автоматизированная система контроля и учёта электроэнергии (варианты)

Формула изобретения

1. Автоматизированная система контроля и учета электроэнергии, содержащая измерительные трансформаторы напряжения и тока, устройство первичной обработки данных, передающее устройство, например, радиопередатчик, с изолированным по напряжению каналом передачи данных измерения на диспетчерский центр с приемником информационных сигналов, и устройство электроснабжения с блоком питания, отличающаяся тем, что она снабжена корпусом, образованным проводящими стенками, в виде клетки Фарадея, изолирующими прокладками, расположенными на внешних сторонах корпуса, высоковольтным изолятором, которым корпус последовательно закреплен в рассечку высоковольтного силового провода, измерительный трансформатор напряжения образован емкостным делителем напряжения из двух сосредоточенных конденсаторов, первый из которых образует низковольтное плечо емкостного делителя напряжения, а второй сосредоточенный конденсатор образует высоковольтное плечо емкостного делителя напряжения, первая обкладка первого сосредоточенного конденсатора подключена к проводящей стенке корпуса, а вторая его обкладка присоединена к первой обкладке второго сосредоточенного конденсатора, вторая обкладка которого заземлена, соединение обкладок сосредоточенных конденсаторов плеч емкостного делителя напряжения подключено ко входу устройства первичной обработки данных, измерительный трансформатор тока установлен на внешней стороне корпуса и укреплен на ней через одну из изолирующих прокладок, а его выходные выводы подключены ко входу устройства первичной обработки данных, устройство электроснабжения снабжено трансформатором тока, размещенным на внешней стороне корпуса и укрепленным на ней через другую изолирующую прокладку, при этом выходные выводы трансформатора тока соединены со входом блока питания устройства электроснабжения, причем устройство первичной обработки данных, блок питания устройства электроснабжения и передающее устройство размещены внутри корпуса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый сосредоточенный конденсатор расположен внутри корпуса.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что второй сосредоточенный конденсатор выполнен в виде батареи высоковольтных конденсаторов связи.

4. Автоматизированная система контроля и учета электроэнергии, содержащая измерительные трансформаторы напряжения и тока, устройство первичной обработки данных, передающее устройство, например, радиопередатчик, с изолированным по напряжению каналом передачи данных измерения на диспетчерский центр с приемником информационных сигналов, и устройство электроснабжения с блоком питания, отличающаяся тем, что она снабжена корпусом, образованным проводящими стенками, в виде клетки Фарадея, изолирующими прокладками, расположенными на внешних сторонах корпуса, высоковольтным изолятором, которым корпус последовательно закреплен в рассечку высоковольтного силового провода, подставкой, расположенной на земле, проводником, измерительный трансформатор напряжения выполнен в виде емкостного делителя напряжения, образованного блоком из последовательно включенных сосредоточенных конденсаторов, установленных на подставке, один вывод блока сосредоточенных конденсаторов через проводник подключен к земле, а другой его вывод соединен с корпусом, низковольтное плечо емкостного делителя напряжения образовано первой частью сосредоточенных конденсаторов блока, а вторая часть которых образует высоковольтное плечо емкостного делителя напряжения, соединение выводов низковольтного и высоковольтного плеч емкостного делителя напряжения подключено ко входу устройства первичной обработки данных, устройство электроснабжения снабжено трансформатором тока, размещенным на внешней стороне корпуса и укрепленным на ней через другую изолирующую прокладку, при этом выходные выводы трансформатора тока соединены со входом блока питания устройства электроснабжения, причем устройство первичной обработки данных, блок питания устройства электроснабжения и передающее устройство размещены внутри корпуса.

5. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающееся тем, что вторичная обмотка измерительного трансформатора тока расположена на кольцевом магнитопроводе, охватывающем высоковольтный силовой провод в месте его присоединения к корпусу.

6. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающееся тем, вторичная обмотка измерительного трансформатора тока выполнена в виде пояса Роговского охватывающего высоковольтный силовой провод в месте его присоединения к корпусу.

