Метрология для цифровых подстанций

В статье обсуждаются функции различных элементов и составляющих частей цифровой подстанции и ограничения, возникающие от настроек протоколов обмена, для чего рассматривается процесс выполнения измерения от установления значения первичной физической величины (или величин, ее определяющих) до представления результата в цифровом виде.

Мы прекрасно знаем классический измерительный канал на ПС, который состоит из измерительных трансформаторов тока и напряжения, различных аналоговых и цифровых преобразователей и щитовых приборов. Все вышеперечисленные устройства объединяет общий признак: на входе устройства — аналоговая величина (1 А, 5 А, 100 В, 5 мА, 20 мА и т. д.). Все устройства измерения в классической схеме являются средствами измерения (СИ), вносящими погрешность в измеряемую величину и требующими периодического метрологического обслуживания.

Теперь обратимся к ЦПС. Если принять для рассмотрения целевую III архитектуру ПС с использованием цифровых ТТ и ТН, то измерительный тракт можно разделить на две группы устройств:

Первую группу можно отнести к устройствам измерения, а вторая группа представляет собой вычислители или калькуляторы, действующие по одному и тому же алгоритму и берущие определенные числовые значения для обработки и выдачи результата. Как следствие, ЦПС привнесла в метрологию новый класс устройств — вычислители физических величин.

Дальнейшее рассмотрение можно провести на примере сложной (составной) физической величины — активной мощности. Аналоговый измерительный канал состоит из ТТ, ТН, счетчика и вторичных цепей. Погрешность счетчиков 0,2S регламентирована ГОСТ 31819.22-2012 (IEC 62053-22:2003) «Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Часть 22. Статические счетчики активной энергии классов точности 0,2S и 0,5S». В нем задаются самые жесткие требования к точности измерений на ПС. Пересчитанная погрешность, приведенная к номинальному току, составляет γ = 0,004%.

Теперь рассмотрим ЦПС и предположим, что измерительный канал состоит из цифровых измерительных ТН и ТТ (каждый из них может состоять из аналогового трансформатора и цифрового измерителя) с выходными потоками SV согласно IEC 61869-9 и вычислителя (на входе цифровые потоки, привязанные к времени), вычисляющего активную мощность.

Для вычисления результата (активной мощности) необходимы измерения напряжения, тока и угла фазового сдвига между синусоидальными сигналами напряжения и тока. Величину фазового сдвига можно определить только для синусоидальных напряжения и тока одинаковой частоты. Если сигналы напряжения и тока содержат гармоники, то вычислитель должен разложить полные ток и напряжение в ряды Фурье и выполнить вычисление энергии для гармоник одного порядка. В результате получим активные и реактивные составляющие для каждой гармоники.

Очевидно, что соотношение активной и реактивной мощностей будет зависеть от точности взаимной синхронизации цифровых трансформаторов напряжения и тока, потому что несинхронность эквивалентна фазовому сдвигу в аналоговых ТН и ТТ. Поэтому к взаимной синхронизации измерительных трансформаторов предъявляются жесткие требования. Максимальная рассинхронизация, допустимая для устройств ЦПС в ФСК, составляет ±1 мкс относительно абсолютного времени (эквивалентно 1,08′).

* * *

Рассмотрим вопрос, что является средством измерений, а что нет. Есть мнение, что все составляющие измерительного канала: ТТ, ТН и вычислитель — являются средствами измерения и должны проходить как первичную, так и периодическую поверку. Наряду с этим существует мнение, что вычислитель не является средством измерения вообще (как, например, таблица умножения) и не имеет к измерениям и метрологии никакого отношения. Отметим, что в отношении измерительных трансформаторов напряжения и тока, выдающих на выходе SV-потоки, мнение единодушное: они являются средствами измерения и должны поверяться в сфере государственного регулирования и калиброваться вне ее.

Вычислитель же является новым устройством, обладающим свойствами средства измерения частично. Перечислим, какими отличительными свойствами обладает типовое средство измерения:

