Robust Phasor Ölçüm Sistemleri Harsh Çevreleri için Tasarım

Phasor Ölçüm Birimlerini Anlamak

Phasor Ölçüm Birimleri (PMU), elektrik dalgaformları yüksek hızda bir güç şebekesinde ölçen ve kesin zamanlı senkronizasyon ile uyumlu hale getirme işlemine olanak sağlayan özel cihazlardır.In Computing senkronizasyon - büyüklük ve faz gerilimi ve mevcut - ikinci başına 30 ila 120 örnek, PMU'lar, farklı konumlardan elde edilen ölçümler için gerçek zamanlı bir mikrosaniye içinde ölçümler sağlar.Bu veriler, güç akışlarını tespit edebilir ve milisaniyeler içinde doğru eylemleri başlatılır.

Ancak, senkronizasyonun vaadi tamamen güvenilir donanım ve sağlam yazılımlara bağlıdır. Uygulamada, birçok PMU'lar iklim kontrollü kontrol odalarından uzaklarda - dışsal alt istasyonlarda, aktarma kuleleri, yakın endüstriyel yüklere veya uzaktan yenilenebilir nesil sitelere yol açabilir.Bu sert ortamlar, ölçüm, hasar bileşenleri veya tam sistem başarısızlığına neden olur.Bu tür hataların maliyeti yüksek: inaccurate data can lead to correct operator decisions, cascade into blackouts, or hurt expensive networks.

PMU'lar için bir Harsh Ortamı Ne Tanımlar?

“harsh ortamı” terimi, geniş bir koşullar yelpazesini kapsar. Bir Arktik alt istasyonda kullanılan bir PMU, çöl güneş çiftliğinde veya bir offshore rüzgar platformunda bulunan birinden tamamen farklı zorluklarla karşı karşıyadır.

• [FONT:0]Temperature Extremes:[Dönetici:[Dönetici: 0,40 °C'den +85 °C veya ötesinde ortaklar, düşük elektrolizli kapasitörler ve kristal osilatör frekanslarını değiştirir.
• [FONT:0]Humidity ve Condensation:[Dönetici: 1) Yüksek nem, bağlantıların ve baskılı devre kurullarının korozyonuna yol açıyor. Hızlı soğutma sırasında Condensation kısa devre dışı elektronik olabilir.
• [FONT=0]Vibration ve Shock: [Dönder: Sürekli vibrasyon dönüştürücülerden, devre kesicilerden veya yakın dönen makine, yüksek çözünürlükte meydana gelen plastik parçaları kırabilir. Seismic events veya patlayıcı atmosferler yüksek derecede sert şoklar yaratır.
• [FONT:0]Electroman Interference (EMI): [DFLT:1), Yüksek gerilim geçiş noktaları, yakın iletim hatları ve güç elektronikleri, ölçüm devrelerine çift olan güçlü elektrik ve manyetik alanlar üretir. Radiated emisyonları radyo vericilerinden veya yıldırım grevlerinden elde etmek için ekstra tehditler.
• [FONT:0)Corrosive ve Particulate Contamination:[Döntgenlik: 1) Tuz spreyi kıyı tesisatlarına yakın, sulfur-hexafluoride (SF6), gaz kaynaklı alt istasyonlarda ürün veya çöl fırtınalarından toz muhafaza edebilir.
• [FONT=0)Power Supply Fluctuations:[Dönetici:[Dönetici:0)Power Supply Supply Fluctuations:[Dönetici:0)[Dönemli olmayan ağ gerilimi, frekans varyasyonları ve geçici dalgalanmalar yaygındır. Uzak alanlarda, güç dizel jeneratörlerden veya batarya bankalarından fakir yönetmeliklerle gelebilir.

Tasarım sırasında bu faktörlerin herhangi birini görmezden gelmek sistem güvenilirliğini azaltır ve garanti veya sertifikasyonu engelleyebilir.Gerçekten sağlam bir PMU, amaçlanan dağıtım ortamının hayatta kalması için zeminden mühendisi olmalıdır.

