變電站互連不同的電壓水準，構成傳輸、分配和消耗之間的關鍵環節。位於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）的常規儀錶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。
諸如電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）的常規儀錶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所示為用於保護、控制和監控的獨立CT和PT，由於銅線多而導致安裝和維護複雜性，並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位值不同，從而限制了系統性能和可靠性。
數位化變電站
數位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佈線。
數位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佈線。
數位化變電站使用一些光纖電纜取代了開關站和智慧電子器件（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位化變電站使用傳統或非常規儀錶變壓器（NCIT）和合併單元將與正在測量的過程參數相關的資料數位化。使用更少的銅使數位化變電站更簡易、更緊湊、更高效。
圖2.數位化變電站架構
數位化變電站架構
根據國際電子電機委員會（IEC）61850標準的定義，數位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，且應用程式一同工作，以執行數位子站功能。
過程級包括電力變壓器、儀錶變壓器和開關器件。
過程級是主要器件和輔助（保護和控制）器件之間的介面。在傳統的變電站中，介面採用銅纜佈線硬連線；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台，而控制電纜發送和接收狀態資訊。在數位化變電站中，所有資料 - 類比和二進位 - 都靠近信號源進行數位化，並使用IEC 61850-9-2協議通過光纖電纜發送到IED。
過程級是主要器件和輔助（保護和控制）器件之間的介面。在傳統的變電站中，介面採用銅纜佈線硬連線；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台，而控制電纜發送和接收狀態資訊。在數位化變電站中，所有資料 - 類比和二進位 - 都靠近信號源進行數位化，並使用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、故障記錄器和電錶。IED不再具有模擬輸入，因為資料獲取發生在過程級。合併輸入還可以減少或消除對二進位輸入的需求，從而實現通常僅占傳統一半佔用空間的緊湊型器件。IED處理保護和控制演算法和邏輯，制定跳閘/不跳閘決策，以及為較低（過程）和上部（站）級乙太網提供基於IEC 61850的通信能力。通信網路冗餘是一種典型要求，可確保最高的可用性和可靠性。兩種IEC 62439標準 - 高可用性無縫冗餘（HSR）和並行冗餘協議（PRP） - 促進IED互通性以及從不同供應商到變電站網路的集成。
站級包括變電站電腦、乙太網交換機和閘道。除傳統的監控和資料獲取（SCADA）匯流排外，變電站匯流排還提供了額外的通信功能，因為它允許多個用戶端交換資料；支援點對點器件通信；並連結到變電站間、廣域通信的閘道。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資料的本地集中和存檔、SCADA閘道，至遠端HMI的代理伺服器連結或控制器。
使用合併單元測量電參數
合併單元將儀錶變壓器輸出轉換為標準化的基於乙太網的資料輸出，並實現IEC 61850。
合併單元將儀錶變壓器輸出轉換為標準化的基於乙太網的資料輸出，並實現IEC 61850。
圖3。帶有傳統變壓器的合併單元
在數位變電站中，不是將感測器輸出連接到托架級的保護和控制器件，而是將合併單元放置在連接到過程級的主器件的感測器附近。
合併單元將類比信號（電壓、電流）轉換為基於IEC 61850-9-2的採樣值，用於保護、測量和控制，並通過數位通信與變電站中的IED通信，如圖3所示。一些關鍵的合併單元功能包括模數轉換、重採樣、與全球時間基準的同步，樣本轉換為IEC 61850-9-2協定以及使用光纖乙太網介面與IED通信。
合併單元執行必要的處理，以根據IEC 61850-9-2標準生成精確的、按時間排列的採樣值輸出資料流程。該處理包括模擬值的採樣；精確的即時參考；消息格式化為採樣值；並將單一資料來源發佈到測量、保護和控制器件。
合併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。
• 用於即時處理採樣值和實現標準變電站通信協定能力的一種信號處理器。
• 具有光纖介面的高速乙太網實體層（通常為100 Mbps，移至1 Gb）。
• 精確時間同步（微秒），包括基於GPS的每秒一次脈衝輸入和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、通用物件導向的變電站事件消息和IEC 61850-9-2LE的樣本值。
• IEC 62439-3冗餘，包括用於冗餘環架構的HSR和用於冗餘星型架構的PRP。
• 確保安全通信和增強安全性的網路安全。
設計合併單元面臨的主要挑戰
在設計合併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：
• 選擇可縮放取樣速率並將採樣與精確全域時序參考同步的ADC。
• 將多個ADC連接到主處理器並即時捕獲資料，以增加類比輸入通道的數量。
• 即時捕獲採樣，以滿足保護和測量採樣要求。
• 使用帶光纖介面的乙太網通信。
• 根據IEC 61850-9-2實現通信協定，並使採樣資料能夠與多個使用者通信，而不會丟失資料包。
• 使協定棧可用于實現冗餘協議，包括基於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，包括二進位輸入（16個或更多輸入），覆蓋寬AC和DC輸入和DC感測器輸入和輸出，並具有擴展選項。
• 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。
解決合併單元設計挑戰
德州儀器（TI）的積體電路和參考設計可幫助設計人員應對這些挑戰。圖4所示為合併單元中的功能塊。
• 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。
• 用於即時處理採樣值和實現標準變電站通信協定能力的一種信號處理器。
• 具有光纖介面的高速乙太網實體層（通常為100 Mbps，移至1 Gb）。
• 精確時間同步（微秒），包括基於GPS的每秒一次脈衝輸入和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、通用物件導向的變電站事件消息和IEC 61850-9-2LE的樣本值。
