Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного уровня развития электрофизических установок для контроля систем энергоснабжения 14
1.1 Традиционные методы построения 14
1.2 Альтернативные методы построения
1.2.1 Оптические трансформаторы токаи напряжения 16
1.2.2 Системы, расположенные на стороне высокого потенциала 1.3 Сравнительный анализ 21
1.4 Электромагнитная обстановка в рабочей среде высоковольтных электрофизических установок
1.4.1 Уровни электрических полей 22
1.4.2 Уровни магнитных полей
1.5 Оценка помехоустойчивости систем, расположенных в КИУ 27
1.6 Выводы по главе 31
ГЛАВА 2. Система синхронизации измерений в сетях энергоснабжения общего назначения 33
2.1 Время как метрологический параметр измерительных устройств системы энергоснабения 33
2.2 Системы точного времени
2.2.1 Протоколы в сетях передачи данных 39
2.2.2 Радиосигналы точного времени 40
2.2.3 Системы фазовой автоподстройки частоты 41
2.2.4 Навигационные системы 42
2.2.5 Выбор системы синхронизации
2.3 Система синхронизации времени на базе ГНСС ГЛОНАСС 43
2.4 Выводы по главе з
ГЛАВА 3. Особенности технической реализации системы синхронизации измерений в условиях сильных электромагнитных полей электрофизических установок высокого напряжения 48
3.1 Проблема размещения навигационного приемника на стороне высокого потенциала 48
3.2 Разработка принципов построения антенных излучателей для электронных систем в сильных электромагнитных полях
3.2.1 Устройства, совмещающие функции излучателя и фильтра 50
3.2.2 Разработка пассивной частотно-избирательной антенны 54
3.2.3 Оценка антенн-фильтров 63
3.2.4 Автономный излучатель в условиях сильных электромагнитных полей 64
3.2.5 Малошумящий усилитель 67
3.3 Выводы по главе 68
ГЛАВА 4. Система электропитания информационных объектов, расположенных на стороне высокого потенциала 69
4.1 Блок преобразователя 70
4.1.1 Гальванические способы передачи энергии 71
4.1.2 Оптические способы передачи энергии 72
4.1.3 Радиоканальный способ передачи энергии 73
4.1.4 Выбор оптимального способа построения блока преобразователя
4.2 Источник резервного питания 75
4.3 Блок формирования питающих напряжений 76
4.4 Блок преобразователя с отбором мощности от фазного провода
4.4.1 Теоретическое описание блока преобразователя 78
4.4.2 Схема ББП с коммутацией вторичной обмотки
4.4.3 Режим ББП с рассеиванием мощности 90
4.4 Выводы по главе 92
ГЛАВА 5. Практическое применение разработанных систем в составе комплексного измерительного устройства 94
5.1 Макет системы синхронизации измерений, расположенной на стороне высокого потенциала 94
5.2 Макет системы электропитания информационных объектов, расположенных на стороне высокого потенциала 101
5.3 Выводы по главе 104
Заключение 105
Библиографический список
- Оптические трансформаторы токаи напряжения
- Протоколы в сетях передачи данных
- Устройства, совмещающие функции излучателя и фильтра
- Блок формирования питающих напряжений
Введение к работе
Диссертация посвящена вопросам обеспечения электромагнитной совместимости информационных объектов, функционируюпцгх в составе электрофизических установок, с рабочей средой, характеризующейся сильными электрическими и магнитными полями. В качестве информационных объектов рассматриваются измерительные устройства параметров качества и количества электрической энергии, применяемые в системах энергоснабжения высокого напряжения (ВН).
Актуальность темы.
Отличительной особенностью нового типа электрофизических установок, обеспечивающих сопряжение измерительного устройства с линией электропередачи высокого напряжения, является расположение измерительного устройства непосредственно на стороне высокого потенциала контролируемых сетей. При этом одной из основных задач при создании и модернизации таких установок является обеспечение электромагнитной совместимости различных компонентов с рабочей средой, характеризующейся сильными электрическими и магнитными полями.
