В статье описывается построение мониторинга линий электропередач, приведены расчетные соотношения и структурная схема. Помимо этого рассмотрены основные компоненты системы и даны практические рекомендации. Статья представляет собой сокращенный вариант [2]
Бурное развитие электроэнергетики привело к необходимости переоборудования существующих передающих и распределительных сетей и сооружения новых подстанций. Достижения в микропроцессорной технике и постоянный рост стоимости труда обслуживающего персонала подталкивают энергетические компании к разработке новых автоматизированных высоковольтных подстанций с интегрированными автоматическими системами высокой точности.
Исходя из величины рабочего напряжения, можно выделить два типа подстанций: к высоковольтным подстанциям относят 500- и 330-кВ, некоторые 220-кВ, а также 220-кВ распределительные подстанции, тогда как 110- и 35-кВ относят к средне- или низковольтным подстанциям. Высоковольтные (передающие) подстанции являются отдельными сооружениями. А низковольтные (распределительные) подстанции представляют собой оборудование, размещаемое внутри зданий, в городах и предназначенное для питания больших нагрузок.
Высокоразвитые технологии обработки сигналов позволили обеспечить в новом поколении систем точность 0,1%, тогда как до сих пор в подобных системах точность составляла 0,5%. Такие достижения стали возможны благодаря применению высококачественных многоканальных АЦП, которые обеспечивают требуемую разрешающую способность и частоту дискретизации.
На рисунке 1 показаны формы сигналов типичной трёхфазной измерительной системы. В каждой фазе имеется пара трансформаторов: трансформатор тока (CT) и трансформатор напряжения (PT). В системе имеется три таких пары. Средний уровень мощности за короткий промежуток времени определяется путем выборки ряда отсчётов выходных сигналов от каждого трансформатора, выполнения дискретного преобразования Фурье (ДПФ) над полученными данными и проведения необходимых арифметических действий.
Рис. 1. Сигналы в типичной 3-фазной системе
|
АЦП производит 32 набора отсчётов одновременно по трём каналам тока и трём каналам напряжения, при этом оцифрованные значения сигналов сохраняются в ОЗУ. Затем производится дискретное преобразование Фурье по всем шести каналам, и результаты представляются в комплексном виде, т.е. (A+jB). Амплитуда и фаза сигнала каждого из трансформаторов может быть вычислена следующим образом.
Если (A + jB) и (С + jD) — комплексная запись сигналов с CT1 и PT1, то амплитуда (Mi) есть модуль, а фаза (Pi) — аргумент соответствующего комплексного числа:
P1(CT1) = arctg(B/A) = ψ,
P2(PT1) = arctg(D/C) = θ.
Тогда активная мощность в фазе 1 (измеряемая с помощью пары трансформаторов PT1/CT1) составит:
U1 = M1 · M2 cos(ψ – θ).
Аналогично вычисляются мощности на парах PT2/CT2 (U2) и PT3/CT3 (U3). Суммарная средняя мощность составляет:
U = U1+ U2 + U3.
В данном методе применяется алгоритм дискретного преобразования Фурье, что дает возможность определять мощность системы на одной выбранной частоте. Если же использовать алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ), то можно получить данные о мощности гармоник и других частотных составляющих, что позволяет получать сведения о потерях в системе и об уровне нежелательный шумов.
В системе может быть несколько сотен измерительных трансформаторов. Диапазон напряжений трансформаторов выбран таким образом, что выходное напряжение ±5 В (или ±10 В) соответствует напряжениям и токам силовой сети, с большим запасом превышающим максимальные значения рабочих токов и напряжений. Сигналы большей величины бывают редко и чаще всего говорят о сбое в работе системы.
Для точных измерений таких небольших сигналов требуются АЦП с высокой разрешающей способностью и хорошим отношением сигнал/шум. Кроме того, обязательно необходима одновременная многоканальная оцифровка.
На сегодняшний день доступны системы с 14-битным разрешением, например 4-канальный AD7865 [1] — это 14-битный АЦП, работающий с сигналами обеих полярностей и обеспечивающий отношение сигнал/шум 80 дБ. Однако существует потребность в более точных и быстродействующих многоканальных АЦП с 16-битным разрешением и скоростью оцифровки 10 тыс. отсчётов в секунду и выше. Для измерения 3-фазного тока и напряжения АЦП должен иметь возможность одновременной шестиканальной оцифровки и, кроме того, обладать большой величиной отношения сигнал/шум для измерения малых сигналов. В системах, где используется большое количество АЦП, также требуется низкое энергопотребление.
Примером устройства, соответствующего всем этим требованиям, является преобразователь AD7656[1], выполненный по технологии iCMOS. Он содержит шесть малопотребляющих 16-битных АЦП последовательного приближения, обеспечивающих частоту отсчётов 250 кГц. Технология iCMOS сделала возможным производство широкого спектра высококачественных интегральных микросхем, предназначенных для применения в высоковольтных схемах. AD7656 обеспечивает отношение сигнал/шум в 86,6 дБ, что достаточно для измерения малых сигналов переменного тока с трансформаторов.
Структурная схема измерительной системы приведена на рисунке 2. Несмотря на то, что АЦП, безусловно, является ключевым устройством в схеме, следует учитывать множество других факторов при разработке высококачественной системы. Источники опорного напряжения и усилители сигнала на входе АЦП также влияют на качество системы. Для удаленного подключения может потребоваться гальваническая развязка линии передачи.
Рис. 2. Измерительная схема для мониторинга линий электропередач
|
В различных устройствах применяют либо встроенные источники опорного напряжения (ИОН), либо внешние. Выбор зависит от конкретных требований, предъявляемых к системе. Внешние источники напряжения используют, когда в одном устройстве имеется несколько АЦП, т.к. общий источник исключает возможность разброса опорного напряжения на различных АЦП.
