PAŃSTWOWA WYŻSZA

SZKOŁA ZAWODOWA

w ELBLĄGU

INSTYTUT

POLITECHNICZNY

Przesył informacji w sieciach energetycznych

wysokiego napięcia

Kamil Kuczkowski

Karol Nisiewicz

1

Przesył informacji w sieciach energetycznych

wysokiego napięcia.

Sygnałami najczęściej przesyłanymi w liniach WN są:

- wielkości pomiarowe analogowe, otrzymane bezpośrednio z zacisków

wtórnych głównych przekładników prądowych i napięciowych;

- sygnały pomiarowe cyfrowe, przekazujące informacje o amplitudzie i

kącie fazowym prądów lub napięć z terminalu danego pola w lokalnej
stacji elektroenergetycznej lub od zabezpieczenia zainstalowanego w
innej stacji, np. z drugiego końca linii elektroenergetycznej;

- sygnały dwustanowe, informujące o położeniu łączników; głównie

wyłączników i odłączników;

- sygnały impulsowe, otrzymywane na wyjściu przekaźników lub zespołów

automatyki zabezpieczeniowej, sterujące wyłącznikami i zmieniające
program działania współpracujących urządzeń automatyki
zabezpieczeniowej;

- sygnały pomiarowe zależne od wielkości nieelektrycznych, takich jak

ciśnienie, temperatura, przepływ, itp.;

W zależności od odległości, na jaką należy przesłać dany sygnał, oraz od

rodzaju techniki zastosowanej w urządzeniu zabezpieczającym (analogowa
lub cyfrowa) realizuje się następujące łącza transmisyjne:
- przewodowe
- wielkiej częstotliwości (w.cz)
- radiowe
- światłowodowe

Łącza wielkiej częstotliwości i radiowe są stosowane wyłącznie do

przekazywania sygnałów pomiędzy zabezpieczeniami zainstalowanymi w
różnych stacjach elektroenergetycznych albo do zdalnego sterowania
wyłącznikami. Połączenia przewodowe i światłowodowe znajdują natomiast
zastosowanie do przesyłu sygnałów zarówno w jednej tylko rozdzielni, jak i
pomiędzy odległymi od siebie rozdzielniami lub różnymi poziomami
hierarchicznej struktury sterowania typu: pole – rozdzielnia – system
dyspozytorski. W najprostszym przypadku, gdy odległość między
przekładnikami pomiarowymi a przekaźnikiem lub między przekaźnikiem a
nadajnikiem informacji dwustanowych (czujnikiem wielkości
nieelektrycznej itp.) wynosi kilka metrów, sygnały przekazuje się
przewodami obwodów wtórnych. Na ogół jednak przesył sygnałów w
obrębie jednej stacji lub elektrowni odbywa się najczęściej za pomocą
wielożyłowych kabli sygnalizacyjnych (sterowniczych); dotyczy to
większości istniejących i eksploatowanych od lat obiektów
elektroenergetycznych. Jest prawie pewne, że w miarę wprowadzania

2

techniki cyfrowej do sterowania, nadzoru i zabezpieczeń w nowo
budowanych obiektach elektroenergetycznych będą dominować obwody
wtórne nowej generacji, oparte na łączach światłowodowych. Można się
także spodziewać, że wskutek modernizacji dotychczasowych obiektów
elektroenergetycznych pojawią się nowoczesne sieci komunikacyjne
światłowodowe obok istniejących klasycznych obwodów wtórnych.
W dobie dzisiejszej energetyki zawodowej przesył informacji liniami WN
jest skierowany głównie na tzw., zabezpieczenia łączowe. Należą do nich
zabezpieczenia: porównawczoprądowe, porównawczofazowe, odległościowe
odcinkowe. Wspólną ich cechą jest wykrywanie i wyłączanie wszystkich
zwarć wielkoprądowych, występujących w strefie działania, w jak
najkrótszym czasie.

Idea zabezpieczenia łączowego

Ogólne wymagania stawiane łączom telekomunikacyjnym przeznaczonym
do współpracy z zabezpieczeniami odcinkowymi zostały okreslone przez
grupy robocze 34 i 35 CIGRE. Do najważniejszych z wymagań należą:
- duża szybkość transmisji sygnałów, zapewniona przy szerokim paśmie

przenoszenia;

- mała tłumienność sygnałów;
- duża niezawodność;
- odporność na zakłócenia zewnętrzne;

Rodzaje łączy telekomunikacyjnych wykorzystywanych w energetyce

wysokonapięciowej.

