УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА СИНХРОННЫХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 2014 года по МПК H02J3/24 

Область техники

Изобретение относится к информационно-измерительной технике в энергетике и может быть использовано в устройствах мониторинга работоспособности системных регуляторов в части автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) и систем возбуждения (СВ) на энергообъектах и в системах мониторинга переходных режимов.

Уровень техники

Развитие электроэнергетических систем в Российской Федерации идет по пути объединения на параллельную работу энергосистем, мощных электростанций и крупных потребителей электроэнергии, расположенных на обширных территориях, связанных протяженными линиями электропередачи, с организацией централизованного оперативно-диспетчерского управления. Устойчивая и надежная параллельная работа российских энергосистем во многом зависит от правильной и эффективной работы СВ и АРВ. Существенным фактором, снижающим системную надежность, является отсутствие оперативных средств контроля функционирования СВ и АРВ, которые бы обеспечили выполнение объективного анализа их работы.

Одним из известных последствий некорректной работы АРВ является возникновение незатухающих синхронных колебаний низкой частоты в энергосистеме и, связанное с этим, возможное нарушение устойчивости, а также межмашинных колебаний у генераторов в пределах одной электростанции и, как следствие, внутригрупповая неустойчивость.

Известна система анализа колебаний низкой частоты содержащая СМПР, динамическую систему раннего оповещения и систему с человеко-машинным интерфейсом, в которой данные режима с синхронными колебаниями низкой частоты, получаемые СМПР, периодически передаются в режиме реального времени в динамическую систему раннего оповещения, преобразующую полученные данные во входной файл для расчета устойчивости при малом возмущении, и осуществляющую расчет. Полученные результаты передаются обратно в СМПР и далее в систему с человеко-машинным интерфейсом. Таким образом, достигается раннее оповещение о возможном нарушении устойчивости при возникновении малого возмущения в энергосистеме при текущем (измеряемом) режиме [1].

Однако предложенная система не позволяет выявить источник низкочастотных колебаний (генератор и/или электростанцию), что необходимо для принятия диспетчером необходимых по объему мер воздействия для предотвращения нарушения устойчивости.

Сущность изобретения

Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание устройства для выявления источника возникновения синхронных колебаний, то есть определение генератора, неправильная или неэффективная настройка каналов стабилизации которого (в случае АРВ сильного действия) или неисправность (в случае АРВ пропорционального типа) является причиной их возникновения или развития.

Устройство для выявления источника синхронных колебаний содержит для каждого генератора блок корреляторов, содержащий первый и второй датчики (датчик действующего значения напряжения и датчик реактивной мощности синхронного генератора), подсоединенные к клеммам синхронного генератора, первый и второй корреляторы, определяющие коэффициенты взаимной корреляции действующего значения напряжения и реактивной мощности, первые входы которых подсоединены к выходу первого датчика, второй вход первого коррелятора подключен к выходу второго датчика, блок временной задержки, вход которого также подключен к выходу второго датчика, а выход подключен ко второму входу второго коррелятора, и анализирующее устройство, к входам которого подключены выходы первых и вторых корреляторов блоков корреляторов всех генераторов, причем сигнал на выходе анализирующего устройства появляется в случае, когда один из синхронных генераторов является источником синхронных колебаний в энергосистеме или межмашинных колебаний.

Заявляемое устройство не требует использования математических моделей энергосистем, что позволяет исключить ошибки и неточности, связанные с неизбежными упрощениями в математических моделях и заданием оператором больших объемов входных данных (структура сети, эквивалентные параметры элементов и т.п.).

Осуществление изобретения

На фиг.1 представлена блок-схема заявляемого устройства для выявления источника синхронных колебаний. К клеммам каждого синхронного генератора Г₁-Г_n подсоединены блоки корреляторов 1, включающие первый датчик 2 и второй датчик 3 действующего значения напряжения и реактивной мощности синхронного генератора. Для определения коэффициентов взаимной корреляции действующего значения напряжения и реактивной мощности введены первый 4 и второй 6 корреляторы. Устройство также содержит блок временной задержки 5 и анализирующее устройство 7.

Сигнал на выходе 7 информирует о том, что определенный анализирующим устройством синхронный генератор - источник синхронных колебаний.

