АВТОНОМНОЕ АВТОМАТИЧЕСКОЕ КОМПЛЕКСНОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ В СЕТЯХ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
STAND-ALONE INTEGRATED AUTOMATIC MEASURING DEVICE FOR MONITORING AND METERING OF ELECTRICITY IN HIGH VOLTAGE NETWORKS IN REAL TIME MODE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам контроля и учета электроэнергии на высоковольтных входных и выходных порталах электрических подстанций и узлах присоединений высоковольтных линий электропередачи.
Известен преобразователь измерительный высоковольтный оптический напряжения и тока (А.Л.Гуртовцев. Оптические трансформаторы и преобразователи тока. Принципы работы, устройства, характеристики. Новости электротехники, №5 (60), 2010 г.), содержащий преобразователь измерительный оптический тока и преобразователь измерительный оптический напряжения, установленные на изоляторе у фазного провода линии передачи электроэнергии высокого напряжения, присоединенные каждый к оптоволоконной линии передачи, которые соединяют преобразователи с оптическими устройствами измерения поляризационных характеристик электромагнитных волн сигналов в оптоволоконной линии, пропорциональных силе тока в проводе и фазному напряжению в соответствии с эффектом Фарадея (законом Верде) и эффектом Поккельса.
Недостаток известного технического решения заключается в ограниченной области возможного размещения измерительного устройства, а именно только вблизи пунктов, снабженных вторичными источниками питания электронных блоков.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому автономному автоматическому комплексному измерительному устройству контроля и учета электроэнергии в режиме реального времени в сетях высокого напряжения (патент на изобретение №2224260, МКИ 7 G01R 11/48, опубликован 20.02.2004 г.) является устройство, содержащее автономное автоматическое комплексное измерительное устройство контроля и учета электроэнергии в режиме реального времени в сетях высокого напряжения, содержащее проводящий корпус, который выполнен в виде цилиндра с плоскими торцевыми стенками, который установлен вертикально на диэлектрической подставке, размещенной на высоковольтном конденсаторе высоковольтного плеча емкостного делителя напряжения, который установлен вертикально и нижней обкладкой присоединен к земле, причем проводящий корпус включен последовательно в рассечку высоковольтного силового провода, низковольтный конденсатор низковольтного плеча емкостного делителя напряжения, включенный последовательно между верхней обкладкой высоковольтного конденсатора и проводящим корпусом и размещенный внутри проводящего корпуса, а выход емкостного делителя через мультиплексор подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом блока обработки данных, измерительный низковольтный трансформатор тока, установленный на внешней стороне проводящего корпуса и укрепленный на ней через изолирующую прокладку, первичной обмоткой измерительного низковольтного трансформатора тока является высоковольтный силовой провод, а выводы вторичной обмотки измерительного низковольтного трансформатора тока через мультиплексор подключены к входу аналого-цифрового преобразователя, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки данных размещены внутри проводящего корпуса, радиопередатчик, размещенный внутри проводящего корпуса, вход которого соединен с выходом блока обработки данных, а выход - с антенной, блок питания, который размещен внутри корпуса и вход которого подключен к вторичной обмотке электромагнитно связанного с фазным проводом низковольтного электромагнитного трансформатора тока, установленного на внешней стороне верхней плоской торцевой стенки проводящего корпуса, укрепленного на ней через вторую изолирующую прокладку внутри выравнивателя поля.
Недостатком этого технического решения является узкий динамический диапазон измеряемых токов в фазном проводе, ограниченный допустимыми измеряемыми значениями силы тока электромагнитного трансформатора тока.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение динамического диапазона измеряемого тока автоматического комплексного измерительного устройства контроля и учета электроэнергии в режиме реального времени в сетях высокого напряжения в автономном режиме.
