Эталонные СИ для метрологического обеспечения ИК цифровых подстанций

Эталонные СИ для поверки измерительных каналов
цифровой подстанции

1. Актуальность работ

Цифровые измерительные каналы на базе электронных трансформаторов тока и напряжения, интеллектуальных электронных устройств с поддержкой «цифрового» интерфейса технологической шины IEC 61850-9-2, составляют значительную часть энергообъекта нового поколения — цифровой подстанции.

2. Исполнители

ООО «НПП Марс-Энерго» совместно с ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» проводят НИОКР по разработке комплекса измерительного и испытательного оборудования и комплекта нормативных метрологических документов для проведения лабораторных и полевых испытаний измерительных каналов цифровой подстанции. Работа направлена на решение следующих задач:

n  проведение испытаний и технической аттестации оборудования;

n  контроль метрологических характеристик измерительных комплексов на местах эксплуатации и их сопровождение на протяжении жизненного цикла цифровой подстанции.

«НПП Марс-Энерго» разрабатывает комплекс эталонных средств измерений, а «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» — комплект нормативных документов, включающий методики измерений, методики калибровки и поверки (в том числе в реальных условиях эксплуатации) и методики аттестации цифровых измерительных каналов, а также методики испытаний их компонентов в целях утверждения типа.

3. Потенциальные заказчики

В большей степени в выполнении данных НИОКР заинтересовано ОАО «ФСК ЕЭС» как технологический лидер в развитии технологии цифровых подстанций в России. Это обусловлено следующими причинами:

1)  предполагаемое увеличение в системе ОАО «ФСК ЕЭС» количества оборудования с поддержкой международного протокола IEC 61850-9-2 и развертывание цифровых подстанций требует создания нового эталонного комплекса для их полевых испытаний, который был бы информационно совместим с их оборудованием;

2)  в силу различия в подходах к техническому регулированию в России и за рубежом, зарубежные нормативные документы не могут быть непосредственно использованы и, как минимум, должны быть адаптированы к нашей системе обеспечения единства измерений.

4. Особенности измерительных каналов цифровой подстанции

Цифровой счетчик — это один из компонентов измерительного канала цифровой подстанции, взаимодействующий с цифровыми измерительными преобразователями (трансформаторами) напряжения и тока по стандарту МЭК 61850. На рынке уже предлагаются модели цифровых счетчиков, которые помимо традиционных аналоговых входов I и U имеют цифровой интерфейс по стандарту МЭК 61850-9-2. Сегодня этот счетчик можно аттестовать классическим методом как средство измерения, задействуя только аналоговые входы.

Основные отличия классической и цифровой подстанций

В настоящее время поверка цифровых трансформаторов тока и напряжения возможна по классической схеме лишь при наличии аналоговых выходных сигналов, характеризующих значения тока, напряжения, угла (фазы). Для этого производители цифровых трансформаторов комплектуют систему блоками обратного преобразования из цифровых сигналов в аналоговые. Для поверки измерительного прибора, заменяющего классический счетчик электроэнергии, но имеющий лишь цифровой измерительный вход по стандарту МЭК 61850-9-2, придется разрабатывать концепцию поверочной системы нового поколения. Та же ситуация возникает при необходимости поверки цифровых трансформаторов, имеющих только цифровые сигналы по стандарту МЭК 61850-9-2, характеризующих значения тока, напряжения, угла (фазы).

5. Классическая эталонная база электроэнергетики

Существующая метрологическая база выстроена под классическое решение по передаче размера основных электрических величин Вольта, Ампера или Ома, Ватта и коэффициентов масштабного преобразования от аналоговых эталонных комплексов к аналоговым же образцовым и рабочим СИ.