Датчики действующего значения напряжения и реактивной мощности синхронного генератора, корреляторы и блок временной задержки являются стандартными элементами измерительной техники и систем обработки измерительной информации. Анализирующее устройство производит анализ сигналов путем их сравнения друг с другом и с заданными пороговыми значениями.

Устройство для выявления источника синхронных колебаний по данным регистрации режима на объектах энергообъединений работает следующим образом.

Для синхронного генератора, являющегося источником электромеханических синхронных колебаний, характерно, что колебания реактивной мощности синхронного генератора Q_г опережают по фазе колебания действующего значения напряжения U_г на клеммах синхронного генератора или эти колебания синфазны. Синхронный генератор, не являющийся источником синхронных колебаний, будет препятствовать возникшим колебаниям или колебания реактивной мощности будут обусловлены колебаниями напряжения, поэтому колебания реактивной мощности находятся в противофазе к колебаниям соответствующего действующего значения напряжения или от них будут отставать по фазе.

Если вышеуказанный критерий фиксируется у нескольких генераторов в пределах одной электростанции, то это свидетельствует о возникновении на этой электростанции межмашинных колебаний. «Аварийный генератор», являющийся источником межмашинных колебаний, среди генераторов, участвующих в межмашинных колебаниях, характеризуется минимальным фазовым сдвигом синхронных колебаний Q_г и U_г.

Известен корреляционный метод определения разности фаз или амплитуд синхронно меняющихся величин [2].

При использовании корреляционного метода для оценки фазового сдвига между колебаниями низкой частоты реактивной мощности и действующего значения напряжения генератора критерием оценки источника синхронных колебаний является значение коэффициента взаимной корреляции по фазе k_UQ. Для гармонических функций одинаковой частоты k_UQ=cosΔφ, где Δφ - фазовый сдвиг колебаний Q_г и U_г.

Коэффициент взаимной корреляции U_г и Q_г, вычисленный коррелятором, максимален и равен единице, когда сдвиг фаз сравниваемых колебаний равен нулю. С увеличением разности фаз значение коэффициента корреляции уменьшается. Предположим, что действующее значение напряжения на клеммах генератора измеряется первым датчиком 2 и реактивная мощность генератора - вторым датчиком 3. Тогда, если генератор - источник синхронных колебаний, задержка времени данных реактивной мощности, осуществленная блоком 5, уменьшит разность фаз между двумя сигналами, в результате чего коэффициент взаимной корреляции, вычисленный вторым коррелятором 6, станет больше аналогичного значения, вычисленного первым коррелятором 4. Поэтому для синхронного генератора - источника синхронных колебаний значения коэффициентов корреляции, вычисленные корреляторами положительны, причем вычисленное первым коррелятором близко к единице, или значение, вычисленное вторым коррелятором, больше значения, вычисленного первым коррелятором.

Анализирующее устройство 7 сравнивает значения на выходах первого 4 и второго 6 корреляторов и в том случае, когда второй датчик 3 измеряет реактивную мощность генератора, выдает сигнал о том, что

генератор - источник синхронных колебаний в энергосистеме, когда

- значение коэффициента корреляции k_UQ1 с выхода первого коррелятора превышает заданное пороговое значение, или,

- k_UQ2>k_UQ1, и значения k_UQ1 и k_UQ2 положительны, но меньше заданного порогового значения только у одного из генераторов, или

генератор - источник межмашинных синхронных колебаний выдает в случае, когда k_UQ2>k_UQ1, и значения k_UQ1 и k_UQ2 положительны, но меньше заданного порогового значения у нескольких генераторов с индексацией генератора - источника синхронных колебаний по максимальной величине k_UQ1 среди данных генераторов.

Если второй датчик измеряет напряжение на клеммах синхронного генератора, неравенство k_UQ2>k_UQ1 следует заменить неравенством k_UQ2<k_UQ1.

Таким образом, достигается требуемый технический результат - выявляется источник синхронных колебаний по данным регистрации режима на объектах энергообъединений.

На фиг.2 представлен график мгновенных значений напряжения и реактивной мощности синхронного генератора (U_г и Q_г) в случае, когда синхронный генератор является источником синхронных колебаний. На том же графике показаны коэффициенты взаимной корреляции k_UQ1 и k_UQ2, вычисляемые ежесекундно на частично перекрывающихся временных отрезках 5 с. Значения коэффициентов корреляции близки к единице.

