2
Содержание
Используемые сокращения................................................5
ВВЕДЕНИЕ...............................................................7
ГЛЛВЛ 1. Анализ современного уровня развития электрофизических установок для контроля систем энергоснабжения.........................14
1.1 Традиционные методы построения................................. 14
1.2 Альтернативные методы построения................................16
1.2.1 Оптические трансформаторы тока и напряжения..................16
1.2.2 Системы, расположенные на стороне высокого потенциала........18
1.3 Сравнительный анализ............................................21
1.4 Электромагнитная обстановка в рабочей среде высоковольтных электрофизических установок.......................................22
1.4.1 Уровни электрических полей....................................22
1.4.2 Уровни магнитных полей........................................25
1.5 Оценка помехоустойчивости систем, расположенных в КИУ...........27
1.6 Выводы по главе.................................................31
ГЛАВА 2. Система синхронизации измерений в сетях энергоснабжения общего назначения........................ 1...........33
2.1 Время как метрологический параметр измерительных устройств системы энергосиабения............................................33
2.2 Системы точного времени.........................................39
2.2.1 Протоколы в сетях передачи данных.............................39
2.2.2 Радиосигналы точного времени..................................40
2.2.3 Системы фазовой автоподстройки частоты........................41
2.2.4 Навигационные системы.........................................42
2.2.5 Выбор системы синхронизации...................................43
2.3 Система синхронизации времени на базе ГНСС ГЛОНАСС..............43
2.4 Выводы по главе.................................................47
ГЛАВА 3. Особенности технической реализации системы синхронизации измерений в условиях сильных электромагнитных полей электрофизических установок высокого напряжения...............48
3.1 Проблема размещения навигационного приемника на стороне высокого потенциала.................................................48
3.2 Разработка принципов построения антенных излучателей для электронных систем в сильных электромагнитных полях.................49
3.2.1 Устройства, совмещающие функции излучателя и фильтра............50
3.2.2 Разработка пассивной частотно-избирательной антенны.............54
3.2.3 Оценка антенн-фильтров..........................................63
3.2.4 Автономный излучатель в условиях сильных электромагнитных полей...............................................................64
3.2.5 Малошумящий усилитель...........................................67
3.3 Выводы по главе...................................................68
ГЛАВА 4. Система электропитания информационных объектов, расположенных на стороне высокого потенциала............................69
4.1 Блок преобразователя..............................................70
4.1.1 Гальванические способы передачи энергии.........................71
4.1.2 Оптические способы передачи энергии.............................72
4.1.3 Радиоканальный способ передачи энергии..........................73
4.1.4 Выбор оптимального способа построения блока преобразователя 74
4.2 Источник резервного питания.......................................75
4.3 Блок формирования питающих напряжений.............................76
4.4 Блок преобразователя с отбором мощности от фазного провода 78
4.4.1 Теоретическое описание блока преобразователя....................78
4.4.2 Схема ББП с коммутацией вторичной обмотки.......................88
' 4.4.3 Режим ББП с рассеиванием мощности...............................90
4.4 Выводы по главе...................................................92
ГЛАВА 5. Практическое применение разработанных систем в составе комплексного измерительного устройства..................................94
5.1 Макет системы синхронизации измерений, расположенной на стороне высокого потенциала.........................................94
5.2 Макет системы электропитания информационных объектов, расположенных на стороне высокого потенциала.......................101
4
5.3 Выводы по главе......................................104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................105
Библиографический список...................................108
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Эффект Фарадея.............................................118
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Расчетная модель КИУ для комплекса ЛАЗТО...................120