Рассмотрим по тем же признакам вычислитель активной мощности для цифровой подстанции с цифровыми синхронизированными потоками напряжения и тока на входе. По первому пункту — устройство обеспечивает выходное числовое значение физической величины. Второй пункт — погрешность вычислителя будет определяться округлением, разрядностью регистров контроллера и операционной системой, а также алгоритмом реализации вычислений. Третий пункт — функции распределения вероятности ошибки в одной точке измерения не будет, потому что сколько раз не умножай X на Y, результат будет один и тот же при неизменных входных X и Y; однако от входных величин погрешность будет зависеть, то есть для вычислителя можно построить зависимость ошибки от входных величин, и ошибка не будет зависеть от времени и номера измерения. И четвертое — вычислитель не хранит в себе эталон мощности, он получает его алгоритмически из эталона напряжения, получаемого от ТН, и эталона тока, получаемого от ТТ. Это может казаться странным, но ведь и аналоговый счетчик электроэнергии не хранит в себе эталон мощности: он хранит два эталона напряжения — один для измерения входного напряжения, второй для измерения напряжения, в которое преобразовали ток (в реальности это часто один и тот же эталон напряжения), затем алгоритмически воссоздается «эталон» мощности путем перемножения напряжения на ток. В вычислителе мощности ЦПС эталоны хранятся в цифровых ТТ и ТН, а алгоритм воссоздания эталона мощности — в вычислителе. Происходящие процессы очень схожи, за исключением того, что в ЦПС аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) с эталонами напряжения вынесены из счетчика в цифровые ТН и ТТ и передают физические величины, представленные числовыми значениями, синхронизированными с единым временем. В аналоговом счетчике АЦП с эталонами расположены в корпусе счетчика и передают процессору-вычислителю значения в двоичном коде в каком-то масштабе, а синхронизация тока и напряжения обеспечивается программно — последовательным считыванием из АЦП значений напряжений и токов с малым зазором времени «на лету» либо использованием АЦП с защелкиванием измеренных значений по таймеру. Поскольку эталон мощности воссоздается в архитектуре ЦПС только в вычислителе мощности и числовое значение физической величины (мощности) появляется в вычислителе, логично считать его средством измерения мощности с внешними эталонами.

* * *

Рассмотрим вопросы первичного и периодического метрологического обслуживания вычислителя. Конечно, метрологическое обслуживание такого нетипичного средства измерения имеет специфику. Погрешность, зависящая от входных сигналов, может быть рассчитана без измерительных приборов при известных алгоритме и его аппаратной реализации. Погрешность не будет зависеть от времени и дополнительных факторов и условий. Пока алгоритм неизменен и работает с той же операционной системой на той же аппаратной платформе, зависимость погрешности от входных сигналов тока и напряжения в SV-потоках изменяться не будет. Следовательно, периодического метрологического обслуживания такой вычислитель не требует. Но поскольку он обладает погрешностью, начальная метрологическая аттестация такому вычислителю необходима. Предлагается вносить вычислители в единый Федеральный информационный фонд с описанием типа, где будет метрологически подтверждаться погрешность вычислителя на основе анализа прилагаемого алгоритма и его аппаратно-программной реализации, а также будет указано отсутствие необходимости в периодическом метрологическом обслуживании. Неизменность алгоритма и его реализации должны подтверждаться идентификатором ПО в виде контрольной суммы и пломбами на вычислителе для неизменности аппаратной реализации. Такое решение позволит использовать вычислитель ЦПС (счетчик) в сфере госрегулирования, в том числе для коммерческого учета электроэнергии.

Следует отметить, что при вычислении, например, среднеквадратичного (RMS) значения напряжения или тока из SV-потоков эталоны напряжения или тока также будут находиться в ТН и ТТ соответственно. Так, для цифровой подстанции при получении всех расчетных величин из SV-потоков эталоны напряжения и тока будут содержаться только в ТН и ТТ, выполняющих мгновенные измерения. Это сильно упрощает прослеживаемость (привязку к эталонам). Классические измерения остаются только на нижнем уровне ЦПС — при измерении мгновенных значений напряжений и токов. Все остальные операции войдут в алгоритмические вычисления, реализуемые в средствах измерения — вычислителях.

* * *

Рассмотрим ограничения, налагаемые спецификой ЦПС и используемыми протоколами на предельно достижимую точность СИ. Технология поверки для вычислителя должна состоять в проверке алгоритма обработки входных данных и погрешности ее реализации. Для этого можно использовать цифровой генератор SV-потоков напряжения и тока, синхронизированных между собой. Для поверки необходимо, чтобы погрешность представления тока и напряжения эталонными SV-потоками была в 5 раз меньше заявляемой погрешности поверяемого вычислителя. При этом единство измерений будет обеспечиваться соответствием заданного идеального значения на генераторе (например, выставим 112 кВ, 78 А и задержку 167 мкс — эквивалент 3 угловых градусов с погрешностью не более 0,7%) и его представлением в SV-потоке с учетом ограничения разрядности и дискретности мгновенных отсчетов во времени.