PMU Donanım ve Yazılımda Eleştirel Vulner Yükümlülükler

Sağlam sistemleri tasarlamak için, biri öncelikle geleneksel PMU'ların stres altında başarısız olduğunu anlamalıdır. Aşağıdaki alt bölümler en yaygın başarısızlık noktaları detaylandırır.

Termal Stres ve Kompozeasyon Degradasyon

Örneğin, zaman koruma için kullanılan tipik bir kristal osilatör, 50 °C aralığındaki birkaç parça ile frekans değiştirebilir. tazminat olmadan, bu sürüklenme doğrudan faz hatasına dönüşür - doğrulamanın 0.0 °C olarak belirtilen senkronizasyonda belirtilen senkronizasyonu hızlandırabilir.

Mekanik Şok ve Fatigue

Yüzeysel bileşenler özellikle vibrating substations ve terminal bloklarında birkaç ay sonra başarısız olabilir ve büyük elektroliz kapasitörler ısıtıcıların ağırlıkları ve transformatörler mekanik yüklere yol açabilir.

Elektromanyetik Interference ve Signal Integrity

PMU'lar çok yüksek doğrulukta gerilim ve mevcut ölçüyü ölçmek zorundadır (tipik olarak% 0.1 toplam vektör hatası veya daha iyi). Dış manyetik alanlar bitişik otobüs veya güç kabloları, bir laboratuvarda kalibrasyona neden olabilir, ancak gerçek EMI'den gelen frekanslarda başarısız olur.

Güç Kaynağı Instability ve Grid Disturbances

Birçok PMU’lar aynı gerilim transformatörlerden yardımcı güçlerini elde ederler. Ağ üzerindeki bir hata - bir gerilim bilgesi, swell veya anlık kesinti gibi - PMU'nun güvenilir veriler en çok ihtiyaç duyduğunda doğruluklarını sıfırlamasına veya kaybetmesine neden olabilir. Zavallı güç faktörü veya harmonik bozulmalar da iç DC-DC dönüştürücüleri etkileyebilir, gürültüyü ölçmek için yol açabilir.

Robust PMU Systems için tasarım ilkeleri

Tanımlanmış açıklarla mühendisler, PMU tasarımlarını zorlaştırmak için kanıtlanmış stratejiler uygulayabilirler. Aşağıdaki ilkeler her aşamada uygulanır - bileşen seçiminden bilgisayar mimarisine kadar.

Rugged Enclosure Design and Material Selection

Koruma ilk savunma hattıdır. Dış mekan kurulumları için, muhafazalar en az IP66 (IP) derece ısıtımı ve güçlü su jetlerine karşı koruma sağlarlar ve tercihen NEMA 4X for korozyon direnci ile malzeme için, 316L paslanmaz çelik veya toz destekli alüminyum gibi malzemeler, hem de ısıtımı için dayanıklı ısıtılması için gerekli olan ısıtılması gerekir.

Gelişmiş Termal Yönetim Yönetimi

Pasif soğutma güvenilirlik için tercih edilir, ancak son derece sıcak ortamlarda aktif çözümler gerekli olabilir. Seçenekler şunları içerir:

• [FONT:0) ⁇ arayüz malzemeleri (TIMs)), yüksek termal iletkenlik (≥ 5 W /m·K) şasi ile ısı transferini artırmak için.
• [FONT:0)Phase değişim malzemeleri (PCMs)) ısıyı ısınır ve ısındığında serbest bırakır.
• [FONT:0]Thermoelektrik soğutucuları (TECs)), ADC veya osilatör gibi hassas parçaların hassas sıcaklık kontrolü için, karmaşık ve güç tüketimi ekler.
• [FONT:0)Integral ısıtıcılar [[Döneticileri için soğuk ortamlar için iç sıcaklığı minimum işletim eşinin üzerinde tutmak, kondensasyon önlemek ve osilatör sıcak-up sağlamak için).