Актуальным направлением развития систем энергоснабжения является внедрение интеллектуальных измерительных устройств параметров качества и количества электрической энергии. Это подтверждается Постановлением Правительства от 13.08.97 № 1013, признающим электрическую энергию видом товара, обладающим качеством; Федеральным законом «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», определяющим требования в части снижения потерь от транспортирования электроэнергии, а также включением вопросов «технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления электроэнергии» в перечень критических технологий Российской Федерации.
Современные требования включают в себя интеграцию отдельных измерительных устройств в единое информационное пространство в пределах, как минимум, зоны балансовой ответственности в энергосистеме. При этом возникает задача обеспечения синхронизации измерений на всех устройствах системы. Для ее решения необходимо дооснащение электрофизических установок оборудованием, обеспечивающим прием и обработку сигналов точного времени.
Для обеспечения автономности измерительных устройств в составе электрофизической установки необходимо разработать новые источники бесперебойного питания, позволяющие снабжать информационные объекты требуемым напряжением питания на стороне высокого потенциала в условиях сильных электрических и магнитных полей.
Таким образом, ориентируясь на современные требования к измеритель
ным устройствам в системах энергоснабжения и перспективы создания авто
номных электрофизических установок, можно заключить, что разработка прин
ципов обеспечения электромагнитной совместимости блока синхронизации из
мерений и системы электропитания является актуальной задачей. ( ^—
Дель работы.
Целью работы является разработка методов обеспечения электромагнитной совместимости информационных объектов и системы электропитания с рабочей средой электрофизической установки (характеризующейся сильными электрическими и магнитными полями) для расширения ее функциональных возможностей.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
разработка принципа построения блока синхронизации измерений в условиях сильных электрических и магнитных полей, свойственных рабочей среде электрофизической установки;
разработка принципа построения системы электропитания информационных объектов, расположенных на стороне высокого потенциала контролируемого фазного провода ЛЭП ВН;
выбор оптимального способа синхронизации измерений на территориально удаленных устройствах, обеспечивающего требуемую погрешность измерения линейного напряжения для систем класса точности не менее 0,1;
выбор оптимального способа построения первичного преобразователя системы электропитания.
Объект и предмет исследований.
Объектом исследований являются электрофизические установки, обеспечивающие сопряжение измерительных устройств с ЛЭП ВН.
Предметом исследования являются методы обеспечения электромагнитной совместимости информационных объектов с рабочей средой рассматриваемой электрофизической установки.
Методы исследований.
При выполнении диссертационной работы использовались: теория электромагнитного поля и теоретическая электротехника; методы численного моделирования, в т.ч. метод конечных элементов; теория эксперимента.
Научные результаты, выносимые на зашиту:
принцип построения и метод обеспечения электромагнитной совместимости системы синхронизации измерений в условиях сильных электрических и магнитных полей рабочей среды электрофизической установки;
принцип построения системы электропитания информационных объектов на стороне высокого потенциала ЛЭП ВН с отбором мощности от тока фазного провода и ее техническая реализация;
оценка допустимой погрешности синхронизации системного времени информационных объектов, функционирующих (в составе электрофизических установок) на стороне высокого потенциала ЛЭП ВН;
оптимальный способ синхронизации измерений на электрофизических установках - применение глобальных навигационных спутниковых систем.
Научная новизна результатов исследования:
впервые разработан блок синхронизации измерений на электрофизических установках, построенный на базе навигационного приемника ГЛОНАСС/GPS, отличающийся тем, что он снабжен оригинальным приемным антенным модулем, обеспечивающим нормальное функционирование навигационного приемника в условиях сильных электрических и магнитных полей;
впервые разработана система бесперебойного электропитания информационных объектов, расположенных на стороне высокого потенциала ЛЭП ВЫ, с отбором мощности от тока фазного провода;
проведена оценка максимально допустимой погрешности синхронизации системного времени в отношении электрофизической установки для обеспечения класса точности систем (в предположении использования идеальных датчиков тока и напряжения) на ее основе не хуже 0.1.
Практическая значимость.
Разработанные и созданные блок синхронизации измерений и система электропитания позволяют расширить функциональные возможности известной электрофизической установки. В результате на базе автономной однофазной установки становится возможным построение распределенных систем контроля качества и количества электрической энергии. Разработка блока бесперебойного питания с отбором мощности от тока контролируемого фазного провода позволяет обеспечить автономность измерительного устройства, функционирующего в составе электрофизической установки, в пределах, как минимум, межповерочного интервала.
