Измерительные трасформаторы

За годы работы над отечественными проектами автоматизированной системы управления технологическими процессами подстанции (АСУТП ПС) произошло существенное развитие аппаратных и программных средств систем управления на ПС.
В материале московских авторов приводятся результаты разработки устрой-ства, предназначенного для вычисления силы тока цифровых трансформаторов тока, принцип действия которых основан на эффекте Фарадея.

ЦИФРОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА
Устройство для вычисления силы тока

Александр Хренников, д.т.н., профессор
Ильяс Галиев, аспирант
Егор Скрыдлов, магистр
Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва

В последнее время появилось множество цифровых устройств, используемых в электроэнергетике: высоковольтные цифровые трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН); первичное и вторичное оборудование со встроенными коммуникационными портами; микропроцессорные контроллеры, системы РЗиА и так далее.

Всё это создает предпосылки для построения цифровой подстанции (ЦПС) [1, 2], в которой организация всех потоков информации при решении задач мониторинга, анализа и управления осуществляется в цифровой форме.

Преимущества ЦПС в сравнении с традиционной подстанцией приведены в табл. 1.

Таблица 1. Сравнение особенностей традиционных и цифровых подстанций

Несмотря на столетний опыт в области создания и эксплуатации электромагнитных ТТ – основных первичных преобразователей для целей РЗА, полностью устранить недостатки, присущие этим трансформаторам, не удалось. Одним из существенных недостатков ТТ является насыщение магнитопровода во время КЗ, сопровождающихся апериодической составляющей. Использование разомкнутых магнитопроводов снижает насыщение, но при прочих равных условиях снижает и точность как по току, так и по углу.

В настоящее время активно рекламируются оптические трансформаторы тока (ОТТ), работа которых основана на эффекте Фарадея [3]. Несмотря на то, что работы по созданию оптических трансформаторов ведутся более 40 лет [4], первые промышленные образцы, появившиеся в последние годы, слишком дорогие и могут найти применение лишь на высоком и сверхвысоком напряжении (220 кВ и более).

Практический интерес также представляет измерительное преобразование тока на основе гальваномагнитных эффектов [5], используемых в датчиках магнитного поля, позволяющих измерять не только переменный, но и постоянный ток, а также переменный ток, сопровождающийся медленно затухающими апериодическими составляющими. Измеряемый ток создает магнитное поле, на которое и реагирует датчик. К гальваномагнитным преобразователям относятся датчики Холла, магниторезисторы, магнитодиоды и магнитотранзисторы.

Таким образом, актуален выбор наиболее перспективных видов первичных измерительных преобразователей тока.

ОПТИЧЕСКИЙ ТТ

Типичная схема оптического ТТ содержит чувствительный элемент в виде нескольких витков ОВ (оптоволокна), помещенных в жесткую защитную оболочку из немагнитного материала – токовую головку для ОТТ, и электронно-оптический блок (ЭОБ), соединяемый с чувствительным элементом через оптический кросс (рис. 1) [6–8].

Рис. 1. Упрощенная структурная схема оптического ТТ

Интерфейсы:
V₂ – потенциальный выход;
I₂ – токовый выход;
Код – выход АЦП.

ЭОБ генерирует с помощью встроенного лазера и модулятора на своем оптическом выходе монохроматический циркулярно поляризованный световой сигнал, направляемый по поддерживающему поляризацию ОВ на вход чувствительного элемента. В чувствительном элементе плоскость поляризации сигнала подвергается под воздействием магнитного поля Н₁ тока I₁ соответствующему повороту на угол Фарадея, и с выхода чувствительного элемента световой сигнал поступает на оптический вход ЭОБ, где на фазовом детекторе из него формируется электрический измерительный сигнал.

Далее этот сигнал через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) поступает в виде цифрового кода определенной разрядности на дискретный интерфейсный выход ЭОБ и через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на усилитель, где формируются нормированные аналоговые выходные сигналы в виде напряжения или тока для выдачи на аналоговый интерфейс ЭОБ. Таким образом, измерительная информация может быть получена на выходе ЭОБ для дальнейшего использования.

В том случае, когда чувствительный элемент по технологическим требованиям, например на высоковольтных подстанциях, должен быть удален от ЭОБ, для подключения чувствительного элемента дополнительно используется магистральное ОВ, сохраняющее поляризацию, и кроссовый блок (кабельный бокс), подключающий его к ОВ чувствительного элемента.

СХЕМА НОВОГО УСТРОЙСТВА

Объектом проектирования стало устройство, применяемое в качестве электронно-оптического блока современных ТТ, основанных на эффекте Фарадея. Обобщенная структурная схема устройства показана на рис. 2.

Рис. 2. Обобщенная структурная схема оптического ТТ

Поскольку в стандарте ГОСТ Р МЭК 60044 [9] не содержится требование об обязательном наличии аналоговых выводов на устройствах подобного типа, ограничимся сбором и преобразованием измерительной информации.