Tüm termal elementler beklenen mekanik stresleri hayatta kalmak için tasarlanmıştır - örneğin, fanlar top taşımalarla endüstriyel sınıftan bağımsız olarak yüksek hacimli alanlarda kaçınılmalıdır.

Elektromanyetik Uyumluluk (EMC) Tasarım

Robust EMC sistem mimarisi seviyesinde başlar. Analog ve dijital bölümler, opto çiftleri veya izolasyon dönüştürücüleri kullanarak galvanik olarak izole edilmelidir.Straksiyon kanallarını (muhtemelen potansiyel dönüştürücüler aracılığıyla) ve mevcut (şimdiki dönüştürücüler) anti-aliasing filtreler ve dalgalanmaları içermelidir (örneğin, gaz deşarj tüpleri, TVS diyotları). Shielding çoklu düzeylerde uygulanır:

• [FONT:0)Enclosure kalkanı:[Dönetici:[Dönetici:0) Bir servo kafesi bir iletken metal muhafaza biçimidir. Denizms ve açılışlar (örneğin, bağlayıcılar için) elektromanyetik mühür tutmak için iletken gazketleri kullanmalıdır.
• [FONT:0)Internal kalkaning:[Döneticileri:[Döneticileri) Hassas analog bölümler, muhafaza içinde ikincil bir kalkan bölmede bulunabilir. Güç tedariki ve dijital işleme için ayrı odalar darbeyi önler.
• [FONT:0) Direktif:[Dönetici:[Dönder:) Ferrite beads ve ortak mod tüm I / O kablolarda (güç, Ethernet, seri) EMI'yi bastırdı.

Tasarımlar, IEC 61000-4-2 (örneğin, 15 veya CISPR 32) gibi standartların ön saflaştırılması gerekir. EMC tasarım uygulamaları için iyi bir referanstır.

Güç kalitesi ve şartlandırma

No PMU, güç tedarikinin zayıf olup olmadığını sağlam olabilir. İç güç kaynağı geniş bir giriş aralığı (örneğin, 90-300 VAC veya 24-250 999) ve diplere tahammül etmek için tasarlanmıştır. Anahtar özellikler şunlardır:

• [FONT:0)Uninterruptible power Supply (UPS)) Kurulta - genellikle süper kapasitek veya küçük bataryaları kısa kesintiler yoluyla sürmek için kullanıyor (en azından 10 ms tipik bir gerilim bilgesini örtmek için).
• DC-DC dönüştürücüler sıkı çıkış yönetmeliği ile (< 1 % ripple) analog ve dijital rayları ayrı tedarik etmek için.
• [FONT=0)Transient gerilim baskılayıcıları (TVSS) hem AC hem de DC girişlerinde.
• [FONT:0) Yönelme kilitleme[[Dönetici: 1) Kontrol hataları veya yozlaşmış hafızaya neden olabilecek marjinal koşullardan devre dışı bırakmak.

Reddans ve Fault

Görevkli kritik ağ uygulamaları, tek bir başarısızlık noktası kabul edilemez. Reddancy birkaç seviyede uygulanabilir:

• [FONT=0) Zaman kaynağı kırmızı: [Dönetici:[Dönetici:0) PMU birden fazla senkronizasyon kaynağı desteklemeli (GPS, GLONASS, Galileo, veya IRIG-B yedek bir master saatinden kaynaklanır). Otomatik şarjlar arasında sürekli zaman doğruluk sağlar, bir uydu takımyıldızları bile.
• [FONT=0)Power tedariki (CFONT)[Dönetici: 0 3) veya N + 1) modüller için sıcak-swap kapasiteleri ile. bağımsız kaynaklardan çift güç girişi (örneğin istasyon bataryası ve ayrı AC feed) hata toleransı sağlar.
• [FONT:0) İletişim yolu kırmızı: Çift Ethernet limanları başarısız olan (örneğin RSTP) ve seri iletişim için yedekleme desteği.
• [FONT:0)Hot-swappable PMU modülleri:) PMU'nun birden fazla ölçüm modülü varsa, biri diğerleri çalışmaya devam ederken bakım için kaldırılabilir - canlı alt istasyonlar için kritik.

