RU2439589C1

RU2439589C1 - Real-time measurement device for current control in high-voltage power networks

Info

Publication number: RU2439589C1
Application number: RU2010140508/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Мушегович Геворкян (RU); Владимир Мушегович Геворкян; Юрий Алексеевич Казанцев (RU); Юрий Алексеевич Казанцев; Илья Александрович Яшин (RU); Илья Александрович Яшин
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2012-01-10

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: measurement device contains dielectric insulator; sensor in the form of several coils of optical fibre in non-magnetic protective cover, which grasp phase current lead and form head for optical current transformer; optoelectronic unit connected to sensor and formed by electromagnetic wave source in optical band (e.g. laser); the latter is connected with input of modulator while its output is connected to sensor input and the first input of phase detector; signal from sensor output is sent to the second input while output of phase detector is connected to ADC input; conductive case is made in the form of faraday cage, included into splitting of phase current lead and installed at dielectric insulator. Phase current lead serves as primary coil of transformer and secondary coils are connected to input of power supply unit of current measurement device; measurement module is made in the dorm of digital data processing unit, transmitter-receiver with antenna. From modulator output part of signal is sent to sensor input and is distributed along its optical fibre up to sensor output. ^ EFFECT: functionality enhancement. ^ 4 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам контроля фазного тока в высоковольтных линиях электропередачи.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to phase current monitoring systems in high voltage power lines.

Известна автоматизированная система контроля и учета электроэнергии (патент РФ №2224260, МКИ⁷ G01R 11/48, опубликован 20.02.2004 г.).A well-known automated system for monitoring and accounting for electricity (RF patent No. 2224260, MKI ⁷ G01R 11/48, published 02/20/2004).

Система содержит проводящий корпус (клетка Фарадея) электронных блоков, который экранирует электронные блоки системы от электромагнитных полей и обеспечивает их защиту от внешних погодных факторов, включенный в рассечку провода линии электропередачи высокого напряжения, высоковольтный конденсатор, служащий опорой измерительного блока и являющийся нижним плечом емкостного делителя напряжения, конденсатор верхнего низковольтного плеча делителя напряжения, датчик тока (измерительный низковольтный электромагнитный трансформатор тока), установленный на проводящем корпусе, изолированный от него диэлектрической прокладкой и помещенный в защитный экран от электрического поля и магнитных полей токов соседних фаз, низковольтный трансформатор тока блока питания, вторичные обмотки которого подключены к входу вторичного источника питания электронных блоков, измерительный модуль, образованный блоками аналоговой и цифровой обработки данных, приемопередатчик с антенной. Приемопередатчик обеспечивает при гальванической развязке между измерительной системой и центром сбора данных, двунаправленную радиолинию для передачи параметров качества и количества электроэнергии, а также сигналов управления и контроля за процессом измерения.The system contains a conductive housing (Faraday cage) of electronic units that shields the electronic components of the system from electromagnetic fields and provides protection from external weather factors, included in the cut of the wire of the high voltage power line, a high-voltage capacitor that serves as a support for the measuring unit and is the lower arm of the capacitive divider voltage, capacitor of the upper low-voltage arm of the voltage divider, current sensor (measuring low-voltage electromagnetic current transformer a) mounted on a conductive housing, insulated from it by a dielectric gasket and placed in a protective shield from the electric field and magnetic fields of currents of adjacent phases, a low-voltage current transformer of the power supply unit, the secondary windings of which are connected to the input of the secondary power source of electronic units, a measuring module formed blocks of analog and digital data processing, transceiver with antenna. When galvanically isolated between the measuring system and the data collection center, the transceiver provides a bi-directional radio line for transmitting parameters of the quality and quantity of electricity, as well as control and monitoring signals for the measurement process.

