СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ПОДСИНХРОННОГО РЕЗОНАНСА Российский патент 2015 года по МПК G01R23/02 

Область техники

Объектом изобретения является способ детектирования подсинхронного резонанса в электроэнергетических системах с добавочными конденсаторами.

Предшествующий уровень техники

В общем, явление подсинхронного резонанса (SSR) имеет место в электроэнергетических системах в результате взаимодействия турбогенератора с длинной линией передачи с продольной компенсацией. Существует состояние электроэнергетической системы, когда электрическая сеть обменивается энергией с механической системой генератора на частотах ниже номинальной частоты линии передачи (50 или 60 Гц).

Подсинхронный резонанс рассматривается в трех категориях: эффект асинхронного генератора, торсионное взаимодействие и усиление вращающего момента. Первые два типа вызываются нарушением установившегося режима, в то время как третий возникает при кратковременных нарушениях режима.

Добавочные конденсаторы улучшают характеристики электроэнергетических систем путем компенсации индуктивности линии передачи, таким образом увеличивая емкость линий и таким образом увеличивая пределы статической и динамической устойчивости. Однако использование добавочных конденсаторов увеличивает риск возникновения явления подсинхронного резонанса. Как правило, частота подсинхронного резонанса имеет значение в диапазоне 15%-90% номинальной частоты линии передачи.

Известные способы детектирования подсинхронного резонанса SSR основаны на технических приемах фильтрации или анализа вибрации вала генератора. Другой способ известен из патента США 4607217. Подсинхронный резонанс детектируется в системе электроснабжения переменного тока (AC) путем определения изменений в длине последовательных полупериодов формы волны, которые являются основой для идентификации подсинхронного резонанса. Измеряемым изменением параметра является временной промежуток волны, и изменения отношения разности временного промежутка положительных и временного промежутка отрицательных полупериодов к сумме временного промежутка положительных и временного промежутка отрицательных полупериодов связаны с детектированием подсинхронного резонанса. Изобретение основано на наблюдении, что подсинхронная частота в линии тока создает более длинные полупериоды и более короткие полупериоды. Разность между временными промежутками полупериодов измеряется последовательно для обеспечения способа детектирования наличия подсинхронного резонанса.

Недостатком этого способа является наличие задержки между появлением явления подсинхронного резонанса и его детектированием. Эта задержка может быть слишком длинной для детектирования частоты SSR, что может привести к повреждению вала или неправильному функционированию реле защиты линии передачи. Этот недостаток преодолевается посредством способа согласно настоящему изобретению, который позволяет осуществлять детектирование и идентификацию SSR быстрее по сравнению с известными техническими приемами и требует использования малого числа дискретизаций для входных данных по сравнению с известными решениями.

Краткое изложение существа изобретения

Согласно настоящему изобретению сущность способа детектирования подсинхронного резонанса в электроэнергетических системах с добавочными конденсаторами, в котором сигналы напряжения измеряют в реальном времени, и путем использования способа нахождения точек пересечения нуля дискретного сигнала измеренного напряжения положительные и отрицательные полупериоды формы волны дискретного сигнала напряжения вычисляют в компьютерном устройстве, которому постоянные параметры предоставляются пользователем, заключается в том, что он включает в себя этапы, на которых:

создают демодулированный сигнал напряжения U_Dem путем сложения минимального значения отрицательного полупериода формы волны дискретного обработанного сигнала напряжения U_X с максимальным значением положительного полупериода формы волны дискретного обработанного сигнала напряжения U_X для временных интервалов, имеющих длину T_L сигнала, где T_L является постоянным параметром, предоставляемым пользователем,

вычисляют среднеквадратичное значение RMS для демодулированного сигнала напряжения U_Dem и сравнивают его со значением другого постоянного параметра, предоставляемого пользователем как уровень среднеквадратичного значения RMS_Lev, и если значение (RMS) меньше, чем значение RMS_Lev, то это указывает, что подсинхронный резонанс отсутствует, а если значение RMS больше, чем значение RMS_Lev, наличие подсинхронного резонанса идентифицируют путем определения амплитуды напряжения A_Fss подсинхронного резонанса и/или частоты f_Fss подсинхронного резонанса.

Предпочтительно, во время нахождения пересечения нуля устанавливают два гистерезиса для положительных и отрицательных полупериодов формы волны для определения последовательностей последовательных временных интервалов T_Poz1, T_Neg1,... T_PozN, T_NegN соответственно для положительной U_Poz и отрицательной U_Neg части дискретного обработанного сигнала U_X между пересечениями нуля, чтобы создать верхнюю огибающую E_up и нижнюю огибающую E_low дискретного обработанного сигнала U_X.

Предпочтительно абсолютное значение гистерезиса для положительных и отрицательных полупериодов формы волны равно уровню среднеквадратичного значения RMS_Lev.

Предпочтительно длина T_L сигнала напряжения имеет величину во временной области как минимум 0,2 с.

