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

Номер контракта: 14.574.21.0072

Руководитель: Лебедев Владимир Дмитриевич

Должность: заведующий кафедрой АУЭС

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
цифровой антирезонансный трансформатор напряжения, трансформатор напряжения с разомкнутым магнитопроводом, резистивный делитель напряжения, емкостный делитель напряжения, активно-емкостный делитель напряжения

Цель проекта:
1) Задачи проекта Разработка и изготовление первичного преобразователя напряжения, не вступающего в опасные феррорезонансные явления, имеющий высокий класс точности и более низкие массогабаритные показатели по сравнению с существующими трансформаторами напряжения. Разработка структуры цифрового трансформатора напряжения, обеспечивающей электромагнитную совместимость, отсутствие наводок на вторичные цепи и тем самым сохранение высокого класса точности первичного преобразователя Конфигурирование и параметрирование устройства цифровой обработки информации и связи с внешними потребителями, не снижающего класс точности измерений и обеспечивающее подключение цифрового трансформатора к другим устройствам цифровых подстанций активно-адаптивных сетей. Проведение исследовательских испытаний цифрового трансформатора напряжения. 2) Цель проекта Создание цифровых трансформаторов напряжения 110 кВ, основанных на фундаментальных физических законах с оптоэлектронным интерфейсом для организации интеллектуальной электроэнергетической системы с активно-адаптивной сетью.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Разработаны структурные, функциональные и принципиальные схемы первичных преобразователей, включая резистивные, емкостные, активно-емкостные преобразователи напряжения и трансформаторы напряжения с разомкнутым магнитопроводом.
2 Разработаны способы компенсации фазовых погрешностей однофазных трансформаторов напряжения с разомкнутыми магнитопроводами.
3 Выполнены инженерные расчеты первичных преобразователей напряжения с решением задач техники высоких напряжений, метрологии, механической прочности.
4 Разработаны способы защиты микроэлектроники цифрового трансформатора напряжения от воздействия высоковольтных электромагнитных полей токонесущего провода.
5 Разработаны математические модели трансформатора напряжения с разомкнутым магнитопроводом на основе теории электромагнитного поля.
6 Проведены дополнительные патентные исследования.
7. Обоснованы и поставлены цели и методов моделирования первичных преобразователей.
8. Разработаны математические модели резистивного делителя напряжения на основе теории электромагнитного и теплового полей.
9. Разработаны математические модели емкостного делителя напряжения на основе теории электромагнитного поля.
10. Разработаны математические модели активно-емкостного делителя напряжения на основе теории электромагнитного поля.
11. Разработаны методики расчета первичных преобразователей напряжения с разомкнутым магнитопроводом и делителей напряжения.
12. Разработаны математические модели электромагнитных полей, воздействующих на микроэлектронную аппаратуру измерения напряжений, преобразования и передачи цифрового сигнала.
13. Выполнены вычислительные эксперименты на разработанных моделях с определением метрологических показателей первичных преобразователей напряжения (с решением вопросов высоковольтной изоляции, электромагнитной обстановки и совместимости) и выбраны основные варианты их конструкций.
14. Выполнен анализ наиболее перспективных для энергетики принципов измерения напряжения по результатам расчета.
15. Разработаны структурно-функциональные схемы приемо-передающих трактов, обеспечивающих цифровой поток измерительной информации к микропроцессорным системам.
16. Разработаны специальные алгоритмы цифровой обработки информации о напряжениях, вносящих минимальную задержку, не приводящую к снижению требуемого класса точности.
17. Разработаны алгоритмы передачи метрологической информации.
18. Выполнена закупка материалов и комплектующих для макетного образца первичного преобразователя напряжения и экспериментального образца трехфазного комплекта первичных преобразователей цифрового трансформатора напряжения 110 кВ.
19. Выполнена закупка оборудования для проведения исследований макетного образца.
20. Разработаны Программа и методики исследовательских испытаний макетного образца первичного преобразователя напряжения.
21. Разработан макетный образец первичного преобразователя напряжения.
22. Выполнено изготовление макетного образца первичного преобразователя напряжения.
23. Выполнены исследовательские испытания макетного образца.
24. Выполнено конфигурирование и параметрирование программного обеспечения устройства цифровой обработки сигналов и связи с внешними потребителями трехфазного комплекта цифрового трансформатора напряжения.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Цифровой трансформатор напряжения – новый вид высоковольтного энергетического оборудования, не выпускающийся в России, не вступающий в опасные феррорезонансные явления, являющийся взрыво- и пожаробезопасным, самодиагностируемым и имеющим высокий класс точности.
Разработка первичных преобразователей цифровых трансформаторов напряжения выполняется по впервые разработанным структурным, функциональным и принципиальным схемам. Уникальность способов защиты микроэлектроники от воздействия высоковольтных электромагнитных полей обусловлена новизной принятых решений, размещение электронных модулей в зоне сильных электромагнитных полей не является стандартным решением. Математические модели, позволяющие оценить метрологические характеристики и антирезонансные свойства трансформаторов напряжения с разомкнутым магнитопроводом, также были разработаны впервые. Разработанные модели позволяют исследовать электромагнитные поля в трехмерном пространстве и времени, что актуально для исследования электромагнитных процессов в электроэнергетических установках и системах. Впервые разработанные математические модели резистивного, емкостного и активно-емкостного делителей напряжения с распределенными параметрами и методики расчета позволяют определять погрешности измерений с помощью данных типов делителей напряжения, выполнять оптимизацию их конструкции и исследование их работы в электроэнергетических системах. Выполненные вычислительные эксперименты на разработанных моделях позволили определить погрешности измерений делителями напряжения, разработать и проверить методы уменьшения их погрешностей, выбрать наиболее перспективные для энергетики принципы измерения напряжения. Разработанные структурно-функциональные схемы приемо-передающих трактов и специальные алгоритмы обработки и передачи цифровой информации обеспечивают цифровой поток измерительной информации к микропроцессорным системам в режиме реального времени с минимальными задержками, не приводящими к снижению требуемого класса точности. Результаты выполненных исследований позволили впервые изготовить макетные образцы резистивного и активно-емкостного делителей напряжения, предназначенных для работы на ОРУ. Закупленное оборудование позволило провести испытания макетных образцов, подтвердившие результаты, полученные на математических моделях.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Цифровой трансформатор напряжения предназначен для измерения напряжения на электрических подстанциях.
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.

