Цифровые уличные трансформаторы напряжения для интеграции в умные сети

Эволюция в сторону умных сетей требует трансформационного сдвига в технологиях измерения и мониторинга электроэнергии. Цифровые уличные трансформаторы напряжения (DVT) стали незаменимыми компонентами, играя ключевую роль в обеспечении реального времени, высокоточной сенсорики напряжения, бесшовной интеграции с Интернетом вещей (IoT) и коммуникационными сетями, продвинутыми диагностическими возможностями для предиктивного обслуживания и поддержке интеграции возобновляемых источников энергии и модернизации сетей. В отличие от традиционных электромагнитных или емкостных трансформаторов напряжения (VT), DVT предлагают явные преимущества, такие как защита от электромагнитных помех (EMI), уменьшенные размеры и вес (до 70% меньше, чем у обычных CVT), цифровые выходные интерфейсы, соответствующие стандартам IEC 61850, низкое потребление энергии и продленный срок службы.

2.1 Основные технологии сенсорики

2.1.1 Оптическое измерение напряжения

Оптические технологии измерения напряжения основываются на взаимодействии света и электрических полей. Датчики эффекта Пеккельса используют линейный электрооптический эффект в кристаллах, таких как ниобат лития. Когда напряжение прикладывается, поляризация света, проходящего через кристалл, изменяется пропорционально. Например, в оптическом ВТ на 220 кВ ячейка Пеккельса интегрирована в волоконно-оптический контур, и сигнал напряжения передается в виде фазово-модулированного света. Датчики волноводной решетки Брагга (FBG), с другой стороны, измеряют механическое напряжение, вызванное напряжением, или изменения температуры. Длина волны света в волоконных решетках смещается в ответ на эти изменения, которые могут быть связаны с приложенным напряжением.

2.1.2 Электронное измерение напряжения

Резистивные делители VTs используют высоковольтные резисторы (такие как металлооксидные или пленочные резисторы) для деления входного напряжения. Низковольтный выход затем измеряется аналогово-цифровыми преобразователями (ADC). Ёмкостные делители VTs, аналогичные по концепции традиционным CVT, но с электронной обработкой сигнала, предлагают гораздо более быстрое время отклика, часто в пределах ≤1μs. ВТ на основе катушек Роговски являются индуктивными датчиками, которые измеряют скорость изменения напряжения, что делает их особенно подходящими для транзиентного анализа в энергетических системах.

2.2 Обработка и передача цифровых сигналов

Высокоточная аналогово-цифровая конверсия является ключевым аспектом DVT. 24-битные АЦП с частотой дискретизации до 1 МГц обычно используются для захвата высококачественных напряженческих форм. Протокол IEC 61850-9-2LE обеспечивает временную метку и пиринговую передачу выборочных значений (SV) по Ethernet, обеспечивая точную и своевременную передачу данных. Механизмы резервирования, такие как дублирующие волоконно-оптические каналы и горячие заменяемые источники питания, реализованы для гарантии нулевых потерь данных, повышая надежность системы.

3.1 Экологическая адаптивность

DVTs предназначены для работы в суровых условиях на открытом воздухе. Для прибрежных районов, подверженных солевому туману и коррозии, такие материалы, как нержавеющая сталь 316L для корпуса, в сочетании с покрытиями из ПТФЭ, могут обеспечить срок службы более 10 лет. Для работы в экстремальных температурах от - 40°C до + 85°C используются температурно-компенсированные оптические волокна, что обеспечивает дрейф точности измерения менее 0.01%. В условиях высоких электромагнитных полей оптическая изоляция волокон и экранирование по Фарадею могут снизить шум, вызванный ЭМИ, более чем на 30 дБ. Для сильно загрязненных районов используются самоочищающиеся силиконовые резиновые изоляторы, что снижает необходимость в ручной очистке до одного раза каждые 5 лет или более.

