من المحطات الفرعية التقليدية إلى المحطات الفرعية الذكية

“تربط المحطات الفرعية مستويات الجهد المختلفة وتشكل رابطًا مهمًا بين النقل والتوزيع والاستهلاك. تعمل المعدات الرئيسية مثل محولات الطاقة وقواطع الدائرة الكهربائية وقواطع الدائرة الموجودة في وحدات تبديل المحطات الفرعية على حماية وإدارة طاقة الشبكة. عادة ما تكون الأجهزة المساعدة مثل المرحلات الواقية والأجهزة الطرفية بعيدة عن محطة التبديل في لوحة غرفة التحكم لحماية الأجهزة الرئيسية والتحكم فيها ومراقبتها.

“

كاليكوبا سرينيفاسا
هندسة النظام ، تكساس إنسترومنتس

تركز شركات الطاقة على الطاقة الخضراء ، وتحسين الكفاءة واعتماد تقنية الشبكة الذكية ، ويتم ترقية المحطات الفرعية التقليدية إلى محطات فرعية رقمية.

تربط المحطات الفرعية مستويات الجهد المختلفة وتشكل رابطًا مهمًا بين النقل والتوزيع والاستهلاك. تعمل المعدات الرئيسية مثل محولات الطاقة وقواطع الدائرة الكهربائية وقواطع الدائرة الموجودة في وحدات تبديل المحطات الفرعية على حماية وإدارة طاقة الشبكة. عادة ما تكون الأجهزة المساعدة مثل المرحلات الواقية والأجهزة الطرفية بعيدة عن محطة التبديل في لوحة غرفة التحكم لحماية الأجهزة الرئيسية والتحكم فيها ومراقبتها.

قياس المعلمات الكهربائية في المحطات الفرعية التقليدية

محولات الأدوات التقليدية مثل المحولات المحتملة (PTs) والمحولات الحالية (CTs) تقيس الجهد العالي والتيار المتدفق عبر الجهاز الأساسي. تربط الأسلاك النحاسية الإخراج التناظري للمحول بالأجهزة المساعدة ، ويزداد عدد الأسلاك النحاسية اعتمادًا على التطبيق.

يوضح الشكل 1 CTs و PTs المستقلة للحماية والتحكم والمراقبة ، مما يعقد التثبيت والصيانة نظرًا للكمية الكبيرة من الأسلاك النحاسية ، ويؤدي إلى ارتفاع التكلفة المحتملة للفشل. بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام محولات متعددة يجعل القيم الرقمية للتيار والجهد الأساسي داخل الجهاز مختلفة ، مما يحد من أداء النظام وموثوقيته.

تحل المحطات الفرعية الرقمية محل مئات (أحيانًا آلاف الأمتار) من الأسلاك النحاسية بين ساحات التبديل والأجهزة الإلكترونية الذكية (IEDs) ببعض كابلات الألياف الضوئية. تستخدم المحطات الفرعية الرقمية التي تتواصل باستخدام كبلات الألياف الضوئية محولات أدوات تقليدية أو غير تقليدية (NCITs) ووحدات دمج لرقمنة البيانات المتعلقة بمعلمات العملية التي يتم قياسها. يؤدي استخدام كميات أقل من النحاس إلى جعل المحطات الفرعية الرقمية أبسط وأكثر إحكاما وفعالية.

محطة فرعية رقمية

تعد المحطة الفرعية الرقمية جزءًا من نظام ثانوي يتضمن جميع أنظمة الحماية والتحكم والقياس ومراقبة الحالة والتسجيل والإشراف المتعلقة بالعملية الرئيسية.

الشكل 2. هندسة المحطات الفرعية الرقمية

هندسة المحطات الفرعية الرقمية

وفقًا لتعريف معيار اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) 61850 ، تشتمل بنية المحطة الفرعية الرقمية على ثلاثة مستويات: مستوى العملية ومستوى الخليج ومستوى المحطة ، كما هو موضح في الشكل 2.

يؤدي كل مستوى وظيفة محددة ، وتعمل التطبيقات معًا لأداء وظائف الإسقاط الرقمي.

تتضمن مرحلة العملية محولات الطاقة ومحولات الأجهزة وأجهزة التبديل.

