РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ ЦИФРОВОГО ОПТИЧЕСКОГО ТРАНСФОРМАТОРА ТОКА НА ЦИФРОВОЙ ПОДСТАНЦИИ В СРЕДЕ MATLAB

IMPLEMENTATION OF A DIGITAL OPTICAL CURRENT TRANSFORMER MODEL AT A DIGITAL SUBSTATION IN AN ENVIRONMENT MATLAB

Olga Andreeva

Master’s student, Samara State Technical University, Russia, Samara

Lyudmila Migunova

Scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Samara State Technical University, Russia, Samara

Аннотация. В данной статье кратко рассмотрены стремительно развивающиеся в применении оптические трансформаторы тока и их преимущества. Для дальнейшего удобства  моделирования электрических систем в среде Matlab более подробно рассмотрена разработка цифровой модели оптического трансформатора тока для цифровых подстанций. В ходе создания модели за основу были взяты метод аппроксимации сложной кривой, итерационный численный метод (метод Ньютона-Гаусса), программа Matlab, метод проектирования цифрового фильтра, метод билинейного преобразования функции, использование блок-схемы. В результате проделанной работы была получена цифровая модель оптического трансформатора тока для цифровых подстанций в среде Matlab.

Abstract. This article briefly discusses the rapidly developing optical current transformers and their advantages. For further convenience of modeling electrical systems in the Matlab environment, the development of a digital model of an optical current transformer for digital substations is considered in more detail. During the creation of the model, the method of approximation of a complex curve, the iterative numerical method (Newton-Gauss method), the Matlab program, the digital filter design method, the bilinear function transformation method, and the use of a flowchart were taken as a basis. As a result of the work done, a digital model of an optical current transformer for digital substations in the Matlab environment was obtained.

Ключевые слова: цифровая подстанция, цифровая модель, моделирование, оптический трансформатор тока, измерение, ток, эффект Фарадея.

Keywords: digital substation, digital model, simulation, optical current transformer, measurement, current, Faraday effect.

На сегодняшний день цифровые технологии стали неотъемлемой частью во всех сферах жизни человека. Не менее важную роль цифровизация  занимает в электроэнергетике. Цифровизация промышленности и электроэнергетической системы в целом является ведущим направлением в развитии энергетической отрасли. Цифровая подстанция является подстанцией с высоким уровнем автоматизации, в которой все процессы информационного обмена между элементами ПС, а также управление работой ПС осуществляются в цифровом виде.

• Актуальной проблемой является нахождение и разработка новых способов измерения параметров электроэнергетических объектов. В настоящее время серьезное внимание уделяют электронным оптическим трансформаторам тока (ТТЭО) и напряжения (ТТНК). Их работа основывается на датчиках, работающих за счет эффекта Фарадея. Принцип работы этих устройств заключается в магнитооптическом эффекте, т.е. вращения плоскости поляризации линейно поляризованной световой волны, проходящей через среду под влиянием магнитного поля. По сравнению с применяемыми устройствами оптические трансформаторы тока обладают следующими преимуществами:
• Возможность измерения переменного ( до 100 кА ) и постоянного ( до 600 кА );
• Высокая помехоустойчивость;
• Слабая чувствительность к вибрациям и изменениям температуры;
• Оптико-электронное малоинерционное преобразование световых сигналов с отсутствием петли гистерезиса;
• Надежность оптических датчиков, самодиагностика электронных оптических блоков.

Разработка цифровой модели оптического трансформатора тока производится посредством аналоговой модели, т.е. трансформатор рассматривается как черный ящик. Модель представлена передаточной функцией и схемой, производной от передаточной функции. В качестве входных данных применяются частотная характеристика оптического трансформатора тока и фазовый угол в зависимости от частоты. Передаточная функция представлена отношением двух полиномов  (отношением амплитуд и фазовым углом):

                                                                                   (1)

Посредством аппроксимации сложной кривой найдены коэффициенты а и b. Для соответствия данных измерений и функции H(s), передаточная функция G(s) формируется в полярной форме. Для отыскания минимальной ошибки и оценки передаточной функции используется итерации Гаусса-Ньютона:

                                                                                                    (2)

На этом этапе используется программа Matlab. Программа используется для процесса подбора итераций и разрабатывает новые передаточные функции с погрешностью менее 5%. Полученные в ходе эксперимента графики представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Сравнение амплитудно-частотной характеристики модели и экспериментальных результатов

Для удобства моделирования передаточных функций второго порядка представлены  схемами RLC и оставшиеся передаточные функции первого порядка схемами RL. Полученные схемы соединяются и формируют эквивалентную схему, представляющую собой цифровой оптический трансформатор тока.

Реализация цифровой модели осуществляется посредством блок-схем, которые, в свою очередь, создают схему потока сигналов. Модель цифрового оптического трансформатора тока построена на следующих основных элементах: единичная задержка, сумматор и умножитель. Они формируют цифровой аналоговый выход оптического трансформатора тока. Блок-схема разработана в Matlab Simulink и проанализирована с выходной функцией передаточной функции H(z) (рисунок 2). Оптическая блок-схема и Matlab моделирование оптической модели  цифрового оптического трансформатора представлена на рисунке 3.

Рисунок 2. Аналоговый выход оптический трансформатор тока

Программа Matlab рассчитывает конечные состояния световых волн и находит окончательный сдвиг фазы между ними в соответствии с входным током.

а)

б)

Рисунок 3. а) Блок-схема оптического трансформатора тока; б) Моделирование оптической модели

Полная модель цифрового оптического трансформатора тока представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Полная модель цифрового оптического трансформатора тока и ее реализация

Полные характеристики частотной характеристики модели сравниваются с экспериментальными данными (рисунок 5).

Рисунок 5. Сравнение экспериментальных данных и полного вывода модели

В результате проведенной работы были описаны преимущества современных цифровых оптических трансформаторов тока, рассмотрен принцип их работы. В программном комплексе Matlab была разработана модель трансформатора тока на основе датчиков, работающих за счет эффекта Фарадея. Посредством различных методов  была рассчитана и впоследствии испытана цифровая модель трансформатора. Полученные в ходе испытаний характеристики были представлены в статье.