СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ УГРОЗЫ И ФАКТА ВОЗНИКНОВЕНИЯ АСИНХРОННОГО РЕЖИМА В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ Российский патент 1998 года по МПК H02J3/24 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к противоаварийной автоматике энергосистем и может быть использовано, например, в автоматике ликвидации асинхронного режима (АЛАР) и автоматике предотвращения нарушения устойчивости (АПНУ).

Известен способ выявления угрозы и факта возникновения асинхронного режима (АР) в энергосистеме, основанный на контроле величины угла δ₁₂ между векторами U₁ и U₂ напряжений u₁ и u₂ в первой и второй точках системы и используемый, например, в устройстве для предотвращения АР [1].

Выявление происходит при
δ₁₂> δ_ср.i, (1) ,
где δ_ср.i - угол срабатывания i-ой ступени, причем те ступени, для которых δ_ср< δ_кр выявляют угрозу возникновения АР, а ступени с δ_ср> δ_кр фиксируют факт возникновения АР (δ_кр - критический угол, определяющий границу устойчивости и равный в зависимости от исходного режима 120...180^o).

Недостатком известного способа является низкая селективность, обусловленная тем, что при δ_ср< δ_кр не представляется возможным отличить АР от глубоких синхронных качаний (СК).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ, используемый в микропроцессорном (МП) устройстве [2].

Здесь, наряду с контролем δ₁₂ , дополнительно контролируют взаимное скольжение s₁₂ векторов по условию:
s₁₂ > s_доп, (2)
Благодаря этому можно прогнозировать возникновение АР при δ < δ_кр , если s_доп вычислять в соответствии с граничной фазовой траекторией "скольжение - угол" в зависимости от параметров исходного режима, обеспечивая при этом надежную отстройку от СК. Вычисление s_доп можно выполнить либо предварительно, либо в текущем режиме, например, по формуле, апроксимирующей граничную траекторию [3, ф. (173)]:
δ₁₂+k₁•S_доп+k₂•δ₀= δ0ср

, (3) ,
где δ₀ - значение δ₁₂ в исходном режиме, δ0ср - некоторое значение, в общем случае не равное δ_ср.i и определяющее параметры характеристик [3, рис. 79], апроксимирующих фазовые траектории, k₁ и k₂ - постоянные коэффициенты.

В первом случае упрощена реализация, но требуется загрубление по s_доп, чтобы учесть весь набор исходных режимов, что приведет к замедлению выявления угрозы АР и снижению эффективности управляющих воздействий. В этом смысле вычисление s_доп в текущем режиме предпочтительней и легко реализуется в МП - устройстве.

Недостатком известного способа является ограниченная селективность по отношению к АР по внешним сечениям, особенно в системах сложной конфигурации. Дело в том, что эффективность способа тем выше, чем ближе значения угла δ₁₂ между векторами U₁ и U₂ и угла δ между векторами E₁ и E₂ электродвижущих сил (ЭДС) по концам электропередачи (фиг. 1, а), эквивалентирующей энергосистему относительно контролируемого сечения 1 с напряжением U₀ и током I. Напряжение U_j в любой j-ой точке электропередачи получают обычно путем моделирования:
U_j = U₀ + Z_mj • I, (4)
где Z_mj - сопротивление моделирования, знак которого положителен при расположении точек приложения U_j между E₂ и контролируемым сечением и отрицателен в противном случае.

Условие δ₁₂≈ δ осуществимо при Z_mi≈Z₁ и Z_m2≈Z₂ как это видно из векторной диаграммы (фиг.1, б). Однако в пакете расчетных схем энергосистемы параметры Z₁ и Z₂ эквивалентной электропередачи могут изменяться в довольно широких пределах и оптимальным следует считать выбор сопротивлений моделирования по условиям
Z_m1 = Z_1ср, (5)
Z_m2 = Z_2ср, (6)
где Z_1ср и Z_2ср - средние значения Z₁ и Z₂ в пакете расчетных схем. При этом значения δ и δ₁₂ (фиг. 2, а) весьма близки, но возможна фиксация внешних АР или угрозы их возникновения, когда ЭЦК размещен между моделируемыми точками 1 и 2. Чтобы избежать этого, практически в известном способе ограничивают Z_m1 и Z_m2 таким образом, чтобы исключить попадание ЭЦК в зону между точками приложения U₁ и U₂ при внешнем АР. Но тогда резко нарушается соответствие углов δ и δ₁₂. Например, для точек 3 и 4 (Z_m3 <Z_m1 и Z_m4 <Z_m2) угол δ₃₄< 90^°, в то время как угол δ уже близок к 180^o (фиг. 2, а). Следовательно, даже при δ_ср< 90^° предотвратить АР уже невозможно и эффективность способа сводится к минимуму.