Решение этой задачи достигается тем, что известное автономное автоматическое комплексное измерительное устройство контроля и учета электроэнергии в режиме реального времени в сетях высокого напряжения, содержащее проводящий корпус, который выполнен в виде цилиндра с плоскими торцевыми стенками и установлен вертикально на диэлектрической подставке, размещенной на высоковольтном конденсаторе высоковольтного плеча емкостного делителя напряжения, который установлен вертикально и нижней обкладкой присоединен к земле, причем проводящий корпус включен последовательно в рассечку фазного провода, низковольтный конденсатор низковольтного плеча емкостного делителя напряжения, включенный последовательно между верхней обкладкой высоковольтного конденсатора и проводящим корпусом и установленный внутри проводящего корпуса, а выход емкостного делителя соединен с мультиплексором, подключенным к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом блока обработки данных, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки данных установлены внутри проводящего корпуса, радиопередатчик, установленный внутри проводящего корпуса, вход которого соединен с выходом блока обработки данных, а выход - с антенной, блок питания, который помещен внутрь корпуса и вход которого подключен к вторичной обмотке электромагнитно связанного с фазным проводом низковольтного электромагнитного трансформатора тока, установленного на внешней стороне верхней плоской торцевой стенки проводящего корпуса, укрепленного на ней с помощью второй изолирующей прокладки, снабжено чувствительным элементом в виде нескольких витков оптоволокна, помещенных в жесткую защитную оболочку из немагнитного материала, охватывающих фазный провод и образующих токовую головку для оптического трансформатора тока, и электронно-оптическим блоком, который присоединен к чувствительному элементу, причем электронно-оптический блок образован источником электромагнитной волны оптического диапазона, выход которого присоединен к входу модулятора, выход которого присоединен к входу оптоволокна чувствительного элемента и параллельно - к входу фазового детектора, второй вход которого присоединен к выходу оптоволокна чувствительного элемента, выход фазового детектора соединен с мультиплексором, подключенным к входу аналого-цифрового преобразователя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано автономное автоматическое комплексное измерительное устройство контроля и учета электроэнергии в режиме реального времени в сетях высокого напряжения, на фиг.2 схематично показано размещение узлов устройства внутри корпуса, на фиг.3 представлен чувствительный элемент, а на фиг.4 приведена функциональная схема измерительного устройства.
Автономное автоматическое комплексное измерительное устройство контроля и учета электроэнергии в режиме реального времени в сетях высокого напряжения содержит проводящий корпус 1, который выполнен в виде цилиндра с плоскими торцевыми стенками: нижней - 2 и верхней - 3 и установлен вертикально на диэлектрической подставке 4, размещенной на высоковольтном конденсаторе 5 высоковольтного плеча емкостного делителя напряжения. Высоковольтный конденсатор 5 установлен вертикально и нижней обкладкой 6 присоединен к земле. Проводящий корпус 1 включен последовательно в рассечку фазного провода 7. Низковольтный конденсатор 8 низковольтного плеча емкостного делителя напряжения включен последовательно между верхней обкладкой 9 высоковольтного конденсатора 5 и проводящим корпусом 1 и установлен внутри проводящего корпуса 1. Выход 10 емкостного делителя через мультиплексор 11 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 12, выход которого соединен с входом блока обработки данных 13. Радиопередатчик 14 установлен внутри проводящего корпуса 1, вход радиопередатчика 14 соединен с выходом блока обработки данных 13, а выход - с антенной 15. Блок питания 16 помещен внутрь корпуса 1. Вход блока питания 16 подключен к вторичной обмотке электромагнитно связанного с фазным проводом 7 низковольтного электромагнитного трансформатора тока 17, установленного на внешней стороне верхней плоской торцевой стенки 3 проводящего корпуса 1, укрепленного на ней через вторую изолирующую прокладку 18. Чувствительный элемент 19 - в виде нескольких витков оптоволокна, помещенных в жесткую защитную оболочку 20 из немагнитного материала, охватывающих фазный провод 7 и образующих оптический трансформатор тока 21. Электронно-оптический блок 22 присоединен к чувствительному элементу 19. Электронно-оптический блок 22 образован источником электромагнитной волны оптического диапазона 23, выход которого присоединен к входу модулятора 24. Выход модулятора 24 присоединен к входу оптоволокна чувствительного элемента 19 и параллельно - к входу 25 фазового детектора 26, второй вход 27 которого присоединен к выходу оптоволокна чувствительного элемента 19. Выход фазового детектора 26 через мультиплексор 11 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 12.
Автономное автоматическое комплексное измерительное устройство контроля и учета электроэнергии в режиме реального времени в сетях высокого напряжения работает следующим образом.
Информационный сигнал напряжения уровня от 0 до 5 В относительно потенциала корпуса 1, то есть высокого потенциала, пропорциональный высоковольтному фазному напряжению фазного провода 7 относительно земли, формируется емкостным делителем напряжения, образованным высоковольтными конденсатором 5 высоковольтного плеча емкостного делителя напряжения и низковольтным конденсатором 8 низковольтного плеча емкостного делителя напряжения. Низковольтный конденсатор 8 включен между верхней обкладкой 9 высоковольтного конденсатора 5 и проводящим корпусом 1. С низковольтного конденсатора 8 низковольтного плеча емкостного делителя напряжения информационный аналоговый сигнал через мультиплексор 11, который обеспечивает временное разделение каналов измерения силы тока и фазного напряжения, поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 12, выход которого соединен с входом блока обработки данных 13.