Недостаток известного технического решения заключается в недостаточно широком динамическом диапазоне измеряемых токов, а также в возможной потере работоспособности в режимах коммутации и аварийных, соответствующих броскам тока до величин десятков номинальных значений.A disadvantage of the known technical solution lies in the insufficiently wide dynamic range of the measured currents, as well as in a possible loss of operability in switching and emergency modes, corresponding to current surges up to tens of nominal values.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому измерительному устройству контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения является устройство, содержащее чувствительный элемент в виде нескольких витков оптоволокна, помещенных в жесткую защитную оболочку из немагнитного материала, охватывающих токопровод и образующих токовую головку для оптического трансформатора тока, и электронно-оптический блок, соединяемый с чувствительным элементом через оптический кросс для оптического трансформатора тока, причем электронно-оптический блок образован источником электромагнитной волны оптического диапазона (например, лазером), выход которого присоединен к входу модулятора, выход которого присоединен к входу оптического кросса, подключенного к входу оптоволокна чувствительного элемента, и параллельно к входу фазового детектора, второй вход которого присоединен к выходу оптического кросса, подключенного к выходу оптоволокна чувствительного элемента, выход фазового детектора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с буфером сбора данных (А.Л.Гуртовцев. Оптические трансформаторы и преобразователи тока. Принципы работы, устройства, характеристики. Новости электротехники, №5 (60), 2010 г.).The closest in technical essence to the proposed measuring device for monitoring current in real time in high voltage networks is a device containing a sensing element in the form of several turns of optical fiber, placed in a rigid protective sheath of non-magnetic material, covering the current lead and forming a current head for an optical current transformer , and an electron-optical unit connected to the sensing element through an optical cross for an optical current transformer, The electron-optical block is formed by a source of the electromagnetic wave of the optical range (for example, a laser), the output of which is connected to the input of the modulator, the output of which is connected to the input of the optical cross connected to the input of the optical fiber of the sensing element, and in parallel to the input of the phase detector, the second input of which is connected to the output of the optical cross connected to the output of the optical fiber of the sensing element, the output of the phase detector is connected to the input of an analog-to-digital converter, the output of which connected to the data collection buffer (A.L. Gurtovtsev. Optical transformers and current converters. Principles of operation, devices, characteristics. Electrical Engineering News, No. 5 (60), 2010).

Недостатком такого технического решения является ограниченная область возможного удаления устройства от пунктов сбора, обработки и хранения данных.The disadvantage of this technical solution is the limited area of possible removal of the device from points of collection, processing and storage of data.

Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения автономного режима работы измерительного устройства контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения.The technical task of the invention is to expand the functionality by providing an autonomous mode of operation of the measuring device for monitoring current in real time in high voltage networks.

Решение этой задачи достигается тем, что измерительное устройство контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения, содержащее диэлектрический изолятор, чувствительный элемент в виде витков оптоволокна, помещенных в жесткую защитную оболочку из немагнитного материала, охватывающих токопровод фазного тока и образующих токовую головку для оптического трансформатора тока, и электронно-оптический блок, соединенный с чувствительным элементом, образованный источником электромагнитной волны оптического диапазона, выход которого соединен с входом модулятора, а выход последнего присоединен к первому входу фазового детектора, выход фазового детектора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, снабжено проводящим корпусом, выполненным в виде клетки Фарадея, низковольтным электромагнитным трансформатором тока, первичной обмоткой которого является токопровод фазного тока, а вторичная обмотка подключена к входу вторичного блока питания устройства контроля тока, измерительным модулем, выполненным в виде блока цифровой обработки данных, приемопередатчиком и антенной, проводящий корпус включен в рассечку токопровода фазного тока и установлен на диэлектрическом изоляторе, электронно-оптический блок размещен в проводящем корпусе, выход модулятора электронно-оптического блока подключен к входу чувствительного элемента, второй вход фазового детектора подключен к выходу чувствительного элемента, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу измерительного модуля, выход которого подключен к входу приемопередатчика, выход которого подключен к антенне.The solution to this problem is achieved by the fact that the measuring device for monitoring current in real time in high voltage networks containing a dielectric insulator, a sensing element in the form of fiber optic coils placed in a rigid protective sheath of non-magnetic material, covering the phase current conductor and forming a current head for optical a current transformer, and an electron-optical unit connected to a sensitive element, formed by a source of electromagnetic waves of the optical range, output One of which is connected to the input of the modulator, and the output of the last is connected to the first input of the phase detector, the output of the phase detector is connected to the input of an analog-to-digital converter, equipped with a conductive housing made in the form of a Faraday cage, a low-voltage electromagnetic current transformer, the primary winding of which is the phase current conductor and the secondary winding is connected to the input of the secondary power supply unit of the current control device, a measuring module made in the form of a digital data processing unit, reception transmitter and antenna, the conductive housing is included in the dissection of the phase current conductor and mounted on a dielectric insulator, the electron-optical unit is placed in the conductive case, the modulator output of the electro-optical unit is connected to the input of the sensor, the second input of the phase detector is connected to the output of the sensor, output An analog-to-digital converter is connected to the input of the measuring module, the output of which is connected to the input of the transceiver, the output of which is connected to the antenna.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано измерительное устройство контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения, на фиг.2 схематично показано размещение электронных блоков внутри проводящего корпуса, на фиг.3 показан чувствительный элемент в виде витков оптоволокна на токопроводе фазного тока, на фиг.4 приведена функциональная схема устройства.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a measuring device for monitoring current in real time in high voltage networks, Fig. 2 schematically shows the placement of electronic units inside a conductive housing, Fig. 3 shows a sensing element in the form of turns of optical fiber on a current lead phase current, figure 4 shows the functional diagram of the device.