Рассмотрим реализацию цифрового генератора эталонной цифровой последовательности (эталонного сигнала) с использованием протокола стандарта IEC 61869-9. При стандартных настройках протокола принятые веса младших битов составляют для напряжения 10 мВ и для тока 1 мА. Устанавливать амплитуды напряжения и тока в эталонной последовательности SV-потока точнее этих значений невозможно.

Отметим, что погрешность эталонного генератора SV-потока для напряжения должна быть в 5 раз меньше погрешности поверяемого прибора. Следовательно, абсолютная погрешность поверяемого прибора не может быть менее 50 мВ (в 5 раз больше цены младшего бита — 10 мВ). Теперь мы можем определить предельные классы точности поверяемых СИ в зависимости от напряжения. Если измеряемое напряжение составляет 50 В и более, то наилучшая точность поверяемых СИ может составлять 0,1%. В случае подстанций ФСК точность представления напряжения будет значительно превышать необходимую. Например, для напряжения 10 кВ эталонная последовательность будет иметь погрешность представления величины напряжения γ = 0,0001%, а поверяться могут СИ с γ = 0,0005% и более. Таким образом, с помощью технологии генерации эталонных цифровых SV-потоков возможно поверять вычислители, обрабатывающие напряжения с погрешностями, незначащими в общей погрешности измерительного канала (порядка 0,1–0,2%).

Рассмотрим представление тока средствами IEC 61869-9 и вызываемые этим ограничения использования эталонных SV-потоков для поверки СИ тока. При цене младшего разряда 1 мА и соответствующей погрешности задания амплитуды в SV-потоке наилучшая абсолютная погрешность поверяемого СИ составит не менее 5 мА. Если поверяемый вычислитель СИ имеет класс 0,2S, то он должен обеспечивать погрешность не более 0,4% при токе 1% от номинального тока (как для аналогового счетчика). Отсюда следует, что СИ класса 0,2S могут поверяться с использованием генератора SV-потока, если номинальный ток СИ превосходит 125 000 мА (125 А). Заметим, что вычислительное устройство — измеритель тока с номинальным током 100 А — поверить на соответствие классу 0,2S такой методикой принципиально нельзя. При увеличении номинального тока (более 125 А) допустимая абсолютная погрешность тока СИ растет, и запас по точности эталонного генератора SV-потока возрастает.

Анализ выше проведен для стандартных настроек scaleFactor: младший бит напряжения — 10 мВ и младший бит тока — 1 мА. Если выбрать цену младшего бита тока 0,1 мА, то вся шкала тока сдвинется на декаду в сторону меньших токов и максимальный отображаемый ток составит 215 кА (величина, превышающая измеряемые величины в несколько раз). Большую величину записать в SV-поток не получится, однако точность эталонных SV-потоков возрастет на порядок — как и точность аттестуемых вычислителей.

В таблице 1 указаны приведенная погрешность эталонного SV-потока при scaleFactor тока 10 в степени -4 для разных токов (строка 2) и минимальная проверяемая погрешность вычислителя для соотношения погрешности с эталоном (эталонной последовательностью SV-потока) 5:1 (строка 3). В строке 4 приведено отношение точности поверяемого вычислителя тока по сравнению с классом 0,2S для аналогового счетчика. Как следует из таблицы, для вычислителя тока при входном токе более 60 А данная методика обеспечивает возможность поверять вычислители в 5 раз точнее, чем требуется для класса 0,2S. Такая погрешность может не учитываться при расчете общей погрешности измерительного канала. Аттестовать вычислитель тока на класс 0,2S можно при номинальных токах более 12,5 А.

Таблица 1. Погрешности эталонного SV-потока

Для средств измерения рекомендуется выбрать следующие параметры — см. таблицу 2.

Таблица 2. Рекомендуемые параметры вычислителя

Объем средств измерений, подлежащих поверке и калибровке на ЦПС, сокращается до цифровых ТТ и ТН, предназначенных для измерения. Выходные цифровые потоки от ТТ и ТН для устройств РЗА будут контролироваться с помощью внедряемого в ФСК программного комплекса ПАМИ (подсистема автоматического мониторинга измерений). Также становится понятно, что необходимость в периодическом обслуживании устройств РЗА на ЦПС отсутствует. Дальнейшее развитие процессоров даст возможность проводить обработку всех SV-потоков системы шин или АТ в одном устройстве и таким образом решить вопрос с контролем исправности и достоверности показателей всех аналого-цифровых трактов контролируемой части ЦПС. Технология ЦПС открывает новые возможности для оптимизации капитальных и эксплуатационных затрат.

Выводы