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 '
Краткий обзор измерительных устройств качества электрической энергии низкого напряжения.........................................126
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
Время в системе ГЛОНАСС....................................132
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
Макет подсистемы точного времени...........................134
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
Приемные антенны ГЛОНАСС...................................140
ПРИЛОЖЕНИЕ 7
Оценка времени разряда суперконденсатора...................142
ПРИЛОЖЕНИЕ 8
Зависимость входного сопротивления ОС-ОС конвертора от входного напряжения (на примере Са!ех 245,12.4АТ-//£)...............148
5
Используемые сокращения
АЗУ - автоматическое зарядное устройство
АКБ - аккумуляторная батарея
АЦП - аналого-цифровой преобразователь (преобразование) ББП - блок бесперебойного питания
ВВЦ — блок входных цепей
БФГТН - блок формирования питающих напряжений
ВН — высокое напряжение
ВОДТ - волоконно-оптический датчик тока
ГНСС - глобальная навигационная спутниковая система
ДВП - долевой вклад потребителей (в искажение ПКЭ)
ДР - диэлектрический резонатор
ИВК - информационно-вычислительный комплекс
MPI I - источник резервного питания
КБ - конструкторское бюро
КВП - коаксиально-волновой переход
КИУ - комплексное измерительное устройство
КПД - коэффициент полезного действия
КСВН - коэффициент стоячей волны напряжения
ЛЭП - линия электропередачи
МП - магнитное поле
МШУ - малошумящий усилитель
НКА — навигационный космический аппарат
НП - навигационный приемник
ОВЛ - оптическая волоконная линия
ОРУ — открытое распределительное устройство
ОТН - оптический трансформатор напряжения
ОТТ - оптический трансформатор тока
ПДУ - предельно допустимые уровни
6
ГПСЭ - показатели качества электроэнергии
ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема
ППФ - полосно-пропускающий фильтр
ТН - трансформатор напряжения
ТТ - трансформатор тока
УКВ - ультракороткие волны
УХЛ -умеренно холодный (климат)
ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты
ЦОС - цифровая обработка сигналов
ЭДС - электродвижущая сила
ЭМС - электромагнитная совместимость
ЭП - электрическое иоле
ЭСЧВ —эталон сигналов частоты и времени
FM — frequency modulation
DC - direct current
GPS - global positioning system
NMEA — National Marine Electronics Association
NTP — network time protocol
PPS — pulse per second
RDS — radio data system
UART — universal asynchronous receiver/transmitter
UTC — universal coordinated time
7
ВВЕДЕНИЕ
Задачи обеспечение электромагнитной совместимости информационных объектов с рабочей средой электрофизических установок, в составе которых они функционируют, являются неотъемлемой частью их создания или модернизации. При этом особенности каждого типа электрофизической установки требуют различных способов решения вопросов конструирования, обеспечения электромагнитной совместимости, проектирования электронных схем, разработки программного обеспечения и многих других.
В работе спектр электрофизических установок и информационных объектов ограничен устройствами, применяемыми в системах энергоснабжения высокого напряжения. В качестве информационных объектов рассматриваются измерительные устройства параметров качества и количества электрической энергии, а в качестве электрофизических установок — устройства, обеспечивающие сопряжение измерительных устройств с линией электропередачи (ЛЭП) высокого напряжения (ВН).
В настоящее время актуальным направлением развития систем энергоснабжения является внедрение интеллектуальных измерительных устройств параметров качества и количества электрической энергии. Это подтверждается постановлением Правительства от 13.08.97 №1013 [59], признающим электрическую энергию видом товара, обладающим качеством; Федеральным законом «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» [67], определяющим требования в части снижения потерь от транспортирования электроэнергии, а также включением вопросов «технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления электроэнергии» в перечень критических технологий Российской Федерации [57].
Современные требования включают в себя интеграцию отдельных измерительных устройств в единое информационное пространство в пределах, как минимум, зоны балансовой ответственности в энергосистеме. При этом возникает задача обеспечения синхронизации измерений на всех устройствах системы.
8
Для ее решения необходимо дооснащение всех электрофизических установок, в составе которых функционируют измерительные устройства, оборудованием, обеспечивающим прием и обработку сигналов точного времени.
