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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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基于IEC61850的变电站自动化系统合并单元改进模型

J.P.I. Iloh1C.B.巴楚2和G.O.乌哲德3.
  1. 尼日利亚乌利阿南布拉州立大学电气/电子工程系博士研究生
  2. 尼日利亚乌利阿南布拉州立大学电气/电子工程系讲师
  3. 尼日利亚埃夫伦联邦石油资源大学电气/电子工程系讲师
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

IEC61850-9-2标准在变电站自动化系统中的实施要求使用合并单元，以消除从开关站到位于控制室的微处理器继电器的几根多根电线连接。传统的合并单元模型从开关站的各种电流和电压互感器中收集电流和电压信号，将它们转换成数字形式，并通过称为工艺总线的单根光纤电缆将数字等效信号发送到微处理器继电器。在本文中，我们提出了一种新的合并单元模型，具有内置过流保护和海湾控制功能。这种新模式的目的是提供局部过流保护和海湾控制所有设备在海湾被一个特定的合并单元监测。

关键字
合并单元，变电站自动化系统，IEC61850，过程总线。

介绍

A.相关工作
在为变电站自动化系统的运行开发数字解决方案方面已经进行了一些研究工作。[1]成立，由于新的通信技术的技术进步，变电站正在从硬线配置转变为网络平台，以实现变电站的完全自动化。此外，光纤通信技术已被确定为实施IEC 61850-8-1和9-2变电站自动化标准的选择通信技术[2,3]。变电站自动化系统的基本概念取决于使用基于微处理器的智能电子设备(ied)监视和控制变电站设备[1]的可能性。IEC 61850标准将以太网通信的便利性与性能和安全性相结合，这对于[4]中报道的现代数字变电站解决方案至关重要。关于实现更现代化的数字化变电站的最新研究工作主要是针对开发新的过程级设备，如非常规仪表变压器和智能开关柜，这些设备可以直接与变电站的舱级和站级通信，合并单元作为过程级和舱级之间的接口组件。

B.合并单元概念
合并单元(MU)是现代数字变电站发展中最关键的要素之一。MU为现代变电站自动化系统中过程总线概念的实现提供了合适的接口。IEC61850标准规定了变电站[5]的通信系统和网络的通信体系结构。MU在自动化系统中的基本功能是将过程级测量的电流和电压的模拟值转换为数字格式，并将其传输到位于微处理器继电器的变电站的海湾级。在现代变电站中，它的功能是同步采集电子式电流互感器和电子式电压互感器输出的多路数字信号，并按照IEC 61850协议将这些信号传输到保护、测量和控制装置[6]。

变电站自动化采用iec 61850标准
IEC 61850标准在世界各地越来越广泛地应用于变电站自动化。然而，这些传统的变电站自动化系统大多只利用IEC 61850中有关系统的站级和站级之间通信的能力。示例包括保护继电器、海湾控制器、SCADA网关和本地hmi之间的通信，如图1所示。到目前为止，根据IEC 61850第9-2部分和第8-1部分分别与工艺设备和智能开关柜建立直接通信的可能性仅在一些试验装置中实现。因此，变电站自动化系统最新研究工作的目标是进一步从最先进的传统架构向全数字化变电站迈进一步，其中整个变电站活动通过基于IEC61850的通信平台实现。

A.采用IEC 61850的最先进的变电站自动化系统
由于[4]令人兴奋的功能和技术优势，IEC 61850标准已引入变电站自动化系统;它得到了相当可观的赞助。如前所述，如图1所示，IEC 61850标准的最新实现仅限于站级和海湾级之间的通信。在传统方法中，变电站的自动化系统由多个ied组成，例如保护继电器和舱室控制设备，它们彼此连接，并通过站总线的通信网络与变电站网关和本地HMI连接。它被称为站总线，因为它连接变电站的所有设备。通信网络协议在IEC 61850-8-1[5]中定义。
然而，舱层和过程层之间的通信仍然是通过使用平行铜线的硬连线连接实现的。在这种架构下，需要过多的有线连接来连接工艺设备和箱体级设备。这只是因为从变电站的控制、保护和计量部分发出的众多信号中的每一个都必须由一对铜线连接，这对铜线将从过程设备一直连接到控制室的舱位级设备。因此，在使用传统结构的变电站安装过程中，单是布线就会带来巨大的成本。

