從傳統(tǒng)變電站轉(zhuǎn)向智能變電站

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(kāi)關(guān)站的電力變壓器、斷路器和斷路開(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guó)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(guò)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(guò)程級(jí)包括電力變壓器、儀表變壓器和開(kāi)關(guān)器件。

過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(wèn)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(guò)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(guò)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?？捎糜趯?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(kāi)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)。