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.

Социальный эффект от реализации проекта обусловлен:
• улучшением показателей качества электроэнергии за счёт того, что цифровой трансформатор напряжения, измеряя напряжения с высокой точностью и передавая информацию по мгновенным значениям напряжения с помощью цифровых оптоэлектронных технологий, позволит эффективно управлять энергетическими объектами;
• снижением стоимости электроэнергии (косвенного) за счёт уменьшения числа и масштабов аварий, происходящих в электросетевом оборудовании связанных с некорректной работой стандартных измерительных трансформаторов, особенно в аварийных и переходных режимах. Уменьшение себестоимости электроэнергии оценить сложно, так как является следствием снижения ущерба при недоотпуске электроэнергии при возможном возникновении аварий;
• уменьшением числа и масштабов аварий, происходящих в электросетевом оборудовании, сокращением вынужденных перерывов в подаче электроэнергии за счёт более эффективной работы микропроцессорной аппаратуры релейной защи-ты и автоматики.

Экономический эффект от внедрения предлагаемого продукта заключается в более точном учёте электроэнергии при передаче мощностей по ЛЭП высокого напряжения. Автоматическая обработка цифровой информации о напряжениях позволит в режиме реального времени в автоматизированном режиме управлять потоками энергии исходя из экономической эффективности с соблюдением требований безопасности выбранных режимов работы.

Внедрение ЦТН обеспечит:
• создание высокоинтегрированных активно-адаптивных сетей нового поколения SMART GRID, внедрение автоматизированных подстанций (без постоянного дежурного персонала), создание автоматизированных систем управления, а также интеллектуальных систем учёта электроэнергии;
• получение единого источника информации об напряжении в стандартном формате для всех информационных и управляющих устройств;
• повышение управляемости и надёжности систем автоматики и защиты на современной микропроцессорной основе с использованием новых информационных компьютерных и Интернет-технологий;
• мониторинг и диагностику всех составляющих подстанции, включая вторичные цепи;
• простое подключение новых устройств, неограниченное количество получателей данных;
• повышение класса точности по напряжению по сравнению с аналоговыми электромагнитными трансформаторами (класс точности 0,2 в установившемся режиме);
• помехозащищённость, за счёт использования оптоволокна для передачи информации от РУ;
• снижение количества кабельных связей;
• исключение выноса высокого потенциала с места КЗ на щит управления по вторичным цепям;
• упрощение и гибкость проектирования и наладки;
• уменьшение коммерческих потерь электроэнергии.

