I. Technische Engpässe bei der SST-Systemintegration
Zeitliche Diskrepanz bei der Mehrschrank-Koordination
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Das leistungselektronische Schutzansprechen des Leistungsschranks (SST) arbeitet auf Mikrosekundenebene, während der Relaisschutz des Hochspannungsschranks auf Millisekundenebene arbeitet. Diese zeitliche Diskrepanz erzeugt bei Fehlern eine "blinde Zone" in der Schutzkoordination, wodurch leistungselektronische Halbleiterbauelemente dem Risiko von Überspannungs- und Überstromschäden ausgesetzt werden.
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Die eigentliche Ausschaltzeit des Hochspannungs-Leistungsschalters (30–60 ms) ist weitaus langsamer als die Belastungsgrenze der IGBT/SiC-Bauteile im Leistungsschrank (<10 μs). Daher muss das SST-System eine autonome strombegrenzende Schutzfunktion implementieren, bevor der Hochspannungsschrank reagieren kann.
RW-SST Serie Modulare Festkörpertrafos
Redundante und komplexe Signalinteraktion
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Es existiert eine große Anzahl hartverdrahteter Signale zwischen den Schränken (z. B. Trennschalterstatus, Erdungsschalterstatus, verschiedene Fehleralarme), was zu einer komplexen Verlegung der Steuerkabel und überfüllten Klemmenleisten zwischen den Schränken führt.
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Das Fehlen eines einheitlichen Fehlerklassifizierungsmechanismus führt zu mehrdeutigen Schutzstrategien, wobei die Reaktionsmaßnahmen für verschiedene Fehlertypen von der manuellen Beurteilung vor Ort abhängen.
Kopplungskonflikte beim Design der Stromversorgung und des Kühlsystems
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Der Spannungswandler (PT) des Hochspannungsschranks kann etwa 500 VA Steuerleistung bereitstellen, aber der Leistungsbedarf der Kühllüfter kann die Kilowatt-Ebene erreichen. Bei vollständiger Abhängigkeit von der externen Stromversorgung wäre ein zusätzlicher Niederspannungs-Einspeiser erforderlich, was Systemkosten und Platzbedarf erhöht.
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Bei der Zwangsluftkühlung wird der Leistungsbedarf der Lüfter nicht in die Berechnung des Gesamtsystemwirkungsgrads einbezogen, was potenziell den Zielwirkungsgrad von 98 % des SST-Systems gefährdet.
II. Kernlösungen und technische Durchbrüche
(A) Design eines dreistufigen kooperativen Schutzsystems
| Schutzstufe |
Ausführende Einheit |
Reaktionsgeschwindigkeit |
Umsetzungsplan |
Wirkung |
| Hardwareschutz (Stufe 1) |
Leistungsschrank (SST-System) |
Mikrosekundenbereich (<10 μs) |
Leistungselektronische Modulation zur Kurzschlussstrombegrenzung; IGBT/SiC aktiver Impulssperrschutz |
Priorisiert die Sicherheit der Leistungshalbleiterbauelemente; reagiert schneller als der Hochspannungsschrank-Schutz |
| Elektrischer Schutz (Stufe 2) |
Hochspannungsschrank |
Millisekundenbereich (30–60 ms) |
Fünffache Sicherheitsverriegelung + mikroprozessorbasierter Schutz; autonome Blockierung und Fehlerisolierung |
Gewährleistet die Anlagensicherheit; blockiert automatisch den Fernbetrieb unter Fehlerbedingungen |
| Softwareschutz (Stufe 3) |
Hauptsteuereinheit |
Sekundenbereich |
Aggregiert Hardwareschutzsignale der Leistungselektronik und Schutzsignale der elektrischen Ausrüstung; sekundäre Bewertung über Softwarelogik |
Ermöglicht ein abgestuftes Schutzmanagement für das Gesamtsystem; verhindert Fehlauslösungen oder das Nichtauslösen |
Wichtiger Durchbruch: Etablierung eines Mechanismus für "unabhängiger Schutz, abgestufte Koordination". Der Hardware-Schutz auf Mikrosekundenebene greift zuerst, um die "Zeitblindzone" der Millisekundenreaktion des Hochspannungsschranks zu schließen, wobei die drei Schutzebenen sequenziell koordinieren und sich gegenseitig absichern.