Разработанные в настоящей работе способы построения блока синхронизации измерений и системы электропитания могут применяться в ряде других электрофизических установок, функционирующих в сильных электрических и магнитных полях.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
В соответствии с формулой специальности 01.04.13 «Электрофизика, электрофизические установки», охватывающей теоретические и технические проблемы по построению электрофизических установок, в том числе решения вопросов совместимости сильного электромагнитного поля с информационными объектами, в диссертации предложены, разработаны и исследованы методы обеспечения электромагнитной совместимости блоков синхронизации измерений и электропитания измерительных устройств, расположенных (в составе электрофизической установки) на стороне высокого потенциала ЛЭП ВН, в условиях сильных электрических и магнитных полей. Научные результаты соответствуют пункту 10 области исследования паспорта специальности 01.04.13 «Исследования по проблемам электромагнитной совместимости электрофизических установок с информационными объектами».
Апробапия работы и публикации.
Основные результаты диссертации представлялись на следующих научно-технических конференциях: на 15, 16 и 17 международных конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (февраль 2009,2010, 2011 гг., Москва); на 14 и 15 Всероссийских конференциях студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании» (ноябрь 2009, 2010 гг., Рязань); на 7 Межрегиональной конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика» (апрель 2010 г., Смоленск); на 18 международной конференции «Информационные средства и технологии» (октябрь 2010 г., Москва).
По теме диссертации опубликовано 12 работ: 3 статьи в журналах, из них 2 в рецензируемых изданиях, входяпгих т? перечень RAK. 8 работ в сборниках трудов конференций, получен 1 патент на изобретение.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы и макетные образцы разработанных на их основе блока синхронизации измерений и системы электропитания использованы:
при выполнении НИР №2096100 «Исследование проблем и разработка технических решений для обеспечения электромагнитной совместимости компонентов автономного комплексного измерительного устройства в сетях высокого напряжения» в рамках мероприятия 1.3.2 «Проведение научных исследований целевыми аспирантами» Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы»;
в проекте «ОКР по созданию опытного образца универсального автономного автоматического устройства для мониторинга качества (и фактического вклада потребителей в искажение параметров качества) и коммерческого учета электроэнергии в линиях передачи и присоединения высокого напряжения (10 - 750 кВ)» в рамках решения задач «Построения конструктивных элементов распределенной системы мониторинга и контроля (DMCS)» технологической платформы (до 2015 года) МЭИ (ТУ);
в учебном процессе кафедры электрофизики информационных систем МЭИ (ТУ) при разработке учебных планов дисциплин профессионального цикла «Технологии синхронизации процессов в распределенных системах обработки информации» и «Надежность и электромагнитная совместимость информационных систем» программы подготовки магистров по направлению «Информатика и вычислительная техника».
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка и приложений. Объем работы составляет 149 страниц печатного текста, включая 5 таблиц, 67 рисунков, 10 страниц библиографического списка из 87 наименований и 8 приложений на 32 страницах.
Оптические трансформаторы токаи напряжения
Магнитная составляющая помехового (для компонентов измерительного устройства и узлов системы точного времени) поля промышленной частоты определяется токами в проводах, которые в интересующем нас случае определяются токами, протекающими по проводам ЛЭП ВЫ и собственно корпусу электрофизической установки (в случае его включения в их рассечку). В нормативных документах уровни этих полей ЛЭП ВН отдельно не нормируются. Однако, учитывая то, что «они могут оказывать неблагоприятное влияние на электронные устройства из-за низкочастотных наводок в цепях сигнализации и управления, в измерительных цепях, воздействуя непосредственно на терминалы микропроцессорных устройств и на мониторы компьютеров» [3], уровни магнитных полей (МП) частотой 50 Гц рекомендуется оценивать непосредственно в местах установки оборудования.
