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從傳統(tǒng)變電站轉(zhuǎn)向智能變電站

本文作者：德州儀器點(diǎn)擊： 2019-04-23 12:23

前言：

電力公司專注于綠色電力、提高效率和采用智能電網(wǎng)技術(shù)，傳統(tǒng)變電站正在升級(jí)到數(shù)字變電站。

變電站互連不同的電壓水平，構(gòu)成傳輸、分配和消耗之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。位于變電站開關(guān)站的電力變壓器、斷路器和斷路開關(guān)等主要設(shè)備可保護(hù)和管理電網(wǎng)電源。保護(hù)繼電器和終端器件等輔助器件通常遠(yuǎn)離控制室面板內(nèi)的開關(guān)站，保護(hù)、控制和監(jiān)控主要器件。

測(cè)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(cè)量流經(jīng)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(yīng)用而增加。

圖1所示為用于保護(hù)、控制和監(jiān)控的獨(dú)立CT和PT，由于銅線多而導(dǎo)致安裝和維護(hù)復(fù)雜性，并導(dǎo)致更高成本的潛在故障增加。此外，使用多個(gè)變壓器使得器件內(nèi)的初級(jí)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。

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

圖1使用銅線的傳統(tǒng)變電站中的CT和PT布線。

數(shù)字化變電站使用一些光纖電纜取代了開關(guān)站和智能電子器件（IED）之間數(shù)百（有時(shí)數(shù)千）米的銅線。使用光纖電纜進(jìn)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(cè)量的過程參數(shù)相關(guān)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(jiǎn)易、更緊湊、更高效。

圖2.數(shù)字化變電站架構(gòu)

數(shù)字化變電站架構(gòu)
根據(jù)國際電工委員會(huì)（IEC）61850標(biāo)準(zhǔn)的定義，數(shù)字化變電站架構(gòu)包括三個(gè)級(jí)別：過程級(jí)、托架級(jí)和站級(jí)，如圖2所示。

每個(gè)級(jí)別執(zhí)行特定功能，且應(yīng)用程序一同工作，以執(zhí)行數(shù)字子站功能。

過程級(jí)包括電力變壓器、儀表變壓器和開關(guān)器件。

過程級(jí)是主要器件和輔助（保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)化輔助信號(hào)電平通到保護(hù)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(jìn)制 - 都靠近信號(hào)源進(jìn)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(jí)包括輔助器件或IED，如托架控制器、保護(hù)繼電器、故障記錄器和電表。IED不再具有模擬輸入，因?yàn)閿?shù)據(jù)采集發(fā)生在過程級(jí)。合并輸入還可以減少或消除對(duì)二進(jìn)制輸入的需求，從而實(shí)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(hù)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(jí)以太網(wǎng)提供基于IEC 61850的通信能力。通信網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn) - 高可用性無縫冗余（HSR）和并行冗余協(xié)議（PRP） - 促進(jìn)IED互操作性以及從不同供應(yīng)商到變電站網(wǎng)絡(luò)的集成。

站級(jí)包括變電站計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)和網(wǎng)關(guān)。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?yàn)樗试S多個(gè)客戶端交換數(shù)據(jù)；支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)器件通信；并鏈接到變電站間、廣域通信的網(wǎng)關(guān)。站級(jí)器件可包括變電站人機(jī)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(wǎng)關(guān)，至遠(yuǎn)程HMI的代理服務(wù)器鏈接或控制器。

使用合并單元測(cè)量電參數(shù)
合并單元將儀表變壓器輸出轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化的基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)輸出，并實(shí)現(xiàn)IEC 61850。

圖3。帶有傳統(tǒng)變壓器的合并單元

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

合并單元將模擬信號(hào)（電壓、電流）轉(zhuǎn)換為基于IEC 61850-9-2的采樣值，用于保護(hù)、測(cè)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(guān)鍵的合并單元功能包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、重采樣、與全球時(shí)間基準(zhǔn)的同步，樣本轉(zhuǎn)換為IEC 61850-9-2協(xié)議以及使用光纖以太網(wǎng)接口與IED通信。

合并單元執(zhí)行必要的處理，以根據(jù)IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)生成精確的、按時(shí)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(shí)時(shí)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(cè)量、保護(hù)和控制器件。

合并單元的關(guān)鍵技術(shù)推動(dòng)因素：
• 具有出色的AC性能規(guī)格、高輸入阻抗、較低的測(cè)量精度漂移和較低功耗的高性能精密ADC。
• 用于實(shí)時(shí)處理采樣值和實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)變電站通信協(xié)議能力的一種信號(hào)處理器。
• 具有光纖接口的高速以太網(wǎng)物理層（通常為100 Mbps，移至1 Gb）。
• 精確時(shí)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(shí)間協(xié)議。
• 使用更安全和準(zhǔn)確的NCIT。
• IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，包括IEC 61850-8-1、通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录⒑虸EC 61850-9-2LE的樣本值。
• IEC 62439-3冗余，包括用于冗余環(huán)架構(gòu)的HSR和用于冗余星型架構(gòu)的PRP。
• 確保安全通信和增強(qiáng)安全性的網(wǎng)絡(luò)安全。