B.使用IEC 61850标准的变电站自动化新通信体系结构
通过减少硬线连接实现变电站运行的完全自动化的需求导致IEC 61850的实施扩展到变电站自动化的过程级别。为了实现这一目标，IEC 61850-9-2现在正在工艺级别上实施，以便电流互感器(ct)、电压互感器(vt)和开关柜等工艺设备现在可以通过光纤网络与其他设备直接通信。自动化系统是通过引入另一种称为过程总线的通信网络来实现的。如图2[8]所示。在图2中，多个硬连线连接(如图1所示)被一根光纤电缆取代，形成一个完整的以太网变电站LAN。
在该自动化系统体系结构中，工艺设备包括可直接连接到通信系统的智能设备。
然而，智能设备的功能在很大程度上取决于初级设备的技术。最低规格是每个工艺设备必须包括一个根据IEC 61850标准的通信接口。
所使用的技术之一是通过直接连接到通信网络的远程I/O设备将开关设备(断路器和隔离器)连接到工艺总线。在这种实现中，每个常规开关柜都连接到分散的I/O单元，它们靠近开关柜。这减少了连接到开关设备的铜线的长度。因此，从每个工艺设备捕获的信息通过通信网络分布，以便多个ied可以共享来自开开柜的信号，而不需要编组箱。
最近的一种技术是将新的开关柜技术直接集成到开关柜中。例如，可以包括到使用伺服电机移动其触点的断路器的电子设备的通信接口。雷竞技网页版因此，通信接口可以直接连接到流程总线。
为了实现这种新的自动化系统技术[7]，还提出了各种其他的体系结构配置。

C.流程总线
IEC 61850变电站网络和通信标准第9-2部分提出，传统上硬连接到各种设备(如继电器、ied、仪表和SCADA)的电流和电压互感器输出可以数字化，并使用基于以太网的局域网(LAN)[8]与这些设备通信。在这个新系统中，处理总线是指基于光纤的以太网局域网环，它将这些数字化采样值传输到基站级设备。根据标准的规定，使用这种方法将要求仪表互感器(ct和vt)具有内置模数转换器(ADC)和生成采样值(SV)消息所需的适当数据格式化功能。对于不具备这些功能的常规仪表互感器，可以通过引入位于仪表互感器附近的合并单元来实现相同的功能，以便在主要设备的模拟信号和过程总线局域网之间架起桥梁。合并单元概念如图3所示。
如图4[8]所示，使用所提出的系统，可以通过简化的变电站框图更好地理解合并单元概念在变电站自动化系统中的实现。

建议的自动化系统模型
所提出的自动化系统模型的框图如图5所示。这是一个模块化的系统，其中合并的单元被视为组成系统的模块化对象。因此，对于典型的注入式变电站的33kV侧，模型中有五个合并单元，每个合并单元代表变电站的每个海湾(即1号海湾到5号海湾)的数据合并模块。注意，海湾4表示中心海湾也被称为总线耦合器。
模块化变电站自动化模型是基于IEC61850的变电站监控系统。如图5所示，变电站中的每个隔间都有一个合并单元，该合并单元可以通过IEC61850以太网连接连接到其他设备，如人机界面(HMI)、站控制器、差动保护和变电站内的其他隔间。该模型着重介绍了并网机组作为变电站自动化基本部件的功能，实现对机房的监控。在该模型中，合并单元作为单元控制元素，具有实时决策的内部能力，并与其他系统组件通信，以进行更高或替代决策。因此，符合IEC61850标准的总线提供了合并单元和以太网交换机之间的连接，用于数据连接。
合并单元是为了提供实时服务，以控制海湾。如图6所示，该海湾由三相供电线路和断路器组成，用于控制和保护目的。控制参数是每条线上感应到的电压和电流。
每条线路上都连接着一个电压传感器或传感器(VT)和一个电流传感器或传感器(CT)，用于检测流经线路的电压和电流。传感电压和电流信号然后被馈送到信号调理单元，在那里它们被放大或衰减、滤波等。这个调节过程使信号足够干净，并以适当的形式供下一阶段处理。
此外，来自每一行的条件信号被多路复用(通过2行到1行多路复用器)并传递到数字化过程中，在那里它们被采样并转换为它们的数字形式。然后将数字化的信号合并成一组数据，并传递到数据处理和计算单元进行决策。
因此，每个合并单元需要执行的基本功能总结如下:信号多路复用、模拟到数字转换、数据合并、数据处理、数据采集、协议转换、通信、过流保护和海湾控制

