Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и исследование цифровых трансформаторов напряжения 110 кВ, основанных на фундаментальных физических законах c оптоэлектронным интерфейсом для учета электроэнергии в интеллектуальной электроэнергетической системе с активно-адаптивной сетью

Докладчик: Лебедев Владимир Дмитриевич

Должность: заведующий кафедрой АУЭС, доцент, к.т.н.

Цель проекта:
1.1. В настоящее время напряжение в ЛЭП и на подстанциях измеряют с помощью аналоговых измерительных трансформаторов напряжения и высоковольтных емкостных делителей. Большая часть электромагнитных трансформаторов напряжения выработала свой нормативный срок службы и нуждается в замене. При замене существующих трансформаторов важной задачей является устранение ряда проблем, связанных с их эксплуатацией. Анализ трансформаторов напряжения показывает, что большая их часть не обеспечивает свой метрологический класс точности из-за перегрузки по вторичным цепям. Из-за низкого класса точности трансформаторы напряжения не позволяют проводить корректные измерения электроэнергии в точках учета на границе балансовой принадлежности электроустановок генерирующих и сетевых компаний, а также сетевых компаний и потребителей, что приводит к небалансам как мощности, так и электроэнергии. Вторичные цепи аналоговых трансформаторов напряжения подвержены электромагнитным наводкам, что вносит дополнительную погрешность в измерения, и ставит проблему достоверной передачи коммерческих учетных данных с точек учета в базу данных централизованной системы коммерческого учета оптового рынка электроэнергии. Таким образом, традиционные трансформаторы напряжения не исключают коммерческие потери и возможности хищения электроэнергии из-за низкого класса точности. Электромагнитные трансформаторы напряжения могут вступать в феррорезонанс с емкостями шин и конденсаторов, шунтирующих контактные разрывы высоковольтных выключателей, что приводит к серьезным авариям. Кроме того, аналоговые трансформаторы напряжения не соответствуют концепции интеллектуальной электроэнергетической системы с активно-адаптивной сетью, принятой в России в качестве инновационной концепции развития электроэнергетики. 1.2. Разработка нового класса высоковольтного оборудования - цифровых трансформаторов напряжения (ЦТН) для электрических сетей 110 кВ с улучшенными показателями по взрывобезопасности и экологичности (по сравнению с традиционными трансформаторами напряжения), не имеющих аналогов, выпускаемых серийно в Российской Федерации, и обеспечивающих переход к интеллектуальной электроэнергетической системе с активно-адаптивной сетью. Повышение точности измерения напряжения и переход к цифровым подстанциям "Smart Grid".

Основные планируемые результаты проекта:
2.1. Материальными и интеллектуальными результатами ПНИ являются:
1. Экспериментальный образец нового класса электроэнергетического оборудования, не выпускающегося в России и за рубежом - цифрового трансформатора напряжения (ЦТН).
2. Макетный образец первичного преобразователя напряжения.
3. Математические и имитационные модели первичных преобразователей напряжения на фундаментальных физических законах.
4. Методики расчета и моделирования первичных преобразователей напряжения, в том числе трансформаторов с разомкнутыми магнитопрводами.
5. Алгоритмы обработки цифровой информации о напряжениях в режиме реального времени, вносящие минимальную задержку, не приводящую к снижению требуемого класса точности и надежности.
6. Алгоритмы передачи метрологической информации.
7. Результаты теоретических (на математических и имитационных моделях) и экспериментальных исследований экспериментального образца цифрового трансформатора напряжения.
8. Теория создания и применения нового типа оборудования - цифровых трансформаторов напряжения.

В результате выполнения ПНИ планируется получить следующие научно-технические результаты:
1. Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ.
2. Технические требования к первичным преобразователям напряжения, блокам цифровой обработки и передачи информации.
3. Техническая документация на экспериментальный образец цифрового трансформатора напряжения.
4. Программа и методика экспериментальных исследований экспериментального образца цифрового трансформатора напряжения.
5. Рекомендации и предложения по реализации результатов проведенных ПНИ в реальном секторе экономики.
6. Заявки на получение правоохранных документов объектов интеллектуальной собственности.
7. Отчет о патентных исследованиях.
8. Статьи по результатам исследований в журналах, индексируемых в базах данных Scopus и WebOfScience.