7. Устройство по 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено соединенным с корпусом электрическим экраном с изолированным отверстием, через которое проведен высоковольтный силовой провод, а измерительный трансформатор тока и трансформатор тока расположены внутри электрического экрана.

8. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено выравнивателями поля, расположенными в точках соединения высоковольтного силового провода с корпусом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам контроля и учета электроэнергии на высоковольтных входных и выходных порталах электрических подстанций и присоединений высоковольтных линий электропередачи.

Известно устройство для измерения электрической мощности и энергии, используемое в автоматизированных системах контроля и учета электроэнергии, описанное в патенте РФ 2138827, МПК⁶ G 01 R 24/133, опубл. 27.09.1999 г.. Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь, мультиплексоры, входы которых соединены с выходами измерительных преобразователей напряжения и тока соответственно. Выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом блока обработки информации. К аналоговому входу интерфейсного блока параллельно друг другу подключены выходы мультиплексоров. Аналоговый выход интерфейсного блока соединен с входом блока обработки информации, который считывает мгновенные значения тока и напряжения, из которых за период вычисляются значения активной, полной и реактивной мощностей.

Однако в качестве первичных датчиков тока и напряжения используются традиционные громоздкие и дорогостоящие системы высоковольтных трансформаторов тока и напряжения. Это ограничивает возможность повышения точности измерения мощности и электроэнергии и связано с тем, что поверка высоковольтных трансформаторов тока и напряжения весьма трудоемкая процедура и требует дорогостоящего оборудования.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой автоматизированной системе контроля и учета электроэнергии является система (АСКУЭ "СПРУТ"), разработанная Научно-производственным объединением "САБ-система", описанная в статье: Алексейчик В.В., Болгов В.Т. Проблемы учета, контроля и управления энергоресурсами на промышленном предприятии и пути их решения. "Энергосбережение в Поволжье", 2001, вып.1, с. 58-67. В состав известной системы входят датчики тока (трансформаторы тока) и напряжения (трансформаторы напряжения), транспортная сеть (специализированная локальная сеть передачи аналоговых данных в виде формы кривой тока и формы кривой напряжения от соответствующих датчиков), измерительная система-контроллер, включающая в себя аналого-цифровой преобразователь сигналов, поступающих от транспортной сети, и микропроцессор с общим и специальным программным и информационным обеспечением, поддерживающий работу транспортной сети и осуществляющий первичную обработку и хранение информации от датчиков, а также радио или телефонные модемы для сопряжения с приборами учета энергоресурсов, реализующими соответствующие ГОСТ протоколы сбора и обработки информации.

Однако данная система имеет недостатки, связанные с применением громоздкого и дорогостоящего оборудования первичных датчиков - стандартных измерительных трансформаторов тока и напряжения, сложной и дорогостоящей процедурой поверки, а кроме того, требует решения сложной технической задачи обеспечения изоляции сложного цифрового оборудования от высоковольтного напряжения, так как измерительная система находится под потенциалом земли.

Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкций системы, упрощение процессов поверки измерительных трансформаторов тока и напряжения при одновременном повышении их точности, обеспечивающим возможность простого алгоритма ее периодического проведения, а также упрощения решения задачи обеспечения нормального функционирования при повышении надежности и точности измерительной системы первичной и вторичной обработки и передачи данных.