Ориентируясь на данные, приведенные в [1], касающиеся исследования зон в непосредственной близости от ВЛ-500 кВ (в ее поперечном сечении), удовлетворяющих предельно допустимым уровням МП промышленной частоты, равных 100 мкТл [56] (для условий производственного воздействия) и, 20 мкТл (или 16 А/м) для мест пребывания населения (с применением защитного коэффициента 5), можно утверждать, что на уровне 1,8 м от земли модуль напряженности МП промышленной частоты не превышает 16 А/м при минимальном габарите ВЛ-500 кВ h, большем 11,5 м. В [1] утверждается, что в результате об 26 следования подстанций ВЛ-500 кВ (Арзамасская, Липецкая, «Луч», Михайловская и Тамбовская) выявлено, что наибольшая из напряженностей, соответствующая отрытому распределительному устройству ОРУ-500 кВ подстанции «Луч» (/z=ll м), не превышала 21 А/м (при 30% загрузке) и 67 А/м (при полной загрузке — номинальном токе) на высоте 1,8 м.
Исходя из этого, на проводах линии следует ожидать значений примерно 6 кА/м на поверхности провода (увеличено пропорционально расстоянию и пренебрегая изменениями конфигурации полей вносимых ОРУ), что в соответствии с законом полного тока для проводника в свободном пространстве соответствует силе тока 3800 А. Это в несколько раз превышает значения силы тока в реальных режимах ЛЭП 500 кВ. Таки образом, для более точных оценок необходимо проведение дополнительных исследований.
Проведение натурных исследований уровней МП промышленной частоты в рабочей среде электрофизической установки практически неосуществимо ввиду их размещения непосредственно под высоким потенциалом. Оценка уровней полей в таких условиях возможна на основе расчетных моделей. Грубая оценка возможна при расчете полей системы проводов цилиндрического сечения с номинальным током (для ЛЭП ВН 220 кВ - 3000А) [7, 12]. Причем полем собственного провода, в рассечку которого включено КИУ, в таком приближении можно пренебречь ввиду свойства корпуса (экрана электронных блоков), образующего клетку Фарадея, внутри которого теоретически магнитное поле равно нулю.
Оценим, например, напряжение, наводящееся на рамке размером 0,4 х 0,6 м (размеры корпуса КИУ) от соседнего фазного провода, расположенного на расстоянии 4 м.
В ближней зоне напряженность магнитного поля убывает пропорционально расстоянию. Таким образом, в рабочей среде электронных компонентов можно ожидать напряженность Н порядка = = 120 А/м. А максимально на 2лг 2% 4 водимое напряжения на рамке максимального размера будет составлять U = 2%f\\.0\\HS « 72мВ [13]. Однако учитывая то, что размеры контуров и печатных компонентов платы много меньше размеров корпуса КИУ, а также меньше порога срабатывания ТТЛ логики на уровне 0,4 В, эта помеха не должно повлиять на функционирование электронных компонентов. Для получения более точных результатов могут быть применены как численное моделирование, так и экспериментальные исследования с применением конкретных элементов измерительных устройств.
Более точных результатов моделирования можно достичь при численном расчете граничной задачи [34] с применением программных продуктов для расчета электромагнитных полей, например программного комплекса ANSYS [68]
Приведенные в предыдущем разделе оценки уровней ожидаемых нефункциональных полевых помех в рабочей среде информационного объекта, размещенной на высоком потенциале ЛЭП ВН, являются приближенными, так как получены на основе экспериментальных данных, которые относятся к точкам пространства удаленным от точки фактического размещения. Скорректировать эти оценки можно с помощью расчетных моделей.
Известно [5, 6], что конструктивно измерительное устройство расположено внутри металлического корпуса КИУ, выполняющего роль экрана. Оценка электромагнитной совместимости конструкции КИУ как электрофизической установки осуществлена на примере математической модели с помощью программного комплекса ANSYS (ПРИЛОЖЕНИЕ 2) [47]. Исследования показали, что максимальная напряженность электрического поля на гранях КИУ составляет 16,5 кВ/см, что меньше напряженности пробоя воздуха (29 кВ/см).