Измерительное устройство контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого напряжения содержит диэлектрический изолятор 1, чувствительный элемент 2 в виде нескольких витков оптоволокна, помещенных в жесткую защитную оболочку 3 из немагнитного материала, охватывающих токопровод 4 фазного тока и образующих токовую головку для оптического трансформатора тока, и электронно-оптический блок 5, соединенный с чувствительным элементом 2, образованный источником электромагнитной волны оптического диапазона (например, лазером) 6, выход которого соединен с входом модулятора 7, выход последнего присоединен к входу чувствительного элемента 2 и к первому входу 8 фазового детектора 9, на второй вход 10 которого поступает сигнал с выхода чувствительного элемента 2, выход фазового детектора 9 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 11, проводящий корпус 12, выполненный в виде клетки Фарадея, включенный в рассечку токопровода 4 фазного тока и установленный на диэлектрическом изоляторе 1. Устройство также содержит низковольтный электромагнитный трансформатор тока 13 блока питания 14 устройства контроля тока. Первичной обмоткой трансформатора тока 13 служит токопровод 4 фазного тока, а вторичная обмотка 15 присоединена к входу блока питания 14 устройства контроля тока, измерительный модуль 16, выполненный в виде блока цифровой обработки данных, приемопередатчик 17 с антенной 18.A real-time measuring device for monitoring current in high voltage networks contains a dielectric insulator 1, a sensing element 2 in the form of several turns of optical fiber, placed in a rigid protective sheath 3 made of non-magnetic material, covering a phase-current conductor 4 and forming a current head for an optical current transformer, and an electron-optical unit 5 connected to the sensing element 2, formed by a source of electromagnetic waves of the optical range (for example, a laser) 6, the output to It is connected to the input of the modulator 7, the output of the latter is connected to the input of the sensing element 2 and to the first input 8 of the phase detector 9, the second input 10 of which receives a signal from the output of the sensitive element 2, the output of the phase detector 9 is connected to the input of the analog-to-digital converter 11, a conductive housing 12, made in the form of a Faraday cage, included in the dissection of the phase current conductor 4 and mounted on a dielectric insulator 1. The device also contains a low-voltage electromagnetic current transformer 13 of block p Tanya 14 current control device. The primary winding of the current transformer 13 is the phase-current conductor 4, and the secondary winding 15 is connected to the input of the power supply 14 of the current monitoring device, the measuring module 16, made in the form of a digital data processing unit, a transceiver 17 with an antenna 18.

Измерительное устройство контроля тока в режиме реального времени в сетях высокого работает следующим образом.A measuring device for monitoring current in real time in high networks works as follows.