В настоящее время классическая эталонная база электроэнергетики представлена большим количеством эталонных и рабочих средств измерений, в том числе следующими приборами производства «НПП Марс-Энерго»:

n  универсальные полуавтоматические поверочные установки «УППУ-МЭ 3.3», «УППУ-МЭ 3.1К», «УППУ-МЭ 3.0»;

n  приборы электроизмерительные эталонные многофункциональные «Энергомонитор 3.3Т1», «Энергомонитор 3.1К», «Энергомонитор 3.0»;

n  лаборатория высоковольтная метрологическая ЛВМ «МЭ-Аудит»;

n  комплекты для поверки ТТ, ТН и счетчиков электроэнергии.

6. Промежуточный этап развития эталонной базы

Для сохранения совместимости с существующей метрологической базой приходится идти по пути двойного преобразования: в состав преобразователя включают блоки ЦАПU и ЦАПI для восстановления аналогового сигнала из цифрового. Для поверки и калибровки СИ надо унифицировать сигналы от эталонных и исследуемых СИ либо в аналоговом, либо в цифровом виде. На рис. 3 показано решение.

Унификация сигналов в аналоговом виде имеет ряд минусов:

1. Обработка сигнала и его обратное преобразование в аналоговую форму занимает некоторое время, возникает задержка обработки сигнала. Однако такая задержка распространения сигнала через СИ отсутствует в классическом канале и ее трудно реализовать, чтобы выровнять времена распространения.

2. Для некоторых видов электронных трансформаторов с восстановлением аналогового сигнала «вторичной обмотки» (например NXT Phase) невозможно использовать типовые приборы сравнения (такие как КНТ), реализующие сравнение на основе усиления аналогового разностного сигнала. Это связано с тем, что обработка сигнала внутри электронного трансформатора достаточно сложна и в т. ч. обеспечивает удаление шумов существенного уровня. Одновременно из сигнала удаляется часть гармоник, таким образом, прибор сравнения имеет на входе два сигнала разной формы и для правильного определения угловой погрешности должен выполнять сравнение только параметров основных гармоник. Такую возможность предоставляют «Энергомонитор 3.3Т1» и «Энергомонитор 3.1К», реализующие функции прибора сравнения и оперирующие первыми гармониками.

3. Наконец, само преобразование обратно в аналоговую форму является избыточным и не улучшает метрологические характеристики и надежность электронного трансформатора.

7. Эталонная база следующего поколения

Унификация сигналов поверяемого и эталонного средства в цифровом виде является наиболее обоснованным и перспективным направлением (рис. 4).

Реализация этого решения требует проработки следующих вопросов:

1. Создание и исследование метрологических характеристик (модульной погрешности и погрешности датирования) «эталонного» канала АЦП.
2. Создание и верификация модулей, выполняющих коммуникационные функции (например, по протоколу 61850), согласование временных задержек каналов в цифровой форме. 

ПРОЕКТ

Вторичный эталон электрической мощности

Совместный проект с ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева». В отличие от эталона предыдущего поколения новый вторичный эталон ориентирован именно на калибровку и поверку средств векторных измерений тока и напряжения, а также ПКЭ.

Эталон построен на основе высококачественных АЦП, обладающих развитой системой синхронизации и привязки измерений к заданным моментам времени:

n  на I этапе — на базе измерительного канала мультиметра Agilent 3458;

n  на II этапе — на базе Энергомонитора 3.0.

Для привязки к Международной шкале координированного времени (UTC) в состав установки включены радиочасы. Минимизация фазовых сдвигов при измерении достигается за счет применения безреактивных шунтов специальной конструкции и делителя напряжения.

Безреактивные шунты были разработаны во ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» и используются в ведущих метрологических лабораториях мира. Эти уникальные шунты по индивидуальному заказу производит «НПП Марс-Энерго».

Разрабатываемая установка дублирует воспроизводимые векторные величины тока и напряжения на шине процесса по стандарту МЭК 61850-9-2, а также содержит встроенный вычислитель погрешности.

Для расширения диапазонов тока (до 5 кА) и напряжения (до 220 кВ) «НПП Марс-Энерго» формирует высоковольтную часть лаборатории.