設(shè)計(jì)合并單元面臨的主要挑戰(zhàn)
在設(shè)計(jì)合并單元時(shí)存在多種挑戰(zhàn)。影響架構(gòu)和性能的一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括：
• 選擇可縮放采樣率并將采樣與精確全局時(shí)序參考同步的ADC。
• 將多個(gè)ADC連接到主處理器并實(shí)時(shí)捕獲數(shù)據(jù)，以增加模擬輸入通道的數(shù)量。
• 實(shí)時(shí)捕獲采樣，以滿足保護(hù)和測(cè)量采樣要求。
• 使用帶光纖接口的以太網(wǎng)通信。
• 根據(jù)IEC 61850-9-2實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議，并使采樣數(shù)據(jù)能夠與多個(gè)用戶通信，而不會(huì)丟失數(shù)據(jù)包。
• 使協(xié)議棧可用于實(shí)現(xiàn)冗余協(xié)議，包括基于電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）1588精確時(shí)間協(xié)議（PTP）的HSR、PRP和時(shí)間同步。
• 實(shí)現(xiàn)多個(gè)I/O，包括二進(jìn)制輸入（16個(gè)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(kuò)展選項(xiàng)。
• 在惡劣的開關(guān)站環(huán)境中可靠運(yùn)行，具有高瞬態(tài)、更高的環(huán)境溫度和磁場(chǎng)。

解決合并單元設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
德州儀器（TI）的集成電路和參考設(shè)計(jì)可幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。圖4所示為合并單元中的功能塊。

合并單元包括下述的多個(gè)子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)互連，以執(zhí)行信號(hào)縮放/捕獲、處理和通信功能。德州儀器推薦器件的獨(dú)特特性和功能（加括號(hào)）簡(jiǎn)化了關(guān)鍵組件的選擇，并最大限度地減少了設(shè)計(jì)工作量。

• 處理器模塊（使用AM3359或AM4372或AM5706或AM6548）使用可編程實(shí)時(shí)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(hào)處理器（DSP）內(nèi)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(wǎng)接口（DP83822、DP83840）連接到使用媒介獨(dú)立接口（MII）或簡(jiǎn)化MII和基于硬件輔助IEEE 1588 PTP的時(shí)間的主機(jī)，以100 Mbps的速度進(jìn)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(fù)載電流，具有快速瞬態(tài)響應(yīng)和由于集成一個(gè)封裝中的控制器、高側(cè)和低側(cè)FET及電感器導(dǎo)致的降低的電磁干擾（EMI）。

圖4.合并單元框圖。

圖5.與非傳統(tǒng)儀表變壓器連接的合并單元。

• 內(nèi)存終止（使用TPS51200、TPS51116），其使用符合JEDEC標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(hù)、監(jiān)控和測(cè)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(shí)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(yuǎn)程通信。24位精度delta-sigma ADC可改善測(cè)量范圍和精度。
• 用于監(jiān)控電池的二進(jìn)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(shè)計(jì)相比，ADC和基于數(shù)字隔離器的架構(gòu)可提高測(cè)量精度，并降低因使用較少器件而導(dǎo)致的電路復(fù)雜性。
• 繼電器或高速型數(shù)字輸出模塊（使用TPS7407、DRV8803）用于報(bào)警和外部斷路器操作。
• 防瞬態(tài)的模擬輸入的板載保護(hù)（使用TVS3300或TVS3301）和板級(jí)診斷（使用HDC2010，TMP423和TMP235）用于測(cè)量環(huán)境溫度/濕度，以進(jìn)行測(cè)量漂移補(bǔ)償。

合并單元與不同類型的變壓器連接進(jìn)行測(cè)量，包括傳統(tǒng)的儀表變壓器、NCIT（如光學(xué)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(gè)器件提供計(jì)量、保護(hù)和控制精度的選項(xiàng)。NCIT技術(shù)可減少變壓器尺寸和重量，從而節(jié)省空間和成本。

NCIT提供：
• 提高了測(cè)量精度，具有來自傳感器非飽和效應(yīng)的寬動(dòng)態(tài)范圍。
• 測(cè)量瞬態(tài)和諧波時(shí)的精度更高。
• 由于降低了內(nèi)部電弧和二次開路故障的風(fēng)險(xiǎn)，提高了安全性。

結(jié)論
合并單元是公用設(shè)施從傳統(tǒng)變電站轉(zhuǎn)移到數(shù)字變電站的關(guān)鍵器件。它通過減少銅線數(shù)量簡(jiǎn)化了安裝的復(fù)雜性，并提高了測(cè)量精度，因?yàn)樗惭b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(zhǔn)確、測(cè)量范圍更廣、成本更低。光纖通信接口提高了對(duì)抗開關(guān)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(diǎn)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(shí)鐘和嵌入式處理器產(chǎn)品、功能和參考設(shè)計(jì)可幫助合并單元設(shè)計(jì)人員減少工作量并優(yōu)化成本。

相關(guān)資料
• 靈活接口（PRU-ICSS）參考設(shè)計(jì)，用于使用多個(gè)ADC的同時(shí)，相干DAQ。
• ADS8588S是一款16位高速8通道同步采樣ADC，在單電源上提供雙極性輸入。
• Sitara™AM57x Arm Cortex-A15 plus DSP處理器，具有加速多媒體和工業(yè)通信功能。
• 采用16位SAR ADC的高精度模擬前端，具有±10 V測(cè)量范圍參考設(shè)計(jì)。

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