По токопроводу 4 течет фазный ток определенной силы. Источник электромагнитной волны оптического диапазона (например, лазер) 6 создает на входе модулятора 7 плоскополяризованную волну. С выхода модулятора 7 часть сигнала поступает на вход чувствительного элемента 2 и распространяется вдоль его оптоволокна до выхода чувствительного элемента 2. Другая часть сигнала с выхода модулятора 7 поступает на первый вход 8 фазового детектора 9, на второй вход 10 которого поступает волна с выхода чувствительного элемента 2. При распространении электромагнитной волны вдоль оптоволокна чувствительного элемента 2 за счет эффекта Фарадея плоскость поляризации волны изменяется пропорционально силе тока, то есть напряженности магнитного поля, образующего кольцевые силовые линии в поперечном сечении токопровода 4. В соответствии с законом Верде угол поворота плоскости поляризации: Θ=V·l·Н, где Θ - угол поворота плоскости поляризации волны в оптоволоконной линии, V - коэффициент пропорциональности (Верде), l - длина оптоволокна чувствительного элемента 2, Н - напряженность магнитного поля, связанная с током в токопроводе 4 законом полного тока. На выходе фазового детектора 9 возникает аналоговый сигнал, пропорциональный углу поворота плоскости поляризации электромагнитной волны, то есть силе тока в токопроводе 4. С выхода фазового детектора 9 сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 11, с выхода которого оцифрованный сигнал поступает на вход блока цифровой обработки данных измерительного модуля 16. С выхода измерительного модуля 16 преобразованный сигнал, соответствующий частотному спектру фазного тока в токопроводе 4 в каждый момент времени, то есть в реальном времени, поступает на вход приемопередатчика, где преобразуется в стандарт радиоканала (например, Ethernet 802.11 b) и через антенну 18 на выходе приемопередатчика 17 излучается в направлении диспетчерского пункта, где принимается приемниками и визуализируется, поступает на хранение в соответствии с нормативными документами. Электропитание устройства, а именно: электронно-оптического блока 5, аналого-цифрового преобразователя 11, блоков измерительного модуля 16, приемопередатчика 17 осуществляется по параллельной схеме от вторичного блока питания 14 устройства контроля тока, образованного низковольтным электромагнитным трансформатором тока 13. Первичной обмоткой трансформатора тока 13 является токопровод 4 фазного тока, с которым через магнитопровод связаны его вторичные обмотки 15. С вторичных обмоток 15 трансформатора тока 13 снимается мощность для питания электронных блоков измерительного устройства.A current of a certain force flows through the conductor 4. The source of the electromagnetic wave of the optical range (for example, a laser) 6 creates a plane-polarized wave at the input of the modulator 7. From the output of modulator 7, part of the signal is fed to the input of the sensing element 2 and propagated along its fiber to the output of the sensitive element 2. Another part of the signal from the output of modulator 7 is fed to the first input 8 of the phase detector 9, the second input 10 of which receives a wave from the output of the sensitive element 2. When the electromagnetic wave propagates along the optical fiber of the sensing element 2 due to the Faraday effect, the plane of polarization of the wave changes in proportion to the current strength, that is, the magnetic the field that forms the ring field lines in the cross section of the current lead 4. In accordance with the Verdet law, the angle of rotation of the plane of polarization: Θ = V · l · N, where Θ is the angle of rotation of the plane of polarization of the wave in the fiber optic line, V is the proportionality coefficient (Verde), l is the length of the optical fiber of the sensing element 2, N is the magnetic field strength associated with the current in the conductor 4 by the law of the total current. At the output of the phase detector 9, an analog signal arises which is proportional to the angle of rotation of the plane of polarization of the electromagnetic wave, that is, the current strength in the conductor 4. From the output of the phase detector 9, the signal is fed to the input of an analog-to-digital converter 11, from which the digitized signal is fed to the input of the digital unit data processing of the measuring module 16. From the output of the measuring module 16, the converted signal corresponding to the frequency spectrum of the phase current in the conductor 4 at any time, that is, in real time, it enters the input of the transceiver, where it is converted to a standard radio channel (for example, Ethernet 802.11 b) and is transmitted through the antenna 18 at the output of the transceiver 17 in the direction of the control center, where it is received by receivers and visualized, and stored in accordance with regulatory documents. The power supply of the device, namely, the electron-optical block 5, the analog-to-digital converter 11, the blocks of the measuring module 16, the transceiver 17 is carried out in parallel from the secondary power supply 14 of the current control device formed by a low-voltage electromagnetic current transformer 13. The primary winding of the current transformer 13 is a phase-current conductor 4 with which its secondary windings are connected through a magnetic circuit 15. From the secondary windings 15 of the current transformer 13, power is removed to power the electric tronic measuring device blocks.