Решение этой задачи достигается тем, что известная автоматизированная система контроля и учета электроэнергии, содержащая измерительный трансформатор напряжения, измерительный трансформатор тока, устройство первичной обработки данных, передающее устройство, например радиопередатчик, с изолированным по напряжению каналом передачи данных измерения на диспетчерский центр с приемником информационных сигналов, подключенным к системе вторичной обработки, хранения и визуализации информации, а также устройство электроснабжения электронных узлов, снабжена корпусом, образованным проводящими стенками, в виде клетки Фарадея, изолирующими прокладками, расположенными на внешних сторонах корпуса, высоковольтным изолятором, которым корпус последовательно закреплен в рассечку высоковольтного силового провода, измерительный трансформатор напряжения образован емкостным делителя напряжения из двух сосредоточенных конденсаторов, первый из которых образует низковольтное плечо емкостного делителя напряжения, а второй сосредоточенный конденсатор образует высоковольтное плечо, первая обкладка первого сосредоточенного конденсатора подключена к проводящей стенке корпуса, а вторая его обкладка присоединена к первой обкладке второго сосредоточенного конденсатора, вторая обкладка которого заземлена, соединение обкладок сосредоточенных конденсаторов плеч делителя напряжения подключено ко входу устройства первичной обработки данных, измерительный трансформатор тока установлен на внешней стороне корпуса и укреплен на ней через одну из изолирующих прокладок, а его выходные выводы подключены ко входу устройства первичной обработки данных, устройство электроснабжения снабжено трансформатором тока, размещенным на внешней поверхности корпуса, при этом выходные выводы трансформатора тока соединены со входом блока питания, причем устройство первичной обработки данных, блок питания устройства электроснабжения и передающее устройство размещены внутри корпуса.

Кроме того, первый сосредоточенный конденсатор расположен внутри корпуса.

Второй сосредоточенный конденсатор выполнен в виде батареи высоковольтных конденсаторов связи.

В другом варианте выполнения известная автоматизированная система контроля и учета электроэнергии, содержащая измерительные трансформаторы напряжения и тока, устройство первичной обработки данных, передающее устройство, например радиопередатчик, с изолированным по напряжению каналом передачи данных измерения с приемником информационных сигналов, и устройство электроснабжения с блоком питания, снабжена корпусом, образованным проводящими стенками, в виде клетки Фарадея, изолирующими прокладками, расположенньми на внешних сторонах корпуса, высоковольтным изолятором, которым корпус последовательно закреплен в рассечку высоковольтного силового провода, подставкой, расположенной на земле, проводником, измерительный трансформатор напряжения выполнен в виде емкостного делителя напряжения, образованного блоком из последовательно включенных сосредоточенных конденсаторов, установленных на подставке, один вывод блока сосредоточенных конденсаторов подключен к земле, а другой его вывод соединен с корпусом, низковольтное плечо образовано первой частью сосредоточенных конденсаторов блока, а вторая часть которых образует высоковольтное плечо емкостного делителя, соединение выводов низковольтного и высоковольтного плеч подключено ко входу устройства первичной обработки данных, устройство электроснабжения снабжено трансформатором тока, размещенным на внешней поверхности корпуса, при этом выходные выводы трансформатора тока соединены со входом блока питания, причем устройство первичной обработки данных, блок питания устройства электроснабжения и передающее устройство размещены внутри корпуса.

Дополнительно вторичная обмотка измерительного трансформатора тока может быть расположена на кольцевом магнитопроводе, охватывающем высоковольтный силовой провод в месте его присоединения к корпусу.

Кроме того, вторичная обмотка измерительного трансформатора тока может быть выполнена в виде пояса Роговского, охватывающего высоковольтный силовой провод в месте его присоединения к корпусу.

Дополнительно система может быть снабжена соединенным с корпусом электрическим экраном с изолированным отверстием, через которое проведен высоковольтный силовой провод, а измерительный трансформатор тока расположен в электрическом экране.

Кроме того, система может быть снабжена выравнивателями поля, расположенными в точках соединения высоковольтного силового провода с корпусом.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана автоматизированная система контроля и учета электроэнергии, на фиг.2 приведен другой вариант выполнения системы, на фиг.3 изображен измерительный трансформатор тока.

