Известия РАН. Энергетика, 2019, № 5, стр. 53-65

ВВЕДЕНИЕ

Надежное функционирование устройств релейной защиты и автоматики (РЗА) и, как следствие, электроэнергетической системы (ЭЭС) в целом, главным образом определяется адекватностью их алгоритмов функционирования.

В настоящее время современные устройства РЗА являются комплексными, сложноорганизованными устройствами, обладающими широким логическим и математическим функционалом. Соответственно, задачи тестирования подобных устройств становится еще более сложными и требует наличия необходимого оборудования – моделирующей системы (программного комплекса или программно-аппаратного комплекса (ПАК)), а также усилителей сигналов для проведения тестирований в замкнутом цикле устройств РЗА [1–3].

Схема реализации данных тестирований включает источник сигнала – ПАК (например, ПАК RTDS [4, 5], HYPERSIM [6], Всережимный моделирующий комплекс реального времени ЭЭС (ВМК РВ ЭЭС) [7, 8]), в котором воспроизводится участок моделируемой ЭЭС и защищаемый объект), усилитель сигналов и само тестируемое устройства РЗА (рис. 1).

Рис. 1.

Блок-схема организации тестирования в замкнутом цикле устройств РЗ.

На рисунке 2 представлен пример реализации данной схемы, в которой модель участка исследуемой ЭЭС реализована в ВМК РВ ЭЭС, а в качестве усилителя сигнала используется разработанный комплекс импульсно-модуляционных усилителей переменного тока и напряжения (КИМУП).

Рис. 2.

Внешний вид установки для тестирования РЗА.

В рамках данной статьи представлены результаты разработки КИМУП, состоящего из трех блоков усиления тока (БУТ), трех блоков усиления напряжения (БУН) и источника питания 12 В, 200 А; сравнения разработанных БУТ и БУН с существующими аналогами по основным параметрам усилителей; оценки регулировочных характеристик БУН и БУТ, коэффициентов усиления в зависимости от частоты сигнала; определения амплитуды пульсации на частоте преобразования и угловой погрешности выходного сигнала.

II. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЛЕКСА ИМПУЛЬСНО-МОДУЛЯЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

При построении усилителей токов и напряжений для вышеобозначенных задач необходимо учитывать специфику этих задач, которая выражается в следующем:

1) для высокоточного усиления тока и напряжения необходимо строить систему обратной связи по мгновенным значениям (а не по среднему за период, как это реализовано у других разработчиков), что увеличивает глубину обратной связи и вызывает сложности в плане устойчивости усилителей при работе на неоднородную и (или) переменную нагрузку;

2) в данном ракурсе, вызывает сложности проблема минимизации сдвига фазы между входным и выходным сигналами. При этом данный вопрос является принципиальным, поскольку для отдельных устройств РЗА фаза между токами и (или) напряжениями является важнейшим параметром.

Блоки усиления напряжения (БУН) реализованы на базе усилителя класса D, в котором высокая точность формирования выходного напряжения достигается за счет использования последовательно соединенных автономных инверторов напряжения, каждый из которых имеет независимый источник питания и формирует выходное напряжение в определенной зоне от общего диапазона изменения выходного сигнала, что представляет собой многозонную импульсную модуляцию [9, 10].

Функциональная схема БУН (рис. 3) включает четыре одинаковых ячейки – мостовой инвертор напряжения, системой управления которых является программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС). В данной схеме отрицательная аналого-цифровая обратная связь включает усилитель ошибки (сумматор), корректирующее звено и ПЛИС [11].

Рис. 3.

Внешний вид (а) и функциональная схема (б) БУН.

Использование данной обратной связи в совокупности с высокой частотой модуляции f = 100 кГц и малой расчетной частотой общего выходного LC-фильтра, обеспечивает минимальное отклонение по фазе в заданном диапазоне частот выходного сигнала.

В схеме мостового инвертора при замыкании диагональных транзисторных ключей формируется положительная или отрицательная полуволна выходного напряжения (U_вых), соответственно, при запертом состоянии всех транзисторных ключей формируется нулевой уровень напряжения. Таким образом, осуществляется возможность добавления или исключения источника напряжения (U_ист) в контур протекания тока нагрузки, тем самым осуществляя многозонную импульсную модуляцию в пределах восьми зон [9, 10].

