Перспективы совершенствования имитационных технических средств для воспроизведения видов и значений параметров качества электроэнергии

В течение ряда лет ООО «НТЦ АКТОР» (Москва, Зеленоград) специализируется в области создания комплексов имитационных технических средств (КИТС) для воспроизведения видов и значений параметров качества электроэнергии (ПКЭ). Комплексы предназначены для проведения на различных стадиях жизненного цикла РЭА проверок, испытаний и исследований устойчивости ее функционирования при воздействиях по цепям электроснабжения РЭА регламентированных и сверх­предельных силовых электромагнитных воздействий (СЭМВ) в виде изменений значений ПКЭ.

КИТС при этом способны практически заместить штатные источники электроэнергии (ИЭ) переменного и постоянного тока, имеющиеся на объектах наземного (стационарного и подвижного), морского и авиационного базирования, с целью создания в цепях электроснабжения РЭА управляемых СЭМВ как различных видов, формируемых в выбранной последовательности, так и различных сочетаний этих видов, формируемых одновременно. Это расширяет исследовательские функции КИТС, создает возможность обеспечить условия проверки РЭА, приближенные к существующим на объектах ее применения, и позволяет априори определить и реализовать необходимые меры и средства защиты. Один из последних вариантов КИТС, созданный ООО «НТЦ АКТОР» и имитирующий ПКЭ ИЭ переменного трехфазного тока, приведен на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид КИТС, имитирующего ИЭ переменного трехфазного тока (стойка справа — входящий в КИТС управляемый эквивалент активной нагрузки со снятыми передними панелями)

ООО «НТЦ АКТОР» создает различные варианты КИТС на основе ряда базовых устройств собственной разработки и изготовления, такие как имитаторы ПКЭ в виде преобразователей видов и значений параметров электроэнергии переменного и постоянного тока (выпрямители, инверторы) с возможностью управляемого изменения этих значений, имитаторы высоковольтных импульсов напряжения (ИВИН), регистраторы ПКЭ (РПКЭ), специальные имитаторы нештатных подключений (ИНП), силовые управляемые коммутаторы (УК) с матричной архитектурой для автоматизированной реструктуризации КИТС и расширения его функциональных возможностей, эквиваленты электрической нагрузки с различным характером сопротивления (активный, реактивный, комплексный) и его изменяемыми значениями.

Для управления как отдельными устройствами — составными частями (СЧ) КИТС, так и КИТС в целом используется специальное ПО (СПО) собственной разработки [1, 2].

По результатам проведения анализа существующих в различных нормативно-технических документах (НТД) регламентированных видов и значений ПКЭ, методов проведения испытаний [3, 4, 5, 6], рассмотрения технических решений, принятых специалистами других предприятий при разработке КИТС, а также предложений от некоторых их потребителей [7] в настоящее время ООО «НТЦ АКТОР» проводит подготовку к разработке и производству КИТС нового поколения.

КИТС отечественного происхождения в качестве поставляемого испытательного оборудования существуют уже несколько десятков лет [8, 9, 10]. Однако до настоящего времени отсутствуют какие-либо НТД, устанавливающие назначение, области применения, классификацию, технические характеристики и единые требования к ним. Следовательно, отсутствуют и четкие критерии соответствия тому или иному техническому уровню изделий, дающему основание для экспертной оценки в части отнесения КИТС к различным поколениям оборудования в данном направлении техники. Тем не менее можно предложить ряд прямых и косвенных признаков, характеризующих определенный качественный скачок вновь создаваемого оборудования по сравнению с другими современными техническими средствами аналогичного направления. Главным из них, по нашему мнению, основанному на вышеупомянутом разностороннем анализе ряда аспектов, является создание регистрационно-имитирующих КИТС. В данном случае название комплекса отражает не только две его основные функции, но и предпочтительный порядок его применения, особенно в тех случаях, когда установленные в НТД значения ПКЭ, мягко говоря, не полностью соответствуют реальным. Обеспечивая безусловно проведение проверок и испытаний РЭА в соответствии с существующими регламентированными требованиями и методиками, КИТС позволяют использовать зарегистрированные данные для подготовки оператором управляющих команд с целью последующего воспроизведения зарегистрированных данных имитирующим оборудованием КИТС. Наибольший эффект достигается в части редко возникающих СЭМВ, которые после регистрации можно воспроизводить многократно с некоторыми изменениями значений их параметров. Необходимо отметить, что регистрирующее оборудование КИТС по определению обладает более широкодиапазонными возможностями по сравнению с имитирующим. Причиной являются естественные ограничения энергетических и динамических характеристик последних, особенно при средних и больших значениях мощности воспроизводимых значений ПКЭ. Тем не менее имитирующее оборудование перспективных КИТС ориентировано на реализацию максимальных, технически достижимых в настоящее время возможных диапазонов значений ПКЭ, что создает положительные эффекты для:

• проведения исследований запаса устойчивости функционирования РЭА к данным видам воздействий, для чего необходимо перейти регламентированную границу;
• возможности применения КИТС как универсального проверочного оборудования, соответствующего требованиям различных НТД в части норм ПКЭ.
• Таким образом, КИТС нового поколения могут быть использованы для:
• воспроизведения видов и значений ПКЭ, установленных НТД для проведения контрольных испытаний РЭА;
• воспроизведения видов и значений ПКЭ, превышающих нормы для проведения определительных испытаний и исследований РЭА;
• регистрации видов и значений ПКЭ различных ИЭ: стационарных (в том числе СЭС общего назначения), а также автономных с целью их мониторинга, составления и хранения электроэнергетических портретов как отдельных ИЭ, так и объектов в целом с несколькими видами ИЭ;
• воспроизведения видов и значений ранее зарегистрированных ПКЭ с помощью имитационного оборудования КИТС.

Для большинства видов СЧ КИТС предусмотрены варианты как автономного, так и комплексного применения, функционирование в местном или дистанционном режиме, ручной или автоматизированный способы управления. Под автономным вариантом применения СЧ КИТС понимается ее самостоятельное функционирование без задействования ресурсов любой одной или нескольких других его СЧ. К этому ограничению не относится только ПЭВМ КИТС, используемая для данной СЧ только как более совершенное внешнее устройство управления и отображения, обеспечивающее возможность дистанционного управления ручным или автоматизированным способом (с помощью СПО) в дополнение к имеющимся в СЧ встроенным пультам управления и отображения (ПУО) аналогичного назначения, поддерживающим только ручной способ управления в местном режиме. Под комплексным вариантом применения СЧ понимается ее совместное функционирование с любой одной или несколькими СЧ КИТС, создающее дополнительные функциональные возможности и (или) характеристики этой группы устройств. При этом сама СЧ может являться унитарным техническим средством или некоторым набором устройств, входящим в ее состав. Так, РПКЭ, как СЧ КИТС, представляющий собой совокупность части ресурса ПЭВМ КИТС и набора стационарных и (или) выносных модулей аналогового ввода данных (МАВ), связанных с ней информационными каналами, фактически является самостоятельным регистрирующим комплексом. Однако на него не распространяется критерий комплексного применения в вышеприведенном контексте, поскольку его функции по отношению к автономному варианту применения с подключением к любой другой электрической цепи, соответствующей его возможностям, не изменяются. На рис. 2 показаны возможные варианты применения, режимы и способы управления СЧ КИТС.

Рис. 2. Возможные варианты применения, режимов и способов управления СЧ КИТС

Для объектов проверки с двумя (двухбортовыми) независимыми СЭС (морские, авиационные) возможна реализация двухканального КИТС с единой подсистемой управления и раздельным формированием СЭМВ (синхронных или асинхронных) в каждом канале.

В КИТС нового поколения предусмотрена модернизация практически всех традиционных составных частей, позволяющая расширить их функциональные и параметрические возможности. Сведения о некоторых из них приведены в дальнейшем тексте.

Имитаторы видов и значений ПКЭ в цепях переменного трехфазного и постоянного тока (включая имитаторы высоковольтных импульсов напряжения — ИВИН), как упоминалось выше, позволят обеспечить воспроизведение расширенных диапазонов этих значений по сравнению с регламентированными диапазонами в каждом из отдельных НТД.

