Электронные трансформаторы тока и напряжения — измерительные приборы для цифровых подстанций

Page 1
background image

Page 2
background image

88

СЕТИ

РОССИИ

Электронные 
трансформаторы 
тока и напряжения — 
измерительные приборы 
для цифровых подстанций

Евгений РОЖНОВ,

главный  конструктор ЗАО «НПФ Прорыв»

о

б

о

р

у

д

о

в

а

н

и

е

оборудование

Н

астоящая

 

статья

 

является

 

продолжением

 

и

 

дополне

-

нием

 

к

 

статье

  «

Электрон

-

ные

 

трансформаторы

 

тока

 

и

 

напряжения

 

для

 

полного

 

монито

-

ринга

 

электросетей

» [1].

Современные

 

информационные

 

технологии

 

и

 

достижения

 

электрони

-

ки

 

позволяют

 

объединить

 

в

 

одно

 

це

-

лое

 

следующие

 

основные

 

структуры

 

энергосистем

 

автоматизированные

 

системы

 

управления

 

технологическими

 

процессами

 (

АСУ

 

ТП

);

 

релейную

 

защиту

 

и

 

автоматику

 

(

РЗА

);

 

противоаварийную

 

автоматику

 

(

ПА

); 

 

автоматизированную

 

информа

-

ционно

-

измерительную

 

систему

 

коммерческого

 

учета

 

и

 

техни

-

ческого

 

учета

 

электроэнергии

 

(

АИИС

 

КУЭ

); 

 

элементы

 

полного

 

мониторинга

 

режимов

 

работы

 

всех

 

звеньев

 

энергосистемы

 

другие

 

элементы

 

по

 

мере

 

их

 

необ

-

ходимости

.

Подключение

 

и

 

отключение

 

боль

-

шого

 

количества

 

потребителей

 

и

 

пе

-

реключение

 

режимов

 

их

 

работы

 

пред

-

ставляют

 

собой

 

практически

 

некор

-

релированный

 

процесс

который

без

 

принятия

 

специальных

 

мер

может

 

привести

 

к

 

серьезному

 

нарушению

 

режимов

 

работы

 

энергосистем

к

 

ре

-

жимам

 

самовозбуждения

аварийным

 

ситуациям

 

и

 

коротким

 

замыканиям

Для

 

устранения

 

таких

 

негативных

 

явлений

 

в

 

энергосистему

 

встраивает

-

ся

 

многоканальная

 

следящая

 

систе

-

ма

 

автоматического

 

регулирования

 

(

САР

), 

обеспечивающая

 

оптималь

-

ный

 

и

 

стабильный

 

режим

 

работы

 

энергосистемы

 

в

 

целом

 

и

 

всех

 

без

 

исключения

 

ее

 

компонентов

 

во

 

всех

 

условиях

 

эксплуатации

.

Энергосистему

 

с

 

подобной

 

САР

реализованную

 

в

 

аналоговом

циф

-

ровом

 

или

 

комбинированном

 

виде

 

можно

 

рассматривать

 

как

 

отдельный

 

автономный

 

элемент

 

в

 

иерархии

 

еди

-

ной

 

энергосистемы

реализующей

 

концепцию

 Smart Grid.

Согласно

 

теории

 

управления

 

про

-

цессами

 

в

 

пространстве

 

состояний

любая

 

сложная

 

САР

 

будет

 

полно

-

стью

 

наблюдаема

 

и

 

управляема

если

 

в

   

ней

 

каждый

 

информацион

-

ный

 

датчик

  (

наблюдатель

имеет

 

свой

 

собственный

 

компенсирующий

 

воздействие

 

дестабилизирующих

 

факторов

 

автоматический

 

регулятор

 

(

исполнитель

).


Page 3
background image

89

Задача

 

обеспечения

 

полной

 

и

 

эффективной

 

наблюдаемости

 

процессов

 

в

 

энергосистеме

 

бо

-

лее

 

многогранна

 

и

 

более

 

сложна

чем

 

задача

 

обеспечения

 

полной

 

управляемости

поэтому

 

статья

 

в

 

основном

 

посвящена

 

вопро

-

сам

 

обеспечения

 

наблюдаемости

 

применительно

 

к

 

подстанциям

 

со

 

встроенной

 

многоканальной

 

ана

-

логовой

 

и

 

цифровой

 

следящей

 

САР

Разработка

 

следящих

 

САР

 

должна

 

производиться

 

из

 

условия

 

экономической

 

целесообразности

 

выполнения

 

основных

 

ее

 

функ

-

ций

поэтому

 

она

 

должна

 

быть

 

реализована

 

на

 

измерительных

 

приборах

обладающих

 

отличны

-

ми

 

метрологическими

  (

МХ

и

 

экс

-

плуатационными

 

характеристика

-

ми

 (

ЭХ

).

