Разработка модели учебного прибора для дистанционного сбора режимных параметров с удалённых подстанций и распределительных пунктов разных классов номинальных напряжений

НА ГЛАВНУЮ

Михайленко Ярослав Витальевич,

соискатель Сибирского федерального университета.

Изменения активной и реактивной мощности нагрузок потребителей вызывают изменения потоков в энергосистеме с соответствующим изменением потерь, поэтому в системе необходим непрерывный контроль за уровнем потерь и за потокораспределением, поскольку они характеризуют экономичность всей системы электроснабжения.

При комплексном управлении режимом возможно добиться снижения потерь мощности в энергосистеме примерно на 2–4 %, что позволит экономить сотни миллионов рублей ежегодно.

В настоящее время на подстанциях устанавливают современное оборудование, но это касается новых, крупных и значимых высоковольтных подстанций. На удаленных небольших подстанциях практически не производится замена старого оборудования на новое современное (элементы релейной защиты и автоматики, а также системы телеизмерений на этих подстанциях устарели или их вовсе нет).

В наше время на рынке существует множество различных систем предназначенных для дистанционного сбора режимных параметров. Все эти системы состоят из устройств, выполняющие определённые функции и смонтированные в разных корпусах. В итоге для получения полноценной системы сбора, обработки и передачи информации необходимо несколько приборов, что в итоге получается очень громоздким и дорогим, так как каждый элемент стоит десятки тысяч рублей, а система в сборе после монтажа и настройки стоит сотни тысяч рублей.

В отличие от промышленных аналогов, разрабатываемое решение имеет малые габариты (размеры и массу), модульную структуру и невысокую стоимость компонентов (в пределах 15–20 тысяч рублей). Так же в нём система сбора, обработки и передачи данных может быть организованна в одном корпусе, что значительно облегчает подключение к существующему оборудованию.

Структурная схема разрабатываемого прибора представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема разрабатываемого прибора (изображенная GSM антенна может быть встроенной в модем).

В базовой версии планируется поддержка 18 независимых входов напряжения и тока (возможно увеличение числа входов до 100 и более). Диапазон входных напряжений до 1000В, тока до 10А (подключение к первичным преобразователям, трансформаторам тока и трансформаторам напряжения или напрямую в сеть с указанным диапазоном).

К достоинствам можно отнести:

- невысокие стоимостные характеристики (стоимость в несколько раз меньше промышленных аналогов);

- возможность работы в широком температурном диапазоне;

- малое собственное энергопотребление;

- высокая ремонтопригодность за счет использования стандартных компонентов;

- широкие возможности расширения за счет мощного процессора и поддержки внешних накопителей и флэш-памяти.

В качестве недорогой основы системы может служить серийно производимый одноплатный микрокомпьютер Raspberry SET Pi Model B на базе микропроцессора ARM11, поддерживающий ОС Linux (также совместим c прочими Unix-подобными операционными системами и системами реального времени, напр. QNX), SD флэш-память, USB и Ethernet- интерфейсы, а также любой USB 3G модем Huawei (широко представлены в продаже у всех операторов мобильной связи). Встроенный Ethernet-интерфейс обеспечивает широкие коммутационные возможности по подключению к локальным и технологическим сетям, а также, при использовании преобразователей интерфейсов (например, RS-485->Ethernet), коммутацию к другим приборам.

Разрабатываемое решение позволяет в режиме реального времени производить дистанционный сбор режимных параметров с удаленных подстанций и распределительных пунктов. Применение мощного процессора значительно снизило время обработки измеряемых параметров. К достоинствам можно также отнести малую чувствительность к изменению параметров полезного сигнала и помехи, к изменению частоты в энергосистемы и т. п.

Прибор выполняет измерения и расчёт следующих режимных параметров:

- действующие значения напряжений – фазных, междуфазных и средних;

- действующие значения токов – фазных и среднего;

- фазные и суммарные мощности нагрузки активные, реактивные, полные;

- коэффициент мощности нагрузок;

- активная и реактивная энергия.

Возможны измерения уровня высших гармонических до 1000 гармоник (по отношению к промышленной частоте 50 Гц) и параметров качества электрической энергии.

Возможное применение:

- в качестве обучающего стенда для студентов энергетических и радиотехнических специальностей;

- АСУ ТП подстанций/электростанций;

- системы телемеханики;

- учет электроэнергии;

- оптимизация электрического режима в темпе процесса;

- контроль электрооборудования.

Прибор имеет высокую точность измерений и расчёта.

Расчетная погрешность измерений:

- фазного и линейного напряжения ;

- фазного тока ;

- мощности нагрузок .

Для привязки всех измерений к меткам единого астрономического времени прибор оснащен часами реального времени с поддержкой синхронизации от сети Internet (через сотовые сети GSM (3G/4G)) и (или) спутниковых каналов связи.

