Развитие сетей Smart Grid и внедрение цифровых подстанций влекут за собой неизбежность замены индуктивных трансформаторов тока цифровыми измерительными приборами. По этой причине, в последнее время стали бурно разрабатываться оптические трансформаторы тока, технологии которых до сих пор имеют ряд недостатков. В первую очередь, специалисты борются за улучшение метрологических характеристик таких трансформаторов и снижение стоимости готовых решений.
В лаборатории волоконной оптики СПбПУ был разработан макет и специализированное программное обеспечение волоконно-оптического измерительного трансформатора тока (ВОИТТ) (также именуют волоконно-оптическим датчиком тока (ВОДТ)). Совместно с ЗАО ИТЦ Континуум – Ярославль (ec-continuum.ru) в марте 2022 года был собран прототип ВОИТТ, работающий в классе точности 0.2. Ведутся работы по улучшению метрологических характеристик ВОИТТ до класса точности 0.2S.
Рис.1. Прототип волоконно-оптического измерительного трансформатора тока (ВОИТТ)
Сфера применения: электросетевые, генерирующие и сбытовые компании, оказывающие услуги по производству, передаче и распределению электроэнергии, а также технологическому подсоединению к электросетям.
ВОИТТ предназначен для измерения с высокой точностью амплитуды и спектрального состава тока промышленной частоты и преобразования измеренных значений в цифровой поток данных в соответствии со стандартом IEC 61850-9-2(2011) для использования цифровыми устройствами РЗА, АСУ ТП, АИИС УЭ и другими автоматизированными системами. Разработанный ВОИТТ рассчитан на классы напряжения 110-220 кВ и выше, однако, может применяться и при более низких напряжениях.
Принцип работы ВОИТТ основан на эффекте модуляции света в специальном оптическом волокне типа spun при воздействии на него внешнего магнитного поля (эффект Фарадея), которое создается током, протекающим по проводнику. В результате на выходе ВОИТТ формируется сигнал, пропорциональный измеряемому току.
Рис.2. Оптическая схема ВОИТТ
Рис.3. Эффект Фарадея
Оптическое излучение широкополосного источника с центральной длиной волны 1550 нм через волоконный разветвитель и поляризатор поступает на вход электрооптического модулятора, в котором оно распространяется в виде двух световых волн с ортогональными линейными поляризациями. Разность фаз между волнами изменяется по гармоническому закону на высокой частоте. Далее свет проходит через линию задержки длиной 200 м, которая обеспечивает такое запаздывание между световыми волнами, распространяющимися в прямом и обратном направлениях, чтобы за время распространения волны от фазового модулятора до зеркала и обратно фаза модулирующего напряжения поменяла знак на противоположный. Фазовая пластинка преобразует линейно поляризованные моды в моды с круговой поляризацией. Они распространяются с разными скоростями по чувствительному волокну типа spun, обмотанному вокруг проводника с током. При этом между ними возникает фазовый набег, пропорциональный току в проводнике. Световая волна, отразившись от зеркала, распространяется в обратном направлении, причем поляризационные моды меняются местами, в результате чего чувствительность к току удваивается. После прохождения светом оптической схемы в обратном направлении на поляризаторе формируется интерференционный сигнал, оптическая мощность которого представляет собой сумму гармоник частоты модуляции. Сигнал поступает на фотоприемник, с выхода которого через АЦП попадает в блок обработки [1].
Рис.4. Лабораторный макет волоконно-оптического измерительного трансформатора тока (ВОИТТ)
Регистрация, обработка и формирование сигналов осуществляются с помощью модуля PXI FPGA для FlexRIO PXIe-7966 с адаптерным модулем приемопередачи для FlexRIO NI-5783 производства компании National Instruments, установленных в шасси NI PXIe-1071. Соответствующие программные решения для обработки сигнала ВОИТТ зарегистрированы в государственном реестре программ для ЭВМ [2-5].
Запатентован авторский алгоритм обработки сигнала, повышающий точность и стабильность работы ВОИТТ за счет компенсации влияния самопроизвольного отклонения амплитуды модуляции [6]. Также было исследовано влияние температуры четвертьволновой пластинки и других элементов оптической схемы на точность измерений ВОИТТ, и разработаны пути решения этих проблем [7-8].
Литература:
- Valentina Temkina, Andrei Medvedev and Alexey Mayzel Research on the Methods and Algorithms Improving the Measurements Precision and Market Competitive Advantages of Fiber Optic Current Sensors// Sensors 2020, 20, 5995; doi:10.3390/s20215995
- Майзель А. В., Медведев А. В., Темкина В. С. Программа для моделирования работы алгоритма демодуляции интерферометрического сигнала // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2021610190. Дата государственной регистрации в реестре программ для ЭВМ 12.01.2021
- Майзель А. В., Медведев А. В., Темкина В. С. Программа для моделирования работы волоконно-оптического интерферометрического датчика магнитного поля // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2021610021. Дата государственной регистрации в реестре программ для ЭВМ 11.01.2021
- Майзель А. В., Медведев А. В., Темкина В. С. Программа реализации на микросхеме ПЛИС упрощенного фильтра Калмана для повышения качества измерений сигналов напряженности магнитного поля в цепи волоконно-оптического интерферометрического датчика // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2021680460. Дата государственной регистрации в реестре программ для ЭВМ 10.12.2021
- Майзель А. В., Медведев А. В., Темкина В. С. Программа прямого синтеза на микросхеме ПЛИС сигнала произвольной частоты для прецизионного управления модуляцией в интерференционном измерителе магнитного поля с применением метода CORDIC // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2021680380. Дата государственной регистрации в реестре программ для ЭВМ 09.12.2021
- Медведев А. В., Темкина В. С., Майзель А. В. Способ демодуляции сигнала волоконно-оптического датчика тока // Патент РФ № 2682981 от 31.10.2018. МПК: G01R 15/22, G01R 15/24, G01R 19/00, G01B 9/02 Опубликовано: 25.03.2019 Бюл. №9
- Valentina Temkina, Andrei Medvedev, Alexey Mayzel, Eduard Sivolenko, Ekaterina Poletaeva, Iuliia Dudnik Experimental Study of Temperature Impact on Fiber Optic Current Sensor Elements // Internet of Things, Smart Spaces, and Next Generation Networks and Systems. NEW2AN 2020, ruSMART 2021. August 30-31, 2021
- Temkina, V., Medvedev, A., Mayzel, A., Mokeev, A. Compensation of Fiber Quarter-Wave Plate Temperature Deviation in Fiber Optic Current Sensor // Proceedings of the 2019 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics, EExPolytech 2019. 8906876, pp. 339-341
Темкина Валентина Сергеевна, ассистент Высшей школы прикладной физики и космических технологий