从传统变电站升级到数字变电站，测量传统变电站中的电气参数

公用事业公司专注于绿色电力、提高效率和采用智能电网技术，正在从传统变电站升级到数字变电站。

变电站互连不同的电压水平，构成传输、分配和消耗之间的关键环节。位于变电站开关站的电力变压器、断路器和断路开关等主要设备可保护和管理电网电源。保护继电器和终端器件等辅助器件通常远离控制室面板内的开关站，保护、控制和监控主要器件。

测量传统变电站中的电气参数

诸如电压互感器（PT）和电流互感器（CT）的常规仪表变压器测量流经主器件的高压和电流。铜线将变压器的模拟输出连接到辅助器件，铜线的数量根据应用而增加。

图1所示为用于保护、控制和监控的独立CT和PT，由于铜线多而导致安装和维护复杂性，并导致更高成本的潜在故障增加。此外，使用多个变压器使得器件内的初级电流和电压数字值不同，从而限制了系统性能和可靠性。

图1：使用铜线的传统变电站中的CT和PT布线。

数字化变电站

数字化变电站是二级系统的一部分，包括与主要过程相关的所有保护、控制、测量、状态监测、记录和监督系统。

数字化变电站使用一些光纤电缆取代了开关站和智能电子器件（IED）之间数百（有时数千）米的铜线。使用光纤电缆进行通信的数字化变电站使用传统或非常规仪表变压器（NCIT）和合并单元将与正在测量的过程参数相关的数据数字化。使用更少的铜使数字化变电站更简易、更紧凑、更高效。

数字化变电站架构

根据国际电工委员会（IEC）61850标准的定义，数字化变电站架构包括三个级别：过程级、托架级和站级，如图2所示。

图2:数字化变电站架构

每个级别执行特定功能，且应用程序一同工作，以执行数字子站功能。

过程级包括电力变压器、仪表变压器和开关器件。

过程级是主要器件和辅助（保护和控制）器件之间的接口。在传统的变电站中，接口采用铜缆布线硬连线；电流和电压以可接受的标准化辅助信号电平通到保护和控制面板，而控制电缆发送和接收状态信息。在数字化变电站中，所有数据 - 模拟和二进制 - 都靠近信号源进行数字化，并使用IEC 61850-9-2协议通过光纤电缆发送到IED。

托架级包括辅助器件或IED，如托架控制器、保护继电器、故障记录器和电表。IED不再具有模拟输入，因为数据采集发生在过程级。合并输入还可以减少或消除对二进制输入的需求，从而实现通常仅占传统一半占用空间的紧凑型器件。IED处理保护和控制算法和逻辑，制定跳闸/不跳闸决策，以及为较低（过程）和上部（站）级以太网提供基于IEC 61850的通信能力。通信网络冗余是一种典型要求，可确保最高的可用性和可靠性。两种IEC 62439标准 - 高可用性无缝冗余（HSR）和并行冗余协议（PRP） - 促进IED互操作性以及从不同供应商到变电站网络的集成。

站级包括变电站计算机、以太网交换机和网关。除传统的监控和数据采集（SCADA）总线外，变电站总线还提供了额外的通信功能，因为它允许多个客户端交换数据；支持点对点器件通信；并链接到变电站间、广域通信的网关。站级器件可包括变电站人机界面（HMI）、IED访问的工程工作站或电力系统数据的本地集中和存档、SCADA网关，至远程HMI的代理服务器链接或控制器。

使用合并单元测量电参数

合并单元将仪表变压器输出转换为标准化的基于以太网的数据输出，并实现IEC 61850。

在数字变电站中，不是将传感器输出连接到托架级的保护和控制器件，而是将合并单元放置在连接到过程级的主器件的传感器附近。

合并单元将模拟信号（电压、电流）转换为基于IEC 61850-9-2的采样值，用于保护、测量和控制，并通过数字通信与变电站中的IED通信，如图3所示。一些关键的合并单元功能包括模数转换、重采样、与全球时间基准的同步，样本转换为IEC 61850-9-2协议以及使用光纤以太网接口与IED通信。

图3：带有传统变压器的合并单元

合并单元执行必要的处理，以根据IEC 61850-9-2标准生成精确的、按时间排列的采样值输出数据流。该处理包括模拟值的采样；精确的实时参考；消息格式化为采样值；并将单一数据源发布到测量、保护和控制器件。

