Использование АСКУЭ с контролем качества электроэнергии: исследование макетов

Принцип построения комплексного измерительного устройства (КИУ) нового поколения, предназначенного для непрерывного, в режиме реального времени, контроля показателей качества (ПКЭ) и измерения количества электроэнергии в высоковольтных (110 -750 кВ) линиях при передаче данных измерений беспроводным способом по радиоканалу на диспетчерские пункты, описан в приложении.

Устройство комплексно решает задачи контроля ПКЭ и учета количества электроэнергии при высокой точности и достоверности результатов благодаря применению специально разработанного алгоритма цифровой обработки сигналов, обеспечивающего единство измерений при обработке реальных сигналов сложной формы, а также за счет замены существующего парка первичных датчиков их альтернативными решениями, свободными от недостатков штатных измерительных трансформаторов.

Создание действующего макета измерительного устройства для линий передачи 110-220 кВ (показан на рис. 1), обеспечивающего измерение показателей качества электроэнергии в соответствии с ГОСТ 13109-97 и учет электроэнергии с точностью не ниже 1,5 %, в сочетании с доступным и экономичным процессом периодической поверки, позволит стимулировать создание и внедрение таких систем в практику электроэнергетики.

Это решает проблему приведения в действие нормативных документов по качеству электроэнергии как товарной продукции. Устройство предназначено для использования как производителями, так и потребителями электроэнергии. В данной статье представлены результаты исследования функциональных характеристик узлов и блоков макета КИУ, подтверждающие указанные параметры КИУ.

Исследовались параметры первичных датчиков (ПД) тока и напряжения, электронного блока обработки данных с ПД и блока радиоканала передачи данных с размещенных на высоком напряжении блоков КИУ. Исследования проводились на базе физического и математического моделирования режимов в линии высокого напряжения.

Исследование параметров макета КИУ на пониженных напряжениях

Цель исследований — подтверждение достижения требуемой погрешности измерений спектральных характеристик тока и напряжения в высоковольтных цепях. Погрешность измерений характеристик напряжения складывается из погрешности делителя напряжения и погрешности измерительного модуля КИУ, которая, в свою очередь, определяется погрешностями блоков активной аналоговой фильтрации и цифровой обработки данных.

Погрешность измерений характеристик тока складывается из погрешностей трансформатора тока (ТТ), цепи съема сигнала с ТТ и погрешности измерительного модуля КИУ. Проведение измерений на высоком напряжении требует больших организационных и финансовых затрат, поэтому проведение предварительных исследований макета КИУ рационально на пониженных напряжениях. Кроме того, учитывая линейный режим работы элементов, узлов и блоков КИУ, экспериментальные исследования его параметров можно провести с применением метода декомпозиции, то есть проводя отдельные исследования делителя напряжения и ТТ и отдельные исследования измерительного модуля.

При этом исследования делителя напряжения можно осуществить на пониженных высоких напряжениях (до 10 кВ), а преобразователя тока — при номинальных рабочих токах в высоковольтных цепях.

Исследование параметров датчика напряжения

Датчик напряжения КИУ выполнен на основе четырехступенчатого емкостного делителя напряжения. Схема делителя представлена на рис. 2, где емкости С1-С4 — высоковольтные конденсаторы типа ДМРУ80-1.0 -У1 (с параметрами: номинальная емкость 1 нФ; tg? <= 0,003 при + 60 oС; ?С = ± 10 % при 20 oС; предельно допустимое изменение емкости в интервале рабочих температур -45 – +60 oС относительно емкости Сну, измеренной в номинальных условиях, ?С* <= 5 %, С5-С9 — конденсаторы типа К78-2.

Измерение коэффициента деления ПД напряжения проводилось на напряжении от 0 до 3 кВ. Исследовалось постоянство коэффициента деления второй, третьей и четвертой ступеней делителя напряжения. Расчетное значение трех ступеней деления равно 5000. Источником испытательного напряжения служил повышающий трансформатор напряжения, подключаемый к сети через лабораторный автотрансформатор. Испытательное напряжение подавалось в узел 4 делителя напряжения (рис. 2).

Для измерения напряжения U14 и выходного напряжения U16 (поступающего на вход АЦП) использовался высоковольтный вольтметр типа С502 (класс точности 0,5) и цифровой мультиметр типа mY-68, соответственно, изолированные от земли. При этом для питания вольтметра С502 использовался автономный источник.