Łącza przewodowe
Łącza te są wykorzystywane do przesyłu sygnałów (sterowniczych,
pomiarowych) do zabezpieczeń linii elektroenergetycznych o długościach od
kilku do kilkudziesięciu kilometrów. Głównym elementem łącza jest linia

3

pilotowa w postaci kabli sygnalizacyjnych wielożyłowych oraz kabli
koncentrycznych. Liczba żył kabla zależy od rodzaju współpracujących ze sobą
zabezpieczeń i charakteru przekazywanych sygnałów.

Przekazywanie sygnałów może się odbywać przy częstotliwości sieciowej

(wielkości pomiarowe analogowe) lub akustycznej, tj. w zakresie od
kilkudziesięciu do kilku tysięcy herców, z zastosowaniem określonego rodzaju
modulacji, np. kluczowania z przesunięciem częstotliwości FSK, powszechnie
stosowanej w zabezpieczeniach porównawczofazowych.

Ograniczenie długości linii łącza wynika głównie z pojemności między

żyłami kabla telekomunikacyjnego; np., w kablu z żyłami miedzianymi o
średnicy 0,8 mm i rezystancji pętli dwużyłowej równej ok. 75

Ω

/km pojemność

między żyłami wynosi 60nF/km. Duże pojemności w kablu pilotowym mogą
doprowadzić do nieselektywnych zadziałań zabezpieczenia podczas zwarć
zewnętrznych. W takich kablach prowadzonych wzdłuż trasy zabezpieczeń linii
elektroenergetycznej problemem jest indukowanie się napięć podczas zwarć z
ziemią. Wymaga się, aby wartość napięcia indukowanego nie przekraczała
1,5kV między obydwoma krańcami kabla pilotowego. Jedną z metod
ograniczenia tych napięć jest ekranowanie kabli oraz instalowanie
transformatorów separujących.

Łącze pilotowe z transformatorami separującymi linii elektroenergetycznej
SP1- sumownik prądowy, PR1, PR2 – zabezpieczenia porównawczoprądowe, TS1,TS2 –
transformatory separujące

Kable pilotowe ułożone w ziemi są narażone na uszkodzenia mechaniczne,
spowodowane np., przez koparki podczas robót ziemnych. Z tego względu są
stosowane różne układy kontroli stanu łącza pilotowego, których zadaniem jest
zablokowanie działania zabezpieczenia w razie uszkodzenia łącza. Istnieją
różne sposoby kontrolowania sprawności łącza. Polegają one na wprowadzeniu

4

w obwód kabla pilotowego sygnału prądu stałego lub przemiennego (o
częstotliwości kilkuset herców), który przestaje płynąć w chwili uszkodzenia
(przerwy lub zwarcia) łącza przewodowego.

Łącza wielkiej częstotliwości

Łącza wielkiej częstotliwości (w.cz), określane także pod nazwą
elektroenergetycznej telefonii nośnej (ETN) wykorzystują przewody
napowietrznych linii elektroenergetycznych jako kanały transmisji. Przesyła się
nimi następujące sygnały:

- informacje o sygnałach pomiarowych; w zabezpieczeniach

porónowczoprądowych są to wartości chwilowe prądów fazowych lub
wielkości proporcjonalne do ich kombinacji liniowej, natomiast w
zabezpieczeniach porównawczofazowych – kąty fazowe sygnałów
pomiarowych

- powodujące pobudzenie, przyśpieszenie działania, blokowanie lub

zdjęcie blokady w zabezpieczeniu odległościowym zainstalowanym na
drugim krańcu linii

- przekazujące informacje o znaku algebraicznym mocy zwarciowej lub

mocy składowej zerowej z drugiego końca zabezpieczanej linii
elektroenergetycznej .

Przesył sygnałów w układach ETN jest możliwy tylko z wykorzystaniem
określonej modulacji, w paśmie częstotliwości nośnej oddalonym od
częstotliwości sieciowej. W praktyce stosuje się pasmo z przedziału 30 – 500
kHz. Umożliwia to równoczesny przesył niezależnych od siebie informacji
wieloma kanałami.

