РЗА-2010

Подождите немного. Документ загружается.

Релейная защита и автоматика энергосистем

240

ВОПРОСЫ СОЗДАНИЯ ПОДСТАНЦИИ

НА БАЗЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ

ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

КУЗИН А.С., РЯБКО М.В. (к. ф-м.н.), ГОРОЖАНКИН П.А. (к.т.н.)

ООО «Уникальные волоконные приборы»

ОАО «Институт «Энергосетьпроект»

ВВЕДЕНИЕ

В данной статье описаны принцип действия и основные технические характеристики волоконно-

оптических трансформаторов тока (ВОТТ) и напряжения (ВОТН), производства ООО «Уникальные

волоконные приборы», а также рассмотрены некоторые вопросы применения ВОТТ и ВОТН как

средства сбора информации о параметрах электроэнергии и передачи ее вторичному оборудованию

(измерительные преобразователи, АИИС КУЭ, РЗА). Для варианта ВОТТ и ВОТН с цифровыми и

аналоговыми выходами предложена схема подключения к существующему оборудованию по анало-

говым выходам для сохранения функциональности и надежности работы вторичного оборудования,

а также возможные варианты построения подстанции на базе цифрового обмена данных, в частности

протокола 61850-9.2.

1. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТРАСНФОРМАТОР ТОКА

1.1. Принцип действия и устройство

Принцип действия ВОТТ основан на магнитооптическом эффекте Фарадея. Магнитное поле

протекающего тока создает фазовый сдвиг между двумя круговыми поляризациями света в волокне,

который измеряется методом низко-когерентной интерферометрии, позволяющий реализовать вы-

сокоточные измерения физических величин.

Рис. 1. Принципиальная схема ВОТТ

Москва, 1–4 июня 2010 г.

241

(1)

(2)

где V – константа Верде волокна, N – число витков волокна вокруг проводника с протекающим

током I.

1.2. Точностные характеристики

Проводимые сертификационные испытания оборудования подтвердили соответствие ВОТТ классу

0,2S в температурном диапазоне -40 – +60 град.

Рис. 2. Токовая погрешность (для 110 кВ)

Рис. 3. Угловая погрешность (для 110 кВ)

Релейная защита и автоматика энергосистем

242

Параметр Значение

Номинальный напряжения 1-750 кВ

Номинальный первичный ток (100-400 000) А rms

Высокоуровневый аналоговый выход 1 А (для любого значения номинального тока)

Низкоуровневый аналоговый выход 200 мВ (для любого значения номинального тока)

Цифровой выход МЭК 61850-9-2

Класс точности:

для измерений

для защиты

0.2S

5Р

Номинальная грузка аналогового выхода:

для измерений

для защиты

2,5 ВА

10 ВА

Температурный диапазон

-50 – +60 °С (измерительный блок)

-10 – +40 (блок обработки)

Скорость ветра до 45 м/с

Высота установки нал уровнем моря <1000 м

Условия работы изоляции по уровню загрязнения Класс II, III

Первичные выводы подключения к шине Зажимы аппаратные А4А

Срок службы До 30 лет

Длина магистральных кабелей До 1000 м

Рис. 4. Отклонение вторичного тока при изменении частоты первичного

1.3. Технические характеристики ВОТТ

Москва, 1–4 июня 2010 г.

243

1.4. Особенности ВОТТ

Отличительные особенности оптического трансформатора по сравнению с традиционными из-

мерительными трансформаторами состоят в следующем:

1. Большой динамический диапазон измеряемых токов (до 10

2. Большая ширина полосы пропускания – 6 кГц. Таким образом, возможно измерение токов от

постоянного до 6000 Гц, что позволяет использовать ВОТТ для анализа качества электроэнергии.

3. Естественная гальваническая развязка первичных и вторичных цепей (чувствительный элемент –

оптическое волокно – является диэлектриком).

4. Меньше масса, чем традиционные трансформаторы с масляной или литой изоляцией в 2-3 раза,

что упрощает монтаж.

5. ВОТТ не нуждается в регулярном обслуживании (за счет отсутствия расходных компонентов, а

также наличия самодиагностики и автокалибровки).

6. ВОТТ взрыво- и пожаробезопасен, так как не содержит ни масел, ни элегаза в качестве изоля-

ции.