2.2. Разработанный ЦТН должен обладать преимуществами перед традиционными аналоговыми трансформаторами:
а) устойчивость к феррорезонансным явлениям за счет использования безиндуктивного или антирезонансного преобразователя напряжения;
б) более высокий класс точности за счет исключения разделительных трансформаторов и наводок на аналоговые вторичные цепи;
в) высокие показатели взрывобезопасности за счет отсутствия масла и элегаза (даже при внутреннем повреждении высоковольтной изоляции взрыва и пожара не произойдет, в отличие от существующих ТН);
г) улучшенные массогабаритные показатели (в 5-7 раз легче существующих ТН);
д) соответствие инновационной концепции развития электроэнергетики «Интеллектуальная электроэнергетическая система с активно-адаптивной сетью».
Также достигнутые в ЦТН показатели должны обладать преимуществами перед оптическими трансформаторами:
а) меньшие стоимостные характеристики за счет отсутствия прецизионной оптомеханики и оптоэлектроники;
б) работа в заданном классе точности при наличии температурных и вибрационных воздействий;
в) меньшее потребление электрической энергии.

2.3. Новизна выполняемой работы заключается в следующем:
1) В рамках проекта будет разработан новый тип высоковольтного оборудования, не имеющий аналогов в России и за рубежом – цифровой трансформатор напряжения.
2) Будут разработаны первичные преобразователи в виде резистивного, емкостного, активно-емкостного делителей и на основе трансформатора напряжения с разомкнутым магнитопроводом.
3) Будут разработаны методики расчета первичных преобразователей.
4) Будет разработано устройство преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму и их передачи по оптическому волокну в соответствии с протоколом МЭК 61850-9.2LE.
5) Использование в качестве изоляционного материала в ЦТН твердого диэлектрика, что позволяет снизить пожароопасность трансформатора.

2.4. Разработанные в настоящее время электромагнитные антирезонансные трансформаторы напряжения (например, типа НАМИ) несколько уменьшает остроту проблемы феррорезонансных явлений, но не решает её, поскольку борются со следствием, а не с причиной.
Концепции ИЭС ААС соответствуют разрабатываемые в настоящее время в России и за рубежом оптические трансформаторы напряжения, принцип действия которых основан на эффекте Поккельса. Оптические трансформаторы напряжения не подвержены феррорезонансным явлениям и позволяют измерять напряжение с достаточно высокой точностью во всех режимах работы. Однако это преимущество не может в полной мере компенсировать их недостатки – выходной сигнал оптических трансформаторов подвержен влиянию внешних факторов, таких как температура, вибрация и давление, что отрицательно сказывается на погрешности измерений, оптические трансформаторы имеют высокую стоимость. Оптические трансформаторы напряжения экономически оправдывают себя в сетях сверхвысокого и ультравысокого напряжения, когда стоимость изоляции электромагнитных трансформаторов тока получается очень высокой. Для низкого и высокого напряжения требуется создание более дешёвых измерительных преобразователей. Это понимают и сами разработчики оптических трансформаторов напряжения и не разрабатывают оптические трансформаторы на напряжения 6-35 кВ.
Поэтому более перспективным является разработка цифровых трансформаторов напряжения 6-220 кВ, обеспечивающих автоматизацию подстанций с применением современных средств диагностики, мониторинга и управления на основе информационных и компьютерных технологий.