Автоматизированная система контроля и учета электроэнергии содержит замкнутый проводящими стенками, образующими клетку Фарадея, корпус 1, включенный последовательно в рассечку высоковольтного силового провода 2 у портала 3 и удерживаемый в стационарном положении с помощью высоковольтного изолятора 4, прикрепленного к порталу 3, а также через изолирующую прокладку 5, прикрепленную ко второму сосредоточенному конденсатору 6 нижнего высоковольтного плеча емкостного делителя напряжения, образующего измерительный трансформатор напряжения, состоящий из последовательного соединения с первым сосредоточенным конденсатором 7 верхнего низковольтного плеча делителя напряжения, размещенного внутри корпуса 1. Один вывод первого сосредоточенного конденсатора 7 через проводник 8 присоединен к проводящей стенке корпуса 1. Второй сосредоточенный конденсатор 6 нижнего высоковольтного плеча установлен на подставке 9, расположенной на земле, один вывод которого через проводник 10 присоединен к земле, а точка 11 соединения выводов сосредоточенных конденсаторов 6 и 7 нижнего высоковольтного плеча и верхнего низковольтного плеча подключена ко входу корректирующей цепи 12. Измерительный трансформатор тока 13 установлен на внешней стороне корпуса 1 через изолирующую прокладку 14, а его выводы подключены ко входу корректирующей цепи 15 системы первичной обработки измеряемого тока, размещенной внутри корпуса 1.

Устройство первичной обработки данных включает корректирующие цепи 12 и 15 первичной обработки измеряемого напряжения и первичной обработки измеряемого тока, блок 16, состоящий из узла первичной обработки измеряемого напряжения и измеряемого тока, который выполнен в виде аналого-цифровых преобразователей, и узла вторичной обработки измеряемых данных, который содержит фильтр, корректор и преобразователь первичных данных временных зависимостей измеряемых величин тока и напряжения в выходные данные в виде цифровых последовательностей. Модулятор 17 передатчика 18 канала передачи данных выполнен в виде радиоканала. Автономный источник питания содержит второй трансформатор тока 19, размещенный на внешней стороне проводящей стенки корпуса 1 и укрепленный на ней через изолирующую прокладку 20. Выводы трансформатора тока 19 соединены со входом стабилизатора 21 напряжения питания измерительной системы размещенного внутри клетки корпуса 1. Система контроля и учета электроэнергии содержит первый 22 и второй 23 выравниватели поля, каждый из которых выполнен в виде выпуклой проводящей поверхности, образующей незамкнутую полость со скругленными границами. Первый выравниватель поля 22 установлен у места рассечки высоковольтного силового провода 2, присоединен к нему и в его полости размещен измерительный трансформатор тока 13, а второй выравниватель поля 23 размещен у места крепления корпуса 2 к корпусу сосредоточенного конденсатора 6 нижнего высоковольтного плеча и присоединен к проводящим стенкам корпуса 1.

В другом варианте выполнения системы измерительный трансформатор напряжения выполнен в виде емкостного делителя напряжения, образованного блоком 24 из последовательно включенных сосредоточенных конденсаторов, установленных на подставке 9, один вывод блока 24 сосредоточенных конденсаторов через проводник 10 подключен к земле, а другой его вывод соединен с корпусом 1, низковольтное плечо образовано первой частью 25 сосредоточенных конденсаторов блока 24, вторая часть 26 которых образует высоковольтное плечо емкостного делителя. Точка 27 соединения выводов низковольтного и высоковольтного плеч подключена ко входу корректирующей цепи 12.

Система содержит соединенный с корпусом 1 электрический экран 28 с изолированным отверстием 29, через которое проведен высоковольтный силовой провод 2. Измерительный трансформатор тока 13 и второй трансформатор тока 19 расположены внутри электрического экрана 28.

Вторичная обмотка 30 измерительного трансформатора тока 13 может быть расположена на кольцевом магнитопроводе 31, охватывающем высоковольтный силовой провод 2 в месте его присоединения к корпусу 1, или выполнена в виде пояса Роговского, охватывающего высоковольтный силовой провод 2 в месте его присоединения к корпусу 1.

Автоматизированная система контроля и учета электроэнергии работает следующим образом.