Измерения проводились в помещении с нормальной температурой (20оС) при атмосферном давлении 745 мм рт. ст. и влажности 50 %. Экспериментальное значение коэффициента деления в диапазоне входных напряжений от 0 до 3 кВ составило 4880 ± 40. Отклонения лежат в пределах погрешности применяемых вольтметров.

Температурная стабильность коэффициента деления.

Зависимость емкости конденсатора типа ДМРУ от температуры (по данным НПП «ЭЛКО») представлена на рис. 3 (кривая 1), а для конденсаторов типа К78-2 зависимость емкости от температуры (по данным [3]) представлена на том же рисунке (кривая 2). На основе этих данных расчетная систематическая погрешность коэффициента деления делителя напряжения в диапазоне температур -40 – +40 оС составляет от +1,8 % до -1,14 %.

Таким образом, применение в делителе напряжения конденсаторов типа К78-2 приводит к зависимости коэффициента деления ПД напряжения от температуры.

Однако проведенный анализ этого параметра при альтернативных типах конденсаторов в этих ступенях делителя показал, что полученные данные одни из наименьших из числа возможных, но, кроме того, эта систематическая погрешность учитывается в программе блока обработки данных и не приводит к росту погрешности измерений КИУ в целом.

Исследование частотной зависимости коэффициента деления осуществлено с применением специального генератора с регулируемой частотой в пределах 50-2500 Гц. Проводились измерения входного U14 и выходного U16 напряжений для частот, соответствующих нечетным гармоникам с 1 (50 Гц) по 49 (2450 Гц). При этом коэффициент деления в диапазоне частот составил 4880 ± 40. Отклонения лежат в пределах погрешности вольтметра. Это обусловлено высокой добротностью (малым tg ?) используемых в делителе конденсаторов.

Исследование параметров канала измерения тока

Канал измерения тока включает ТТ типа ТЛШП-101/3000А и активное сопротивление нагрузки измерительной обмотки, с которого на вход блока аналогоцифровой обработки снимается напряжение, пропорциональное току. Исследовался коэффициент преобразования ток/напряжение в диапазоне значений рабочих токов в линии.

Для создания в лабораторных условиях тока до 3000 А использован специальный прогрузочный трансформатор типа ТПУ-4000 (рис. 4), который при токе в первичной обмотке 80 А (при напряжении 220 В) обеспечивает ток 4000 А на нагрузке 10-3 Ом. Блок-схема измерительной установки показана на рис. 5. Для регулирования вторичного тока в пределах от десятков до 3000 А был использован регулятор напряжения типа РНО 250-5 с напряжением сети 127/220 В, максимальным током Iмакс= 12/20 А и пределами регулирования напряжения 0-250 В. В качестве сопротивления нагрузки измерительной обмотки ТТ в измерительном блоке КИУ используется два прецизионных резистора типа СП 16 МВ 2, включенные параллельно.

Суммарное сопротивление нагрузки Rн равно 0,1 Ом.

Действующее значение напряжения на сопротивлении нагрузки ТТ при номинальном первичном токе Iн = 3000 А равно 0,5 В.

 Заметим, что при такой нагрузке класс точности 0,2 ТТ сохраняется во всем диапазоне измеряемых токов. Исследуемый коэффициент преобразования ток/напряжение определяется отношением напряжения U на сопротивлении нагрузки ТТ к первичному току I1 (рис. 5).

Испытания показали, что в диапазоне токов от 100 до 3000 А в первичной цепи ТТ его коэффициент трансформации при нагрузке 0,1 Ом оставался равным 600 с точностью 0,5 %, определяемой измерительным прибором. При этом выходное напряжение на сопротивлении нагрузки ТТ (на входе блока аналогоцифровой обработки) линейно менялось в пределах от 16 мВ до 0,5 В.

Исследование параметров блока аналого-цифровой обработки данных

Исследовались характеристики отдельно узлов аналоговой и цифровой обработки сигналов с ПД. Исследования проводились с применением тестового низковольтного напряжения от внешнего генератора, моделирующего уровень сигналов с ПД и возможный спектральный состав высоковольтного напряжения и тока.

Исследование параметров аналогового фильтра осуществлялось на основе физического эксперимента.