2.5. В ходе выполнения ПНИ предполагается разработка новых типов первичных преобразователей напряжения, а, соответственно, и методов их расчета. В качестве элементной базы первичных антирезонансных преобразователей напряжения предполагается использовать высоковольтные резистивный, емкостный, активно-емкостный делители. Расчеты первичных преобразователей напряжения предполагается выполнять на полевых моделях, позволяющих учесть распределение параметров в пространстве. Для разработки полевых моделей будут использованы программы конечно-элементарного моделирования, такие как COMSOL Multiphysics, ANSYS, ELCUT и др.
Для разработки устройства преобразования измеренного напряжения в цифровой сигнал необходимо проанализировать существующую микропроцессорную технику, аналого-цифровые преобразователи, оптические приемо-передатчики и протоколы передачи данных. Исследования разработанного устройство можно выполнить при помощи оборудования, передающему данные по реализованному в устройстве протоколу (например, при передаче данные по протоколу IEC 61850-9.2LE таким устройством может быть РЕТОМ-61850).

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
3.1. Цифровой трансформатор напряжения предназначен для измерения напряжения на электрических подстанциях.
Основное приоритетное направление: Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика.
Основная критическая технология: Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии.
Область знаний: Электроэнергетика.
Основными потребителями научных и научно-технических результатов являются:
- ОАО «РОССЕТИ», ОАО «РЖД», ОАО «ГАЗПРОМ», ТГК, ОГК и другие крупные компании, в ведомости которых находятся электросетевые объекты;
- заводы-производители традиционных аналоговых трансформаторов напряжения;
- учебные заведения.

3.2. Результаты ПНИ являются необходимыми и достаточными для изготовления опытной партии цифровых трансформаторов напряжения, а также необходимыми для внедрения их в опытную эксплуатацию на объектах электроэнергетики. Организация серийного производства будет выполнена после завершения предлагаемого проекта авторским коллективом, выполнявшим ПНИ с участием Индустриального партнера.

3.3. Разработка, создание и внедрение цифровых трансформаторов напряжения обеспечит:
• передачу цифровой информации в соответствие со стандартами на цифровые измерительные трансформаторы по IEC 60044-7 (Электронные трансформаторы напряжения), IEC 61850-8, IEC 61850-9-2 (LE), ГОСТ 1983-2001;
• более высокий класс точности по напряжению по сравнению с существующими аналогами;
• преобразование и передачу сигнала по оптическому волокну в цифровом коде с минимальной задержкой;
• повышение точности учета электроэнергии в 1,5-2 раза, уменьшение коммерческих потерь электроэнергии;
• автоматизацию подстанций на основе современных компьютерных технологий с применением современных средств диагностики, мониторинга, учёта и контроля электроэнергии;
• высокую точность измерений во всех возможных режимах работы в широком спектре частот, включая постоянное напряжение;
• повышение управляемости и надёжности систем автоматики и защиты на современной микропроцессорной основе с использованием новых информационных компьютерных и Интернет-технологий;
• исключение выноса высокого потенциала с места КЗ на щит управления по вторичным цепям.

Текущие результаты проекта:
4.1. Выполнен аналитический обзор научных и информационных источников, затрагивающих научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
4.2. Проведены патентные исследования.
4.3. Выполнено исследование, обоснование и выбор методов и средств, направлений исследований и способов решения поставленных задач в области разработки цифрового трансформатора напряжения.
4.4. Проведена сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичной тематике.
4.5. Проведен анализ протоколов передачи цифровых мгновенных значений напряжений по оптоволоконному интерфейсу.
4.6. Выполнено теоретическое исследование и выбор наиболее эффективных способов создания цифрового трансформатора напряжения с применением математического моделирования.
4.7. Разработан макет первичного преобразователя цифрового трансформатора напряжения для тепловых испытаний.
4.8. Разработана вспомогательная измерительная система тепловых параметров первичного преобразователя цифрового трансформатора напряжения.
4.9. Изготовлен макет первичного преобразователя цифрового трансформатора напряжения для тепловых испытаний.
4.10. Изготовлена вспомогательная измерительная система тепловых параметров первичного преобразователя цифрового трансформатора напряжения.
4.11. Проведены тепловые испытания макета первичного преобразователя цифрового трансформатора напряжения.
4.12. Разработана Концепция цифровой подстанции в части цифровых трансформаторов тока и напряжения.
4.13. Разработаны технические требования к первичным преобразователям напряжения.
4.14. Разработаны технические требования к блокам цифровой обработки и передачи информации.