從傳統(tǒng)變電站升級到數(shù)字變電站，測量傳統(tǒng)變電站中的電氣參數(shù)

公用事業(yè)公司專注于綠色電力、提高效率和采用智能電網技術，正在從傳統(tǒng)變電站升級到數(shù)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(huán)節(jié)。位于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制室面板內的開關站，保護、控制和監(jiān)控主要器件。

測量傳統(tǒng)變電站中的電氣參數(shù)

諸如電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）的常規(guī)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(shù)量根據(jù)應用而增加。

圖1所示為用于保護、控制和監(jiān)控的獨立CT和PT，由于銅線多而導致安裝和維護復雜性，并導致更高成本的潛在故障增加。此外，使用多個變壓器使得器件內的初級電流和電壓數(shù)字值不同，從而限制了系統(tǒng)性能和可靠性。

圖1：使用銅線的傳統(tǒng)變電站中的CT和PT布線。

數(shù)字化變電站

數(shù)字化變電站是二級系統(tǒng)的一部分，包括與主要過程相關的所有保護、控制、測量、狀態(tài)監(jiān)測、記錄和監(jiān)督系統(tǒng)。

數(shù)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(shù)百（有時數(shù)千）米的銅線。使用光纖電纜進行通信的數(shù)字化變電站使用傳統(tǒng)或非常規(guī)儀表變壓器（NCIT）和合并單元將與正在測量的過程參數(shù)相關的數(shù)據(jù)數(shù)字化。使用更少的銅使數(shù)字化變電站更簡易、更緊湊、更高效。

數(shù)字化變電站架構

根據(jù)國際電工委員會（IEC）61850標準的定義，數(shù)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(shù)字化變電站架構

每個級別執(zhí)行特定功能，且應用程序一同工作，以執(zhí)行數(shù)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（保護和控制）器件之間的接口。在傳統(tǒng)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制面板，而控制電纜發(fā)送和接收狀態(tài)信息。在數(shù)字化變電站中，所有數(shù)據(jù) - 模擬和二進制 - 都靠近信號源進行數(shù)字化，并使用IEC 61850-9-2協(xié)議通過光纖電纜發(fā)送到IED。

托架級包括輔助器件或IED，如托架控制器、保護繼電器、故障記錄器和電表。IED不再具有模擬輸入，因為數(shù)據(jù)采集發(fā)生在過程級。合并輸入還可以減少或消除對二進制輸入的需求，從而實現(xiàn)通常僅占傳統(tǒng)一半占用空間的緊湊型器件。IED處理保護和控制算法和邏輯，制定跳閘/不跳閘決策，以及為較低（過程）和上部（站）級以太網提供基于IEC 61850的通信能力。通信網絡冗余是一種典型要求，可確保最高的可用性和可靠性。兩種IEC 62439標準 - 高可用性無縫冗余（HSR）和并行冗余協(xié)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(tǒng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)；支持點對點器件通信；并鏈接到變電站間、廣域通信的網關。站級器件可包括變電站人機界面（HMI）、IED訪問的工程工作站或電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)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制器。

使用合并單元測量電參數(shù)

合并單元將儀表變壓器輸出轉換為標準化的基于以太網的數(shù)據(jù)輸出，并實現(xiàn)IEC 61850。

在數(shù)字變電站中，不是將傳感器輸出連接到托架級的保護和控制器件，而是將合并單元放置在連接到過程級的主器件的傳感器附近。

合并單元將模擬信號（電壓、電流）轉換為基于IEC 61850-9-2的采樣值，用于保護、測量和控制，并通過數(shù)字通信與變電站中的IED通信，如圖3所示。一些關鍵的合并單元功能包括模數(shù)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(xié)議以及使用光纖以太網接口與IED通信。

圖3：帶有傳統(tǒng)變壓器的合并單元

合并單元執(zhí)行必要的處理，以根據(jù)IEC 61850-9-2標準生成精確的、按時間排列的采樣值輸出數(shù)據(jù)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；并將單一數(shù)據(jù)源發(fā)布到測量、保護和控制器件。

