從傳統變電站轉向智能變電站

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所示為用于保護、控制和監控的獨立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。

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、狀態監測、記錄和監督系統。

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。

圖2.數字化變電站架構

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。

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。

圖3。帶有傳統變壓器的合并單元

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。

合并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；并將單一數據源發布到測量、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標準變電站通信協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

在設計合并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。

?使協議棧可用于實現冗余協議，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。

?在惡劣的開關站環境中可靠運行，具有高瞬態、更高的環境溫度和磁場。