Ключевыми

 

и

 

перспективными

 

элементами

обеспечивающими

 

функцию

 

полной

 

наблюдаемо

-

сти

 

процессов

 

в

 

энергосистемах

являются

 

новейшие

 

разработки

 

прецизионных

 

малогабаритных

 

и

 

недорогих

 

трансформаторов

 

тока

  (

ЭТТ

и

 

напряжения

  (

ЭТН

). 

ЭТТ

 

и

 

ЭТН

 

полностью

 

обеспечи

-

вают

 

контроль

 

за

 

всеми

 

процес

-

сами

 

в

 

аппаратуре

 

энергосистем

осуществляя

 

защиту

 

от

 

перена

-

пряжений

от

 

перегрузки

 

по

 

току

обеспечивая

 

релейную

 

защиту

 

и

 

автоматику

эффективную

 

рабо

-

ту

 

авторегуляторов

автовыключа

-

телей

реклоузеров

 

и

 

других

 

при

-

боров

требующих

 

непрерывного

 

контроля

 

их

 

функционирования

при

 

этом

 

уровень

 

производимых

 

ими

 

измерений

 

вполне

 

достато

-

чен

 

для

 

реализации

 

эффектив

-

ных

 

АИИС

 

КУЭ

.

Принцип

 

действия

 

ЭТТ

 

осно

-

ван

 

на

 

измерении

 

части

 

тока

от

-

ветвляемого

 

от

 

токопровода

 

сети

 

в

 

первичную

 

обмотку

 

входяще

-

го

 

в

 

его

 

состав

 

измерительного

 

трансформатора

 

тока

 (

ИТТ

), 

с

 

по

-

следующим

 

преобразованием

 

по

-

лученной

 

информации

 

в

 

удобный

 

для

 

измерения

 

аналоговый

 

или

 

цифровой

 

вид

.

Значительное

 

снижение

 

веса

габаритов

 

и

 

стоимости

 

ЭТТ

 

до

-

стигается

 

за

 

счет

 

снижения

 (

в

 

сот

-

ни

 

раз

тока

 

первичной

 

обмотки

 

малогабаритного

 

ИТТ

для

 

этого

 

она

 

включена

 

не

 

последовательно

 

в

 

цепь

 

токопровода

а

 

параллель

-

но

 

участку

 

цепи

 

токопровода

 

вдоль

 

оси

 

протекания

 

измеряемого

 

тока

.

Вторичная

 

обмотка

 

ИТТ

 

под

-

ключена

 

к

 

входам

 

электронного

 

модуля

 

блока

 

обработки

 

сигна

-

лов

  (

БОС

), 

охваченного

 

жесткой

 

отрицательной

 

обратной

 

связью

 

(

ООС

).

Встроенные

 

в

  (

БОС

регули

-

ровки

 

позволяют

 

электронным

 

способом

 

формировать

 

требуе

-

мые

 

характеристики

 

и

 

параметры

 

ЭТТ

что

 

значительно

 

расширяет

 

область

 

их

 

применения

Данное

 

техническое

 

решение

 

реализа

-

ции

 

ЭТТ

 

запатентовано

 [2, 3, 4, 5], 

а

 

прошедший

 

Госиспытания

 

ряд

 

ЭТТ

 

на

 

токи

 50, 100, 250 

и

 1000 

А

 

включен

 

в

 

Госреестр

 

средств

 

из

-

мерений

Для

 

расширения

 

области

 

при

-

менения

 

ЭТТ

 

разработаны

 

два

 

варианта

 

его

 

конструктивного

 

ис

-

полнения

.

В

 

первом

 

варианте

для

 

изоля

-

ции

 

высоковольтных

 

цепей

 (

витая

 

пара

 

и

 

внешний

 

источник

 

пита

-

ния

от

 

высоковольтных

 (

шина

 

то

-

копровода

 

нагрузки

), 

ИТТ

 

и

 

БОС

 

располагаются

 

в

 

диэлектрическом

 

корпусе

а

 

первичная

 

обмотка

 

вы

-

полнена

 

из

 

отрезка

 

высоковольт

-

ного

 

провода

.