Firmaware ve Software Resilience

Donanım sadece sağlamlığı garanti edemez. Firmaware şunları içermelidir:

• [FONT=0)Watchdog zamanırs[Dönetici ve dış) kilitleri tespit etmek ve bir sistemi bilinen iyi bir duruma geri dönmek için bir sistem sıfırlamak için.
• [FONT:0)Error-korrecting code (ECC)[Dönetici: 1) hafızada (RAM ve flaş) tek bir olasılık radyasyon veya elektrik gürültüsünden rahatsız edici olmasını engellemek için.
• [FONT:0)Graceful deme:[Dönetici olmayan bir bileşen başarısız olursa PMU, verileri tamamen durdurmadan ziyade uygun bir kaliteli bayrakla raporlamaya devam etmelidir.
• [FONT:0)Kendi-diagnostics ve sağlık izleme: Sürekli güç kaynağı gerilimi, sıcaklık, osilatör sürüklenme ve iletişim bağlantı bütünlüğüne göz atabilir. Sonuçlar gerçek zamanlı olarak ağ operatörlerine rapor edilebilir.
• [FONT:0)Güvenli Yazılım Güncellemeleri[Dönetici:0)[Döneticileri değiştirmiş olan geri dönüşüm yeteneği ile birlikte.

Test ve Geçerlilik Yöntemleri

Sertlik için tasarım titiz test olmadan kırılgandır. Üreticiler, yaşam testleri ve stres ekranlarını hızlandıracak prototiplere tabi olmalıdır. Ortak yöntemler şunları içerir:

• [FONT:0) Yüksek derecede Acelerated Life Testi (HALT)) - adım enstressing sıcaklık (-50 °C'den +125 °C)) vibrasyon (daha fazla G'ye kadar), ve gerilim sınırları erken tasarım zayıflıklarını ortaya çıkarmak için.
• [FONT:0) Yüksek derecede Acelerated Stres Ekranlama (HASS)) - bebek ölüm kusurlarına yönelik üretim birimlerine uygulanır.
• [FONT:0)Environmental oda testleri [DÜT:1] uzun süre sıcaklık uçlarına, nem (kondensasyon döngülerine) ve tuz fog.
• [FONT=0]Vibration test[[[DÜDÜT:1], IEC 60068-2-6 (sinusoidal) ve IEC 60068-2-64 (gün) beklenen yaşam süresi için alt istasyon veya rüzgar türbinlerinde.
• [FONT:0]EMI/EMC testi[Dönetici: 1 ) IEC 61000 ve CISPR standartlarına uygun olarak onaylanmış laboratuvarlarda kullanılabilir.
• [FONT=0) Uzun vadeli stabilite testleri [[Dönetici: 1 ) (e.g., 30 günlük ölçümler sıcaklık bisikleti altında) faz açısı ve büyüklüğü doğrulukta kaymak için.

IEEE standart C37.118.1, PMU'nun “P” (koru) veya “M” (measurement) sınıf gereksinimlerinin sürekli olarak geçerliliğini ve dinamik koşulları altında olduğunu doğrulaymalıdır.

Vaka Çalışmaları: Aşırı Koşullarda Gerçek Dünya PMU Deployments

Başarılı dağıtımları incelemek, bu tasarım ilkelerinin pratikte nasıl çalıştığını göstermektedir.