Задачей, на решение которой направлено заявленное предложение, является повышение селективности. Получаемый при этом технический результат проявляется в исключении ложных срабатываний устройства АЛАР или АПНУ, где изобретение может быть использовано, при своевременной фиксации угрозы или факта АР. В результате этого снижается тяжесть системных аварий и ущерб, наносимый ими.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе выявления угрозы и факта возникновения асинхронного режима в энергосистеме, включающем контроль напряжений u₁ и u₂ в первой и второй точках энергосистемы, выбираемых по условию максимального приближения их значений к значениям электродвижущих сил e₁ и e₂ по концам эквивалентной электропередачи для каждой расчетной схемы энергосистемы, согласно которому измеряют угол δ₁₂ между векторами U₁ и U₂ напряжений u₁ и u₂ и взаимное скольжение s₁₂ этих векторов, выявляет угрозу и факт возникновения асинхронного режима, если абсолютные значения δ₁₂ и s₁₂ больше заданных δ_ср и s_доп соответственно, различают факт и угрозу возникновения асинхронного режима соответственно по наличию и отсутствию превышения абсолютным значением δ₁₂ расчетного критического δ_кр, определяемого для каждого исходного режима, причем s_доп вычисляют по граничным фазовым траекториям "скольжение угол" также с учетом параметров исходного режима, дополнительно осуществляют контроль тока i в заданном сечении энергосистемы и напряжений u₃ и u₄ в третьей и четвертой точках энергосистемы, выбираемых по условию размещения между ними электрического центра качаний только в асинхронных режимах по заданному сечению, вычисляют взаимные скольжения s_3i и s_4i векторных пар U₃, I и U₄, I, а также отношения s_3i к s₁₂ и s_4i к s₁₂, определяют знаки этих отношений и их несовпадение учитывают в качестве дополнительного условия выявления угрозы и факта возникновения асинхронного режима.

Сопоставительный анализ признаков предложенного решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы решают следующие функциональные задачи:
1. Контроль напряжений U₃ и U₄ необходим для выделения зоны размещения ЭЦК при АР по контролируемому сечению.

2. Вычисление скольжений s_3i и s_4i векторных пар U₃, I и U₄, I, а также знака последних позволяет учесть несоответствие этих знаков, как условие АР по контролируемому сечению при углах δ > 60 - 70^°.

На фиг. 1 представлены схема эквивалентной электропередачи (а) и ее векторная диаграмма (б); на фиг. 2 - зависимости некоторых параметров от угла 5 между ЭДС E₁ и E₂ по концам электропередачи; на фиг. 3 - функциональная схема, реализующая предложенный способ.

Схема содержит блок 1 моделирования, датчик 2 угла, датчики 3, 4 и 5 скольжения, блоки 9 и 10 сравнения, устройства деления 11 и 12, блок 13 фиксации несовпадения знаков входных сигналов, логические элементы 17 типа ЗИ и 18, 19 типа 2И (элемент 19 с инверсным вторым входом).

Блок 1 формирует выходные напряжения U_j (j - номер выхода), пропорциональные напряжениям U_j в моделируемых согласно (4) точках энергосистемы (j - номер точки)
U_1j = k_uU_j, (7)
где k_u - коэффициент пропорциональности, учитывающий коэффициенты передачи измерительных трансформаторов и преобразователей (датчиков) в тракте напряжения.

Блок 1 может быть выполнен подобно блоку 3 в [1, фиг. 1].

Датчик 2 угла формирует на выходах напряжение U₂ пропорциональное разности фаз δ₁₂ между входными напряжениями U_1.1 и U_1.2 (U₁ и U₂) и может быть выполнен по любым известным схемам [3, разд. 20]. Датчики скольжения 3, 4 и 5 однотипны и могут быть выполнены с помощью двух датчиков частоты и вычитателя (блоки 6, 7 и 8 датчика 3), как в [3, рис. 78].