合并单元的关键技术推动因素：

具有出色的AC性能规格、高输入阻抗、较低的测量精度漂移和较低功耗的高性能精密ADC。

用于实时处理采样值和实现标准变电站通信协议能力的一种信号处理器。

具有光纤接口的高速以太网物理层（通常为100 Mbps，移至1 Gb）。

精确时间同步（微秒），包括基于GPS的每秒一次脉冲输入和IEEE 1588精确时间协议。

使用更安全和准确的NCIT。

IEC 61850标准，包括IEC 61850-8-1、通用面向对象的变电站事件消息和IEC 61850-9-2LE的样本值。

IEC 62439-3冗余，包括用于冗余环架构的HSR和用于冗余星型架构的PRP。

确保安全通信和增强安全性的网络安全。

设计合并单元面临的主要挑战

在设计合并单元时存在多种挑战。影响架构和性能的一些关键挑战包括：

选择可缩放采样率并将采样与精确全局时序参考同步的ADC。

将多个ADC连接到主处理器并实时捕获数据，以增加模拟输入通道的数量。

实时捕获采样，以满足保护和测量采样要求。

使用带光纤接口的以太网通信。

根据IEC 61850-9-2实现通信协议，并使采样数据能够与多个用户通信，而不会丢失数据包。

使协议栈可用于实现冗余协议，包括基于电气和电子工程师协会（IEEE）1588精确时间协议（PTP）的HSR、PRP和时间同步。

实现多个I/O，包括二进制输入（16个或更多输入），覆盖宽AC和DC输入和DC传感器输入和输出，并具有扩展选项。

在恶劣的开关站环境中可靠运行，具有高瞬态、更高的环境温度和磁场。

解决合并单元设计挑战

德州仪器（TI）的集成电路和参考设计可帮助设计人员应对这些挑战。图4所示为合并单元中的功能块。

图4:合并单元框图

合并单元包括下述的多个子系统，这些子系统互连，以执行信号缩放/捕获、处理和通信功能。德州仪器推荐器件的独特特性和功能（加括号）简化了关键组件的选择，并最大限度地减少了设计工作量。

处理器模块（使用AM3359或AM4372或AM5706或AM6548）使用可编程实时单元工业通信子系统（PRU-ICSS）连接到ADC，并包括用于处理电气参数和算法的数字信号处理器（DSP）内核和Arm®Cortex®-A15微处理器子系统，用于外部通信、用户界面和变电站通信协议的执行。

使用光纤电缆或铜线的以太网接口（DP83822、DP83840）连接到使用媒介独立接口（MII）或简化MII和基于硬件辅助IEEE 1588 PTP的时间的主机，以100 Mbps的速度进行通信同步。

AC/DC（使用UCC28600、UCC28740、UCC24630）宽输入、高效率、基于同步整流器的电源。

DC/DC电源树（使用LMZM33604、TPS82085），其包括具有小尺寸的高效电源模块、集成电感和> 2-A负载电流，具有快速瞬态响应和由于集成一个封装中的控制器、高侧和低侧FET及电感器导致的降低的电磁干扰（EMI）。

内存终止（使用TPS51200、TPS51116），其使用符合JEDEC标准的源或汇型双倍数据速率（DDR）终端LDO或带有同步降压控制器、LDO和缓冲基准的一体式DDR电源管理器件。

交流模拟输入模块（使用OPA4188、THS4541、ADS8588S、ADS8688、AMC1306x），包括交流电压和电流输入，用于保护、监控和测量。增益放大器将传感器的输出缩放为ADC输入范围。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）采样速率采集样本，使用每秒脉冲或范围间仪表组同步到全局时间参考。

直流模拟输入或RTD模块（ADS1248、ADS124S08），用于双向或单向直流电压或电流控制操作，用于器件之间的远程通信。24位精度delta-sigma ADC可改善测量范围和精度。

用于监控电池的二进制输入模块（ADS7957、ISO7741、ISOW7841），提供器件之间的互锁并指示配置更改和状态。与基于光耦合器和齐纳二极管的设计相比，ADC和基于数字隔离器的架构可提高测量精度，并降低因使用较少器件而导致的电路复杂性。

继电器或高速型数字输出模块（使用TPS7407、DRV8803）用于报警和外部断路器操作。

防瞬态的模拟输入的板载保护（使用TVS3300或TVS3301）和板级诊断（使用HDC2010，TMP423和TMP235）用于测量环境温度/湿度，以进行测量漂移补偿。

合并单元与不同类型的变压器连接进行测量，包括传统的仪表变压器、NCIT（如光学电流互感器）或电流用Rogowski和电压用电阻电容式电压互感器（RCVT））。连接到合并单元的NCIT，如图5所示，为单个器件提供计量、保护和控制精度的选项。NCIT技术可减少变压器尺寸和重量，从而节省空间和成本。

图5.与非传统仪表变压器连接的合并单元

NCIT提供：

提高了测量精度，具有来自传感器非饱和效应的宽动态范围。

测量瞬态和谐波时的精度更高。

由于降低了内部电弧和二次开路故障的风险，提高了安全性。

结论

合并单元是公用设施从传统变电站转移到数字变电站的关键器件。它通过减少铜线数量简化了安装的复杂性，并提高了测量精度，因为它安装在靠近主器件的位置。合并单元还可与NCIT连接。NCIT更安全、更小、更准确、测量范围更广、成本更低。光纤通信接口提高了对抗开关站中存在的干扰的能力，最大限度地减少了通信故障。

其他合并单元的优点包括延长主要器件寿命、提高主要器件的可靠性和可用性。德州仪器的模拟、电源、接口、时钟和嵌入式处理器产品、功能和参考设计可帮助合并单元设计人员减少工作量并优化成本。