7. ВОТТ имеет как аналоговый, так и цифровой выход, а поэтому совместим как с существующими

системами РЗА, так и перспективными РЗА на базе протокола 61850-9-2.

8. Отсутствие выноса потенциала с ОРУ (повышение безопасности и электромагнитной совме-

стимости).

2. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР

НАПРЯЖЕНИЯ

2.1. Принцип действия и устройство

Волоконно-оптический трансформатор напряжения является модифицированным емкостным

трансформатором напряжения. Суть его работы заключается в том, что измеренная информация после

аналогово-цифрового преобразования (АЦП) передается к подстанции по волоконно-оптическому

кабелю, причем и сам блок питается по тому же волоконно-оптическому кабелю. В блоке обработ-

ке, находящемся в ПС находиться блок обработки, который принимает сигнал и преобразует его в

необходимый для последующей передачи вид (100 В, цифровой сигнал). Принципиальная схема

показана на рис. 6.

Рис. 5. Результаты испытаний ВОТТ при изменении Т от –40 до + 60 °С

Релейная защита и автоматика энергосистем

244

Рис. 6. Принципиальная схема ВОТН

2.2. Особенности ВОТН

ВОТН обладает теми же преимуществами, что и ВОТТ, благодаря цифровой системе съема, об-

работки и передачи информации о напряжении.

2.3. Технические характеристики ТН

Параметр Значение

Номинальное первичное напряжение 110-750 кВ

Температурный диапазон

-50 –+60 °С (измерительный блок)

-10 – +40 (блок обработки)

Аналоговый выход 100√3 В

Цифровой выход МЭК 61850-9-2

Класс точности:

для измерений

для защиты

0.2

3Р

Нелинейность 0,02%

Номинальная грузка 15 ВА

Масса колонны (110 кВ) 98 кг

Габаритные размеры (для 110 кВ) 1843 × 260 мм

Срок службы 25 лет

Потребляемая мощность (для 3 фаз) 100 Вт

Москва, 1–4 июня 2010 г.

245

3. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ НА БАЗЕ ВОТТ И ВОТН

С АНАЛОГОВЫМ ВЫХОДОМ

Принципиальным отличием ВОТТ и ВОТН от традиционных трансформаторов является метод

передачи информации от первичных цепей к вторичным – по волоконно-оптическому кабелю с ис-

пользованием промежуточного блока обработки и цифро-аналогового преобразователя, что опреде-

ляет существенные особенности схемы подключения и ВОТТ и ВОТН к вторичному оборудованию.

Данные с измерительных блоков ВОТТ и ВОТН поступают на блок обработки информации (пофаз-

ного), где происходит выделение полезного сигнала, обработка, синхронизация отсчетов, компенса-

ция погрешностей и т. д. Далее информация поступает также по волоконно-оптическому кабелю на

коммутатор для распределения полезного сигнала между шкафами РЗА, АСКУЭ, ПА и т. д.

После коммутатора, непосредственно в шкафу с оборудованием РЗА, АИИС КУЭ и т. д. выполня-

ется цифро-аналоговое преобразование и сигнал с уровнем 1А и 100√3В подается на входы вторичных

устройств, установленным в данном шкафу.

Вариант подключения ВОТТ и ВОТН к существующим системам РЗА и АСКУЭ. представлен на

рис. 7.

Рис. 7

Релейная защита и автоматика энергосистем

246

Прежде чем рассматривать варианты связи ВОТТ и ВОТН по протоколу IEC 61850-9.2 с устрой-

ствами РЗА, ПА и т. д., сформулируем самый общий принцип функционирования такой системы:

один отказ любого устройства не должен приводить к отказу функций релейной защиты (для защит

уровня 500-750 кВ – отказ любых двух устройств). С этой точки зрения, возможности дублирования

(и резервы повышения надежности) при использовании IEC 61850-9.2 с цифровыми устройствами

значительно шире и достигается с меньшими затратами.

Переход на цифровой обмен данными по протоколу 61850-9-2 позволит снизить затраты на вто-

ричные цепи при строительстве ПС, стоимость микропроцессорного оборудования (терминалов) за

счет исключения дорогостоящего узла входных цепей для аналоговых сигналов и АЦП. С увеличением

номинального напряжения стоимость ВОТТ и ВОТН практически не изменяется, что дает заметное

преимущество по цене на высоком напряжении. С другой стороны, становится очевидным необхо-

димость дублирования практически всех устройств (особенно для ПС 550-750 кВ), участвующих в

процессе контроля (первичный датчик ВОТ, цифровые сети, устройства обработки информации).