В эксперименте непосредственно на вход устройства обработки сигнала, состоящего из каскадного соединения активного аналогового фильтра, аналогоцифрового преобразователя (АЦП) и блока цифровой обработки сигнала (ЦОС), подавался тестовый сигнал с резистивного делителя напряжения, имитирующего первичный датчик с постоянным по частоте коэффициентом деления (рис. 6). В качестве тестового сигнала на входе устройства обработки сигнала выбрано напряжение на активной нагрузке однополупериодного выпрямителя напряжения промышленной частоты. Выбор определился простотой физической реализации сигнала в сочетании с быстроспадающим по амплитуде спектром (амплитуда шестой гармоники составляет менее 0,014% от амплитуды первой).

Это исключает потенциальную возможность искажения наблюдаемых кривых за счет подавления аналоговым фильтром высших гармоник, так как при этом практически весь спектр тестового сигнала лежит в полосе пропускания фильтра, ограничивающего полосу сигнала частотой 41-ой гармоники. На рис. 7 представлены осциллограмма тестового сигнала и кривая на выходе аналогового фильтра (то есть на входе блока ЦОС).

Наблюдаемые различия определяются частотной зависимостью фазовой характеристики (ФЧХ) фильтра, что подтверждают результаты цифрового моделирования процесса фильтрации, показанные на рис. 8.

Здесь представлены рабочие окна специально разработанной ЭВМпрограммы моделирования аналоговой фильтрациисигнала однополупериодного выпрямителя. Из рис. 8, а видно, что выходной сигнал изменил форму в соответствии с полученными экспериментальными данными (см. рис. 7), но поскольку тестовый сигнал имеет верхнюю частоту 500 Гц и полностью лежит в полосе пропускания фильтра, где амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) практически постоянна, то искажение формы сигнала обусловлено частотной зависимостью фазовой характеристики фильтра.

Это подтверждают кривые на рис. 8, б, где представлен результат фильтрации того же сигнала фильтром, имеющим постоянный и равный единице коэффициент передачи и нулевую фазу. Из идентичности исходного и полученного сигналов становится очевидной корректность работы фильтра.

Одновременно проверена корректность применения встроенных в программу алгоритмов прямого и обратного преобразований Фурье.

Таким образом, рассматриваемое устройство обработки сигнала за счет применения аналоговой фильтрации приводит к искажениям начальных фаз гармонических составляющих измеряемых сигналов и не искажает амплитудного спектра сигнала на выходе блока ЦОС ввиду линейности оператора преобразования Фурье.

Однако, поскольку ГОСТ 13109-97 не устанавливает жестких требований на определение разности фаз гармоник, а требует лишь определения модуля составляющих спектра сети (то есть амплитуд гармоник), то данное искажение не может повлиять на точность измерительной системы ПКЭ и количества электроэнергии (в последнем случае – ввиду одинаковой систематической ошибки измерения начальных фаз основных гармоник в каналах напряжения и тока).

Проведенные экспериментальные исследования позволили определить алгоритм цифровой обработки сигнала в реальном масштабе времени и выявить нюансы применения аналоговой фильтрации, связанные с проблемой оцифровки АЧХ и ФЧХ фильтра (экспериментальные данные указали на необходимость применения аппроксимации промежуточных частотных точек между соседними дискретными отсчетами АЧХ и ФЧХ фильтра).

Последнее оказалось необходимо для коррекции спектра сигналов с датчиков с целью исключения систематической погрешности аналоговой обработки.

Исследование параметров блока цифровой обработки сигналов заключалось в оценке общей погрешности измерения с применением устройства ЦОС. Исследование проведено на базе математического моделирования в диапазоне значений частоты 50 ± 1 Гц. При этом оказывается, что погрешность определения амплитуд гармоник является функцией частоты основной гармоники (fосн), точности ее определения (?fосн) и распределения амплитуд спектра сигнала.

Для оценки погрешности цифровой обработки сигнала сверху был применен алгоритм, приведенный на рис. 9, учитывающий вклад в погрешность определения амплитуды каждой гармоники при всевозможных комбинациях одновременного воздействия остальных гармоник сигнала. Алгоритм реализует специальная программа расчета погрешностей 40 гармоник, результаты которого представлены на рис.