Традиционно в системах энергоснабжения высокого напряжения электрофизические установки представлены высоковольтными измерительными трансформаторами тока (ТТ) и напряжения (ТН). При их использовании измерительные устройства располагаются на стороне земли в благоприятной электромагнитной обстановке, т.е. обеспечение электромагнитной совместимости измерительного устройства обеспечивается ее положением. Накопленный опыт внедрения и использования таких систем показал, что такое техническое решение обладает рядом существенных недостатков [23, 35, 36, 38, 42, 49], связанных в основном с характеристиками высоковольтных измерительных ТТ и ТН.
В качестве альтернативной электрофизической установки известно комплексное измерительное устройство (КИУ). Отличительной особенностью такого типа электрофизических установок является расположение измерительного устройства непосредственно на стороне высокого потенциала контролируемых сетей. Такое техническое решение оказывается метрологически, экономически и технически более привлекательным, так как обеспечивает большую точность, надежность и электро-, пожаро-, взрывобезопасность, чем традиционные высоковольтные электрофизические установки. Конструкция такого устройства известна и метрологически и экономически обоснована в [5, 6].
Конструктивно КИУ представляет собой металлический корпус, расположенный на высоковольтных конденсаторах, образующих нижнее плечо высоковольтного емкостного делителя напряжения для согласования с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) канала напряжения (первичный датчик напряжения), а также служащих опорой КИУ. Первичный датчик тока образован низковольтным ТТ [51 - 53]. Корпус КИУ с первичными датчиками тока и напряжения, совместно со вспомогательным оборудованием (выравниватели поля и сетчатый экран измерительного ТТ), включенный в рассечку фазного провода представляет собой электрофизическую установку высокого напряжения.
9
Информационные объекты располагаются внутри металлического корпуса КИУ. Этим обеспечивается электромагнитная совместимость электронного оборудования с электрофизической установкой, рабочая среда которой характеризуется сильными низкочастотными электрическими и магнитными полями. Передача данных измерений, а также управление КИУ осуществляется посредством радиоканала в стандарте 802.1 \bJg- Этим достигается полная гальваническая развязка измерительного устройства, расположенного па стороне высокого потенциала, и потенциала земли.
С позиции измерительных устройств параметров качества и количества электрической энергии, расположенный в составе КИУ измерительный модуль является автономным и однофазным, а значит требования синхронизации измерений проявляются уже в границах точки контроля трехфазной ЛЭП ВН.
Для обеспечения автономности измерительного устройства в составе КИУ необходимо разработка и создание новых источников бесперебойного питания, позволяющее снабжать информационные объекты требуемым напряжением питания на стороне высокого потенциала в условиях сильных электрических и магнитных нолей.
Таким образом, ориентируясь на современные требования к измерительным устройствам в системах энергоснабжения и перспективы создания автономных электрофизических установок, необходимо дооснащение каждого КИУ блоком синхронизации измерений и системой электропитания. При этом учитывая расположение оборудования непосредственно на стороне высокого потенциала, особое внимание необходимо уделить методам электромагнитной совместимости блока синхронизации измерений и системы электропитания с рабочей средой электрофизической установки, характеризующейся сильными электрическими и магнитными нолями. В настоящее время, это является актуальной задачей.
Решение проблемы синхронизации измерений может быть найдено в применении различных систем точного времени, таких, как специальные протоколы в радиосетях и сетях передачи данных, глобальные навигационные спугни-
10
ковые системы и др., а также в из комбинации. Применение того или иного технического решения обеспечения синхронизации измерений обусловлено требованиями к максимально допустимой погрешности синхронизации системного времени на устройствах системы, а также технической возможностью обеспечения электромагнитной совместимости тех или иных электронных компонентов, образующих систему точного времени, расположенную на стороне высокого потенциала с.высоковольтной электрофизической установкой.
Проблема построения системы электропитания связана с построением первичного преобразователя. Несмотря на то, что в точке размещения КИУ доступна практически неограниченная мощность (в сравнении с потребностями информационных объектов), реализация такого устройства сопряжена с рядом трудностей.