مستوى العملية هو الواجهة بين الأجهزة الأولية والثانوية (الحماية والتحكم). في المحطات الفرعية التقليدية ، تكون الواجهات متصلة بكابلات نحاسية ، ويتم تمرير التيار والجهد إلى لوحات الحماية والتحكم بمستويات إشارة مساعدة قياسية مقبولة ، بينما ترسل كبلات التحكم معلومات الحالة وتستقبلها. في محطة فرعية رقمية ، يتم رقمنة جميع البيانات – التناظرية والثنائية – بالقرب من مصدر الإشارة وإرسالها إلى العبوات الناسفة عبر كابلات الألياف البصرية باستخدام بروتوكول IEC 61850-9-2.

يشمل مستوى الحاوية الأجهزة المساعدة أو العبوات الناسفة مثل أجهزة التحكم في الخليج ومرحلات الحماية ومسجلات الأعطال وعدادات الكهرباء. لم تعد العبوات البدائية الصنع تحتوي على مدخلات تمثيلية لأن الحصول على البيانات يحدث على مستوى العملية. كما أن الجمع بين المدخلات يقلل أو يلغي الحاجة إلى المدخلات الثنائية ، مما يتيح للأجهزة المدمجة التي تشغل عادة نصف البصمة التقليدية. يتعامل جهاز IED مع خوارزميات الحماية والتحكم والمنطق ، ويتخذ قرارات الرحلة / عدم الرحلة ، ويوفر إمكانات اتصال تستند إلى IEC 61850 لشبكة إيثرنت منخفضة (عملية) وأعلى (محطة). يعد التكرار في شبكة الاتصالات مطلبًا نموذجيًا لضمان أقصى قدر من التوافر والموثوقية. معياران من معايير IEC 62439 – التوفر العالي السلس (HSR) وبروتوكول التكرار المتوازي (PRP) – يسهلان التشغيل البيني للعبوات الناسفة المرتجلة والتكامل من بائعين مختلفين في شبكات المحطات الفرعية.

يتضمن مستوى المحطة أجهزة كمبيوتر فرعية ومفاتيح إيثرنت وبوابات. بالإضافة إلى ناقل التحكم الإشرافي التقليدي والحصول على البيانات (SCADA) ، يوفر ناقل المحطة الفرعية إمكانات اتصال إضافية لأنه يسمح للعديد من العملاء بتبادل البيانات ؛ ويدعم اتصال الجهاز من نقطة إلى نقطة ؛ وروابط إلى بوابات للمحطة الفرعية على نطاق واسع -الاتصالات. يمكن أن تشتمل الأجهزة على مستوى المحطة على واجهات المحطات الفرعية بين الإنسان والآلة (HMIs) ، ومحطات العمل الهندسية التي يتم الوصول إليها بواسطة العبوات الناسفة أو المركزية المحلية وأرشفة بيانات نظام الطاقة ، وبوابات SCADA ، وارتباطات الخادم الوكيل أو وحدات التحكم بوحدات HMI البعيدة.

قياس المعلمات الكهربائية بخلايا الدمج

تقوم وحدة الدمج بتحويل خرج محول الجهاز إلى إخراج بيانات قياسي قائم على Ethernet وتنفذ IEC 61850.

في محطة فرعية رقمية ، بدلاً من توصيل مخرجات المستشعر بأجهزة الحماية والتحكم على مستوى الخليج ، يتم وضع وحدة الدمج بالقرب من المستشعرات المتصلة بالجهاز الرئيسي على مستوى العملية.

تقوم وحدة الدمج بتحويل الإشارات التناظرية (الجهد ، التيار) إلى قيم عينات بناءً على IEC 61850-9-2 للحماية والقياس والتحكم ، وتتواصل مع العبوات الناسفة في المحطة الفرعية من خلال الاتصال الرقمي ، كما هو موضح في الشكل 3. تتضمن بعض وظائف وحدة الدمج الرئيسية التحويل التناظري إلى الرقمي ، وإعادة التشكيل ، والمزامنة مع قاعدة زمنية عالمية ، وتحويل العينة إلى بروتوكول IEC 61850-9-2 والتواصل مع العبوات الناسفة باستخدام واجهة إيثرنت الألياف البصرية.

تقوم وحدة الدمج بإجراء المعالجة اللازمة لتوليد دفق بيانات إخراج دقيق ومتوافق مع الوقت لقيم العينة وفقًا لمعيار IEC 61850-9-2. تتضمن هذه المعالجة أخذ عينات من القيم التناظرية ، ومراجع دقيقة في الوقت الفعلي ، وتنسيق الرسائل في قيم عينات ، ونشر مصدر واحد للبيانات إلى أجهزة القياس والحماية والتحكم.