Применение металлического замкнутого корпуса КИУ (клетки Фарадея) в условиях стационарных полей обеспечивает полное экранирование электрической составляющей поля промышленной частоты. Однако наличие функциональных отверстий в корпусе КИУ изменяет конфигурацию поля. Исследования данного вопроса показывают, что наличие функциональных отверстий в корпусе КИУ также существенно не изменяет электромагнитной обстановки внутри. На рисунке 1.5 представлена зависимость напряженности электрического поля вдоль оси цилиндрического отверстия в боковой поверхности корпуса КИУ.
Протоколы в сетях передачи данных
Как видно из рисунка 2.3 предыдущие оценки минимально допустимой погрешности определения времени (2.4) остаются корректными и в приложении к прямой последовательности.
Аналогичных значений можно ожидать и для обратной и нулевой последовательностей. При нормальном режиме работы ЛЭП данные значения равны нулю, и оценить их относительную погрешность не удается.
Несмотря на то, что по требованиям нормативных документов [27] и ряда задач, рассмотренных в [31, 32], (например, для учета количества переданной электрической энергии) достаточно синхронизации измерений на уровне интервалов усреднения (3 с), для обеспечения функционирования рассматриваемой электрофизической установки синхронизация должна быть выполнена на микросекундном уровне [20, 21, 77].
Также не стоит оставлять без внимания новые способы расчета режимов сети. В частности, для определения ДВП, в силу сложности математических расчетов, применятся способ представления четырехпроводной ЛЭП тремя независимыми двухпроводными [15 — 17]. Очевидно, что такой подход возможен только при обеспечении полной синхронизации измерений.
Основной причиной несинхронности измерений являются времязадающие элементы электронных компонентов КИУ: АЦП, МК и прочие. Даже в случае синхронного запуска (практически невозможного) всех КИУ лучшие представители времязадающих элементов способны обеспечить точность хода часов каждого из них лишь на уровне ± 2 с в год, что недостаточно. Как уже было от 39 мечено, несмотря на периодический характер кривых тока и напряжения в линии, при получении отсчетов из разных периодов (рассинхронизация At 0,02с) невозможно гарантировать точность расчетов. А поскольку ни аппаратные, ни программные часы компьютера не могу быть использованы для точного хронометрирования на длительных интервалах времени [4], применяются дополнительные системы точного времени.
Синхронизация времени базируется на применении системы передачи эталонных сигналов частоты и времени (ЭСЧВ), включающей в себя специальные и коммерческие радио- и телевизионные станции Российской Федерации, серверы в сетях передачи данных, а также спутниковые трансляторы сигналов точного времени иностранного (GPS) и отечественного (ГЛОНАСС) производства. Для осуществления приема и обработки сигналов точного времени применяются специализированные приемники. Совокупность трансляторов и приемников сигналов точного времени, а также программ их обработки называется системой точного времени.
Выбор системы точного времени определяется требованиями к допустимому максимальному расхождению локальных часов всех измерительных устройств системы, а также техническими ограничениями применения тех или иных электронных компонентов приемного устройства. В настоящее время существует большой выбор систем точного времени.
Первыми протоколами точного времени, используемыми в компьютерах, были DAYTIME [84] и TIME [85]. Первый предназначался для сообщения даты и времени в понятном человеку виде, второй — в понятном компьютеру виде.
В настоящее время ни DAYTIME, ни TIME не могут обеспечить необходимую точность синхронизации времени, поэтому был разработан протокол NTP {Network Time Protocol, текущая версия: v4 [86]), использующий специальные алгоритмы учета времени передачи данных. Учитывая эти особенности, протокол способен обеспечивать точность около 100 мс при работе через Интернет и около 0,2 мс при работе локальных сетях. Такой заявленной точности недостаточно для использования в качестве системы точного времени в измерительных устройствах качества электроэнергии. Расхождение локального времени на уровне Аґ = 2-10"4с приведет к относительной погрешности линейного напряжения 5С/Л 18% (при идеальном режиме работы линии). Кроме того, применяемый в КИУ радиоканал передачи данных, хоть и является формально локальной сетью стандарта Ethernet [81], не может обеспечить малых и точно детерминированных задержек, а также гарантировать равенство времени прохождения данных в прямом и обратном направлении, что, учитывая специфику протокола NTP, приведет к большим погрешностям. Также стоит заметить, что NTP не генерирует сигналы точного времени сам — он лишь является посредником более точных (например, спутниковых) систем в сетях передачи данных.