10 для интерполяции четвертого порядка (где нижняя кривая соответствует первой гармонике, следующая – второй и т.д.) в двух вариантах распределения амплитудгармоник:

1.  метод наихудшего случая (при равенстве амплитуд гармоник в спектре сигнала) и
2. при реальном спектре электросети, где амплитуды высших гармоник значительно меньше амплитуды первой гармоники. При определении частоты основной гармоники с точностью выше 0,01 Гц (что реализовано в блоке ЦОС [4]) общая погрешность измерения амплитуд гармоник с применением блока ЦОС не превышает по первой гармонике сотых долей процента, а для высших — меньше 1 %.
3. Рассмотренный алгоритм вычисления спектра полигармонического сигнала с непостоянной частотой основной гармоники позволяет определять ПКЭ в соответствии с требованиями ГОСТ и по параметру точности учета количества электроэнергии превосходит аналогичные системы, эксплуатируемые как в высоковольтных, так и в низковольтных сетях. Итак, приведенные результаты исследования узлов и блоков действующего макета КИУ позволяют утверждать, что при условии исключения систематических погрешностей коэффициента деления напряжения и коэффициента преобразования тока общая погрешность определения спектрального состава измеряемых токов и напряжений в высоковольтных цепях не превысит 1,5 %. Погрешность измерения мощности составит 1,5 %, так как погрешность измерения параметров первых гармоник тока и напряжения не превосходит 0,02%.

Исследования помехоустойчивости электронных блоков КИУ

Исследования проводились с целью оценки устойчивости блока ЦОС и блока радиомодема передачи данных к воздействию сильных электрических полей высокого напряжения и магнитных полей рабочих токов в проводах линии электропередачи высокого напряжения (ЛЭП ВН). Воздействие электрического поля исследовалось на базе математического моделирования с применением коммерческого программного комплекса ANSYS (на базе метода конечных элементов).

Моделировались уровни полей внутри и вне корпуса блока обработки сигналов и передачи данных (клетки Фарадея) КИУ, включенного в рассечку фазного провода трехпроводной высоковольтной линии при геометрических размерах соответствующих ЛЭП 220 кВ.

Рис. 11 иллюстрирует представления расчетных полей в исследуемой системе. Исследования позволили выявить структуры электрического поля в конструкции КИУ и подтвердили достаточные экранирующие свойства клетки Фарадея для обеспечения устойчивой работы электронного оборудования.

Воздействие магнитного поля ЛЭП ВН исследовалось как с применением математических моделей, так и с применением физического моделирования воздействия магнитного поля промышленной частоты, создаваемого витком с током номинального значения (3 кА), которое обеспечивалось с помощью прогрузочного трансформатора ТПУ 4000. У

ровень магнитного поля контролировался с помощью измерителя напряженности поля промышленной частоты П3-50. Расчеты на модели показали, что уровни кондуктивных помех, создаваемых на рецепторах электронных блоков, не превышают 1 мВ, что не может привести к сбоям в работе оборудования.

В таблице представлены результаты измерения магнитного поля в точках размещения электронных блоков (на расстоянии l) от витка с током. Контроль битовой ошибки в радиотракте передачи данных не обнаружил нарушений в работе электронных блоков КИУ. Исследования возможного влияния электростатических разрядов на электронные блоки КИУ осуществлены с применением физической модели воздействия широкополосных помех.

В качестве источника искровых разрядов использованы: искровой генератор (затухающая синусоида с амплитудой первой полуволны 50 кВ) и генератор электростатического разряда (стандартное средство испытаний на ЭМС поГОСТ Р 51317.4.2-99), которые в совокупности обеспечивают необходимый для достоверной оценки передачи влияния спектр помехи как по диапазону частот, так и по спектральной амплитуде.

Исследования показали отсутствие сбоев в работе блоков КИУ от воздействия полей разрядов статического электричества.

ВЫВОДЫ

Проведенное физическое и математическое моделирование блоков и алгоритмов разработанной системы КИУ показывают возможность аппаратной реализации законченного измерительного модуля в составе датчиков, системы обработки и передачи данных и источника автономного питания. Оценка погрешности измерений также показывает физическую реализуемость построенной КИУ с суммарной точностью измерений, соответствующей классу 1,5.

Применение КИУ позволяет реализовать единую базу данных энергосистемы.

Представленное техническое решение может служить основой системы контроля режимов по напряжению и току в высоковольтных сетях.

В отличие от множества публикаций по вопросам мониторинга ПКЭ и повышения точности учета энергии с применением цифровой обработки представленные исследования носят комплексный характер, ориентированы на обеспечение контроля ПКЭ и учета количества электроэнергии в высоковольтных цепях на современном технологическом уровне. На основе исследований возможно проведение ОКР и создание опытных образцов КИУ на напряжение 110 кВ и выше.