Информационный сигнал напряжения ТТЛ (т.е. от 0 до 5 В) уровня относительно потенциала корпуса 1, пропорциональный высоковольтному фазному напряжению высоковольтного силового провода 2 относительно земли, снимается с сосредоточенного конденсатора 7 верхнего низковольтного плеча емкостного делителя напряжения измерительного трансформатора напряжения. Этот информационный сигнал с выводов сосредоточенного конденсатора 7 с точки 11 поступает на вход корректирующей цепи 12, с выхода которой информационный сигнал поступает на вход блока 16 системы обработки измеряемого напряжения и измеряемого тока. Информационный сигнал напряжения ТТЛ уровня, пропорциональный силе тока в высоковольтном силовом проводе 2, снимается с выходных зажимов измерительного трансформатора тока 13. С выхода корректирующей цепи 15 информационный сигнал поступает на вход блока 16 системы обработки измеряемого напряжения и измеряемого тока, который фильтрует и преобразует полученные первичные данные временных зависимостей измеряемых величин тока и напряжения в выходные данные в виде цифровых последовательностей для измеряемого тока, напряжения и рассчитываемой мгновенной фазной мощности. С выхода блока 16 информационный сигнал в виде цифровой последовательности поступает на вход модулятора 17 передатчика 18 радиоканала канала передачи данных. Питание измерительной системы - корректирующих цепей 12 и 15, блока 16, модулятора 17 и передатчика 18 радиоканала осуществляется от автономного источника питания, образованного вторым трансформатором тока 19, напряжение с зажимов которого поступает на вход стабилизатора напряжения 21.

Выполнение системы цифровой обработки информационных сигналов на основе микропроцессорной техники позволяет осуществлять температурную, частотную и временную коррекцию снимаемых данных.

Использование внутреннего объема клетки Фарадея, т.е. корпуса 1, и включение его в рассечку высоковольтного силового провода 2 с размещением внутри корпуса 1 системы цифровой обработки информационных сигналов обеспечивает высокую (на уровне электростатической) степень экранирования системы цифровой обработки информационных сигналов по электрической составляющей поля силовых токов собственного и соседних высоковольтных силовых проводов 2 и, кроме того, существенно снижает уровень магнитных полевых помеховых воздействий на измерительные цепи как от собственного, так и от соседних высоковольтных силовых проводов 2, что важно для обеспечения электромагнитной помехоустойчивости цепей цифровой обработки данных.

Передача информационных данных по радиоканалу позволяет помимо простого способа обеспечения высоковольтной развязки приемной стороны одновременно повысить помехозащищенность передаваемой информации, что реализуется применением высокочастотной или сверхвысокочастотной несущей частоты передатчика в сочетании с широкополосной модуляцией несущей частоты полезным сигналом. Для этого можно использовать частотный или кодовый вид модуляции. Кроме того, применение радиопередатчика 18 канала передачи данных позволяет обеспечить практически неограниченную дальность передачи информации, например, на центральные диспетчерские пункты. Так, для передачи данных на расстояние до 10 км достаточно при частоте несущей 10...12 ГГц и полосе полезного сигнала в единицы МГц использовать радиопередатчик 18 с мощностью не более 150 мВт, что обеспечивается при его габаритах менее 1 литра и потребляемой мощности в пределах 2...4 Вт. В предлагаемой системе по существу нет принципиальных технических ограничений по увеличению выходной мощности радиопередатчика 18.

Размещение первого сосредоточенного конденсатора 7 внутри корпуса 1 уменьшает влияние внешних паразитных электрических полей на напряжение полезного сигнала, снимаемого с его выводов, и повышает точность проводимых измерений.

Выполнение второго сосредоточенного конденсатора 6 в виде батареи конденсаторов связи упрощает процесс аттестации автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии. В качестве батареи конденсаторов удобно использовать стандартные конденсаторы связи, например, для высоковольтной линии электропередачи 220 кВ - типа СМВ-110

По второму варианту выполнения автоматизированная система контроля и учета электроэнергии работает следующим образом.