Блоки усиления тока (БУТ) реализованы на базе усилителя класса D, однако, выходы всех четырех мостовых преобразователей подключены параллельно через выходные дроссели (L), что также позволяет формировать выходной ток (I_вых) на подключаемой нагрузке (R_н) любой формы в заданном диапазоне частот. Данная схема импульсно-модуляционного усилителя (рис. 4) позволяет решать задачу преобразования входного сигнала (U_вх) в пропорциональный ему ток [11, 12].

Рис. 4.

Внешний вид (а) и функциональная схема (б) БУТ.

Более подробно о построении усилителей и оригинальных решениях можно ознакомится в [13].

III. СОВРЕМЕННЫЕ УСИЛИТЕЛИ, ПРЕДСТАВЛЕННЫЕ НА РЫНКЕ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Рассмотрим современные усилители, используемые при испытании устройств РЗА, в сравнении с разработанным КИМУП.

Сравнение представленных в табл. 1 параметров широко используемых усилителей и разработанного экспериментального образца КИМУП показывает, что:

– диапазон выходных трехфазных токов и напряжений БУН и БУТ не уступает (и даже превышает) диапазону выходных сигналов рассмотренных усилителей;

– частотный диапазон выдаваемых БУН и БУТ токов и напряжений, равный 1000 Гц, охватывает весь значимый в электроэнергетических системах частотный спектр процессов, включая коммутационные перенапряжения;

– коэффициенты K_пf и K_пф разработанного экспериментального образца не превышают аналогичных показателей рассмотренных и широко используемых усилителей;

– коэффициенты K_пI и K_пU разработанного КИМУП превышают аналогичные показатели рассмотренных усилителей, однако в целом не превышают 5%, что для экспериментального образца может считаться приемлемым.

Для демонстрации адекватной работы КИМУП были проведены соответствующие тестовые испытания БУТ и БУН, результаты которых представлены далее.

IV. ТЕСТОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ КИМУП

Программа тестовых испытаний БУН и БУТ включает проверки регулировочных характеристик, коэффициентов усиления в зависимости от частоты сигнала, определение амплитуды пульсации на частоте преобразования и угловой погрешности выходного сигнала.

A. Тестовые испытания БУН

Схема тестирования БУН (рис. 5) включает источник напряжения, вольтметры (V) и нагрузку, в качестве которой используется резистор (R = 900 Ом) и дроссель (R = 380 Ом, L = 2.3 Гн).

Рис. 5.

Схема тестирования БУН.

После подачи питания на БУН задается входное напряжение (U_вх) в диапазоне от 0 до 10 В (амплитудного значения) и с частотой от 0 до 1000 Гц. По измеренному действующему значению выходного напряжения (U_вых(д)) определяется коэффициент усиления (K_{БУН_экс}) и его отклонение (погрешность коэффициента масштабного преобразования напряжения) от номинального значения (K_{БУН_ном} = 30). Результаты проведенных экспериментов и расчетов представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Погрешность коэффициента масштабного преобразования напряжения БУН

	R нагрузка									RL нагрузка
	f = 10 Гц			f = 50 Гц			f = 1000 Гц			f = 50 Гц
Uвх(д), В	Uвых(д), В	KБУН_экс	∆, %	Uвых(д), В	KБУН_экс	∆, %	Uвых(д), В	KБУН_экс	∆, %	Uвых(д), В	KБУН_экс	∆, %
0.71	21.40	30.27	0.90	21.43	30.31	1.04	21.90	30.67	2.24	21.20	29.99	0.05
1.41	42.40	29.99	0.05	42.50	30.06	0.19	43.40	30.69	2.31	42.20	29.84	0.52
2.12	63.50	29.94	0.20	63.90	30.13	0.42	64.60	30.46	1.52	63.40	29.89	0.36
2.83	84.70	29.95	0.17	84.80	29.99	0.05	85.80	30.34	1.13	84.50	29.88	0.40
3.54	105.80	29.92	0.27	105.70	29.89	0.37	109.10	30.64	2.12	105.90	29.95	0.17
4.24	127.20	29.98	0.07	127.50	30.05	0.16	130.67	30.80	2.66	127.20	29.98	0.07
4.95	148.50	30.00	0.00	149.40	30.18	0.61	151.70	30.65	2.15	148.30	29.96	0.13
5.66	169.60	29.98	0.06	170.90	30.21	0.70	174.00	30.76	2.53	169.50	29.96	0.12
6.36	190.70	29.97	0.12	194.40	30.55	1.82	196.40	30.86	2.87	190.70	29.97	0.12
7.07	211.70	29.94	0.20	215.20	30.44	1.46	218.50	30.90	3.00	211.80	29.95	0.16