Поскольку ВОТТ и ВОТН позволяют использовать их для всего спектра задач измерений (по

точности, динамическому и частотному диапазону), то на повестку дня выходит задача создания

универсальных средств измерения, позволяющих реализовать все измерительные функции (в т. ч. –

ККЭ, WAMS, датчики для мониторинга ресурса выключателей, ОМП и др.). Естественно, что ис-

пользование универсальных средство будет существенно экономичнее, чем применение наборов

узкоспециализированных устройств.

Принципиальной отличительной особенностью ВОТТ и ВОТН является необходимость питания

узлов его от системы гарантированного электропитания. Поэтому, в отличие от традиционных (элек-

тромагнитных) ТТ и ТН, которые сами являются источником тока или напряжения, для оптических

цифровых систем первостепенно значение приобретает задача рациональной компоновки блоков ТТ

в шкафах и оптимизация схемы электропитания.

Безусловно положительным качеством при использовании ВОТТ и ВОТН для целей АИИС КУЭ,

является его повышенная информационная защищенность (исказить информацию, передаваемую от

ВОТТ и ВОТН, значительно сложнее, чем при использовании традиционных ТТ и ТН).

В заключение хочется сказать, что, очевидно, внедрение ВОТТ и ВОТН на подстанциях невоз-

можно без внесения корректировок и дополнений в нормативную документацию (нормы техноло-

гического проектирования, ПУЭ, ПТЭ и т.д.), касающихся всех этапов жизненного цикла изделий

(проектирование, ввода в работу, эксплуатация). Эти изменения будут существенны, и потребуется,

безусловно, разработка пилотного проекта «цифровой подстанции», полигонные испытания обо-

рудования, а также активизация производителей вторичного оборудования для создания новых про-

дуктов.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Э.И. Алексеев, Е.Н. Базаров, В.П. Губин, В.Г. Коваленко, А.И. Сазонов, Н.И. Старостин. Рецир-

куляционный волоконный кольцевой интерферометр с фарадеевским отражателем. Письма в

ЖТФ. 2002. Т. 28. Вып. 22. С. 52-58.

[2] R.I. Laming , D.N. Payne, Electric current sensors employing spun highly birefringent optical fibers, J. of

Lightwave Technol., 7. Рp. 2084-2094, 1989.

[3] В.П. Губин, В.А. Исаев, С.К. Моршнев, А.И. Сазонов, Н.И. Старостин, Ю.К. Чаморовский,

А.И. Усов, С.Ю. Отрохов. Цельноволоконные оптические датчики электрического тока с чув-

ствительным элементом на основе SPUN световодов // Труды научно-технической конференции

«Лазеры, измерения, информация», 8-9 июня 2005 г., Санкт-Петербург. С. 16.

[4] Аксенов В.А., Волошин В.В., Воробьев И.Л., Иванов Г.А., Исаев В.А., Колосовский А.О., Морш-

нев С.К., Чаморовский Ю.К. Особенности эффекта Фарадея в кварцевых волоконных светово-

дах // Радиотехника и электроника. 2002. Т. 47. № 8, 1011.

Москва, 1–4 июня 2010 г.

247

КОНЦЕПЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

НА ПОДСТАНЦИЯХ 110-750 кВ

ГРЕЧУХИН В.Н.

ООО НПЦ «МИКРОН-2»

Рассмотрены вопросы взаимодействия цифровых измерительных трансформаторов тока и напряжения

(ЦТТН) с вторичными системами на подстанции и, в первую очередь, с микропроцессорными системами

релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА). Концепция предусматривает решение вопросов

технологической и сетевой безопасности, стандартный протокол обмена данными, решение проблемы

синхронизации на подстанции, обеспечение метрологических характеристик от первичного провода на

ОРУ до шины данных модуля на щите. Концепция также предусматривает избыточную дискретизацию,

автоматический выбор потребителем источника информации о первичном токе из 4 датчиков на разных

физических принципах, заложенных в ЦТТН и выбор каждым потребителем своего темпа поступления

измерительной информации от ЦТТН.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальна инновационная разработка высоковольтных энергоэффективных, взрывобезопасных,

повышенной точности измерительных цифровых трансформаторов тока и напряжения с передачей

цифровой информации о мгновенных значениях первичного тока и напряжения по оптоволокну

на модуль терминала и далее, по согласованным протоколам, вторичным системам коммерческого

учета, РЗА, ПА и управления.