Первые радиосигналы времени для навигации начала передавать осенью 1904 года радиослужба ВМС США, расположенная в Навесинке. Через год, в январе, радиостанция Вашингтона начала регулярные ежедневные передачи полуденных сигналов времени. В России регулярную трансляцию радиосигналов точного времени начала 1 декабря 1920г. Петроградская радиостанция «Новая Голландия» Главной астрономической обсерватории в Пулкове, а с 25 мая 1921г. — и московская радиостанция на Ходынке [58].
Способ синхронизации основан на передаче шести сигналов с 55-й по 60-ю секунду. Радиус уверенного приема сигналов составляет порядка 1500 км. Однако, как указано в [4], существует предложение ввода ограничений на использование для синхронизации в измерительной аппаратуре качества электрической энергии приемников «6 сигналов», как не обеспечивающих точности, достаточной для метрологических задач.
Устройства, совмещающие функции излучателя и фильтра
Произвести расчеты полного сопротивления связи не представляется возможным, поэтому необходимо провести экспериментальные исследования по определению уровней помех, возникающих этим путем на зажимах МШУ.
Для целей оценки проникновения кондуктивных помех за счет магнитного поля был собран экспериментальный стенд, включающий себя прогрузочный трансформатор, позволяющий задавать в своей вторичной обмотке ток до 3000 А, трансформатор тока ТЛШ 10УЗ, первичная обмотка которого подключена к вторичной обмотке прогрузочного трансформатора, а вторичная обмотка 0,2S к милливольтметру ВЗ-38. Такое соединение позволяет косвенно контролировать ток во вторичной обмотке прогрузочного трансформатора. Вторичная обмотка ЮР трансформатора тока ТЛШ 10УЗ короткозамкнута.
В качестве чувствительного элемента в стенде применялся осциллограф С1-65А с чувствительностью 5мВ/дел. Коаксиальный кабель, подключенный к осциллографу посредством разъема BNC, располагался вдоль токоведущих проводов вторичной обмотки прогрузочного трансформатора и непосредственно на них. Во втором разъеме измерительного кабеля установлена перемычка между центральной жилой и оплеткой. Длина участка, находящегося в зоне действия сильного магнитного поля, составляет 0,5 метра, длина всего кабеля — 1,2 м. Для проверки уровней помех, передающихся через полное сопротивление связи, в состав стенда включается медный проводник, соединяющийся одним концом с клеммой «земля» осциллографа, а вторым — с оплеткой свободного BNC-разъема измерительного кабеля. При этом дополнительный медный проводник образует петлю вокруг токонесущих проводов вторичной обмотки прогрузочного трансформатора.
Как и ожидалось, в случае одиночного коаксиального провода наводки на центральную жилу отсутствуют. В случае передачи помехи через полное сопротивление связи, помеха на центральную жилу коаксиального кабеля наводится, но ее уровень достаточно мал — менее 5 мВ при токе во вторичной обмотке прогрузочного трансформатора 3000 А. Тем не менее, такой уровень по-мехового воздействия может представлять опасность для МШУ, чувствитель ность которого ориентирована на прием слабых навигационных сигналов. Для преодоления опасной ситуации необходимо размещение ППФ внутри клетки Фарадея, а излучатель вне клетки — в пространстве ограниченном выравнивателями поля. При этом за счет действия ППФ сигнал помехи с частотой 50 Гц уровня 5мВ будет дополнительно ослаблен не величину не менее ЮОдБ (т.е. на 5 порядков). Хотя сам волновод излучателя не ослабит воздействия на этот вид помехового воздействия, действия ППФ окажется достаточно.
Итак, как показывают результаты проведенных исследований, на основе ДР и полосно-пропускающих фильтров на ДР можно создавать интегрированные устройства — антенны-фильтры с излучающим звеном на ДР. Эти антенны-фильтры имеют диаграмму направленности и коэффициент усиления на уровне единиц дБ (при малых прямых потерях в фильтре), сохраняют эти параметры в полосе частот, соответствующей полосе пропускания фильтра, согласованы в полосе пропускания фильтра и имеют частотно-избирательные свойства исходного фильтра.