$\Delta = \frac{{\left| {{{K}_{{{\text{БУН\_ном}}}}} - {{K}_{{{\text{БУН\_экс}}}}}} \right|}}{{{{K}_{{{\text{БУН\_ном}}}}}}}$ – погрешность коэффициента масштабного преобразования напряжения, %.

На основании полученных результатов можно отметить, что ∆ не превышает 5%, а передаточная характеристика БУН представляет собой линейную зависимость (рис. 6), что в целом подтверждает адекватность разработанного БУН.

Рис. 6.

Амплитудная (передаточная) характеристика БУН при f = 50 Гц в случае R нагрузки (а) и RL нагрузки (б).

Для подтверждения адекватности частотных свойств БУН в табл. 3 представлены результаты изменений ∆ в зависимости от частоты входного сигнала при использовании в качестве нагрузки измерительные преобразователи МИП-02 компании “РТСофт”.

Таблица 3.  

Погрешность коэффициента масштабного преобразования напряжения БУН в зависимости от частоты входного сигнала

f, Гц	Uвх = 1, В			Uвх = 5 В			Uвх = 10 В
	Uвых(д), В	KБУН_экс	∆, %	Uвых(д), В	KБУН_экс	∆, %	Uвых(д), В	KБУН_экс	∆, %
10.00	21.40	30.17	0.58	105.80	29.90	0.32	211.70	29.94	0.19
50.00	21.43	30.03	0.09	105.70	29.72	0.95	215.20	30.44	1.46
100.00	21.50	30.15	0.51	106.60	29.97	0.10	216.30	30.59	1.98
150.00	21.56	30.21	0.71	106.65	29.97	0.11	217.10	30.71	2.36
400.00	21.02	29.46	1.81	107.77	30.27	0.91	217.50	30.76	2.55
800.00	21.35	29.90	0.33	108.40	30.44	1.41	217.80	30.81	2.69
1000.00	21.90	30.67	2.24	109.10	30.64	2.12	218.50	30.90	3.00

Согласно представленной на рис. 7 амплитудно-частотной характеристике видно, что в диапазоне до 1000 Гц величина коэффициента усиления БУН не превышает 5%.

Рис. 7.

Амплитудно-частотная характеристика БУН.

Для оценки угловой погрешности выходного сигнала в схему тестирования БУН были добавлены фазометр (Ф2-34) и делители напряжения (рис. 8). Делители выбраны из соображений получения одинакового уровня сигнала (около 1.5 В) на входах фазометра.

Рис. 8.

Схема тестирования БУН для оценки угловой погрешности выходного сигнала, где: R₁ = 10 кОм, R₂ = 10 кОм, R₃ = 30 кОм, R₄ = 510 Ом (тип резисторов CF-0.25, точность 5%).

В табл. 4 представлены результаты измерения угловой погрешности выходного сигнала БУН в зависимости от частоты входного сигнала, которые показывают приемлемую угловую погрешность выходного сигнала (не более 0.1°) и корректность функционирования БУН в заданном диапазоне частот.

Таблица 4.

Угловая погрешность выходного сигнала БУН в зависимости от частоты входного сигнала

f, Гц	Uвх(д), В	Uвых(д), В	Угловая погрешность выходного сигнала
10	3.54	105.80	0.09–0.40 (мкс)	0.0016–0.0072 (°)
50	3.56	105.70	0.01–0.25 (мкс)	0.0002–0.0045 (°)
100	3.56	106.60	0.03–0.16 (мкс)	0.0005–0.0029 (°)
300	3.56	106.65	0.23–0.27 (мкс)	0.0041–0.0049 (°)
500	3.56	107.77	0.97–1.01 (мкс)	0.0175–0.0182 (°)
800	3.56	110.29	2.86–2.87 (мкс)	0.0515–0.0517 (°)
1000	3.56	112.10	3.35–3.51 (мкс)	0.0603–0.0632 (°)

Б. Тестовые испытания БУТ

Схема тестирования БУТ, проставленная на рис. 9, включает источник тока и датчик Холла (LEM LT 300-S/SP2). Здесь выход БУТ закорочен проводом ПВ-3 16 мм² длиной l = 0.35 м (для токов более 100 А длина провода была уменьшена до 10 см).