3.2 Возможности интеграции умной сети

3.2.1 Интерфейсы связи

DVTs оснащены современными коммуникационными интерфейсами. Протокол точного времени IEEE 1588 (PTP) обеспечивает синхронизацию времени с точностью до субмикросекунд, что имеет решающее значение для фазорных измерительных устройств (PMUs). Для удаленных подстанций без волоконной инфраструктуры доступны варианты обратной связи 5G и LTE, что обеспечивает передачу данных в реальном времени и бесшовную интеграцию с умной сетью.

3.2.2 Функции крайних вычислений

Встроенные микропроцессоры в DVT выполняют различные функции крайних вычислений. Они могут проводить гармонический анализ до 50-го порядка, обнаруживать провалы и всплески напряжения в соответствии с IEEE 1668 и оценивать местоположения неисправностей с использованием анализа бегущей волны. Эти функции обеспечивают мониторинг и управление электросетью в реальном времени, повышая ее стабильность и надежность.

4.1 Оптические трансформаторы напряжения (ОВТ)

4.1.1 Все - Оптическая архитектура VT

В полностью оптическом ВТ высоковольтный электрод индуцирует электрическое поле в кристалле Поккельса. Поляризованный свет проходит через кристалл, и его фазовый сдвиг, который пропорционален напряжению, обнаруживается интерферометрически. Обнаруженный фазовый сдвиг затем преобразуется в цифровой напряженческий сигнал. Эта архитектура предлагает высокую точность и стойкость к электромагнитным помехам.

4.1.2 Кейс: 500кВ ОВТ в Умной Подстанции

500 кВ ОВТ, установленный на умной подстанции в Шанхае, имеет кристаллическое ядро из литийниобата с антивуговым покрытием для защиты от длительного воздействия солнечного света. Предусмотрены два волоконных пути для резервирования с использованием схемы защиты 1 + 1. ОВТ интегрирован с системой SCADA, что позволяет проводить анализ стабильности напряжения в реальном времени. Он достиг точности класса 0,1% с задержкой менее 50 мкС, демонстрируя свои высокопроизводительные возможности в среде умной сети.

4.2 Электронные трансформаторы напряжения (EVT)

4.2.1 Резистивный делитель EVTs

Резистивные делители EVT состоят из высоковольтной секции с последовательно соединенными металлооксидными резисторами (с сопротивлением ≥10GΩ и температурным коэффициентом <50ppm/°C) и низковольтной секции с тонкопленочными резисторами, размещенными в термостабилизированном отсеке. Этот дизайн делает их идеальными для городских подстанций 110kV - 220kV, где пространство является дефицитом из-за их компактного размера.

4.2.2 Ёмкостной делитель EVTs

Емкостные делители EVT объединяют емкостное деление напряжения с активной электронной компенсацией. Этот гибридный дизайн устраняет риск ферромагнитного резонанса, который является распространенной проблемой в традиционных CVT, и обеспечивает более стабильное и точное измерение напряжения.

4.3 Комбинированные цифровые VT/CT устройства

Комбинированные цифровые VT/CT устройства интегрируют функции измерения как напряжения, так и тока, уменьшая требования к пространству до 50%. Например, комбинированное устройство на 220 кВ может использовать оптическое измерение напряжения, катушку Роговского для измерения тока и общий блок обработки данных с интерфейсом IEC 61850. Эта интеграция упрощает установку, снижает затраты и повышает общую эффективность подстанции.

5.1 Стабильность сети и динамическое управление

DVTs играют жизненно важную роль в стабильности сети и динамическом управлении благодаря своей поддержке единиц измерения фазы (PMUs). Позволяя проводить измерения синхрофазоров со скоростью 30 - 60 кадров в секунду, DVTs способствуют мониторингу стабильности на больших территориях, контролю демпфирования колебаний и управлению межтерриториальными потоками энергии. Кроме того, их быстрое время отклика (менее 1 мс) позволяет быстро активировать динамические восстановители напряжения (DVRs) для смягчения провалов напряжения и защиты критически важных нагрузок, обеспечивая непрерывную и стабильную работу электросети.