Arctic Substation

Kuzey Kanada'da 345 kV alt istasyonu bulunan büyük bir fayda, kışın sıcaklıkların 45 °C'ye düşmesi nedeniyle ayda başarısız oldu - 55 °C. Operasyondan sonra yeniden tasarlanmış PMU, bir askeri-grad kristal fırın ( +65 °C) ve ısıtıcılar muhafaza içilirdi.

Offshore Wind Platform

Kuzey Denizi'ndeki bir deniz rüzgar çiftliğinde PMU'lar her tür bir enerji kalitesini ve ağ uyumluluğunu izlemek için gerekliydi. Çevre yüksek nem (yüzde 98 R), tuz spreyi, her saat boyunca sürekli vibrasyon ve bakım için sınırlı bir erişim sağladı. üç yıl sonra, sadece iki modül gerekli olan paslanmaz çelik donanıma sahip, uygun bir güç malzemeleriyle birlikte, türbinin DC bağlantılarından beslenmeye alındı.

Desert Solar Installation

Arizona'da 500 MW güneş bitkisinde PMU'lar, yüksek dış ısı parçalarına yerleştirildi ve toz girişinin öngünde 55 °C'nin altında kalan ısılar % 70 °C'nin altında kaldı.

Gelişen Teknolojiler ve Gelecek Yollar

Bir sonraki PMU’ların nesli, daha sağlamlığı artırmak için malzemelerden ve yöntemlerden yararlanacaktır:

• [FONT:0)Wide bandgap yarı iletkenleri (SiC, GaN)) Daha yüksek eklem sıcaklıklarında (200 °C +) daha yüksek ısıtılabilir ısı gereksinimlerinin ısıtılması. daha yüksek hız frekansları da daha kompakt güç malzemeleri sağlar.
• [FONTD:0)Optical sensörler[[Dönetici:0)[Dönetici:0) Optimal sensörler[Dönetici:0) Optik mevcut sensörler) yüksek gerilime, yalıtım ve EMI endişelerini azaltmak ve manyetik alanlara doğal olarak bağışıklık sağlar ve sürüklenmeden geniş bir sıcaklık aralığı üzerinde çalışabilirler.
• [FONT=0)Edge Bilgisayar ve AI[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSTR:0)Edge Bilgisayar ve AI[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSTRİYE), yerel teşhisleri gerçekleştirmesine ve hatta kesinti başarısızlıkları tahmin etmesine izin verir - e.g., iç sıcaklık, gerilim dalgalanmaları veya faz gürültüleri analiz ederek bu zekayı manuel muayene ihtiyacını azaltır ve koşul temelli bakım sağlar.
• [FONT=0]Wireless senkronizasyon alternatifler [Dönetici: 0,4] Beyaz Tavşan (WR) fiber veya IEEE 1588v2 (Precision Time Protokolü) telli Ethernet üzerinde mikrosaniyesel doğruluk sağlayabilir, yeraltı alt istasyonlarda veya bölgelerde fakir uydu görünürlüğünde avantaj sağlar.

Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuarı PMU veri arşivi) gibi ulusal laboratuvarlardan araştırma, daha fazla donanım ve algoritmaların geliştirilmesini sağlayan değerli alan verileri sunmaya devam ediyor.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Sert ortamlar için sağlam fasor ölçüm sistemleri tasarlamak, sadece “endüstriyel sınıf” bileşenlerinin ötesine geçen çok boyutlu bir mühendislik meydan okumasıdır.Bu tasarım stratejilerinin özelleştirilmiş bir kombinasyonunu gerektirir.Rekreatif olarak kullanılabilirlik, mekanik bütünlüğü, elektromanyetik uyumluluk, güç kalitesi, red dışımler ve donanım. Her dağıtım ortamı - arktic, çöl, deniz, ya da yüksek çözünürlükte muhafaza etmek - ödüllerin uygun bir kombinasyonunu talep eder: yüksek maliyetli bir şekilde garanti altına almak için güvenli, güvenli olmayan veri sağlar.