Во

 

втором

 

варианте

 

вся

 

гальва

-

ническая

 

развязка

 

обеспечивает

-

ся

 

волоконно

-

оптической

 

связью

 

(

ВОЛС

), 

поэтому

 

ИТТ

 

и

 

БОС

 

раз

-

мещены

 

внутри

 

отрезка

 

токопро

-

вода

 

измеряемого

 

тока

выпол

-

Рис

. 1. 

Четыре

 

вида

 

приборов

 

измерения

 

тока

ненного

 

в

 

виде

 

цилиндрического

 

или

 

прямоугольного

 

разборного

 

корпуса

 

из

 

того

 

же

 

материала

что

 

и

 

основной

 

токопровод

в

 

разрыв

 

которого

 

он

 

включается

В

 

итоге

 

металлический

 

корпус

 

ЭТТ

 

стал

 

эффективным

 

экраном

 

от

 

воздей

-

ствия

 

многих

 

видов

 

электромаг

-

нитных

 

полей

  (

ЭМП

), 

позволил

 

уменьшить

 

габариты

 

ЭТТ

 

и

 

повы

-

сил

 

технологичность

 

их

 

изготов

-

ления

.

Для

 

наглядности

 

и

 

сравнения

 

на

 

фото

 1 

показаны

 

четыре

 

вида

 

приборов

 

измерения

 

тока

В

 

ле

-

вом

 

верхнем

 

углу

 

снимка

 

показан

 

измерительный

 

трансформатор

 

типа

 

ТТИ

-

А

 

на

 

номинальные

 

токи

 

100/5 

А

В

 

правом

 

верхнем

 

углу

 

пока

-

зан

 

выполненный

 

на

 

основе

 

ЭТТ

 

и

 

размещенный

 

в

 

пластмассовом

 

корпусе

 

измеритель

 

параметров

 

переменного

 

тока

 

в

 

диапазоне

 

(5–650) 

А

.

В

 

центре

 

и

 

внизу

 

снимка

 

пока

-

заны

 

два

 

ЭТТ

размещенные

 

в

 

ме

-

таллических

 

корпусах

 

и

   

рассчи

-

танные

 

на

 

токи

 1000/5 

А

 

и

 500/5 

А

 

соответственно

Оба

 

ЭТТ

 

крепят

-

ся

 

к

 

шине

 

токопровода

 

без

 

ее

 

раз

-

рыва

 

и

 

демонтажа

.

Основой

 

ЭТН

 

является

 

ЭТТ

в

 

котором

 

первичной

 

обмоткой

 

ИТТ

 

является

 

токопровод

соеди

-

няющий

 

вывод

 

высоковольтного

 

прецизионного

 

резистора

 

с

 

цепью

 

земли

 

или

 

нейтрали

а

 

второй

 

вывод

 

этого

 

резистора

 

соединен

 

 6 (39) 2016


Page 4
background image

90

СЕТИ РОССИИ

с

 

источником

 

фазового

 

измеряе

-

мого

 

напряжения

.

При

 

таком

 

включении

 

первич

-

ной

 

обмотки

 

ИТТ

 

никаких

 

проблем

 

с

 

изоляцией

 

ИТТ

 

и

 

ЭТН

 

в

 

целом

от

 

высоковольтных

 

цепей

 

не

 

воз

-

никает

а

 

так

 

как

 

номинальный

 

ток

протекающий

 

через

 

первичную

 

обмотку

 

не

 

превышает

 1 

мА

то

 

вес

 

и

 

габариты

 

применяемых

 

ИТТ

 

резко

 

уменьшаются

.

Напряжение

 

на

 

выходе

 

ЭТН

 

строго

 

пропорционально

 

измеряе

-

мому

 

напряжению

а

 

его

 

характе

-

ристики

 

и

 

параметры

 

полностью

 

определяются

 

характеристиками

 

и

 

параметрами

 

ЭТТ

 

и

 

прецизион

-

ного

 

резистора

.

После

 

аналого

-

цифрового

 

пре

-

образования

 (

АЦП

данные

 

с

 

пер

-

вичных

 

датчиков

  (

ПД

), 

выполнен

-

ных

 

на

 

основе

 

ЭТТ

передаются

 

на

 

вычислительный

 

центр

  (

ВЦ

цифровой

 

подстанции

  (

ЦПС

по

 

любым

 

физическим

 

линиям

 

связи

 

(

ФЛС

), 

однако

 

благодаря

 

высокой

 

помехоустойчивости

 

и

 

надеж

-

ности

 

работы

 

в

 

высоковольтных

 

энергосистемах

 

отдается

 

пред

-

почтение

 

волоконно

-

оптическим

 

линиям

 

связи

 (

ВОЛС

), 

по

 

которым

 

текущая

 

информация

 

поступает

 

на

 

оптоэлектронный

 

блок

 

пре

-

образования

  (

ОБП

), 

в

 

котором

 

данные

 

всех

 

ПД

 

объединяются

 

в

 

единый

 

цифровой

 

поток

 

данных

поступающих

 

для

 

обработки

 

в

 

ВЦ

 

ЦПС

 

для

 

формирования

 

опти

-

мальных

 

команд

 

управления

 

АСУ

 

ТП

РЗА

ПА

АИИС

 

КУЭ

 

и

 

других

 

составных

 

частей

 

энергосистем

.