Информационный сигнал напряжения ТТЛ (т.е. от 0 до 5 В) уровня относительно потенциала корпуса 1, пропорциональный высоковольтному фазному напряжению высоковольтного силового провода 2 относительно земли, снимается с зажимов первой части 25 блока 24 отдельных сосредоточенных конденсаторов и поступает на вход корректирующей цепи 12, с выхода которой он подается на вход блока 16 системы обработки измеряемого напряжения и измеряемого тока. Информационный сигнал напряжения ТТЛ уровня, пропорциональный силе тока в высоковольтном проводе 2, снимается с выходных зажимов измерительного трансформатора тока 13, а затем с выхода корректирующей цепи 15 он поступает на вход блока 16 системы обработки измеряемого напряжения и измеряемого тока, который фильтрует и преобразует полученные первичные данные временных зависимостей измеряемых величин тока и напряжения в выходные данные в виде цифровых последовательностей для измеряемого тока, напряжения и рассчитываемой мгновенной фазной мощности. С выхода блока 16 информационный сигнал в виде цифровой последовательности подается на вход модулятора 17 радиопередатчика 18 канала передачи данных. Питание измерительной системы - корректирующих цепей 12 и 15, блока 16, модулятора 17 и радиопередатчика 18 осуществляется от автономного источника питания, образованного вторым трансформатором тока 19, напряжение с зажимов которого подается на вход стабилизатора напряжения 21.

Размещение вторичной обмоткой 30 измерительного трансформатора тока 13 на кольцевом магнитопроводе 31, охватывающем высоковольтный силовой провод 2 в месте его присоединения к корпусу 1, обеспечивает формирование его индуктивных свойств в процессе работы. Это упрощает его конструкцию, так как не требуется дополнительной коррекции коэффициента преобразования при широком динамическом диапазоне изменения первичного тока в фазном проводе, и повышает помехозащищенность вследствие уменьшения полей рассеяния трансформатора тока 13.

Выполнение автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии в виде компактного измерительного устройства, находящегося под потенциалом высоковольтного силового провода 2, а также применение измерительного трансформатора тока 13, вторичная обмотка 30 которого может быть выполнена в виде пояса Роговского, допускающего низковольтное исполнение и поэтому обладающего более высоким классом точности, и измерительного трансформатора напряжения в виде емкостного делителя напряжения, образованного первой и второй частями 25 и 26 отдельных сосредоточенных конденсаторов блока 24, параметры которых не зависят от состояния окружающей среды, позволяет повысить точность измерения, обеспечить возможность относительно простого периодического контроля и поверки данного типа автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии в лабораторных условиях на основе демонтажа корпуса 1, выполненного в виде клетки Фарадея, с размещенными внутри него и на нем элементами и блоками измерительной системы (которое относительно просто выполняется ввиду небольших габаритов системы) и его транспортировки в испытательную лабораторию.

Наличие первого 22 и второго 23 выравнивателей поля уменьшает опасность возникновения коронных разрядов, широкий спектр которых (до сотен мегагерц) является источником помеховых воздействий на системы цифровой обработки сигналов. Кроме того, размещение измерительного трансформатора тока 13 внутри полости первого 22 выравнивателя поля, установленного в месте рассечки высоковольтного силового провода 2, уменьшается уровень квазистатических полей, воздействующих на коэффициент передачи измерительного трансформатора тока 13 и соответственно влияющие на погрешность измеряемых им величин тока.

Размещение системы обработки измеряемых напряжения и тока под потенциалом высоковольтного провода исключает необходимость осуществления высоковольтной развязки системы цифровой обработки данных и упрощает автоматизированную систему контроля и учета электроэнергии.

Повышение точности измерения напряжения высоковольтного силового провода 2 в диапазоне изменения температур окружающей среды требует сохранения постоянства коэффициента деления емкостного делителя напряжения. Для сохранения постоянства деления конденсаторы верхнего низковольтного плеча 7 и нижнего высоковольтного плеча 6 емкостного делителя напряжения, образующего измерительный трансформатор напряжения, выполнены с одинаковыми величинами температурных коэффициентов емкости.

Применение в системе сосредоточенных конденсаторов блока 24 и выполнение верхнего низковольтного и нижнего высоковольтного плеч делителя напряжения в виде его частей 25 и 26 автоматически обеспечивает постоянство коэффициента деления в диапазоне температур.

Использование предлагаемой автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии обеспечивает упрощение конструкций системы, процессов поверки измерительных трансформаторов тока и напряжения при одновременном повышении их точности, а также позволяет нормально функционировать системе в целом при повышении надежности и точности измерительной системы первичной и вторичной обработки и передачи данных.