Данные от цифровых измерительных трансформаторов, как оптических, так и электронных, преобразуются в пакеты с использованием сумматоров (СУ, Merging Units), предусмотренных стандартом МЭК 61850-9. Сформированные сумматорами пакеты передаются по сети Ethernet (шине процессора) в устройства уровня присоединения (контроллеры АСУ ТП, РЗА, ПА и др.) Частота дискретизации передаваемых данных – не хуже 80 точек на период для устройств РЗА и ПА и 256 точек на период для АСУТП, АИИС КУЭ и др., поэтому необходим высокоскоростной микроконтроллер (МК), способный вовремя обработать и отправить обработанные данные по каналам связи.

В данном приборе предлагается использовать МК семейства TMS 320 фирмы Texas Instruments. Это семейство МК разработано для задач, где требуется производить быстрые вычисления, для устройств, которые не требуют минимального энергопотребления. Интеллектуальная периферия, состоящая из широкого ряда цифровых и аналоговых модулей, не использует ресурс ЦПУ. МК данной серии содержат большую часть модулей, требуемых для построения устройства. Интерфейсы для работы с внешними устройствами представлены следующим набором: UART, IrDA, SPI, I2C, USB, JTAG. Для отладки микроконтроллера можно использовать интерфейс JTAG.

В микроконтроллере имеется 12-битный модуль АЦП конвейерного типа. Аналоговые схемы преобразователя включают аналоговые мультиплексоры с внешним интерфейсом, цепи выборки-хранения, преобразовательное ядро, стабилизаторы напряжения и другие вспомогательные аналоговые цепи. Цифровые схемы включают в себя программируемое устройство циклового управления преобразованием (секвенсер), регистры результатов преобразования, интерфейсы к аналоговым схемам и другим модулям на кристалле.

Секвенсер АЦП может быть настроен на автоматический режим серий преобразований. Это означает, что каждый раз, когда АЦП получает сигнал «начать преобразование», он может совершать множественные преобразования автоматически. Для каждого из них можно выбрать любой из 16 входных каналов, доступных через аналоговый мультиплексор. После завершения преобразования цифровое значение сигнала с выбранного канала будет сохранено в соответствующем регистре результатов.

В качестве модулятора сигнала будет применяться лазерный светодиод фирмы Laser Components, который уникален тем, что содержит в себе как оптический излучатель, так и оптический приемник сигнала, а также предустановленное в корпус изделия ОВ. Излучатель и приемник находятся в одном корпусе, что положительно сказывается на габаритных размерах устройства при проектировании.

Для получения результатов от применения эффекта Фарадея необходимо использовать фазовый детектор, который будет сравнивать отправляемый сигнал с полученным. В качестве такого компонента было выбрано решение от фирмы Analog Devices. На вход подключаются исходный сигнал и сигнал с фотодиода, а на выходе мы получим напряжение, соответствующее отклонению фазы полученного сигнала от отправленного. Это напряжение будет поступать на АЦП.

В качестве средства взаимодействия с устройством был выбран OLED-дисплей Bolymin, на котором можно отследить состояние устройства, измеренное значение тока или сервисную информацию для взаимодействия с оператором устройства.

Основное назначение микросхемы памяти в разрабатываемом устройстве – буфер для хранения передаваемой информации. По мере заполнения буфер будет очищаться, а данные будут передаваться на АРМ. Кроме того, накопленные данные можно будет использовать для составления отчетов и расчетов статистических значений. Также в случае нештатных ситуаций устройство будет сохранять данные о произошедшем в памяти устройства, с указанием времени и даты обнаружения неисправности.

Будем полагать, что объем одного пакета данных, получаемых при обработке входных электрических величин, примерно равен 200 байт. В таком случае использование буферной памяти емкостью 16 кбит вполне удовлетворит наши нужды.

Существуют различные технологии реализации энергонезависимости памяти, такие как EEPROM, Flash, FRAM и т.п. Выбирая подходящую технологию, необходимо принимать во внимание требования к надежности прибора. Это подразумевает как высокое быстродействие памяти, так и достаточно большое число циклов перезаписи (что позволит увеличить срок службы устройства без необходимости сервисного обслуживания, а также минимизировать потери данных при перебоях в питании). Было решено использовать память типа FRAM, т.к. этот тип наиболее выгоден по скорости записи, количеству циклов «чтение–запись» и по току потребления.

Источники питания

Согласно стандартам, данное устройство должно иметь возможность работать как от сети 220 В, так и от автономного источника питания.

Питание устройства предлагается организовать следующим образом: от внешнего блока питания на устройство подается 12 В. Далее двумя линейными регуляторами оно понижается сначала до 5 В для питания аналоговой части прибора, затем до 3,3 В – для питания цифровой части. В качестве регуляторов были выбраны линейные регуляторы фирмы Analog Devices, собственное потребление которых не превышает 34 мкА.