Однако такая конструкция антенны-фильтра имеет существенный недостаток — сложность настройки антенны с несимметричным расположением оконечного ДР. Кроме того, расположение антенны-фильтра на «крыше» корпуса КИУ (для связи с верхним полупространством) требует применения защитного диэлектрического конуса для защиты от природных осадков. Такая модификация потребует сложной процедуры подстройки антенны на готовом устройстве, из-за того, что около малоразмерного ДР возникают большие неоднородности. К тому же для подавления помех, передающихся через полное сопротивление связи необходимо размещение ППФ внутри экрана.
Исходя из вышеописанных недостатков, было принято решение отказаться от применения антенн-фильтров и создать каскадное соединение автономного излучателя и ППФ на ДР, построенного по рассмотренному ранее принципу. 3.2.4 Автономный излучатель в условиях сильных электромагнитных полей
В качестве альтернативы антенне-фильтру на ДР, нагруженной одной стороной на свободное пространство, можно предложить излучатель в виде открытого конца волновода [28]. Причем рационально применение открытого конца круглого волновода, так как такая антенна лучше согласована с пространством, нежели прямоугольный волновод. КСВН открытого конца круглого волновода лежит в пределах 1,2 - 1,3, в то время как у открытого конца прямоугольного волновода — в пределах 1,6 — 1,9.
Для связи круглого волновода с фидером, соединяющим антенну с фильтром, МШУ и навигационным приемником, применен коаксиально-волноводный переход (КВП), включенный каскадно с переходом на круглый волновод (рис. 3.11).
Как видно из вышеприведенных формул, наилучших характеристик излучатель в виде открытого конца круглого волновода достигает при диаметре, соизмеримом с длиной волны. Таким образом, для рассматриваемого случая (частота 1,59 ГГц — центральная частота штатной антенны навигационных приемников) диаметр раскрыва волновода должен составлять около 20 см. Расположение такого КВП в условиях помехового воздействия среды рассматриваемой электрофизической установки требует специального исследования.
Основная проблема, возможная при установке излучателя на стороне высокого потенциала ЛЭП ВН — это опасность пробоя между сужающимися стенками перехода на круглый волновод, а также в области емкостного штыря КВП. Однако, как показывают расчеты (рис. 3.13, 3.14), поле внутри волновода быстро спадает практически по экспоненциальному закону до величин, не опасных для пробоя.
В качестве преимущества предлагаемого излучателя по отношению к антеннам-фильтрам можно выделить больший коэффициент усиления, более равномерную (и симметричную) диаграмму направленности, лучшую связь с пространством. Кроме того, отрезок волновода, являясь фильтром высоких частот, (также как и ГШФ) подавляет частоты ниже критической (в нашем случае -1,5 ГГц), а значит будет защищать приемный тракт от помехового воздействия коронного разряда, спектр которого ограничен частотой 1ГГц.
Блок формирования питающих напряжений
В результате проведенной работы были созданы макетные образцы блоков синхронизации измерений и бесперебойного питания, предназначенные для расширения функциональных возможностей известного комплексного измерительного устройства параметров качества и количества электрической энергии. Отличительной особенностью разработанных способов построения блоков синхронизации измерений и бесперебойного питания, по отношению к известным аналогам, является их расположение и работа на стороне высокого потенциала линий электропередач высокого напряжения — в среде, характеризующейся сильными электрическими и магнитными полями.
Несмотря на ориентирование практически важного применения разработанных блоков в измерительных устройствах в системах энергоснабжения высокого напряжения, разработанные способы построения антенного блока и системы электропитания являются достаточно универсальными и могут применяться в различных приложениях, характеризующихся сильными электрическими и магнитными полями своей рабочей среды.