合并單元的關鍵技術推動因素：

具有出色的AC性能規(guī)格、高輸入阻抗、較低的測量精度漂移和較低功耗的高性能精密ADC。

用于實時處理采樣值和實現(xiàn)標準變電站通信協(xié)議能力的一種信號處理器。

具有光纖接口的高速以太網物理層（通常為100 Mbps，移至1 Gb）。

精確時間同步（微秒），包括基于GPS的每秒一次脈沖輸入和IEEE 1588精確時間協(xié)議。

使用更安全和準確的NCIT。

IEC 61850標準，包括IEC 61850-8-1、通用面向對象的變電站事件消息和IEC 61850-9-2LE的樣本值。

IEC 62439-3冗余，包括用于冗余環(huán)架構的HSR和用于冗余星型架構的PRP。

確保安全通信和增強安全性的網絡安全。

設計合并單元面臨的主要挑戰(zhàn)

在設計合并單元時存在多種挑戰(zhàn)。影響架構和性能的一些關鍵挑戰(zhàn)包括：

選擇可縮放采樣率并將采樣與精確全局時序參考同步的ADC。

將多個ADC連接到主處理器并實時捕獲數(shù)據(jù)，以增加模擬輸入通道的數(shù)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(jù)IEC 61850-9-2實現(xiàn)通信協(xié)議，并使采樣數(shù)據(jù)能夠與多個用戶通信，而不會丟失數(shù)據(jù)包。

使協(xié)議?？捎糜趯崿F(xiàn)冗余協(xié)議，包括基于電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）1588精確時間協(xié)議（PTP）的HSR、PRP和時間同步。

實現(xiàn)多個I/O，包括二進制輸入（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，并具有擴展選項。

在惡劣的開關站環(huán)境中可靠運行，具有高瞬態(tài)、更高的環(huán)境溫度和磁場。

解決合并單元設計挑戰(zhàn)

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(zhàn)。圖4所示為合并單元中的功能塊。

圖4:合并單元框圖

合并單元包括下述的多個子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)互連，以執(zhí)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，并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(yè)通信子系統(tǒng)（PRU-ICSS）連接到ADC，并包括用于處理電氣參數(shù)和算法的數(shù)字信號處理器（DSP）內核和Arm?Cortex?-A15微處理器子系統(tǒng)，用于外部通信、用戶界面和變電站通信協(xié)議的執(zhí)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和基于硬件輔助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、基于同步整流器的電源。

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(tài)響應和由于集成一個封裝中的控制器、高側和低側FET及電感器導致的降低的電磁干擾（EMI）。

內存終止（使用TPS51200、TPS51116），其使用符合JEDEC標準的源或匯型雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）終端LDO或帶有同步降壓控制器、LDO和緩沖基準的一體式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，用于保護、監(jiān)控和測量。增益放大器將傳感器的輸出縮放為ADC輸入范圍。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，使用每秒脈沖或范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），用于雙向或單向直流電壓或電流控制操作，用于器件之間的遠程通信。24位精度delta-sigma ADC可改善測量范圍和精度。

用于監(jiān)控電池的二進制輸入模塊（ADS7957、ISO7741、ISOW7841），提供器件之間的互鎖并指示配置更改和狀態(tài)。與基于光耦合器和齊納二極管的設計相比，ADC和基于數(shù)字隔離器的架構可提高測量精度，并降低因使用較少器件而導致的電路復雜性。

繼電器或高速型數(shù)字輸出模塊（使用TPS7407、DRV8803）用于報警和外部斷路器操作。

防瞬態(tài)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）用于測量環(huán)境溫度/濕度，以進行測量漂移補償。

合并單元與不同類型的變壓器連接進行測量，包括傳統(tǒng)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））。連接到合并單元的NCIT，如圖5所示，為單個器件提供計量、保護和控制精度的選項。NCIT技術可減少變壓器尺寸和重量，從而節(jié)省空間和成本。

圖5.與非傳統(tǒng)儀表變壓器連接的合并單元

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(tài)范圍。

測量瞬態(tài)和諧波時的精度更高。

由于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

合并單元是公用設施從傳統(tǒng)變電站轉移到數(shù)字變電站的關鍵器件。它通過減少銅線數(shù)量簡化了安裝的復雜性，并提高了測量精度，因為它安裝在靠近主器件的位置。合并單元還可與NCIT連接。NCIT更安全、更小、更準確、測量范圍更廣、成本更低。光纖通信接口提高了對抗開關站中存在的干擾的能力，最大限度地減少了通信故障。

其他合并單元的優(yōu)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、時鐘和嵌入式處理器產品、功能和參考設計可幫助合并單元設計人員減少工作量并優(yōu)化成本。