В итоге, целью диссертационной работы поставлена разработка методов обеспечения электромагнитной совместимости информационных объектов и системы электропитания с рабочей средой электрофизической установки (характеризующейся сильными электрическими и магнитными полями) для расширения ее функциональных возможностей.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
• разработка принципа построения блока синхронизации измерений в условиях сильных электрических и магнитных полей, свойственных рабочей среде электрофизической установки;
• разработка принципа построения системы электропитания информационных объектов, расположенных на стороне высокого потенциала контролируемого фазного провода ЛЭП ВН;
• выбор оптимального способа синхронизации измерений на территориально удаленных устройствах, обеспечивающего требуемую погрешность измерения линейного напряжения (как основного параметра режима работы трехфазной ЛЭП) для систем класса точности не менее 0,1;
• выбор оптимального способа построения первичного преобразователя системы электропитания.
11
Исследование указанных проблем но обеспечению электромагнитной совместимости информационных объектов с сильным электрическим и магнитным полем, свойственным рабочей среде электрофизических установок, соответствует специальности 01.04.13 — «Электрофизика, электрофизические установки», охватывающей теоретически и технические проблемы по построению электрофизических установок, в том числе решение вопросов совместимости сильного электромагнитного поля с информационными объектами.
В результате проведенных исследований получены следующие результаты, обладающие научной новизной:
• впервые разработан блок синхронизации измерений на электрофизических установках, построенный на базе навигационного приемника ГЛОНАСС/(/Р£, отличающийся тем, что снабжен оригиналы и,їм приемным антенным модулем, обеспечивающим нормальное функционирование навигационного приемника в условиях сильных электрических и магнитных полей;
• впервые разработана система бесперебойного электропитания информационных объектов, расположенных на стороне высокого потенциала ЛЭП ВН, с отбором мощности от тока фазного провода;
• проведена оценка максимально допустимой погрешности синхронизации системного времени в отношении электрофизической установки для обеспечения класса точности систем (в предположении использования идеальных датчиков тока и напряжения) на его основе не хуже 0,1.
На защиту выносятся следующие результаты:
• принцип построения и метод обеспечения электромагнитной совместимости системы синхронизации измерений в условиях сильных электрических и магнитных полей рабочей среды электрофизической установки;
• принцип построения системы электропитания информационных объектов на стороне высокого потенциала ЛЭП ВН с отбором мощности от тока фазного провода и ее техническая реализация;
12
• оценка допустимой погрешности синхронизации системного времени информационных объектов, функционирующих (в составе электрофизических установок) на стороне высокого потенциала ЛЭП ВН;
• оптимальный способ синхронизации измерений на электрофизических установках — применение глобальных навигационных спутниковых систем. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического
спискам приложений.
Первая глава посвящена обзору способов построения электрофизических установок, предназначенных для контроля качества электрической энергии в сетях высокого напряжения, анализу их основных свойств, достоинств и недостатков. Основное внимание уделено вопросам обеспечения электромагнитной совместимости информационных объектов с электрофизической установкой.
Вторая глава посвящена вопросам выбора оптимального способа синхронизации измерений на территориально удаленных объектах. В качестве основного критерия выбора системы синхронизации применяется оценка погрешностей при определении параметров режима работы ЛЭП устройствами измерения показателей качества электроэнергии (ПКЭ) (в предположении использования идеальных первичных датчиков тока и напряжения). Оценки проводятся для обеспечения класса точности измерительных устройств не хуже 0,1.
Третья глава посвящена особенностям технической реализации блока синхронизации измерений на стороне высокого потенциала ЛЭП ВН. Предложены и исследованы способы обеспечения электромагнитной совместимости навигационного приемника, оценена помехоустойчивость предложенных технических решений.
Четвертая глава посвящена вопросам обеспечения электромагнитной совместимости систем электропитания информационных объектов, расположенных на стороне высокого потенциала. Рассмотрены различные способы построения первичных преобразователей, разработан способ построения блока бесперебойного питания с отбором мощности от тока фазного провода, а также технические решения по стабилизации питающих напряжений.
- Київ+380960830922