Для

 

ускорения

 

и

 

удешевления

 

разработок

 

и

 

модернизации

 

но

-

вых

 

перспективных

полностью

 

оцифрованных

 

энергосистем

необходимо

 

иметь

 

возможность

 

оперативного

 

перепрограмми

-

рования

 

ВЦ

 

ЦПС

 

и

 

разработать

 

принципиально

 

новые

 

ПД

обла

-

дающие

 

отличными

 

МХ

ТХ

 

и

 

ЭХ

гибким

 

управлением

 

их

 

функци

-

ональных

 

возможностей

единой

 

синхронизацией

 

каждого

 

ПД

 

по

 

ФЛС

 

от

 

ЦПС

.

Поиск

 

новых

 

перспективных

 

алгоритмов

 

работы

 

таких

 

ЭТТ

удовлетворяющий

 

вышеуказан

-

ным

 

требованиям

привел

 

к

 

соз

-

данию

 

новой

 

функционально

 

гибкой

 

и

 

легко

 

перестраиваемой

 

структуре

 

ЭТТ

выходное

 

напря

-

жение

 

которого

 

оптимизировано

как

 

для

 

оцифровки

 (

программным

 

способом

без

 

применения

 

АЦП

), 

так

 

и

 

для

 

проведения

 

аналоговых

 

измерений

.

В

 

новом

 

ЭТТ

  (

ЭТТн

осталась

 

неизменной

 

только

 

входная

 

часть

состоящая

 

из

 

малогабаритного

 

ИТТ

 

и

 

участка

связанного

 

с

 

ним

 

токопровода

а

 

электронный

 

БОС

 

стал

 

высокочастотным

 

синхро

-

низируемым

 

прибором

форми

-

рующим

 

выходные

 

импульсы

 

на

-

пряжения

фронты

 

которых

 

несут

 

полную

 

информацию

 

об

 

измеряе

-

мом

 

токе

 

и

 

его

 

параметрах

.

ЭТТн

 

работает

 

следующим

 

об

-

разом

В

 

исходном

 

состоянии

 

он

 

находится

 

в

  «

режиме

 

ожидания

», 

в

 

котором

 

измерение

 

не

 

произво

-

дится

Передним

 

фронтом

 

син

-

хроимпульса

поступающего

 

по

 

ФЛС

 

из

 

ЦПС

запускается

 

режим

 

измерения

который

 

сохраняется

 

до

 

тех

 

пор

пока

 

на

 

выходе

 

ЭТТн

 

не

 

сформируется

 

импульс

 

на

-

пряжения

длительность

 

которого

 

строго

 

пропорциональна

 

уровню

 

измеряемого

 

тока

 

в

 

момент

 

вы

-

борки

Сразу

 

по

 

окончании

 

форми

-

рования

 

выходного

 

импульса

 «

ре

-

жим

 

измерения

» 

останавливается

 

и

 

прибор

 

возвращается

 

в

  «

режим

 

ожидания

», 

чтобы

 

затем

при

 

по

-

ступлении

 

нового

 

импульса

про

-

цесс

 

повторился

.

Такое

 

техническое

 

решение

 

позволяет

 

осуществлять

 

одновре

-

менную

 

синхронизацию

 

с

 

ВЦ

 

ДПС

 

всех

связанных

 

с

 

ним

 

ЭТТн

 

энер

-

госистемы

При

 

этом

 

в

 

ВЦ

 

хранят

-

ся

 

присвоенные

 

каждому

 

ЭТТн

 

наименования

  (

номера

и

 

соот

-

ветствующие

 

протоколы

 

обработ

-

ки

 

поступающей

 

информации

что

 

дает

 

возможность

 

синхронизиро

-

вать

 

все

 

ЭТТн

 

энергоструктуры

 

и

 

сравнивать

 

результаты

 

измере

-

ний

 

одновременно

 

без

 

использо

-

вания

 

прецизионных

 

часов

 

едино

-

го

 

времени

 

в

 

качестве

 

одного

 

из

 

элементов

 

синхронизации

Передние

 

фронты

 

синхроим

-

пульсов

 

и

 

выходных

 

импульсов

 

ЭТТн

 

совпадают

поэтому

 

в

 

ОБП

 

передается

 

только

 

информация

 

о

 

фронтах

 

окончания

 

импульсов

 

на

 

выходе

 

ЭТТн

что

 

позволяет

 

значительно

 

сократить

 

энергопо

-

требление

 

прибора

передавая

 

информацию

 

минимально

 

корот

-

кими

 

импульсами

 

постоянной

 

дли

-

тельности

.