Текущие результаты проекта:
1. Выполнен аналитический обзор научных и информационных источников, затрагивающих научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
2. Проведены патентные исследования.
3. Выполнено исследование, обоснование и выбор методов и средств, направлений исследований и способов решения поставленных задач в области разработки цифрового трансформатора напряжения.
4. Проведена сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичной тематике.
5. Проведен анализ протоколов передачи цифровых мгновенных значений напряжений по оптоволоконному интерфейсу.
6. Выполнено теоретическое исследование и выбор наиболее эффективных способов создания цифрового трансформатора напряжения с применением математического моделирования.
7. Разработан макет первичного преобразователя цифрового трансформатора напряжения для тепловых испытаний.
8. Разработана вспомогательная измерительная система тепловых параметров первичного преобразователя цифрового трансформатора напряжения.
9. Изготовлен макет первичного преобразователя цифрового трансформатора напряжения для тепловых испытаний.
10. Изготовлена вспомогательная измерительная система тепловых параметров первичного преобразователя цифрового трансформатора напряжения.
11. Проведены тепловые испытания макета первичного преобразователя цифрового трансформатора напряжения.
12. Разработана Концепция цифровой подстанции в части цифровых трансформаторов тока и напряжения.
13. Разработаны технические требования к первичным преобразователям напряжения.
14. Разработаны технические требования к блокам цифровой обработки и передачи информации.
15. Разработаны структурные, функциональные и принципиальные схемы первичных преобразователей, включая резистивные, емкостные, активно-емкостные преобразователи напряжения и трансформаторы напряжения с разомкнутым магнитопроводом.
16. Разработаны способы компенсации фазовых погрешностей однофазных трансформаторов напряжения с разомкнутыми магнитопроводами.
17. Выполнены инженерные расчеты первичных преобразователей напряжения с решением задач техники высоких напряжений, метрологии, механической прочности.
18. Разработаны способы защиты микроэлектроники цифрового трансформатора напряжения от воздействия высоковольтных электромагнитных полей токонесущего провода.
19. Разработаны математические модели трансформатора напряжения с разомкнутым магнитопроводом на основе теории электромагнитного поля.
20. Проведены дополнительные патентные исследования.
21. Обоснованы и поставлены цели и методов моделирования первичных преобразователей.
22. Разработаны математические модели резистивного делителя напряжения на основе теории электромагнитного и теплового полей.
23. Разработаны математические модели емкостного делителя напряжения на основе теории электромагнитного поля.
24. Разработаны математические модели активно-емкостного делителя напряжения на основе теории электромагнитного поля.
25. Разработаны методики расчета первичных преобразователей напряжения с разомкнутым магнитопроводом и делителей напряжения.
26. Разработаны математические модели электромагнитных полей, воздействующих на микроэлектронную аппаратуру измерения напряжений, преобразования и передачи цифрового сигнала.
27. Выполнены вычислительные эксперименты на разработанных моделях с определением метрологических показателей первичных преобразователей напряжения (с решением вопросов высоковольтной изоляции, электромагнитной обстановки и совместимости) и выбраны основные варианты их конструкций.
28. Выполнен анализ наиболее перспективных для энергетики принципов измерения напряжения по результатам расчета.
29. Разработаны структурно-функциональные схемы приемо-передающих трактов, обеспечивающих цифровой поток измерительной информации к микропроцессорным системам.
30. Разработаны специальные алгоритмы цифровой обработки информации о напряжениях, вносящих минимальную задержку, не приводящую к снижению требуемого класса точности.
31. Разработаны алгоритмы передачи метрологической информации.
32. Выполнена закупка материалов и комплектующих для макетного образца первичного преобразователя напряжения и экспериментального образца трехфазного комплекта первичных преобразователей цифрового трансформатора напряжения 110 кВ.
33. Выполнена закупка оборудования для проведения исследований макетного образца.
34. Разработаны Программа и методики исследовательских испытаний макетного образца первичного преобразователя напряжения.
35. Разработан макетный образец первичного преобразователя напряжения.
36. Выполнено изготовление макетного образца первичного преобразователя напряжения.
37. Выполнены исследовательские испытания макетного образца.
38. Выполнено конфигурирование и параметрирование программного обеспечения устройства цифровой обработки сигналов и связи с внешними потребителями трехфазного комплекта цифрового трансформатора напряжения.