(B) Signalerfassung und Schnittstellenoptimierung
Konstruktionsprinzip: "Kommunikation primär, festverdrahtete Punkte sekundär, verschlankte Schnittstellen, Redundanzvermeidung, gemeinsame Ressourcennutzung"
Optimierung der Signalerfassung im Hochspannungsschrank
| Signalart |
Originalschema |
Optimiertes Schema |
Einsparungen |
| Status von Trennschalter und Erdungsschalter |
Einzelne fest verdrahtete DI-Erfassung (≥ 4 DI-Punkte) |
Auslesen der Mikrocomputer-Schutzdaten über Modbus-Kommunikation |
Beseitigt 4 fest verdrahtete DI-Verbindungen |
| Diverse Fehlersignale |
Einzelner DI-Punkt pro Fehlertyp (≥ 8 Punkte) |
1 gemeinsamer Fehlerausgang + Modbus-Abfrage für detaillierte Fehler |
Beseitigt ≥ 7 fest verdrahtete DI-Verbindungen |
| Fehler des Energiespeichermotors |
Einzelne DI-Erfassung |
Erfassung entfernt (nicht-kritisches Signal) |
Beseitigt 1 DI-Punkt |
| Hilfsüberwachung (Türzugriff, Rauch, Kondensation, Temperatur, Lüfterfehler) |
Greift in die native Schutzlogik des Hochspannungsschranks ein |
Überwacht durch das SST-Hilfssystem; greift nicht in den Schutz des Hochspannungsschranks ein |
Schutzlogik entkoppelt; klare Aufgabenteilung |
Einheitliche Schnittstellenspezifikation für das Gesamtsystem
| Schnittstellentyp |
Signalinhalt |
Beschreibung |
| Eingang (DI) |
Not-Aus-Taster, Status Lokal/Fern, Fehlerquittierung |
Einheitliche Konfiguration; gestrafft auf zentrale Steuerungspunkte |
| Ausgang (DO) |
Globale Sperre, Statusanzeigen, Auslöseausgang |
Einheitlicher Ausgang; vermeidet redundante Konfiguration |
Dreistufiger Fehlerklassifizierungsmechanismus
| Fehlerstufe |
Reaktionsstrategie |
Ausführende Einheit |
| Fehlerstufe 1 |
Not-Impulssperrung (schnellste Reaktion, Mikrosekundenbereich) |
Hardwareschutz des Leistungsschranks |
| Fehlerstufe 2 |
Leistungsbegrenzter Betrieb (Abregelung um 50 % oder Abschaltung) |
Softwareentscheidung der Hauptsteuereinheit |
| Fehlerstufe 3 |
Nur Alarm; Anlage läuft weiter |
Hauptsteuereinheit protokolliert und meldet |
(C) Optimierungsentwurf für Drossel und Kurzschlussschutz
| Technische Richtung |
Umsetzungsplan |
Auswirkung |
| Optimierung des Drosselverhältnisses |
Strombegrenzungsfähigkeit und Betriebsverluste in Einklang bringen; Drosselverhältnisparameter angemessen steuern |
Verhindert den Wirkungsgradabfall aufgrund eines übermäßig hohen Drosselverhältnisses |
| Kurzschlussstrombegrenzungsverfahren |
Basiert nicht auf der physikalischen Impedanz der Drossel; im Kern wird leistungselektronische Modulation zur Strombegrenzung eingesetzt |
Ansprechzeit im Mikrosekundenbereich; der passiven Drosselstrombegrenzung überlegen |
| Abstimmung der Abtastbandbreite |
Einsatz von Hall-Sensoren mit hoher Bandbreite von über 400 kHz |
Abtastschleife und Rechenbandbreite sind auf die Anforderungen der Mikrosekunden-Ansprechzeit abgestimmt |
Wichtiger Durchbruch: Der Kurzschlussschutz des Leistungsschranks hängt nicht von der physikalischen Impedanz der Drossel ab; er basiert hauptsächlich auf der aktiven leistungselektronischen Modulation zur Strombegrenzung. Die Schutzgeschwindigkeit übersteigt bei weitem die Millisekunden-Reaktion des Hochspannungsschranks und gewährleistet die Betriebssicherheit der Leistungshalbleiterbauelemente.
(D) Koordinierte Auslegung von Stromversorgungs- und Kühlsystemen
Koordination der Stromversorgung
| Last |
Stromquelle |
Leistungsbedarf |
Optimierungsmaßnahmen |
| SST-Steuerschaltung |
PT im Hochspannungsschrank |
Ca. 500 VA |
PT-Kapazität ist ausreichend; kein zusätzlicher Niederspannungs-Einspeiser erforderlich |
| Kühlventilator |
Unabhängige Niederspannungs-Einspeisung oder SST-Hilfswicklung |
Mehrere kW |
Erfordert separate Abrechnung; in die Planung der Gesamtleistungskapazität des Systems integrieren |
Kühleffizienzmanagement
| Problemstellung |
Lösung |
Zielvorgabe |
| Der Leistungsbedarf der Ventilatoren kann den kW-Bereich erreichen, was den Gesamtwirkungsgrad mindert |
Optimierung der Ventilatorbetriebsstrategie (intelligente Drehzahlregelung, intermittierender Betrieb) |
Gesamtsystemwirkungsgrad ≥98% |
| Die Topologie der Leistungsabnahme für die Kühlung beeinflusst die Wirkungsgradberechnung |
Rationale Planung der Stromversorgungsquellen zur Vermeidung von Verzerrungen bei der Wirkungsgradberechnung |
Präzise Abbildung der Gesamtsystemverluste |
(E) Ressourcenteilung und Redundanzdesign
| Technische Ausrichtung |