Рис. 9.

Схема тестирования БУТ для оценки угловой погрешности выходного сигнала, где: ДХ – датчик Холла, R_Ш – сопротивление шунта (тип CF-0.25, точность 5%).

После подачи питания на БУТ задаем входное напряжение (U_вх) в диапазоне от 0 до 10 В (амплитудного значения) и с частотой от 0 до 1000 Гц. По измеренному действующему значению выходного тока (I_вых(д)) определяем коэффициент усиления (K_{БУТ_экс}) и его отклонение от номинального значения (K_{БУТ_ном} = 10). Результаты проведенных экспериментов и расчетов представлены в табл. 5.

Таблица 5.  

Погрешность коэффициента масштабного преобразования тока БУТ

Uвх(д), В	f = 10 Гц			f = 50 Гц			f = 1000 Гц
	Iвых(д), А	KБУТ_экс	∆, %	Iвых(д), А	KБУТ_экс	∆, %	Iвых(д), А	KБУТ_экс	∆, %
0.71	6.92	9.74	2.57	6.88	9.74	2.57	6.97	9.80	1.99
1.41	13.94	9.83	1.69	14.09	9.84	1.65	14.02	9.87	1.27
2.12	20.97	9.86	1.43	20.98	9.86	1.39	21.10	9.90	1.01
2.83	27.92	9.87	1.31	28.02	9.87	1.30	28.22	9.91	0.89
3.54	34.96	9.88	1.19	35.02	9.88	1.20	34.98	9.92	0.80
4.24	41.94	9.89	1.13	42.06	9.89	1.10	42.13	9.93	0.72
4.95	49.44	9.89	1.12	49.57	9.89	1.08	49.72	9.93	0.69
5.66	55.94	9.89	1.07	56.16	9.89	1.05	56.27	9.93	0.66
6.36	63.18	9.90	1.04	63.08	9.90	1.02	63.18	9.94	0.62
7.07	70.12	9.90	1.03	69.93	9.90	1.01	70.59	9.94	0.61

$\Delta = \frac{{\left| {{{K}_{{{\text{БУТ\_ном}}}}} - {{K}_{{{\text{БУT\_экс}}}}}} \right|}}{{{{K}_{{{\text{БУT\_ном}}}}}}}$ – погрешность коэффициента масштабного преобразования тока, %.

На основании полученных результатов можно отметить, что ∆ не превышает 5%, а передаточная характеристика БУТ представляет собой линейную зависимость (рис. 10), что в целом подтверждает адекватность разработанного БУТ.

Рис. 10.

Амплитудная (передаточная) характеристика БУТ при f = 50 Гц.

Для подтверждения адекватности частотных свойств БУТ в табл. 6 представлены результаты изменения $\Delta $ в зависимости от частоты входного сигнала при использовании в качестве нагрузки терминала релейной защиты Sepam-40.

Таблица 6.  

Погрешность коэффициента масштабного преобразования тока БУТ в зависимости от частоты входного сигнала

f, Гц	Uвх = 5 В			Uвх = 10 В
	Iвых(д), А	KБУТ_экс	∆, %	Iвых(д), А	KБУТ_экс	∆, %
10.00	34.87	9.85	1.45	69.92	9.87	1.26
50.00	35.05	9.85	1.46	69.92	9.86	1.36
100.00	34.96	9.83	1.72	69.92	9.86	1.41
150.00	35.00	9.84	1.65	69.92	9.86	1.43
400.00	34.91	9.81	1.93	69.64	9.81	1.87
800.00	34.68	9.74	2.61	73.02	10.34	3.43
1000.00	35.21	9.89	1.12	74.17	10.44	4.40

Согласно представленной на рис. 11 амплитудно-частотной характеристике видно, что в диапазоне до 1000 Гц величина коэффициента усиления БУТ не превышает 5%.

Рис. 11.