التحديات الرئيسية في تصميم خلايا الدمج

هناك تحديات مختلفة في تصميم الخلايا المدمجة. تشمل بعض التحديات الرئيسية التي تؤثر على الهندسة المعمارية والأداء ما يلي:

• حدد ADCs التي تقيس معدل العينة وتزامن أخذ العينات مع مرجع توقيت عالمي دقيق.

• قم بتوصيل ADCs متعددة بالمعالج الرئيسي والتقاط البيانات في الوقت الحقيقي لزيادة عدد قنوات الإدخال التناظرية.

• التقاط العينات في الوقت الحقيقي لتلبية متطلبات أخذ العينات للقياس والحماية.

• استخدام اتصال إيثرنت مع واجهة الألياف البصرية.

• ينفذ بروتوكول اتصال وفقًا لـ IEC 61850-9-2 ويتيح توصيل البيانات التي تم أخذ عينات منها إلى عدة مستخدمين دون فقدان الحزمة.

• اجعل مجموعة البروتوكولات متاحة لتنفيذ البروتوكولات الزائدة عن الحاجة بما في ذلك HSR و PRP ومزامنة الوقت بناءً على معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) 1588 Precision Time Protocol (PTP).

• تنفيذ العديد من المداخل / المخارج ، بما في ذلك المدخلات الثنائية (16 أو أكثر من المدخلات) ، والتي تغطي مدخلات AC و DC واسعة ومدخلات ومخرجات مستشعر التيار المستمر ، مع خيارات التوسيع.

• التشغيل الموثوق به في بيئات ساحات التبديل القاسية ذات فترات انتقالية عالية ودرجات حرارة محيطة عالية ومجالات مغناطيسية.

معالجة تحديات تصميم خلية الدمج

تساعد الدوائر المتكاملة والتصميمات المرجعية من Texas Instruments المصممين على مواجهة هذه التحديات. يوضح الشكل 4 الكتل الوظيفية في وحدة الدمج.

تشتمل وحدة الدمج على عدد من الأنظمة الفرعية ، الموصوفة أدناه ، والمتصلة ببعضها البعض لأداء وظائف تحجيم / اكتساب الإشارة ، والمعالجة ، والاتصالات. تعمل الميزات والإمكانيات الفريدة لأجهزة Texas Instruments الموصى بها (بين قوسين) على تبسيط اختيار المكونات الهامة وتقليل جهد التصميم.

• تتصل وحدة المعالج (باستخدام AM3359 أو AM4372 أو AM5706 أو AM6548) بـ ADC باستخدام النظام الفرعي للاتصالات الصناعية لوحدة الوقت الفعلي القابلة للبرمجة (PRU-ICSS) وتتضمن معالج إشارة رقمي (DSP) أساسي لمعالجة المعلمات الكهربائية والخوارزميات و نظام المعالجات الفرعية Arm® Cortex®-A15 الفرعي للاتصالات الخارجية وواجهة المستخدم وتنفيذ بروتوكول اتصال المحطة الفرعية.

• واجهة إيثرنت (DP83822 ، DP83840) باستخدام كبل الألياف الضوئية أو الأسلاك النحاسية لمضيف باستخدام واجهة الوسائط المستقلة (MII) أو التوقيت المبسط MII والمدعوم بالأجهزة IEEE 1588 PTP لمزامنة الاتصالات بسرعة 100 ميجابت في الثانية.

• التيار المتردد / التيار المستمر (باستخدام UCC28600 ، UCC28740 ، UCC24630) مدخلات واسعة ، وكفاءة عالية ، وإمدادات طاقة تعتمد على المعدل المتزامن.

• شجرة طاقة DC / DC (باستخدام LMZM33604 ، TPS82085) ، والتي تتضمن وحدات طاقة عالية الكفاءة ذات حجم صغير ، ومحث متكامل و> 2-A تحميل الحالي ، واستجابة عابرة سريعة وتداخل كهرومغناطيسي عالي الجانب وانخفاض (EMI) بسبب محاثات FET منخفضة الجانب.