Потребителю не слишком важно, на каком физическом принципе построен цифровой (электрон-

ный) ТТ и ТН (ЦТТН). Важны метрологические характеристики ЦТТН, а именно, погрешности по

величине (току, напряжению) и по углу, обеспеченные между первичным проводом и входом микро-

процессора потребителя.

Требования по метрологии потребители на подстанции предъявляют разные. Наивысшая точность,

особенно по углу, нужна системам коммерческого учета активной, реактивной мощности и энергии

(учет денег), работающим в нормальных эксплутационных режимах энергосистемы. Для систем РЗА,

работающих в аварийных режимах (обрывы, КЗ), важна трансформация всего спектра токов и напря-

жений, включая постоянную (апериодическую) составляющую, пусть даже с меньшей точностью.

Важно также обеспечить преобразование в цифру и транспорт информации по оптоволокну без

потери информации, выбрав интервал дискретизации в соответствии с теоремой Котельникова

(Шеннона).

Концепция построения ЦТТН, учитывающая эти и другие требования, изложена в докладе.

1. КОНЦЕПЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦТТН НА ПОДСТАНЦИЯХ

110-750 кВ

При разработке высоковольтных измерительных цифровых ТТ и ТН необходимо провести анализ

организации существующих на подстанциях аналоговых вторичных цепей, использовав рациональные

аспекты и, по возможности, компенсировав недостатки.

Релейная защита и автоматика энергосистем

248

1.1. Анализ организации аналоговых вторичных цепей тока

и напряжения

Каждый измерительный электромагнитный ТТ 110 кВ и выше, электромагнитный или емкост-

ный ТН 110 кВ и выше подключен вторичными кабелями только к нужным системам измерений,

коммерческого учета, РЗ и ПА, УРОВ и др. на подстанции, причем ТТ имеет несколько разных по

назначению и точности сердечников.

Достоинства: точность, временная и температурная стабильность ТТ и ТН, автономность функ-

ционирования систем учета, РЗ присоединения вне зависимости от процессов на других присоеди-

нениях.

Недостатки: вынос потенциала по вторичным цепям на щит управления при КЗ вблизи ОРУ под-

станции, зависимость точности от сопротивления нагрузки вторичных цепей, для ТТ – насыщение

сердечников при коротких замыканиях с апериодической составляющей, погрешность трансфор-

мации первичного тока достигает при этом 90%, вероятность пробоя высоковольтной изоляции в

месте прохождения высоковольтного провода сквозь заземленные сердечники и выход из строя ТТ,

для ТН – возможность феррорезонанса и выхода из строя ТН в этом режиме.

1.2. Основные принципы технологии

«цифровые вторичные цепи»

Цифровые (электронные) ТТ и ТН как элементы системы автоматизации подстанции должны в

соответствии с разделом 4.2.3: стандарта 61850-3 [1] «Жизненно важные функции на подстанции и

их зависимость от системы автоматизации подстанции» обеспечивать, цитата:

• «Единичное повреждение системы автоматизации подстанции не должно выводить из строя

жизненно важные функции подстанции (релейную защиту, функции управления основным обору-

дованием, учет электроэнергии и т.п.). Для этого система автоматизации подстанции должна иметь

следующие характеристики: …

• Функции релейной защиты должны выполнятся автономно», конец цитаты.

Кроме того, для обеспечения надежности должны соблюдаться:

• Принцип преемственности: идеология построения цифровых вторичных цепей должна повторять

на новом техническом уровне построение аналоговых вторичных цепей тока и напряжения – каждой

вторичной системе (РЗ, ПА, учету и т. д.) подаются только нужные ей цифровые токи и напряже-

ния.

