（使用OPA4188、THS4541、ADS8588S、ADS8688
、AMC1306x），包括交流電壓和電流輸入，用於保護
、監控和測量。增益放大器將傳感器的輸出縮放為ADC輸入範圍。16位
、18位或24位精度逐次逼近寄存器或delta-sigma ADC采用每周期80或256（或更高）采樣速率采集樣本，使用每秒脈衝或範圍間儀表組同步到全局時間參考。

 

●    直流模擬輸入或RTD模塊（ADS1248、ADS124S08），用於雙向或單向直流電壓或電流控製操作

，用於器件之間的遠程通信。24位精度delta-sigma ADC可改善測量範圍和精度。

 

●    用於監控電池的二進製輸入模塊（ADS7957
、ISO7741、ISOW7841）
，提供器件之間的互鎖並指示配置更改和狀態。與基於光耦合器和齊納二極管的設計相比，ADC和基於數字隔離器的架構可提高測量精度，並降低因使用較少器件而導致的電路複雜性。

 

●    繼電器或高速型數字輸出模塊（使用TPS7407、DRV8803）用於報警和外部斷路器操作。

 

●    防瞬態的模擬輸入的板載保護（使用TVS3300或TVS3301）和板級診斷（使用HDC2010，TMP423和TMP235）用於測量環境溫度/濕度，以進行測量漂移補償。

 

合並單元與不同類型的變壓器連接進行測量，包括傳統的儀表變壓器、NCIT（如光學電流互感器）或電流用Rogowski和電壓用電阻電容式電壓互感器（RCVT）。連接到合並單元的NCIT，如圖5所示，為單個器件提供計量
、保護和控製精度的選項。NCIT技術可減少變壓器尺寸和重量，從而節省空間和成本。

 

圖5：與非傳統儀表變壓器連接的合並單元

 

NCIT提供：

 

●    提高了測量精度，具有來自傳感器非飽和效應的寬動態範圍。

●    測量瞬態和諧波時的精度更高。

●    由於降低了內部電弧和二次開路故障的風險，提高了安全性。

 

結論

 

合he並bing單dan元yuan是shi公gong用yong設she施shi從cong傳chuan統tong變bian電dian站zhan轉zhuan移yi到dao數shu字zi變bian電dian站zhan的de關guan鍵jian器qi件jian。它ta通tong過guo減jian少shao銅tong線xian數shu量liang簡jian化hua了le安an裝zhuang的de複fu雜za性xing，並bing提ti高gao了le測ce量liang精jing度du
，因yin為wei它ta安an裝zhuang在zai靠kao近jin主zhu器qi件jian的de位wei置zhi。合he並bing單dan元yuan還hai可ke與yuNCIT連接。NCIT更安全、更小、更準確、測量範圍更廣、成本更低。光纖通信接口提高了對抗開關站中存在的幹擾的能力
，最大限度地減少了通信故障。

 

其他合並單元的優點包括延長主要器件壽命、提高主要器件的可靠性和可用性。德州儀器的模擬、電源
、接口、時鍾和嵌入式處理器產品
、功能和參考設計可幫助合並單元設計人員減少工作量並優化成本。

 

 

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