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從傳統變電站轉向智能變電站

發(fā)布時間:2021-07-08 來源:Kallikuppa Sreenivasa 責任編輯:wenwei

【導讀】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。
 
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(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(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,銅線的數量根據應用而增加。
 
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字值不同,從而限制了系統性能和可靠性。
 
從傳統變電站轉向智能變電站
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系統的一部分,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。
 
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(guī)儀表變壓器(NCIT)和合并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。
 
從傳統變電站轉向智能變電站
圖2:數字化變電站架構
 
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。在數字化變電站中,所有數據 - 模擬和二進制 - 都靠近信號源進行數字化,并使用IEC 61850-9-2協議通過光纖電纜發(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,因為數據采集發(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,從而實現通常僅占傳統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(jiān)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;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制器。
 
使用合并單元測量電參數
 
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據輸出,并實現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。
 
從傳統變電站轉向智能變電站
圖3;帶有傳統變壓器的合并單元
 
合并單元執(zhí)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;并將單一數據源發(fā)布到測量、保護和控制器件。
 
從傳統變電站轉向智能變電站
 
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,并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??捎糜趯崿F冗余協議,包括基于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。
 
從傳統變電站轉向智能變電站
圖4:合并單元框圖
 
合并單元包括下述的多個子系統,這些子系統互連,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(PRU-ICSS)連接到ADC,并包括用于處理電氣參數和算法的數字信號處理器(DSP)內核和Arm®Cortex®-A15微處理器子系統,用于外部通信、用戶界面和變電站通信協議的執(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據速率(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。
 
從傳統變電站轉向智能變電站
圖5:與非傳統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變電站轉移到數字變電站的關鍵器件。它通過減少銅線數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。
 
 
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