На фиг.3 представлены те же параметры, что на фиг.2, для случая, когда синхронный генератор не является источником синхронных колебаний. Соответствующие коэффициенты взаимной корреляции отрицательны.

Предлагаемое устройство выявления источника синхронных колебаний было реализовано в макете разработанного для ОАО «СО ЕЭС» программно-аппаратного комплекса «Система мониторинга системных регуляторов» (СМСР), который прошел апробацию в условиях физической модели энергосистемы и показал работоспособность и эффективность предложенных технических решений по устройству.

Тестовая схема физической модели энергосистемы, предназначенная для испытаний макета системы мониторинга АРВ и СВ, показана на фиг.4 (объект управления).

Схема включает 6 генераторов со своими блочными трансформаторами, 6 узлов комплексной нагрузки и 7 линий электропередачи. Среди прочих параметров в СМСР фиксируются Q_г и U_г и в анализаторе СМСР, в состав которого входит рассматриваемое устройство, оценивается их коэффициент корреляции. Путем специальной настройки АРВ моделируется возникновение в энергосистеме синхронных колебаний на различных частотах.

Пример определения генератора, являющегося источником синхронных колебаний с увеличивающейся амплитудой приведен на фиг.5. Генераторы МГ-64 (Г1) и МГ-47 (Г2) находятся на одной электростанции (ГРЭС), генератор МГ-8 (Г4) - эквивалентный генератор АЭС. Изменение настройки каналов стабилизации АРВ генератора 1 (МГ-64) приводит к выходу рабочей настройки АРВ за границы области устойчивости и возникновению незатухающих синхронных колебаний. Из рисунка видно, что в момент обнаружения синхронных колебаний коэффициент взаимной корреляции Q_г и U_г источника колебаний (Г1) устанавливается равным 1.0, что свидетельствует о выявлении неисправного АРВ.

Аналогичные результаты получены при экспериментах, в которых источником колебаний являлись генераторы Г2, Г4 и Г6.

Источники информации

1. Патент ЕР 2302754(А), 2009 Государственной Сетевой Компании Китая «Метод и построение системы анализа колебаний низкой частоты».

2. Айфичер Э., Джервис Б.: Цифровая обработка сигналов. Практический подход. - М., С.-Петербург, Киев: Издательский дом «Вильямс», 2004.

Использование - в области электроэнергетики. Технический результат -обеспечение возможности выявления источника возникновения синхронных колебаний. Устройство содержит для каждого генератора блок корреляторов, включающий первый и второй датчики, которые подсоединены к клеммам синхронного генератора, первый и второй корреляторы, определяющие коэффициенты взаимной корреляции действующего значения напряжения и реактивной мощности, первые входы которых подсоединены к выходу первого датчика, второй вход первого коррелятора подключен к выходу второго датчика, блок временной задержки, вход которого также подключен к выходу второго датчика, а выход подключен ко второму входу второго коррелятора, и анализирующее устройство, к входам которого подключены выходы первых и вторых корреляторов блоков корреляторов всех генераторов, причем сигнал на выходе анализирующего устройства появляется в случае, когда один из синхронных генераторов является источником синхронных колебаний в энергосистеме или межмашинных колебаний в группе генераторов одной электростанции. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для выявления источника синхронных колебаний, содержащее для каждого генератора блок корреляторов, включающий первый и второй датчики, которые подсоединены к клеммам синхронного генератора, первый и второй корреляторы, определяющие коэффициенты взаимной корреляции действующего значения напряжения и реактивной мощности, первые входы которых подсоединены к выходу первого датчика, второй вход первого коррелятора подключен к выходу второго датчика, блок временной задержки, вход которого также подключен к выходу второго датчика, а выход подключен ко второму входу второго коррелятора, и анализирующее устройство, к входам которого подключены выходы первых и вторых корреляторов блоков корреляторов всех генераторов, причем сигнал на выходе анализирующего устройства появляется в случае, когда один из синхронных генераторов является источником синхронных колебаний в энергосистеме или межмашинных колебаний в группе генераторов одной электростанции.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве первого датчика используют датчик действующего значения напряжения или датчик реактивной мощности, а в качестве второго датчика используют соответственно датчик реактивной мощности или датчик действующего значения напряжения.