公用事業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。

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、狀態監測、記錄和監督系統。

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。

圖2:數字化變電站架構

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。

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。

圖3：帶有傳統變壓器的合并單元

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。

解決合并單元設計挑戰

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。圖4所示為合并單元中的功能塊。

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。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，從而節省空間和成本。

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范圍。

測量瞬態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化成本。