Блок 9 осуществляет сравнение напряжения U₂ ≡ δ₁₂ c U_ср.1≡ δ_ср.1 по первому выходу и c U_ср.2≡ δ_ср.2 по второму выходу в соответствии с (1), причем δ_ср.1 принимается равным δ_кр и вычисляется в зависимости от исходного значения δ₀ угла δ₁₂(δ_ср.1= π - δ₀), а δ_ср.2< δ_кр . Блок 9 легко реализуется с помощью двух компараторов, выходы которых служат выходами блока и инерционного звена для запоминания U₂₀≡ δ₀ , подобного используемому в известном органе [3, рис. 80].

Блок 10 реализует условие (2), оперируя с напряжениями U₃ ≡ s₁₂ и U_доп = s_доп, причем s_доп определяется по формуле (3).

Блок 13 выполнен с помощью нульиндикаторов 14 и 16 и логического элемента 15 типа ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Каждый нульиндикатор преобразует входной непрерывный сигнал в дискретный двух уровней (логические О и 1), каждому из которых соответствует свой знак входного сигнала (положительный или отрицательный). Несовпадение этих знаков приводит к срабатыванию элемента 15.

Блоки 11, 12, 17 - 19 имеют типовую реализацию.

Схема работает следующим образом.

Напряжение u и ток i, контролируемого сечения поступают через измерительные трансформаторы на входы блока 1 моделирования. Напряжения U_1.1 - U_1.4 на его выходах, согласно (7) пропорциональные напряжениям U₁ - U₄ соответственно в моделируемых точках энергосистемы (фиг. 1, а, б), причем напряжения U₁ и U₂ выбраны по условию наибольшего приближения к E₁ и E₂ с учетом (5) и (6), а напряжения U₃ и U₄ выбраны исходя из того, что ЭЦК между точками их приложения может размещаться только в АР по контролируемому сечению 1.

Векторные группы U₁ - U₄ и U_1.1 - U_1.4 отличаются только масштабом модулей, входящих в них векторов, в то время как их угловые и частотные характеристики идентичны. Поэтому их выходные напряжения U₂ - U₅ датчиков 2 - 5 равны, соответственно:

где δ₁₂ и s₁₂ - угол между векторами U₁ и U₂ и их взаимное скольжение; s_3i и s_4i - взаимные скольжения векторных пар U₃, I и U₄, I, соответственно; k_δ и k_s - коэффициенты пропорциональности.

Сигнал U₂ поступает на входы блоков 9 и 10. Блок 9 срабатывает по второму выходу при U₂ > U_ср.2 (δ₁₂> δ_ср.2). Для фиксации угрозы АР принимают δminср.2

= 60^°- 70^° . Если при этом выполняется условие (2), т.е. U₃>U_доп., то срабатывает и блок 10. Так как U_9.2 > 0 и U₁₀ > 0 согласно (1) и (2) существует угроза АР. Однако неизвестно в каком сечении он может возникнуть. Поэтому элемент 17 типа ЗИ, на первый и второй входы которого поступают U₉ и U₁₀, не сработает пока не станет положительным сигнал U₁₃ на его третьем входе. Такое становится возможным только при АР по контролируемому сечению, когда знаки сигналов U₁₁ и U₁₂ на выходах устройств деления 11 и 12 соответственно, не совпадают. Эти сигналы, с учетом (8) - (11), равны
,
где ϕ_3i и ϕ_4i - углы между векторами U₃, I и U₄, I, соответственно.

С учетом обозначений на фиг. 1 и коэффициентов k = Е₁/Е₂, , где Z_j - сопротивление от точки приложения E₁ до j-ой точки электропередачи, можно получить следующие соотношения (δ₁₂≈ δ):
.

Зависимости (14) и (15) показаны на фиг. 2, б для АР по контролируемому сечению при k > 1. Для точки 3β₃> 1(α₃< α_ц) угол ϕ_3i изменяется монотонно (растет или уменьшается) и (кривая 1) не изменяет свой знак в цикле АР. Для точки 4β₄> 1(α₄< α_ц) угол ϕ_4i колеблется в цикле АР около некоторого значения и знак меняется дважды за цикл (кривая 2). Однако в рабочем диапазоне углов δ_р< δ < 2π - δ_р знаки и всегда противоположны в АР по контролируемому сечению. При внешнем АР обе кривые 1 и 2 однотипны и знаки U₁₁ и U₁₂ совпадают.