Podstawowe elementy jednoprzewodowego łącza ETN FZ – filtr zaporowy, LEE – linia
elektroenergetyczna, KK – kabel koncentryczny, FRs – filtr rezonansowy szeregowy, FRr
– filtr rezonansowy równoległy

5

Uproszczony schemat łącza wielkiej częstotliwości jednoprzewodowego w
przypadku jednej fazy i jednego końca linii elektroenergetycznej. W jego skład
wchodzą następujące elementy:

- filtr zaporowy (FZ) dla częstotliwości nośnej (w.cz.), uniemożliwiający

przesył sygnału w kierunku niepożądanym, tzn. na lewo od FZ;

- filtr rezonansowy szeregowy (FRs), sprzęgający przewód linii

elektroenergetycznej (LEE) z częścią niskonapięciową łącza ETN,
dostrojony do częstotliwości fali nośnej oraz stanowiący zaporę dla
częstotliwości fN=50Hz; kondensator sprzęgający C2 może być częścią
pojemnościowego dzielnika napięcia w przekładnikach napięciowych
pojemnościowych;

- filtr rezonansowy równoległy (FRr), eliminujący z obwodu urządzenia

nadawczo – odbiorczego (UTK) sygnały o częstotliwościach sieciowych;

- połączenie przewodowe w postaci kabla sprzęgającego wielkiej

częstotliwości (KK); zwykle jest to kabel koncentryczny (współosiowy).

W sieciach 220 i 440 kV stosuje się łącza w.cz. dwuprzewodowe,
wykorzystujące dwie fazy linii elektroenergetycznej do transmisji sygnałów.
Dodatkowymi układami w porównaniu do łącza jednoprzewodowego są
transformatory separujące (TS) i izolująco – dopasowujący (TR).

Uproszczony schemat dwuprzewodowego łącza wielkiej częstotliwości

6

Istotną wielkością określającą właściwości transmisyjne łącza jest

stosunek dopuszczalnej minimalnej wartości sygnału do szumu S/N (signal
to noise ratio), który wynosi:
15 – 20 dB – dla zabezpieczeń porównawczych
10 – 15 dB – dla sygnałów impulsowych od zabezpieczeń odległościowych.
Długość linii elektroenergetycznych, dla których stosuje się łącza ETN,
waha się od dziesęciu do kilkuset kilometrów, co oznacza konieczność
użycia nadajników o mocy wyjściowej 10 – 40 W. W czasie zwarcia moce
ETN są skokowo zwiększane, a łącza natychmiast udostępniane wyłącznie
do celów automatyki zabezpieczeniowej (podczas normalnej pracy służą
przede wszystkim telefonii).

Jedną z podstawowych wad łączy ETN jest ich wrażliwość na impulsy

zakłócające, generowane w linii elektroenergetycznej lub stacji podczas
zwarć, przepięć oraz operacji łączeniowych (np., odłączników). Ten rodzaj
łączności charakteryzuje się ograniczoną szerokością pasma częstotliwości,
wpływającą na czas transmisji sygnałów impulsowych, wynoszący ok. 5 ms.

Łącza światłowodowe

Łącza światłowodowe stosowane coraz częściej w systemach
telekomunikacji publicznej są również rozpowszechnione w energetyce
zawodowej, m.in. dla celów elektroenergetycznej automatyki
zabezpieczeniowej. Decydują o tym takie czynniki jak:
- odporność na zakłócenia i wpływy pól elektromagnetycznych,
- duża przepływność binarna, tj. liczba bitów przesyłanych na sekundę,
- mała tłumienność,
- duża szybkość transmisji sygnałów,
- duża pojemność transmisyjna,

Idea łącza światłowodowego a) bezpośredniego; b) z regulacją sygnałów MOD – modulator,
DEM – demodulator, LED – dioda elektroluminescencyjna, LD – dioda laserowa, FD –
fotodioda, RIm – regenerator impulsów, WOp – wzmacniacz optyczny

7

Idea łącza światłowodowego bezpośredniego, złożonego z trzech elementów:
nadajnika, światłowodu i odbiornika, przesyłającego sygnał w jednym kierunku.

Nadajnik przetwarza określony sygnał

elektryczny na proporcjonalny do niego sygnał optyczny, przesyłany do
odbiornika w postaci fali elektromagnetycznej przez włókna światłowodu.
Źródłem światła są diody:

-

elektroluminescencyjne (LED) o długości fali

λ

=1,3

µ

m,

-

laserowe (LD) o długości fali

λ

=1,55

µ

m.