В результате работы, направленной на комплексное исследование вопросов обеспечения электромагнитной совместимости информационных объектов с рабочей средой электрофизической установкой в виде комплексного измерительного устройства, включенного в рассечку фазного провода ЛЭП ВН, решены следующие задачи:
Разработан способ обеспечения электромагнитной совместимости приемника навигационных сигналов ГЯОНАСС/GPS, включая разработку способа построения антенного модуля, функционирующего в условиях сильных электрических и магнитных полей высоковольтных электрофизических установок;
Разработан способ построения системы электропитания информационных объектов, расположенных на стороне высокого потенциала, с отбором мощности от сильноточного токонесущего элемента. Решены вопросы электромагнитной совместимости компонентов блока бесперебойного питания с рабочей средой высоковольтной электрофизической установки, стабилизации питающих напряжений, а также резервного питания. Способ построения такого блока бесперебойного питания защищен патентом РФ на изобретение [55];
Осуществлен выбор оптимального способа синхронизации системного времени на территориально удаленных устройствах, позволяющий обеспечить класс точности измерительного устройства показателей качества электрической энергии (в предположении использования идеальных первичных датчиков тока и напряжения) не хуже 0,1 — с помощью глобальных навигационных спутниковых систем;
Разработан, создан и исследован макетный образец блока синхронизации измерений, предназначенный для включения в состав комплексного измерительного устройства параметров качества и количества электрической энергии в сетях высокого напряжения.
Разработан, создан и исследован макетный образец блока бесперебойного питания, предназначенный для включения в состав комплексного измери тельного устройства параметров качества и количества электрической энер гии в сетях высокого напряжения. В итоге предложены технические решения обеспечения работоспособности электронных компонентов разрабатываемых систем с рабочей средой электрофизических установок.
Решение данных вопросов позволило на базе известного комплексного измерительного устройства параметров качества и количества электрической энергии создать устройство:
Полностью соответствующее ГОСТ 13109-97, в том числе в границах точки контроля трехфазной линии электропередач высокого напряжения;
Предполагающее внедрение в единое информационное пространство точек контроля территориально распределенных систем энергоснабжения общего назначения;
Автономное по питанию, не нуждающееся в каком-либо техническом об служивании, в пределах, как минимум, межповерочного интервала. Использование стандартного оборудования в блоках синхронизации изме рений и бесперебойного питания не приводят к резкому увеличению цены уст ройства по сравнению с базовым. Оцениваемая себестоимость КИУ меньше традиционных электрофизических установок, используемых в настоящее вре мя. К тому же, более простые (а значит менее дорогие) работы по техническому обслуживанию, поверке и ремонту, а также малые (по сравнению с классиче ской аппаратурой) масса и габариты, предусматривающие простые процедуры замены, ведут к уменьшению расходов на обслуживание. Глобальные навигационные спутниковые системы, примененные в качестве источников сигналов точного времени, позволяют осуществлять синхронизацию времени на территориально удаленных объектах с точностью превышающей требования измерительных устройств класса точности 0,1. Таким образом, работы в направлении улучшения других компонентов измерительных уст 107 ройств: первичных датчиков тока и напряжения, достоверных алгоритмов цифровой обработки сигналов и пр., могут быть продолжены с целью повышения классов точности измерительных устройств.
Измерительные устройства, расположенные на стороне высокого потенциала, снабженная радиоканалом передачи данных, а также разработанным в рамках данной работы блоком бесперебойного питания с отбором мощности от тока фазного провода, может быть расположена в любой точке системы энергоснабжения, а не только на специально оборудованных порталах распределительных подстанций.
Проект «Автономное автоматическое комплексное измерительное устройство параметров качества и учета количества электрической энергии в сетях высокого напряжения», снабженный разработанными в рамках данной работы блоками синхронизации измерений и бесперебойного питания, представленный автором в рамках конкурса инновационных проектов «Зворыкинская премия 2010» дошел до стадии полуфинала по специальной номинации «Энергоэффективность и ресурсосбережение», утвержденной Президентом РФ в качестве одной из пяти приоритетных направлений модернизации экономики РФ.
Оснащение комплексного-измерительного устройства блоками синхронизации измерений и бесперебойного питания, построенным, по разработанным в рамках данной работы способам, позволило создать устройство, опережающее современные требования нормативной документации, законодательства и запросы потребителей. Развитие и внедрение таких устройств позволит в будущем создать более надежные и качественные системы энергоснабжения, а значит повысить энергоэффективность страны.