Проводящий корпус 12 за счет выбора его формы в виде клетки Фарадея, включенной в рассечку фазного провода 4, экранирует электронно-оптический блок 5, аналого-цифровой преобразователь 11, вторичный блок питания 14, измерительный модуль 16 и приемопередатчик 17 от помехового действия электромагнитных полей собственного фазного провода 4 линии передачи высокого напряжения, а кроме того, обеспечивает их защиту от внешних погодных факторов. Кроме того, за счет выполнения стенок корпуса 12 из проводящего материала обеспечивается экранирование электронных блоков 5, 11, 14, 16 и 17, установленных в нем от воздействия помеховых электромагнитных полей соседних фаз.The conductive housing 12, due to the choice of its shape in the form of a Faraday cage included in the dissection of the phase wire 4, shields the electron-optical unit 5, the analog-to-digital converter 11, the secondary power supply 14, the measuring module 16 and the transceiver 17 from the interference effect of electromagnetic fields of its own phase wire 4 transmission lines of high voltage, and in addition, provides their protection against external weather factors. In addition, due to the implementation of the walls of the housing 12 from a conductive material, shielding of the electronic units 5, 11, 14, 16 and 17 is provided, which are installed therein from the effects of interfering electromagnetic fields of neighboring phases.

За счет длины диэлектрического изолятора 1 достигается необходимое для включения проводящего корпуса 12 в рассечку фазного провода 4 положение корпуса 12.Due to the length of the dielectric insulator 1, the position of the housing 12 necessary to include the conductive housing 12 in the cut of the phase wire 4 is achieved.

Наличие приемопередатчика 17, обеспечивает при гальванической развязке между измерительной системой и центром сбора данных двунаправленную радиолинию для передачи параметров тока, а также приема и передачи сигналов управления и контроля за процессом измерения. Возможную удаленность положения измерительного устройства относительно диспетчерского пункта и реализацию автономного режима мониторинга обеспечивает радиолиния.The presence of the transceiver 17, provides for galvanic isolation between the measuring system and the data collection center bi-directional radio line for transmitting current parameters, as well as receiving and transmitting control signals and monitoring the measurement process. A possible remoteness of the position of the measuring device relative to the control room and the implementation of the autonomous monitoring mode provides a radio line.

Использование в устройстве измерительной системы электропитания с отбором мощности от тока фазного провода позволяет осуществить независимое от низковольтных сетей электроснабжение блоков измерительного устройства контроля тока, включая питание генератора электромагнитных волн оптического диапазона (например, лазера) 6 и всего электронно-оптического блока 5, аналого-цифрового преобразователя 11, блока цифровой обработки измерительного модуля 16 и приемопередатчика 17. Наличие радиоканала для обеспечения приема данных и передачи сигналов контроля и управления на удаленное измерительное устройство контроля тока позволяет существенно расширить его функциональные возможности.The use of a power supply system with a power take-off from a phase wire in the device enables the power supply of the measuring device for current monitoring, independent of low-voltage networks, to include the power of an electromagnetic wave generator in the optical range (for example, a laser) 6 and the entire electron-optical unit 5, analog-to-digital the transducer 11, the digital processing unit of the measuring module 16 and the transceiver 17. The presence of a radio channel to provide data reception and signal transmission control and management of the remote measuring fishing current control device allows to extend its functionality.

Claims

A real-time measuring device for monitoring current in high voltage networks containing a dielectric insulator, a sensing element in the form of fiber optic coils placed in a rigid protective sheath of non-magnetic material, covering a phase current conductor and forming a current head for an optical current transformer, and electron-optical a unit connected to a sensing element formed by a source of electromagnetic wave of the optical range, the output of which is connected to the input of the modulator a, and the output of the latter is connected to the first input of the phase detector, the output of the phase detector is connected to the input of an analog-to-digital converter, characterized in that it is additionally equipped with a conductive housing made in the form of a Faraday cage, a low-voltage electromagnetic current transformer, the primary winding of which is a phase current conductor and the secondary winding is connected to the input of the secondary power supply unit of the current control device, a measuring module made in the form of a digital data processing unit, receiver a transmitter and an antenna, the conductive housing is included in the dissection of the phase current conductor and mounted on a dielectric insulator, the electron-optical unit is placed in the conductive case, the modulator output of the electro-optical unit is connected to the input of the sensor, the second input of the phase detector is connected to the output of the sensor, output An analog-to-digital converter is connected to the input of the measuring module, the output of which is connected to the input of the transceiver, the output of which is connected to the antenna.