• Принцип функциональности: каждому потребителю свой источник цифровой информации о

первичном токе – измерениям и учету канал от встроенного трансформатора тока класса точности

0.2s, 0.2s/2 (0.1), основной РЗ и ПА – канал от встроенного шунта, трансформирующего без иска-

жений весь спектр тока, включая апериодическую составляющую, резервной РЗ и ПА Каналы от

магнитотранзисторного пояса или пояса Роговского, источник цифровой информации о первичном

напряжении – канал от компенсированного высоковольтного делителя и т. д.

1.3. Концепция использования высоковольтных ЦТТН

на подстанциях

Проведем упорядочение (рис. 1) информационных потоков на подстанции по скорости и равно-

мерности доставки информации от источников потребителям. На рис. 1 показано, что системы связи

на подстанции разные, их можно ранжировать по скорости доставки информации.

Пакетные протоколы связи, доставляющие информацию за одну-две миллисекунды и медленнее,

только условно можно отнести к «системам реального времени», они реально могут обеспечить ин-

формацией только человека (диспетчера) в темпе восприятия им этой информации.

Москва, 1–4 июня 2010 г.

249

Выделим из всех систем связи на подстанции измерительную подсистему, работающую с интер-

валами дискретизации от 0.1 до 250 микросекунд, обеспечивающую преобразование мгновенных

значений первичного тока и напряжения в цифру и доставку потребителю потока измерительной

информации.

Метрологические требования к этой подсистеме высоки [2-7], особенно по углу для систем ком-

мерческого учета. Для класса точности 0.1 угловая погрешность не должна превышать 5 электри-

ческих минут, т. е. 4.63 микросекунды в пересчете на временное запаздывание. Микропроцессоры

DSP (рис. 2) платы управления и ЦТТН выполняют свои программы за время 0.2-0.5 микросекунды,

1 микросекунда тратится на транспорт цифры по оптоволокну длиной 300 метров, т. е. структура рис. 2

обеспечивает требования.

1.4. Концепция использования ЦТТН должна обеспечить:

1.4.1. Метрологические характеристики – от первичного провода на ОРУ до шины данных модуля

на щите, включая до 300 метров оптоволокна обеспечиваются погрешности по величине и углу в клас-

се 0.2s (0.2s/2), 0.2 для коммерческого учета электроэнергии (канал со встроенного ТТ и делителя),

а для РЗА трансформируется с высокой точностью весь спектр тока короткого замыкания, включая

постоянный ток и апериодическую составляющую (канал со встроенного шунта). Дополнительно

может комплектоваться поясом Роговского и/или магнитотранзисторным поясом.

1.4.2. Стандартный протокол обмена данными – платы Ethernet модуля терминала должны обеспе-

чить обмен пакетами с каждым потребителем (МП системы РЗА, коммерческого учета, УРОВ и т.д.) по

стандартам IEC 61850-9-2 и IEC 60044-7/8 в соответствии с рекомендациями UCA International Users

Group “Implementation Guideline for Digital Interface to Instrument Transformers using IEC 61850-9-2”

по оптоволоконному каналу (и/или по витой паре). Протоколы SPORT, SPI, RS-485, RS-232 могут

быть также рекомендованы, так как они реализованы на физическом уровне во всех DSP микропро-

цессорах, присутствующих на рынке.

1.4.3. Решение проблемы синхронизации на подстанции – каждая плата Ethernet модуля обеспечивает

индивидуальную синхронизацию с каждым из 4 потребителей по принципу «точка–точка». Каждый

потребитель через свой порт связи выдает в нужное ему время сигнал дискретизации на один из 4 МП

платы Ethernet, обеспечивая нужное ему количество отсчетов на период 50 Гц (из возможного от 12

до 256). МП плата Ethernet в ответ на сигнал дискретизации выдает потребителю пакет самых свежих

мгновенных значений первичных напряжений и токов (например, Ua, Ub, Uc, 3U0, Ia, Ib, Ic, 3Io) от

нужных потребителю источников информации (ТТ, шунт, МТ, ПР).

Рис. 1. Требования к скорости доставки информации по стандартам МЭК 60044-8 (4), МЭК 61850-9-2

(6-8) для важнейших систем на подстанции в функции времени от 0.1 микросекунды до 18 минут

0.1 1 10 100 1



, 

B &

 & 

 D   

%  n % 

   33  3@ 

  "

  % !"

* D  

" 

""> =>



%,

, 6$, $

 %, 

 ,  

 , 

" 

"