Для некоторых направлений применения КИТС в составе имитирующего оборудования предусматривается создание его оригинальных видов, специфичных для этих направлений. В качестве примера можно привести создание для проверки ряда полевых подвижных объектов, получающих электроснабжение преимущественно от различных автономных ИЭ, ИНП для применения в четырехпроводных цепях переменного трехфазного тока, позволяющего проведение следующих видов проверок защитных устройств объектов от:

• нарушения чередования фаз в цепи переменного трехфазного тока, подключаемой к входу электропитания объекта;
• присоединения в цепи переменного трехфазного тока, подключаемой к входу электропитания объекта, нейтрального рабочего проводника вместо любого из фазных;
• обрыва в цепи переменного трехфазного тока, подключаемой к входу электропитания объекта любого фазного или нейтрального проводника.

Для проверки защиты РЭА, применяемой на объектах с электроснабжением от ИЭ постоянного тока, от переполюсовки входного напряжения ИНП может быть дополнен опцией, создающей управляемое изменение полярности этого напряжения.

В имитаторах ИЭ переменного трехфазного тока предусмотрена возможность подключения однофазного проверяемого объекта к любой фазе выходного напряжения имитатора (относительно нейтрального проводника N), а также трехфазных объектов с увеличенным значением коэффициента небаланса фазных напряжений по отношению к известным моделям. Также обеспечивается возможность синхронного или асинхронного формирования видов и значений ПКЭ в различных фазах трехфазной цепи.

ИВИН ориентированы на автоматизированную компенсацию (увеличение) значения части амплитуды импульса, расположенной под или над текущим (мгновенным) значением напряжения в этих цепях с целью соответствия требованию НТД относительно значения амплитуды формируемого импульса. В ИВИН переменного тока эта компенсация учитывает также значение задаваемого фазового угла синусоиды в каждой из фаз. Кроме того, для трехфазных ИВИН возможно:

• подключение к выходу ИВИН однофазных и трехфазных объектов проверки;
• подача импульсов в априорно выбранные фазы трехфазной цепи;
• синхронный или асинхронный ввод импульсов с одинаковыми или разными значениями амплитуды, а также одинаковой или разной полярностью в фазы трехфазной цепи (в том числе — формирование пачки из трех импульсов);
• автоматизированный ввод импульсов как по симметричному (между различными проводниками цепи), так и по несимметричному (между любым из проводников цепи и корпусом объекта проверки) пути их распространения;
• априорный выбор значения внутреннего сопротивления формирователей импульсов (2/12 или 50 Ом) в соответствии с требованиями различных НТД.

Управляемый коммутатор (УК) силовых цепей с матричной архитектурой (N входов/М выходов) способен обеспечить альтернативное или независимое подключение любого из входов к любому из выходов. При необходимости возможно использование такого коммутатора с априорным изменением статуса его входов и выходов на противоположный.

На рис. 3 приведены некоторые возможности применения коммутатора:

1. для подачи напряжения переменного (УК-ПрТ) или постоянного (УК-ПТ) тока через общую внутреннюю шину (ОВШ) к трем независимым нагрузкам (Р1–Р3) совместно, раздельно или в любом их сочетании. При этом должны выполняться условия:
   • входное напряжение должно подаваться на любой из входов УК альтернативно;
   • значение мощности, потребляемой по одному любому из трех выходов, или по всем трем, или по любым двум совокупно, не должно превышать значение мощности, подаваемой на вход УК;
2.  для:
   • переключения напряжения от двух независимых ИЭ в заранее определенных случаях к ОВШ;
   • последующего подключения к ОВШ любой из нагрузок или их совместного подключения в любом сочетании при выполнении условий, приведенных в пункте 1.

Рис. 3. Применение УК-ПрТ (УК-ПТ):
а) для подачи напряжения к трем нагрузкам;
б) для переключения напряжения от двух независимых ИЭ для трех независимых нагрузок;
в) для подключения к ИЭ реальной нагрузки или ее активного эквивалента (ЭАН)

Этот же вариант может быть применен при независимом (безальтернативном) управлении входными элементами коммутации и подключении к входам коммутатора выходов двух ИЭ, способных работать параллельно на общую шину нагрузки (в данном случае — ОВШ) для суммирования значений их мощности или резервирования при полном, требуемом нагрузкой ОВШ, значении мощности каждого из них с возможным отключением отказавшего ИЭ от ОВШ;

в) для подключения к ИЭ реальной нагрузки или ее активного эквивалента (ЭАН).