Наибольшую величину δ_р можно определить из (14) и (15) при U₁₁ = 0 или U₁₂ = 0 для случаев β > 1 при k > 1 и β < 1 при k <1:
δ_р= arccos[(β - k)/(kβ - 1)] (16) .

Как показывают расчеты, максимальное значение δ_р не превышает (60 - 70)^o при достаточном удалении α от α_ц (на 0,1 и более).

Таким образом, при АР по контролируемому сечению знаки U₁₁ и U₁₂ не совпадают (δ_ср.2≥ δ_р) и срабатывает блок 13 (U₁₃ > 0). Вслед за этим срабатывает элемент 17, так как все его входные сигналы положительны и элемент 19, фиксирующий угрозу АР. После возникновения АР блок 9 срабатывает по первому выходу (U_9.1 > 0), т.к. U₂ > U_ср.1 = U_кр(δ₁₂> δ_кр), вызывая возврат элемента 19 и срабатывание элемента 18 фиксирующего факт возникновения АР.

В заключении отметим, что предлагаемый способ превосходит по селективности известный благодаря более точной оценке δ₁₂ и s₁₂ при надежной отстройке от внешних АР по дополнительному условию.

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к противоаварийной автоматике энергосистем / ЭС/ и может быть использовано, например, в автоматике ликвидации асинхронного режима /АЛАР/. Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе, включающем контроль напряжений u₁ и u₂ в первой и второй точках ЭС, выбираемых по условию оптимального моделирования эквивалентных электродвижущих сил электропередачи в АР, согласно которому измеряют угол δ₁₂ между векторами U₁ и U₂ напряжений u₁ и u₂ и взаимное скольжение s₁₂ этих векторов, выявляет угрозу и факт возникновения АР, если абсолютные значения δ₁₂ и s₁₂ больше заданных δ₁₂ и s_доп соответственно, различают факт и угрозу возникновения АР соответственно по наличию и отсутствию повышения абсолютным значением δ₁₂ расчетного критического δ_кр, дополнительно осуществляют контроль тока в заданном сечении ЭС и напряжений u₃ и u₄ третьей и четвертой точках ЭС, выбираемых по условию размещения между ними электрического центра качаний только в АР по заданному сечению, вычисляют взаимные скольжения s_3i и s_4i векторных пар , а также отношения s_3iк s₁₂ и s_4i к s₁₂, определяют знаки этих отношений и их несовпадение учитывают в качестве дополнительного условия выявления угрозы и факта возникновения АР. Технический результат проявляется в повышении селективности способа. 3 ил.

Способ выявления угрозы и факта возникновения асинхронного режима в энергосистеме, включающий контроль напряжений u₁ и u₂ в первой и второй точках энергосистемы, выбираемых по условию максимального приближения их значений к значениям электродвижущих сил е₁ и е₂ по концам эквивалентной электропередачи для каждой расчетной схемы энергосистемы, согласно которому измеряют угол δ₁₂ между векторами и напряжений u₁ и u₂ и взаимное скольжение S_1 2 этих векторов, выявляют угрозу и факт возникновения асинхронного режима, если абсолютные значения δ₁₂ и S_1 2 больше заданных δ_ср и S_д о п, соответственно различают факт и угрозу возникновения асинхронного режима по соответственно наличию и отсутствию превышения абсолютным значениям δ₁₂ расчетного критического δ_кр определяемого для каждого исходного режима, причем S_д о п вычисляют по граничным фазовым траекториям "скольжение-угол" также с учетом параметров исходного режима, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют контроль тока i в заданном сечении энергосистемы и напряжений u₃ и u₄ в третьей и четвертой точках энергосистемы, выбираемых по условию размещения между ними электрического центра качаний только в асинхронных режимах по заданному сечению, вычисляют взаимные скольжения S_3 i и S_4 i векторных пар а также отношения S_3 i к S_1 2 и S_4 i к S_1 2 определяют знаки этих отношений и их несовпадение учитывают в качестве дополнительного условия выявления угрозы и факта возникновения всинхронного режима.