系统数学模型的建立
在本小节中，我们将逐步分析系统的数学模型是如何推导出来的。这里的目标是确定参数之间的数学关系，使我们能够使用所提出的合并单元模型对变电站系统进行有效和可靠的监测和控制。这些参数只是变电站中使用的电流和电压传感器所感知的电流和电压，其值可用于确定在任何特定时间采取何种控制或保护措施。

信号流分析
图7显示了从线到合并单元内的处理和计算单元的信号流。假设Ø是电流传感器感知到的电流输出，ϴ是电压传感器(VT)的电压输出，那么对于每一行(a, B和C)的输出表示为:
线路A:电压= ϴA电流= ØA - - - - - - - (1)
图像
因此，式(17)表示了柜的完整电压和电流参数行为，可用于有效地监测、控制和保护柜级变电站。
值ȠADC取决于一个因子n =数字化模数转换器(ADC)的位数，它定义了相对于输入信号范围的输出数字值的分辨率。换句话说，分辨率定义了数字值等价如何准确地表示模拟信号值。因此，ȠADC由以下因素决定:
图像
图像

B合并单元设计框图概述
图8显示了一个详细的合并过程和围绕合并单元的数据流。首先，数字化的值被传递到一个数据分组单元，在那里它们被分为电流组和电压组。
电流和电压数据组分别进行预处理并传递给处理、测量和采集单元，在该单元中对数据进行处理、测量和存储。电流数据组也直接馈送到过电流保护单元，用于由预先设置的内部设置确定的实时临界响应。过电流保护单元可以通过线路断路器(CB1、CB2和CB3)向测量和处理单元发送和接收控制信息，以实现有效的槽切换。
最后，合并单元通过其符合IEC61850标准的总线与其余系统组件通信，这使得通过协议转换器传递数据成为可能。这种转换是必要的，因为大多数设备的输出使用其他终端技术，如推荐标准(RS-232)串行总线、串行外围接口(SPI)、互连集成电路(I2C)等。

结论
本文概述了变电站自动化系统中实现合并单元设计的常规方法，提出了一种具有内置保护和控制功能的改进合并单元模型。为可能的软件仿真，提出了合并单元模型的数学模型。

未来的工作
在理论上建立了合并单元模型后，我们寻找相关的仿真工具，使我们能够实现该模型并产生切实可信的结果，以验证我们的工作成果。我们尝试使用的各种软件工具包括MATLAB和Simulink [9]， ETAP 12.0.0 Demo (Students Edition)， Proteus[10]等。我们面临的主要挑战是，没有一个仿真软件可以完全模拟整个系统。因此，为了模拟整个系统，必须寻求和部署更健壮的软件解决方案。另一个建议是考虑将两个或多个模拟软件包连接起来，并处理可能出现的同步问题。然而，我们目前正在研究一个实际的演示模型，作为一个临时系统，它可以用来实施我们的设计，并生成评估我们提议的变电站自动化系统所需的数据。

数字一览


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图1 图2 图3 图4
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图6 图7 图8 图9

参考文献











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