Во всех трех вариантах применения управление коммутатором обеспечивается как в ручном (с ПУО или ПЭВМ), так и в автоматизированном (ПЭВМ) режимах работы.

Эквиваленты активной нагрузки, предназначенные для предварительной аттестации видов и значений параметров различных СЭМВ кондуктивного характера, формируемых имитаторами, обеспечивают следующие основные возможности:

• изменение значения эквивалентного сопротивления в заданных пределах с различными значениями шага изменения;
• рассеяние электрической мощности со значением, соответствующим значению мощности, потребляемой объектом проверки, а также с возможностью его увеличения путем агрегатирования с дополнительными внешними устройствами аналогичного назначения и обеспечения единого процесса управления;
• активный, реактивный (емкостный и/или индуктивный), комплексный, нелинейный и импульсный характер эквивалентного сопротивления.

В состав РПКЭ входят стационарные (установленные в приборные стойки) и выносные МАВ-ПрТ/В переменного тока и МАВ-ПТ/В постоянного тока, преобразующие аналоговые значения ПКЭ в цифровой формат и поддерживающие информационную связь с управляющей ПЭВМ комплекса, которая обеспечивает частью своего ресурса необходимую обработку и архивирование исходных данных. Выделенная часть ресурса РПКЭ (МАВ-ПрТ/С и МАВ-ПТ-/С) предназначена для проведения постоянного контроля работо­способности КИТС с обеспечением диагностики отказа его СЧ.

На рис. 4 приведен вариант применения выносных модулей РПКЭ (МАВ-ПрТ/В) для регистрации параметров ПКЭ переменного тока нескольких автономных ИЭ (АИЭ) и в нескольких контролируемых точках объекта проверки (ОП). Устройство сопряжения УС-РПКЭ обеспечивает информационную связь модулей с ПЭВМ-ПрТ и их бесперебойное электропитание.

Рис. 4. Вариант применения выносных модулей РПКЭ для регистрации параметров ПКЭ в цепях переменного тока

Вариант применения выносных модулей РПКЭ для регистрации параметров ПКЭ в цепях постоянного тока приведен на рис. 5.

Рис. 5. Вариант применения выносных модулей РПКЭ для регистрации параметров ПКЭ в цепях постоянного тока

ПЭВМ, как устройство управления, обеспечивает выполнение КИТС заданного алгоритма функционирования, реализует графический интерфейс оператора и, при необходимости, осуществляет обмен данными с внешними информационными системами. Так, в частности, предусматривается возможность обеспечения информационного и аппаратурного сопряжения с внешней автоматизированной тестовой системой для проверки значений параметров качества электропитания промежуточных и конечных преобразователей напряжения внутренней системы электропитания проверяемой РЭА для выполнения рекомендации «Приложения А» к ГОСТ РВ 20.57.310. Данная рекомендация предусматривает имитацию СЭМВ на входе электропитания РЭА в виде изменений значений ПКЭ, совмещенных во времени с контролем функционирования РЭА и контролем значений выходных параметров ее системы электропитания. Это позволит существенно повысить качество выполняемых проверок и испытаний, а также решения различных исследовательских задач, в том числе определения запасов устойчивости функционирования РЭА.

Примерные общие виды перспективных КИТС переменного и постоянного тока приведены на рис. 6 и 7 соответственно.

Рис. 6. Общий вид КИТС переменного тока

Рис. 7. Общий вид КИТС постоянного тока

При создании перспективных КИТС отдельными направлениями работ являются метрологическое обеспечение регистрационного и имитирующего оборудования, а также обеспечение внутренней и внешней ЭМС.

ООО «НТЦ АКТОР» сотрудничает с профильными институтами и головными предприятиями по видам техники и готово вести диалог со всеми заинтересованными организациями для совместной работы по созданию КИТС нового поколения, наиболее полно удовлетворяющих требованиям потребителей.