Амплитудно-частотная характеристика БУТ.

Для оценки угловой погрешности выходного сигнала в схему тестирования БУТ были добавлены фазометр (Ф2-34) и делители напряжения (рис. 12). Делители выбраны из соображений получения одинакового уровня сигнала (около 1 В) на входах фазометра (при входном напряжении БУТ U_вх = ±10 В).

Рис. 12.

Схема тестирования БУТ для оценки угловой погрешности выходного сигнала, где: R₁ = 39 кОм, R₂ = 6.8 кОм (тип резисторов CF-0.25, точность 5%).

В табл. 7 представлены результаты измерения угловой погрешности выходного сигнала БУТ в зависимости от частоты входного сигнала, которые показывают приемлемую величину угловой погрешности выходного сигнала (не более 0.1°) и корректность функционирования БУТ в заданном диапазоне частот.

Таблица 7.  

Угловая погрешность выходного сигнала БУТ в зависимости от частоты входного сигнала

f, Гц	Uвх(д), В	Iвых(д), А	Угловая погрешность выходного сигнала
10	7.07	69.91652	0.05–0.035	0.00063–0.0009 (°)
50	7.07	69.91652	0.01–0.48	0.00018–0.00864 (°)
100	7.07	69.91652	0.02–0.04	0.00036–0.00072 (°)
300	7.07	69.91652	1.06–1.07	0.01908–0.01926 (°)
500	7.07	69.63981	1.57–1.59	0.02826–0.02862 (°)
800	7.07	73.42157	1.83–1.85	0.03294–0.0333 (°)
1000	7.07	75.5221	2.01–2.25	0.03618–0.0405 (°)

Кроме этого, с точки зрения адекватности усиления сигналов необходимым является определение амплитуды пульсации на частоте преобразования. Данный опыт проводился при работе БУН на холостом ходу, БУТ – в режиме короткого замыкания. При установке максимального значения выходного напряжения БУН (для БУТ – максимального тока), что соответствует максимальному уровню пульсаций, определяем значения U_вх.ср, U_вых.ср и амплитуду пульсаций (табл. 8 и 9 соответственно).

Таблица 8.  

Амплитуда пульсации БУН на холостом ходу

Uвх.ср, В	Uвых.ср, B	Фактическое значение, В	Предельное значение
9.38	280.3	1.5	Не более 3 В

Таблица 9.  

Амплитуда пульсации БУТ в режиме короткого замыкания

Uвх.ср, В	Iвых.ср, A	Фактическое значение, А	Предельное значение
10	98.5	0.1	Не более 2 А

Результаты проведенных тестовых испытаний разработанных усилителей БУН и БУТ КИМУП показывают адекватность формируемых данными усилителями выходных токов и напряжений: погрешности коэффициентов масштабного преобразования напряжения БУН и тока БУТ не превышают 5%, а угловые погрешности выходного напряжения и тока не превышают 0.1°.

Стоит отметить, что при необходимости величина выходного тока БУТ может быть увеличена до 200 А (в амплитуде), что потребует увеличения напряжение питания, а габаритная мощность преобразователя увеличится до 4.5 кВт.

II. ВЫВОДЫ

В работе представлены результаты разработки комплекса импульсно-модуляционных усилителей переменного тока и напряжения (КИМУП), которые могу быть использованы для построения полигона для тестирования устройств релейной защиты и автоматики в режиме замкнутого цикла.

Проведенный сравнительный анализ характеристик широко используемых в настоящее время усилителей и разработанного экспериментального образца КИМУП показывает, что диапазон выходных трехфазных токов и напряжений БУН и БУТ не уступает (и даже превышает) диапазону рассмотренных усилителей.

В тоже время результаты проведенных тестовых испытания БУТ и БУН показывают адекватность формируемых данными усилителями выходных токов и напряжений: погрешности коэффициентов масштабного преобразования напряжения БУН и тока БУТ не превышают 5%, а угловые погрешности выходного напряжения и тока не превышают 0.1°.

Работа выполнена при поддержке Министерство науки и высшего образования РФ, Соглашение № 075-15-2019-1052 “Исследование влияния спектра процессов в электроэнергетических системах со значительной долей распределенной генерации и возобновляемыми источниками энергии на функционирование устройств релейной защиты и разработка методики ее адекватной настройки”.