Umsetzungsplan |
Auswirkung |
| Gemeinsame Sensornutzung |
Gemeinsame Spannungs- und Stromabtastung zwischen Hoch- und Niederspannungsschränken |
Reduziert doppelte Erfassungspunkte; senkt Hardware- und Verkabelungskosten |
| Reservierung von IO-Ressourcen |
Reservierte DI/DO-Kapazitäten auf SST-Erfassungsplatinen |
Behebt potenzielle IO-Port-Engpässe; erleichtert zukünftige Erweiterungen |
| Straffung des Steuerstromkreises |
Doppelte Funktionspunkte zusammenführen; Systemarchitektur optimieren |
Klare Steuerlogik; reduziert Fehlerquellen |
III. Vergleich der wichtigsten technischen Parameter
| Parameter |
Herkömmliche Lösung |
Koordinierte Rockwill SST-Lösung |
| Schutzreaktionsgeschwindigkeit |
Hochspannungsschrank Millisekundenbereich (30–60 ms); SST-Leistungsbauelemente beschädigungsgefährdet |
SST-Hardwareschutz Mikrosekundenbereich (<10 μs); schließt die blinde Schutzzone |
| Festverdrahtete DI/DO-Punkte |
Unabhängige Erfassung für Trennschalter/Erdschalter/diverse Fehler; ≥15 Punkte |
Gestrafft auf Kernsignale; ≤6 festverdrahtete Punkte + Kommunikationsauslesung |
| Fehlerklassifizierung |
Keine einheitliche Klassifizierung; mehrdeutige Reaktionsstrategien |
Dreistufiger Klassifizierungsmechanismus (Impulssperre / Leistungsbegrenzung / Alarm) |
| Sensorkonfiguration |
Doppelte Erfassung; separate Konfiguration für Hoch- und Niederspannungsschränke |
Gemeinsame Ressourcennutzung; reduzierte doppelte Punkte |
| Auswirkung auf die Kühleffizienz |
Lüfter-Leistungsaufnahme nicht in der Effizienzberechnung enthalten |
Intelligente Drehzahlregelstrategie; unterstützt 98 % Gesamtsystemwirkungsgrad |
| Schnittstellenstandardisierung |
Uneinheitliche Schnittstellen über die Schränke hinweg |
Einheitliche DI/DO-Spezifikation; standardisierte Zusammenschaltung |
IV. Sicherungsmaßnahmen für die technische Umsetzung
Prozess zur Überprüfung der Schutzlogik
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Phase 1: Konsolidierung der leistungselektronischen und elektrischen Schutzlogik; Erstellung einer einheitlichen Dokumentation
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Phase 2: Erstellung einer Checkliste der Ausgangssignalarten aus dem Mikrocomputerschutz zur Unterstützung der Schnittstellengestaltung
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Phase 3: Bestätigung der Auswahl von Halleffektsensoren mit hoher Bandbreite von über 400 kHz
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Phase 4: Integrierte Inbetriebnahme und Prüfung des dreistufigen Schutzes zur Fehlerklassifizierung
Strategien zur Koordinierung der Auslegung
| Maßnahme |
Wirkung |
| Hinzufügen der Kondensations-/Temperatur-/Rauchüberwachung im Hochspannungsschrank |
Erweitert die Umwelt- und Sicherheitschutzfunktionen der Anlage |
| Konfiguration des Erdungsschalters im Niederspannungsschrank |
Ermöglicht die sichere Entladung der Restkapazität im Transformatorbereich |
| Trennung der Niederspannungsseite bei Abschaltung der Hochspannungsseite |
Verbessert den Abschaltschutzmechanismus; verhindert Rückspeisung |
| Evaluierung der Ressourcen von Mittelspannungs-SVG-Herstellern |
Bietet Reserveoptionen für das Systemkonzept zur Blindleistungskompensation |
V. Zusammenfassung der Lösungsvorteile
- Nahtlose Schutzkoordination:Der Hardware-Schutz auf Mikrosekundenebene schließt die Reaktionsblindzone im Millisekundenbereich des Hochspannungsschranks; der dreistufige Schutz ist sequenziell koordiniert.
- Gestraffte und effiziente Signalschnittstelle:Ansatz mit primärer Kommunikation und sekundärer Hardware-Verdrahtung; reduziert die Anzahl der Hardware-Verdrahtungspunkte um über 60 %; vereinfacht die Verkabelung.
- Klare und kontrollierbare Fehlerklassifizierung:Der dreistufige Fehlermechanismus definiert klare Reaktionsstrategien; eliminiert die Abhängigkeit von manueller Beurteilung vor Ort.
- Kosteneffiziente Ressourcennutzung:Gemeinsame Nutzung von Sensoren + IO-Reservierung + Straffung der Steuerstromkreise; reduziert die Hardwarekosten.
- Koordinierte Optimierung von Stromversorgung und Kühlung:PT-Stromversorgung + intelligente Lüfterdrehzahlsteuerung; unterstützt eine angestrebte Gesamtsystemeffizienz von 98 %.
- 100 % Normenkonformität:Vollständig konform mit den standardisierten Designanforderungen von State Grid; einheitliche Schnittstellen und flexible Skalierbarkeit.
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