В качестве автономного источника питания предлагается к использованию аккумулятор H&T.

Алгоритмы работы

Функциональная схема проектируемого преобразователя приведена на рис. 3. Проектирование выполнялось в программе Altium Designer 14.

Рис. 3. Функциональная схема устройства

ИП – источник питания,
ЛС1, ЛС2 – линейные стабилизаторы,
РО1 – разъем отладочный (для подключения JTAG),
МД – модуль дисплея,
МП – микросхема памяти,
ОПП – оптический приемопередатчик,
ФД – фазовый детектор,
МК – микроконтроллер.

Рассмотрим алгоритм работы данного устройства (рис. 4). После включения устройства происходит его инициализация. Далее устройство осуществляет самодиагностику. При положительном исходе диагностики устройство приступает к выполнению своих непосредственных функций (генерация сигнала, считывание фазового сдвига, преобразование полученного значения с помощью АЦП, вычисление значения силы тока).

Рис. 4. Алгоритм работы устройства

Алгоритм самодиагностики устройства (рис. 5) предназначен для определения его работоспособности на основе информации о питании. При питании от аккумулятора и недостаточном количестве заряда информация либо сохраняется в памяти устройства, либо передается на АРМ оператора при наличии канала связи.

Рис. 5. Алгоритм самодиагностики устройства

Алгоритм передачи данных (рис. 6) предназначен для реализации обмена данными по каналу связи с АРМ оператора. В устройстве организован буфер для накопления информации и последующей ее передачи при доступности канала связи.

Рис. 6. Алгоритм передачи данных устройством

ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ

После прохождения световым лучом датчика тока, основанного на эффекте Фарадея, получается два световых сигнала: исходный сигнал и измененный после прохождения через магнитное поле, создаваемое током в токопроводе. Отклонение светового луча фиксируется фазовым детектором, преобразуется в напряжение и проходит через аналого-цифровое преобразование. Полученное значение используется при расчете силы тока. Погрешность измерения силы тока состоит из погрешности датчика тока, погрешности преобразования фазового детектора, погрешности АЦП. Погрешность датчика тока в данном расчете не рассматривается, т.к. токовая головка находится за пределами устройства.

Таким образом, погрешность устройства состоит из погрешности оптического приемопередатчика, погрешности преобразования фазового детектора и погрешности АЦП. По итогам расчетов оказалось, что основной вклад в аддитивную составляющую погрешности устройства вносит фазовый детектор.

В общей сложности погрешность измерения силы тока по входу устройства по расчетам составит 0,03%. Данная погрешность мала в сравнении с современными ТТ. В табл. 2 приведены примеры классов точности оптоволоконных датчиков тока различных производителей [10].

Табл. 2. Классы точности некоторых трансформаторов тока

ВЫВОДЫ

1. Представлена принципиальная схема электронно-оптического блока трансформатора тока, основанного на эффекте Фарадея.
2. Произведен метрологический расчет измерения мгновенного значения силы тока. Погрешность измерения силы тока по входу не более 0,030%.
3. Использование разработанного устройства в составе систем коммерческого учета электроэнергии позволит сэкономить десятки миллионов рублей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Цифровая подстанция // NR Electric Co., Ltd [Офиц. сайт]. URL: http://www.nrec.com/ru/category/Digital-Substation.html.
2. Моржин Ю.И. Цифровая подстанция – важный элемент интеллектуальной энергосистемы. URL: http://www.ntc-power.ru/upload/presentation/CPS – intellectual grid element.pdf.
3. Гавричев В. Д., Дмитриев А. Л. Волоконно-оптические датчики магнитного поля: учебное пособие. СПб.: СПбНИУ ИТМО, 2013.
4. Афанасьев В.В., Адоньев Н.М., Кибель В.М., Сирота И.М., Стогний Б.С. Трансформаторы тока. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1989.
5. Лебедев В.Д., Филатова Г.А., Нестерихин А.Е. Измерительные преобразователи тока для цифровых устройств релейной защиты и автоматики // Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем: Научные труды IV Международной научно-технической конференции, г. Екатеринбург, 2013.
6. Измерительные комбинированные оптические преобразователи тока и напряжения NXVCT-121/145/245/362/420/550/800: справочник покупателя. 2007.
7. Оптические измерительные преобразователи. URL: www.tektologic.ru.
8. Власов М.А., Сердцев А.А. Высоковольтные оптические преобразователи для систем измерения и анализа качества электрической энергии // Энергорынок. 2006. № 10.
9. ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010 Трансформаторы измерительные. Часть 8. Электронные трансформаторы тока.
10. Абраменкова И., Корнеев И., Троицкий Ю. Оптические датчики тока и напряжения. URL: http://www.kit-e.ru/articles/sensor/2010_08_60.php.