Diody elektroluminescencyjne charakteryzują się szerokim zakresem
promieniowania oraz szerokim pasmem widma (

∆λ

=30 – 80 m

µ

). Ze względu

na ich małą moc wyjściowa są stosowane w łączach, których długość nie
przekracza 40km. Nadają się do transmisji sygnałów analogowych i cyfrowych.

Diody laserowe mają widmo o szerokości

rzędu 4nm, przez co większa ilość energii świetlnej jest wprowadzana do
rdzenia światłowodu; moc optyczna wynosi ok. 1 – 2 mW. Długość łącza przy

λ

=1300nm może dochodzić do ok.120 km; dla większych długości łącza stosuje

się tzw. Regenerację sygnałów, polegającą na wzmocnieniu sygnałów
świetlnych w stacjach wzmacniakowych. Diody laserowe wykorzystuje się
przede wszystkim w układach transmisji sygnałów cyfrowych za pomocą
światłowodów jednomodowych.

8

Włókna światłowodowe a) jednomodowe, b) wielomodowe o gradientowej zmianie wartości
współczynnika załamania światła; c) wielomodowe o skokowej wartości współczynnika
załamania światła r – promień włókna

Światłowód, a ściślej włókno światłowodowe, stanowi główny element toru
transmisji sygnału świetlnego od nadajnika do odbiornika. Najczęściej jest ono
wykonane z cienkiej nitki szklanej, przy czym prędkość rozchodzenia się fali
świetlnej wynosi 200000 km/s. Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje włókien
światłowodowych:

- jednomodowe, w których powstaje i rozchodzi się tylko jeden rodzaj

drgań własnych

- wielomodowe, w których powstaje i rozchodzi się kilka rodzajów drgań.

Włókna wielomodowe ze względu na współczynnik załamania światła n dzielą
się na włókna o gradientowej zmianie jego wartości oraz zmianie skokowej.

Tłumienność sygnałów świetlnych zależy

od materiału, z jakiego jest wykonane włókno, oraz od długości fali świetlnej

λ

.

Współczesne światłowody dalekosiężne są jednomodowe o tłumienności
mniejszej niż 0,2 – 0,3 dB/km przy długości fali

λ

=1,55

µ

m oraz o tłumienności

nie większej niż 0,4 dB/km przy

λ

=1,3

µ

m.

9

Podstawowym elementem odbiornika w łączu światłowodowym jest
fotodioda przetwarzająca sygnał świetlny na sygnały elektryczne. Stosowane są
dwa rodzaje fotodiod:

- typu PIN lub lawinowe z wewnętrznym wzmocnieniem prądowym. Te

drugie są wykorzystywane dla przepływności większych niż 140 Mb/s.

Zastosowanie światłowodów w energetyce zawodowej

Istnieją dwie podstawowe grupy łączy światłowodowych stosowanych do
współpracy z urządzeniami energetycznymi. Zalicza się do nich łącza:

- wykorzystywane na terenie jednego obiektu elektroenergetycznego, np.,

w stacji transformatorowo – rozdzielczej;

- prowadzone pomiędzy odległymi od siebie, różnymi obiektami

elektroenergetycznymi.

Typowym przykładem zastosowania łączy światłowodowych w jednym
obiekcie elektroenergetycznym jest połączenie pomiędzy kioskiem
przekaźnikowym, ustawionym w polu (np., linii) na terenie rozdzielni
napowietrznej, a nastawnią tej stacji elektroenergetycznej. Takie rozwiązanie,
spotykane obecnie sporadycznie, w niedalekiej przyszłości będzie standardowe,
oparte na technice rozproszonych podzespołów automatyki zabezpieczeniowej,
sterowania i nadzoru. W tym przypadku są najczęściej stosowane światłowody
wielomodowe o szybkości transmisji mniejszej od 1Mb/s.