• IEC 62439-3冗餘，包括用於冗餘環架構的HSR和用於冗餘星型架構的PRP。
• 確保安全通信和增強安全性的網路安全。
設計合併單元面臨的主要挑戰
在設計合併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：
• 選擇可縮放取樣速率並將採樣與精確全域時序參考同步的ADC。
• 將多個ADC連接到主處理器並即時捕獲資料，以增加類比輸入通道的數量。
• 即時捕獲採樣，以滿足保護和測量採樣要求。
• 使用帶光纖介面的乙太網通信。
• 根據IEC 61850-9-2實現通信協定，並使採樣資料能夠與多個使用者通信，而不會丟失資料包。
• 使協定棧可用于實現冗餘協議，包括基於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，包括二進位輸入（16個或更多輸入），覆蓋寬AC和DC輸入和DC感測器輸入和輸出，並具有擴展選項。
• 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。
解決合併單元設計挑戰
德州儀器（TI）的積體電路和參考設計可幫助設計人員應對這些挑戰。圖4所示為合併單元中的功能塊。
合併單元包括下述的多個子系統，這些子系統互連，以執行信號縮放/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（加括弧）簡化了關鍵元件的選擇，並最大限度地減少了設計工作量。
• 處理器模組（使用AM3359或AM4372或AM5706或AM6548）使用可程式設計即時單元工業通信子系統（PRU-ICSS）連接到ADC，並包括用於處理電氣參數和演算法的數位訊號處理器（DSP）內核和Arm®Cortex®-A15微處理器子系統，用於外部通信、使用者介面和變電站通信協定的執行。
• 使用光纖電纜或銅線的乙太網介面（DP83822、DP83840）連接到使用媒介獨立介面（MII）或簡化MII和基於硬體輔助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、基於同步整流器的電源。
• DC/DC電源樹（使用LMZM33604、TPS82085），其包括具有小尺寸的高效電源模組、集成電感和> 2-A負載電流，具有快速瞬態響應和由於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）。
• 使用光纖電纜或銅線的乙太網介面（DP83822、DP83840）連接到使用媒介獨立介面（MII）或簡化MII和基於硬體輔助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、基於同步整流器的電源。
• DC/DC電源樹（使用LMZM33604、TPS82085），其包括具有小尺寸的高效電源模組、集成電感和> 2-A負載電流，具有快速瞬態響應和由於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）。
圖4.合併單元框圖。
圖5.與非傳統儀錶變壓器連接的合併單元。
• 記憶體終止（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和緩衝基準的一體式DDR電源管理器件。
• 交流類比輸入模組（使用OPA4188、THS4541、ADS8588S、ADS8688、AMC1306x），包括交流電壓和電流輸入，用於保護、監控和測量。增益放大器將感測器的輸出縮放為ADC輸入範圍。16位、18位或24位精度逐次逼近寄存器或delta-sigma ADC採用每週期80或256（或更高）採樣速率採集樣本，使用每秒脈衝或範圍間儀錶組同步到全域時間參考。
• 直流類比輸入或RTD模組（ADS1248、ADS124S08），用於雙向或單向直流電壓或電流控制操作，用於器件之間的遠端通訊。24位精度delta-sigma ADC可改善測量範圍和精度。
• 用於監控電池的二進位輸入模組（ADS7957、ISO7741、ISOW7841），提供器件之間的互鎖並指示配置更改和狀態。與基於光耦合器和齊納二極體的設計相比，ADC和基於數位隔離器的架構可提高測量精度，並降低因使用較少器件而導致的電路複雜性。
• 繼電器或高速型數位輸出模組（使用TPS7407、DRV8803）用於報警和外部斷路器操作。
• 防瞬態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）用於測量環境溫度/濕度，以進行測量漂移補償。
合併單元與不同類型的變壓器連接進行測量，包括傳統的儀錶變壓器、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））。連接到合併單元的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，從而節省空間和成本。
NCIT提供：
• 提高了測量精度，具有來自感測器非飽和效應的寬動態範圍。
• 測量瞬態和諧波時的精度更高。
• 由於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
合併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複雜性，並提高了測量精度，因為它安裝在靠近主器件的位置。合併單元還可與NCIT連接。NCIT更安全、更小、更準確、測量範圍更廣、成本更低。光纖通信介面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。
• 提高了測量精度，具有來自感測器非飽和效應的寬動態範圍。
• 測量瞬態和諧波時的精度更高。
• 由於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
合併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複雜性，並提高了測量精度，因為它安裝在靠近主器件的位置。合併單元還可與NCIT連接。NCIT更安全、更小、更準確、測量範圍更廣、成本更低。光纖通信介面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。
其他合併單元的優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。德州儀器的類比、電源、介面、時鐘和嵌入式處理器產品、功能和參考設計可説明合併單元設計人員減少工作量並優化成本。
相關資料
• 靈活介面（PRU-ICSS）參考設計，用於使用多個ADC的同時，相干DAQ。
• ADS8588S是一款16位高速8通道同步採樣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通信功能。
• 採用16位SAR ADC的高精度模擬前端，具有±10 V測量範圍參考設計。
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• 採用16位SAR ADC的高精度模擬前端，具有±10 V測量範圍參考設計。