Для того чтобы система обеспечивала высокую точность в широком температурном диапазоне, необходимо использовать источники опорного напряжения с малым дрейфом. Для понимания значения дрейфа и выбора между внутренними и внешними ИОН можно привести следующие несложные расчеты. 16-разрядный АЦП с максимальным входным сигналом в 10 В обеспечивает разрешающую способность 152 мкВ. Максимальный температурный дрейф внутреннего ИОН AD7656 равен 25 ppm/°C (обычно дрейф составляет около 6 ppm/°C,
1 ppm = 10–6). При изменении температуры на 50°C опорное напряжение может измениться на 1250 ppm, или на 12,5 мВ. В случаях, когда требуется температурная стабильность, лучше применять внешние ИОНы, такие как ADR421[1] с дрейфом не более 1 ppm/°C. Такой дрейф будет соответствовать изменению опорного напряжения всего на 0,5 мВ при аналогичном изменении температуры.
Подстанция обычно состоит из множества различных систем, которые нуждаются в подключении к удаленному общему системному контроллеру. Такое подключение обычно производится с обеспечением гальванической развязки. Привычные решения с использованием оптопар на основе свето- и фотодиодов сейчас заменяются на устройства гальванической развязки iCoupler на основе микротрансформаторов. По сравнению с обычными оптопарами, устройства iCoupler способны обеспечить в четыре раза более высокую скорость передачи цифровых данных, имеют в 50 раз меньшее энергопотребление, что означает малое рассеивание тепла; для них характерны высокая надежность и низкая цена. Кроме того, высокая степень интеграции упрощает компоновку и способствует экономии места на плате. Четырёхканальное устройство гальванической развязки цифрового сигнала ADuM1402 [1] обеспечивает скорость передачи до 100 Мбит/с и изоляцию при напряжении до 2,5 кВ.
Для систем, в которых применяется интерфейс RS-485, создан интегрированный приёмопередатчик ADM2486 [1]. Он поддерживает скорость передачи данных до 20 Mбит/с и обеспечивает изоляцию при напряжении до 2,5 кВ.
При мониторинге линии электропередачи для выполнения сложных математических операций требуется процессор цифровой обработки сигналов. Идеально подходящим процессором для обеспечения DFT, FFT и других алгоритмов в подобных системах является процессор ADSP-BF531 Blackfin [1], обладающий высокой производительностью, малым энергопотреблением и низкой стоимостью.
Процессор Blackfin представляет собой высокоинтегрированную систему на кристалле. В состав процессора входят контроллеры CAN 2.0B и TWI, два порта UART и порт SPI, два последовательных порта (SPORT), девять 32-битных таймеров общего назначения, из которых восемь поддерживают режим широтно-импульсной модуляции (ШИМ), часы реального времени, сторожевой таймер и параллельный периферийный интерфейс (PPI). Такая развитая периферия позволяет добиться совместимости с различными системами и интерфейсами.
Процессоры семейства Blackfin ADSP-BF536 [1] и ADSP-BF537 [1] также оборудованы IEEE-совместимым интерфейсом 802.3 10/100 Ethernet MAC, который в настоящее время является стандартным для многих измерительных систем.
При разработке печатных плат необходимо уделить особое внимание расположению АЦП и окружающих его элементов. Аналоговая и цифровая схемы должны быть разделены и размещены в разных частях платы. Необходимо наличие хотя бы одной поверхности заземления. Следует избегать проведения цифровых дорожек под АЦП, т.к. они могут наводить шумы в кристалле. АЦП должен находиться над аналоговой заземляющей поверхностью во избежание наводки шумов. Тактовые генераторы и другие устройства с быстро переключающимися сигналами должны быть заэкранированы цифровой заземляющей шиной и находиться на достаточном удалении от аналоговых цепей устройства. Необходимо избегать пересечения цифровых и аналоговых сигнальных линий. Дорожки в разных, но близких слоях платы должны проходить под прямыми углами друг к другу, чтобы уменьшить эффект взаимного влияния.
Дорожки питания АЦП должны быть максимально широкими для того, чтобы обеспечить низкое сопротивление и снизить амплитуду выбросов на линии питания. Важно обеспечить качественное соединение между выводами питания АЦП и линиями питания на плате. Для этого полезно использовать одно или несколько межслойных соединений для каждого вывода питания. Также важна хорошая развязка по питанию, поскольку она обеспечивает низкий импеданс источника питания и уменьшает амплитуду шумов линии питания. Параллельно подключаемые конденсаторы развязки, обычно ёмкостью в 100 нФ и 10 мкФ, должны быть установлены на всех выводах питания, причем как можно ближе к этим выводам и соответствующим им выводам заземления.
Постоянно растущие мировые потребности в электроэнергии приводят к увеличению числа линий электропередач и, соответственно, числа подстанций. Все более необходимы автоматические системы мониторинга и контроля, и при этом требуется всё большее количество каналов измерения. При наличии множества АЦП в одном устройстве становятся всё более важными эффективность использования пространства на печатной плате, снижение энергопотребления и себестоимости системы.
Высококлассные характеристики системы могут быть достигнуты за счёт использования качественных АЦП, таких как AD7656. Шесть каналов оцифровки, 16-разрядное разрешение, низкое энергопотребление, хорошее соотношение сигнал/шум и малые размеры — эти качества удовлетворяют всем требованиям для разработки следующего поколения систем контроля линий электропередач.
2. Высококачественный мониторинг линий электропередач с помощью многоканальных АЦП//Сборник статей «Электронные системы и устройства на основе элементов компании Analog Devices», выпуск 2, ДГТУ, Махачкала, 2008.