Информационный сигнал с напряжением уровня от 0 до 5 В, пропорциональный силе тока в фазном проводе 7, снимается с выхода фазового детектора 25. Преобразование силы тока в фазном проводе 7 в напряжение уровня от 0 до 5 В осуществляется в чувствительном элементе 19 за счет эффекта Фарадея вращения плоскости поляризации электромагнитной волны оптического диапазона в оптоволокне пропорционально напряженности продольного магнитного поля. Исходная плоская электромагнитная волна оптического диапазона формируется источником 23 электромагнитной волны оптического диапазона. С выхода источника 23 электромагнитной волны оптического диапазона сигнал поступает на вход модулятора 24. С выхода модулятора 24 часть сигнала поступает на вход чувствительного элемента 19 и распространяется вдоль его оптоволокна до выхода чувствительного элемента 19. Другая часть сигнала с выхода модулятора 24 поступает на первый вход 25 фазового детектора 26, на второй вход 27 которого поступает волна с выхода чувствительного элемента 19. При распространении электромагнитной волны вдоль оптоволокна чувствительного элемента 19 за счет эффекта Фарадея плоскость поляризации волны изменяется пропорционально силе тока, то есть напряженности магнитного поля, образующего кольцевые силовые линии в поперечном сечении фазного провода 7. В соответствии с законом Верде угол поворота плоскости поляризации: Θ=V·l·Н, где Θ - угол поворота плоскости поляризации волны в оптоволоконной линии, V - коэффициент пропорциональности (Верде), l - длина оптоволокна чувствительного элемента 19, определяющая его чувствительность, Н - напряженность магнитного поля, связанная с током в токопроводе 4 законом полного тока. На выходе фазового детектора 26 возникает аналоговый сигнал, пропорциональный углу поворота плоскости поляризации электромагнитной волны, то есть силе тока в фазном проводе 7. С выхода фазового детектора 26 сигнал через мультиплексор 11 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 12, с выхода которого оцифрованный сигнал поступает на вход блока обработки данных 13.
Итак, чувствительный элемент 19 в виде нескольких витков оптоволокна, помещенных в жесткую защитную оболочку 20, обеспечивающую механическую прочность конструкции чувствительного элемента 19, из немагнитного материала, что исключает искажение магнитного поля фазного провода 7, образует оптический трансформатор тока 21, обладающий широким динамическим диапазоном измеряемых токов.
С выхода блока обработки данных 13 информационный сигнал в виде цифровой последовательности, соответствующей спектральному составу фазного тока, фазного напряжения и активной мощности основной гармоники, поступает на вход радиопередатчика 14. Выход радиопередатчика 14 присоединен к антенне 15, которая формирует радиоканал приемо-передачи данных между измерительным устройством и диспетчерским пунктом для визуализации и хранения информации в соответствии с требованиями нормативной документации.
Радиопередатчик 14 выполнен, например в виде цифрового радиомодема в стандарте Ehernet типа Ultima3 ER. Передача информационных данных по радиоканалу помимо простого способа обеспечения высоковольтной развязки приемной стороны одновременно повышает помехозащищенность передаваемой информации, что реализуется применением сверхвысокочастотной несущей частоты, равной ~2450 МГц, в сочетании с широкополосной модуляцией несущей частоты полезным сигналом в стандарте 802.11 b. Применение радиопередатчика 14 канала передачи данных обеспечивает дальность передачи информации до 3 км при потребляемой мощности в пределах 5 Вт. Выполнение антенны 15 из диэлектрика исключает источники коронного разряда.
Блок питания 16 обеспечивает электропитание мультиплексора 11, аналого-цифрового преобразователя 12, блока обработки данных 13, радиопередатчика 14, электронно-оптического блока 22. Энергия на вход блока питания 16 снимается с фазного провода 7 и поступает через вторичную обмотку электромагнитно связанного с фазным проводом 7 низковольтного электромагнитного трансформатора тока 17. Используя вторичные обмотки в стандартном низковольтном трансформаторе тока, например, типа ТШЛП-10-1/3000А, обеспечивается уровень мощности блока питания 16 около 100 Вт.
Выполнение проводящего корпуса 1 в виде цилиндра с плоскими торцевыми стенками: нижней - 2 и верхней - 3 при включении его в рассечку фазного провода 7 обеспечивает его функционирование в режиме клетки Фарадея, которая работает как электромагнитный экран от помеховых полей фазного провода 7 в отношении установленных в ней блока питания 16, мультиплексора 11, аналого-цифрового преобразователя 12, блока обработки данных 13, радиопередатчика 14, электронно-оптического блока 22. Вертикальная установка корпуса 1 на высоковольтном конденсаторе 5 определена рациональным вариантом ее крепления. Диэлектрическая подставка 4 необходима для выполнения гальванической развязки плеч делителя напряжения, а вторая изолирующая прокладка 18 обеспечивает защиту от электрического пробоя обмотки низковольтного электромагнитного трансформатора тока 17, установленного на внешней стороне верхней плоской торцевой стенки 3 проводящего корпуса 1.
Применение изобретения обеспечивает расширение динамического диапазона измеряемых токов в фазном проводе до значений кратности в 10 и более раз относительно номинальных значений. При этом обеспечивается автономный режим работы при условии произвольной установки устройства относительно диспетчерских пунктов cбора данных.