Наличие внутренней и возможность использования внешней памяти позволяет формировать архивы событий (информация о работе прибора, регистрация изменений состояний входов и т.п.), а также архивы значений мощности (активной / реактивной, потреблённой / отпущенной) в течение нескольких лет.

Обмен данными с центральным диспетчерским пунктом осуществляется с помощью GSM (3G/4G) сетей посредством модема. На диспетчерский пункт данные первичных измерений и расчётные значения параметров режима передаются в виде электронных почтовых вложений текстовых файлов. Размеры почтовых вложений не превышают нескольких байт, передаются в зашифрованном виде, и могут быть обработаны автоматически или в ручном режиме. Периодичность отправки сообщений от каждой контролируемой подстанции определяет головной сервер (от десяти в секунду до одного в год).

Предполагается, что прибор сбора режимных параметров будет иметь возможность работать в двух режимах:

1. Выдача данных телеизмерений в автоматическом режиме (показания снимаются и отправляются через заданный интервал).

2. Выдача данных телеизмерений при запросе с диспетчерского пункта (показания снимаются и отправляются только по запросу).

Для работы прибора в автономном режиме необходимо задать интервал времени, через который прибор будет включаться, собирать данные телеизмерений и отправлять их на диспетчерский пункт, а затем отключаться. Интервал может быть задан в диапазоне от 0,1 секунды до нескольких месяцев.

При работе по запросу прибор включён постоянно, но передача данных происходит только когда приходит запрос с диспетчерского пункта.

При включении прибора мультиплексор (MUX) (рисунок 1) последовательно опрашивает все каналы поочерёдно, причём каналы по напряжению и току одноимённых фаз опрашиваются одновременно, что позволяет точно определить угол сдвига фаз между напряжением и током.

За одну секунду могут быть оцифрованы до 22050 независимых значений напряжения и тока. За один период частотой 50 Гц получается 441 независимых показаний напряжения и тока. Точность прибора составит градуса.

Прибор может за одну секунду максимально оцифровывать до 185000 независимых значений напряжения и тока. За один период частотой 50 Гц. могут быть получены 3840 независимых показаний напряжения и тока. Максимальная точность прибора составит градуса.

Примеры вывода на экран осциллограмм измеряемых параметров представлены на рисунках 4–8. Данные осциллограммы зафиксированы для распределительной сети 0,4 кВ, при установке на подстанции прибор подключается к трансформаторам тока и напряжения, поэтому структура сигналов будет аналогична представленным на рисунках.

Часть текстового файла с передаваемыми данными первичных измерений и расчётных параметров представлена на рисунке 2. Наименование текстового файла соответствует диспетчерскому названию контролируемой подстанции, также передаётся информация о точном времени и дате измерений.

Рис. 2. Текстовый файл с передаваемыми данными.

На рисунке 3 представлен фрагмент осциллограммы напряжения без подключения токовых цепей для иллюстрации возможности системы. На данном рисунке представлен увеличенный фрагмент осциллограммы напряжения.

Угол сдвига фаз между напряжением и током соответствующих фаз, пропорционален задержке осциллограммы напряжения по отношению к осциллограмме тока, представленных на рисунке 4.

Примеры вывода на экран измеряемых параметров с разделением по каналам в виде диаграмм, представлены на рисунках 5, 6.

Измеряемое действующее напряжение в сети с разделением по каналам представлено на рисунке 5.

Измеряемый вторичный ток трансформатора тока с разделением по каналам представлен на рисунке 6.

Рис. 3. Осциллограмма напряжения без подключения токовых цепей, увеличенный фрагмент осциллограммы напряжения.

Рис. 4. Осциллограмма тока и напряжения в сети в о.е., частота дискретизации 22 кГц.

Рис. 5. Действующее напряжение в сети по каналам.

Рис. 6. Вторичный ток ТТ по каналам.

Таким образом, в настоящее время разработана и совершенствуется модель системы/прибора для дистанционного сбора режимных параметров и контроля качества электрической энергии с высокими техническими и низкими стоимостными характеристиками. Наличие широких коммуникационных возможностей, поддержка разных ОС и совместимость со стандартными внешними устройствами хранения данных позволит использовать данную систему как для решения учебных, так и практических задач.

Литература

1. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. – 2-е изд.- Спб.: Питер, 2006.

2. Совалов С. А. Режимы Единой энергосистемы. — М.: Энергоатомиздат, 1983.

3. Бойко А.С, Ершов Ю.А., Михайленко Я.В. Цифровые цепи тока и напряжения. Журнал “Новости электротехники”. №6 (42) 2006.

Поступила в редакцию 06.05.2014 г.