• إنهاء الذاكرة (باستخدام TPS51200 ، TPS51116) باستخدام مصدر متوافق مع JEDEC أو معدل بيانات مزدوج (DDR) منتهي LDO أو جهاز إدارة طاقة DDR متعدد الإمكانات مع وحدة تحكم باك متزامنة ، LDO ومرجع مخزَّن.

• وحدة إدخال تناظرية AC (باستخدام OPA4188 و THS4541 و ADS8588S و ADS8688 و AMC1306x) بما في ذلك جهد التيار المتردد ومدخلات التيار للحماية والمراقبة والقياس. يقيس مضخم الكسب إخراج المستشعر إلى نطاق إدخال ADC. يكتسب سجل التقريب المتتالي الدقيق بدقة 16 أو 18 أو 24 بت أو delta-sigma ADC عينات بمعدل عينة 80 أو 256 (أو أعلى) لكل دورة ، باستخدام تزامن الكتلة النبضة في الثانية أو بين النطاق مرجع زمني عالمي.

• إدخال تناظري DC أو وحدات RTD (ADS1248، ADS124S08) للجهد المستمر ثنائي الاتجاه أو أحادي الاتجاه أو عملية التحكم الحالية للاتصال عن بعد بين الأجهزة. تعمل دقة 24 بت delta-sigma ADC على تحسين نطاق القياس والدقة.

• وحدات الإدخال الثنائية (ADS7957 ، ISO7741 ، ISOW7841) لمراقبة البطارية ، وتوفير التداخل بين الأجهزة والإشارة إلى تغييرات التكوين والحالة. مقارنةً بالتصاميم المستندة إلى optocoupler- و Zener-diode ، تعمل ADC والبنى القائمة على المعزل الرقمي على تحسين دقة القياس وتقليل تعقيد الدائرة بسبب قلة المكونات.

• مرحل أو وحدة إخراج رقمية عالية السرعة (باستخدام TPS7407 ، DRV8803) لتشغيل الإنذار وقاطع الدائرة الخارجية.

• حماية على اللوحة للمدخلات التناظرية ضد العابرين (باستخدام TVS3300 أو TVS3301) والتشخيصات على مستوى اللوحة (باستخدام HDC2010 و TMP423 و TMP235) لقياس درجة الحرارة المحيطة / الرطوبة لتعويض انحراف القياس.

ترتبط وحدة الدمج بأنواع مختلفة من محولات القياس ، بما في ذلك محولات الأجهزة التقليدية ، ومحولات NCIT (مثل محولات التيار البصري) أو Rogowski للتيارات ومحولات الجهد السعوي المقاومة (RCVTs) للجهد. يوفر NCIT المتصل بوحدة الدمج ، الموضحة في الشكل 5 ، خيارات لقياس الدقة والحماية والتحكم لجهاز واحد. تقلل تقنية NCIT من حجم المحول ووزنه ، مما يوفر المساحة والتكلفة.

تقدم NCIT:

• دقة قياس محسنة مع نطاق ديناميكي واسع من تأثيرات المستشعر غير المشبعة.
• دقة أكبر عند قياس التوافقيات والتوافقيات.
• زيادة السلامة بسبب تقليل مخاطر الانحناء الداخلي وأعطال الدائرة المفتوحة الثانوية.

ختاماً

تعتبر وحدات الدمج مكونات أساسية للمرافق للانتقال من المحطات الفرعية التقليدية إلى المحطات الفرعية الرقمية. إنه يبسط تعقيد التثبيت عن طريق تقليل عدد الأسلاك النحاسية ويحسن دقة القياس لأنه مركب بالقرب من الجهاز الرئيسي. يمكن أيضًا توصيل وحدة الدمج بـ NCIT. تعد NCIT أكثر أمانًا وأصغر حجمًا وأكثر دقة ولديها نطاق قياس أوسع وتكلفة أقل. تعمل واجهة اتصالات الألياف البصرية على زيادة مقاومة التداخل الموجود في ساحة التبديل ، مما يقلل من حالات فشل الاتصال.

تشتمل مزايا الوحدات المدمجة الأخرى على إطالة عمر الجهاز الأساسي وزيادة موثوقية الجهاز الأساسي وتوافره. تساعد منتجات Texas Instruments ، التناظرية ، والطاقة ، والواجهة ، وتسجيل الوقت ، والمعالج المدمج ، والوظائف والتصاميم المرجعية في دمج مصممي الخلايا على تقليل الجهد وتحسين التكلفة.