Значительно

 

упростить

 

и

 

сни

-

зить

 

объем

 

работ

 

на

 

разработку

 

и

 

изготовление

 

синхронизируе

-

мых

 

прецизионных

 

ЭТТ

 

и

 

ЭТТн

 

позволит

 

применение

 

специали

-

зированных

 

микросхем

 Timer Blox 

компании

 Linear Tehnology. 

Реали

-

зация

 

БОС

 

на

 

таких

 

микросхемах

 

расширяет

 

функциональные

 

воз

-

можности

   

ЭТТ

 

и

 

ЭТТн

 

и

 

делает

 

его

 

более

 

экономичным

 

по

 

пита

-

нию

а

 

это

 

позволяет

 

встраивать

 

в

 

них

 

микромощные

 

автономные

 

блоки

 

питания

использующие

 

альтернативную

 

энергию

 

электро

-

магнитных

 

полей

 

токопровода

 

из

-

меряемого

 

тока

.

На

 

основе

 

накопленного

 

опыта

 

мы

 

разрабатываем

 

новую

 

структу

-

ру

 

синхронизируемых

 

БОС

кото

-

рую

 

можно

 

реализовать

 

на

 

одной

 

специализированной

 

микросхеме

Преимущества

 

такого

 

подхода

 

очевидны

.

Предложенные

 

технические

 

решения

 

позволяют

 

проектиро

-

вать

 

многофункциональные

 

пре

-

цизионные

 

ЭТТ

 (

класса

 0,2), 

име

-

ющие

 

минимальную

 

массу

 

и

 

га

-

бариты

невысокую

 

стоимость

высокую

 

технологичность

 

и

 

уни

-

кальное

 

удобство

 

в

 

эксплуата

-

ции

так

 

как

 

не

 

требует

 

демонтажа

 

токопровода

 

измеряемого

 

тока

 

для

 

поверки

проведения

 

регла

-

ментных

 

работ

а

 

также

 

для

 

их

 

замены

 

в

 

случае

 

модификации

При

 

необходимости

 

такие

 

ЭТТ

 

могут

 

превращаться

 

в

 

необслужи

-

ваемые

.  

ЛИТЕРАТУРА

 

1. 

Рожнов

 

Е

.

И

Электронные

 

трансформаторы

 

тока

 

и

 

на

-

пряжения

 

для

 

полного

 

мо

-

ниторинга

 

электросетей

 / 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ

Пере

-

дача

 

и

 

распределение

, 2014, 

 3(24). 

С

. 100–103.

2. 

Рожнов

 

Е

.

И

Патент

 

РФ

 

 2555524. 

Электронный

 

трансформатор

 

тока

.

3. 

Рожнов

 

Е

.

И

Патент

 

РФ

 

 2224266. 

Измеритель

 

ме

-

трологических

 

характеристик

 

трансформаторов

 

тока

.

4. 

Рожнов

 

Е

.

И

Патенты

 

РФ

 

 2176088, 22224262 

и

 2300774. 

Измерительные

 

преобразователи

 

тока

.

5. 

Рожнов

 

Е

.

И

Патент

 

 2167427. 

Электронный

 

счетчик

 

энергии

.


Читать онлайн

Настоящая статья является продолжением и дополнением к статье «Электронные трансформаторы тока и напряжения для полного мониторинга электросетей».

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 3(72), май-июнь 2022

От НИОКР до промышленной эксплуатации: новая разработка ПАО «Россети Ленэнерго» успешно интегрирована в ССПИ ОМП «ИНБРЭС»

Цифровая трансформация / Цифровые сети / Цифровая подстанция Воздушные линии Диагностика и мониторинг
Спецвыпуск «Россети» № 2(25), июнь 2022

Программный комплекс для мониторинга, оптимизации и визуализации структуры противоаварийной автоматики — ПК «ПАУК»

Цифровая трансформация / Цифровые сети / Цифровая подстанция Релейная защита и автоматика Диагностика и мониторинг
ПАО «Россети Кубань»
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»