Łącza światłowodowe stosowane do

przesyłania informacji na duże odległości, tj. między zabezpieczeniami
zainstalowanymi na obydwu krańcach linii elektroenergetycznej, wykorzystują
światłowody jednomodowe. Informacjami przekazywanymi są sygnały:
pomiarowe (dla zabezpieczeń porównawczo – prądowych), prostokątne
odpowiadające odpowiednim półokresom prądów (dla zabezpieczeń
porównawczofazowych) i impulsowe.
Sygnały impulsowe są stosowane do:

- zdalnego wyłączenia wyłączników zainstalowanych na drugim końcu

linii;

- zablokowania lub odblokowania zabezpieczenia odległościowego;
- wydłużenia lub skrócenia strefy działania zabezpieczenia

odległościowego;

10

Układy łączy światłowodowych do współpracy z zabezpieczeniami wykorzystującymi sygnały
pomiarowe i prostokątne: a) z własnym urządzeniem nadawczo – odbiorczym małej mocy; b)
z własnym urządzeniem nadawczo – odbiorczym o dużej mocy; c) z jednoczesnym
przesyłaniem sygnałów pomiarowych, sterujących, telefonii itp.; d) z wyspecjalizowanymi
urządzeniami do przetwarzania sygnałów od zabezpieczeń na jednolity sygnał cyfrowy; e) z
wykorzystaniem szerokopasmowej sieci cyfrowej

Typowe układy łączy światłowodowych do współpracy z automatyką

energetyczną wykorzystującą sygnały pomiarowe i prostokątne. W
najprostszym przypadku zabezpieczenie jest wyposażone we własne urządzenie
nadawczo – odbiorcze, przystosowane do bezpośredniego połączenia z parą
włókien światłowodowych jednomodowych. Z uwagi na względnie małe moce
świetlne długość łącza nie przekracza 30 km. Znaczną poprawę w tym zakresie
daje stosowanie wyspecjalizowanego urządzenia nadawczo – odbiorczego o

11

większej mocy. W tym przypadku korzysta się ze standardowego sygnału
cyfrowego od zabezpieczenia; najczęściej jest to tzw. Sygnał z modulacją
kodowo – impulsową PCM.

W odróżnieniu od opisanych układów pracujących z włóknami

światłowodowymi, wyodrębnionymi dla celów zabezpieczeń, istnieją łącza
światłowodowe, w których przesyłane są równocześnie sygnały cyfrowe z
różnych urządzeń, np., telesterowania, telepomiarów, telefonii, korzystając z
oddzielnych kanałów transmisyjnych. Skojarzenie tych sygnałów w jeden
sygnał cyfrowy odbywa się w multiplekserach (MUX), powrót zas do
rozdzielonych kanałów transmisji – w demultiplekserach (DEMUX).
Najbardziej rozpowszechnioną metodą zwielokrotnienia kanałów transmisji jest
metoda TDM oparta na podziale czasowym, polegająca na tym, że w cyfrowej
transmisji szeregowej informacje o wartościach kolejnych próbek sygnałów są
przesyłane w określonej kolejności i określonych przedziałach czasowych w
systemie zbiorczego PCM. Podstawową jednostką wielokanałową w metodzie
TDM jest grupa 30 kanałów, zawarta w strumieniu 2Mb/s.

W układach zastosowane są wyspecjalizowane przystawki PRZ przetwarzające
sygnały od zabezpieczenia na jednolity sygnał cyfrowy. Ten z kolei zostaje
wprowadzony do dodatkowego (a nie standardowego) multipleksera i nadajnika
optycznego. Zaletą tego rozwiązania jest dobre wykorzystanie włókien
światłowodowych z jednoczesnym zachowaniem autonomii pracy układów
zabezpieczeń.

Układy łączy światłowodowych do współpracy z zabezpieczeniami wykorzystującymi sygnały
impulsowe

12

W celu transmisji sygnałów impulsowych, np., od zabezpieczeń
odległościowych, stosuje się układy światłowodowe, w których wykorzystuje
się odpowiednie przystawki (PRZ), w których impulsy otrzymywane z
zabezpieczeń są przetwarzane na standardowy sygnał cyfrowy.

Najbardziej rozpowszechnionymi łączami światłowodowymi są:

- przewody odgromowe z wbudowanymi włóknami światłowodowymi

(OPGW) zawieszone na słupach linii napowietrznych;

- kable światłowodowe podziemne, przystosowane do układania w

kanałach kablowych;

oprócz tych rozwiązań stosuje się także:
- podwieszanie samonośnego dielektrycznego kabla światłowodowego pod

linią energetyczna napowietrzną;

- owijanie lekkiego kabla światłowodowego wokół przewodów

odgromowych lub przewodów roboczych linii elektroenergetycznych.

13