5.2 Интеграция возобновляемой энергии

С увеличением проникновения возобновляемых источников энергии, таких как ветровые и солнечные электростанции, DVT помогают этим установкам соответствовать требованиям сетевого кодекса. Они обеспечивают соблюдение требований по низковольтному переходу (LVRT), ограничивают гармонические искажения в пределах стандартов IEEE 519 и поддерживают регулирование напряжения для источников переменной генерации. В управлении микросетями DVT обеспечивают управление напряжением в реальном времени в изолированных микросетях, позволяя бесшовный переход между сетевыми и автономными режимами, что повышает гибкость и надежность интеграции возобновляемых источников энергии.

5.3 Управление состоянием активов

DVTs оснащены функциями управления состоянием активов. Температуру внутренних компонентов можно контролировать с помощью FBG-датчиков, проникновение влаги можно обнаружить с помощью диэлектрической спектроскопии, а деградацию покрытия можно оценить с помощью встроенных датчиков деформации. Данные в реальном времени от DVT могут быть переданы в цифровые двойники активов сети, что позволяет моделировать ожидаемый срок службы с точностью 90%, предсказывать режимы отказов (таких как старение изоляции) и оптимизировать график обслуживания. Этот подход к предсказательному обслуживанию снижает незапланированные отключения, уменьшает затраты на обслуживание и продлевает срок службы активов сети.

6.1 Международные стандарты для цифровых ВТ

Международные стандарты играют решающую роль в обеспечении качества и совместимости DVT. IEC 60044 - 8 определяет требования к трансформаторам цифрового выходного напряжения, включая классы точности и спецификации интерфейса. IEEE C37.118.1 устанавливает стандарты для синхрофазоров в энергетических системах, что является необходимым для правильного функционирования DVT в приложениях умной сети. IEC 61850 - 9 - 2 специфицирует передачу выборочных значений по последовательным коммуникационным сетям, что делает DVT совместимыми с другими устройствами умной сети.

6.2 Протоколы тестирования совместимости

Тестирование совместимости необходимо для обеспечения бесшовной работы DVT в умной сети. Тестирование на соответствие включает в себя испытания на устойчивость к электрическим быстрым переходным процессам/всплескам (EFT/B) в соответствии с IEC 61000 - 4 - 4, испытания защиты от перенапряжений в соответствии с IEC 61000 - 4 - 5 и испытания электромагнитной совместимости (EMC) в соответствии с CISPR 32. Полевые испытания на ввод в эксплуатацию сосредоточены на измерении времени задержки (с допуском ≤100μs), обеспечении согласованности данных через резервные каналы и оценке уязвимостей кибербезопасности для соответствия требованиям NIST SP 800 - 53.

7.1 Риски кибербезопасности

Поскольку DVT связаны с коммуникационными сетями, они уязвимы для угроз кибербезопасности, таких как подделка данных через сетевое вторжение и атаки типа "отказ в обслуживании" (DoS) на коммуникационные каналы. Чтобы смягчить эти риски, DVT оснащены функциями кибербезопасности, соответствующими стандарту IEEE 1686 - 2013, включая безопасную загрузку с использованием модуля доверенной платформы (TPM), шифрование данных с помощью AES - 256 для передачи SV и системы обнаружения вторжений (IDS) на уровне подстанции.

7.2 Интеграция унаследованных систем

Модернизация DVT в подстанциях с существующими аналоговыми защитными реле представляет собой значительную проблему. Для решения этой задачи используются протокольные шлюзы для преобразования между IEC 61850 (используемым DVT) и IEC 60870 - 5 - 10, что позволяет бесшовную интеграцию новых цифровых технологий с устаревшими системами. Это позволяет постепенно модернизировать электросеть без необходимости полной переработки существующей инфраструктуры.

Цифровые трансформаторы напряжения на открытом воздухе являются необходимыми для успешной интеграции и работы умных сетей. Их передовые технологии сенсоров, совместимые с дизайном умных сетей, и множество приложений в области стабильности сетей, интеграции возобновляемых источников энергии и управления состоянием активов делают их краеугольным камнем современных энергетических систем. Хотя существуют такие проблемы, как риски кибербезопасности и интеграция устаревших систем, с правильными стратегиями смягчения и соблюдением международных стандартов, DVT продолжат способствовать эволюции умных сетей к более надежному, эффективному и устойчивому будущему.