Компьютерная программа для детектирования подсинхронного резонанса в электроэнергетических системах с добавочными конденсаторами, причем компьютерная программа является загружаемой и исполняемой в блоке обработки данных компьютерного устройства (8), и эта компьютерная программа при выполнении блоком обработки данных компьютера выполняет способ по пп.1-4 формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 схематично изображает электроэнергетическую систему с добавочными конденсаторами и с генератором,

фиг.2 изображает форму волны напряжения энергосистемы с частотой подсинхронного резонанса до демодуляции,

фиг.3 изображает форму волны дискретного обработанного сигнала,

фиг.4 изображает форму волны демодулированного сигнала с частотой подсинхронного резонанса,

фиг.5 изображает блок-схему последовательности операций способа, выполняемых при детектировании подсинхронного резонанса согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Электроэнергетическая система для реализации способа согласно настоящему изобретению представлена на фиг.1. Электроэнергетическая система содержит турбогенератор 1, который является механической частью системы, и линии передачи трехфазного переменного тока (AC), подключенные к турбогенератору, который вместе с трансформатором 2 высокого напряжения (HV), импедансами 3 линий, добавочными конденсаторами 4 и конечными потребителями 5 энергосистем формируют электрическую часть энергосистемы. К каждой фазе трехфазных линий передачи между трансформатором 2 и добавочными конденсаторами 4 подключен емкостный трансформатор напряжения CVT 6 для измерения напряжения линий U1, U2, U3. Каждый из трансформаторов 6 CVT подключен через линию 7 связи к устройству 8 для детектирования и идентификации явления подсинхронного резонанса в электрической части энергосистемы. Устройство 8 является компьютером с процессорным блоком для реализации способа детектирования SSR, и оно может быть частью защитного реле, или оно может быть компьютерным устройством, установленным отдельно в системе. Устройство 8 включает в себя аналого-цифровой преобразователь 9 для преобразования измеренного аналогового сигнала в цифровой сигнал, блок 10 детектирования подсинхронного резонанса для детектирования SSR в линиях передачи, блок 11 вычислений и блок 12 хранения данных для вычисления и сбора данных, обработанных во время работы, и внешние периферийные устройства 13 для визуализации результатов детектирования SSR. Аналого-цифровой преобразователь 9 для преобразования измеренного аналогового сигнала в цифровой сигнал может быть установлен в трансформаторе 6 CVT вместо устройства 8, что не отображено на чертеже.

Способ согласно изобретению реализован, как изображено на фиг.5, следующими этапами.

Этап S1

Определение дискретного сигнала U_D по сигналу U, измеренному в реальном времени.

Сигнал U1, U2, U3 напряжения линии передачи измеряется трансформатором 6 CVT и преобразуется в дискретный сигнал U_D в аналого-цифровом преобразователе 9. Дискретный сигнал U_D состоит из значения a_i напряжения i последовательных выборок. Для процесса преобразования некоторые постоянные параметры предоставляются аналого-цифровому преобразователю 9, и процесс преобразования общеизвестен в области техники.

Первым постоянным параметром, предоставляемым аналого-цифровому преобразователю 9, является частота дискретизации Fs. Этот параметр определяет число выборок аналогового сигнала U (сигнал U представлен на фиг.2 как форма волны) в секунду. Обычно частота дискретизации устанавливается равной как минимум 1 кГц, что является также настройкой по умолчанию для представленного изобретения. Настройка более низкой частоты дискретизации может привести к неправильному вычислению.

Вторым постоянным параметром, предоставляемым аналого-цифровому преобразователю 9, является длина T_L сигнала. Этот параметр, представленный на фиг.2, определяет длину аналогового сигнала U напряжения, взятого для аналого-цифрового преобразования. Для получения надежных результатов на последующих этапах значение длины T_L сигнала должно быть равным одному периоду самой низкой подсинхронной частоты, которая может иметь место в электроэнергетической системе. В варианте осуществления изобретения значение было установлено равным как минимум T_L=0,2 (с), что соответствует подсинхронной частоте в 5 Гц линии передачи. Настройка более короткой длины T_L сигнала может привести к неправильному вычислению.

Третьим постоянным параметром, предоставляемым аналого-цифровому преобразователю 9, является среднеквадратичным значением RMS_Lev, которое определяет статистическую величину дискретного сигнала U_D. Значение RMS_Lev должно быть равным амплитуде уровня шума трансформатора 6 CVT, которая известна для каждого заданного CVT. На последующих этапах этот параметр позволяет отличать помехи от дискретного сигнала U_D.

Этап S2

Вычисление дискретного обработанного сигнала U_X и определение точек пересечения нуля для вычисления последовательностей T_Poz1, T_Neg1,... T_PozN, T_NegN временных интервалов, соответствующих положительной U_Poz и отрицательной U_Neg части дискретного обработанного сигнала между точками пересечения нуля.

Сначала среднеарифметическое значение X_mean дискретного сигнала для длины T_L сигнала на фиг.2 вычисляется следующим образом:

$$X_{mean}=\frac{a_1+a_2+\mathrm{...}{a}_i\mathrm{...}+a_n}{n}$$ $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (1)

где a_i является значением напряжения выборки i, а n является числом всех выборок в дискретном сигнале U_D. Число выборок n равно частоте Fs дискретизации, умноженной на длину T_L сигнала.

Затем дискретный обработанный сигнал вычисляется путем вычитания среднего значения X_mean из значения a_i напряжения каждой точки выборки дискретного сигнала U_D. Если подсинхронный резонанс отсутствует, дискретный обработанный сигнал отображает доминирующую номинальную частоту линии передачи. Если возникает подсинхронный резонанс, дискретный обработанный сигнал U_X состоит из номинальной частоты линии передачи и составляющих подсинхронной частоты.

U_X=a_i-X_mean $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (2)

для i=1,... n.

Затем точки пересечений нуля идентифицируются путем детектирования изменений знака (+) или (-) дискретного обработанного сигнала U_X - фиг.3. Всегда имеются два типа пересечений нуля. Один из них, когда значение сигнала увеличивается, - положительное пересечение нуля, другой, когда значение сигнала уменьшается, - отрицательное пересечение нуля. Положительное пересечение нуля (стрелка B) детектируется, когда дискретный обработанный сигнал U_X изменяет свое значение с минуса на плюс и когда его значение больше положительного значения гистерезиса, установленного как среднеквадратичное значение RMS_Lev, которое известно для каждого заданного CVT 6, отмеченного на фиг.3 как D. Отрицательное пересечение нуля (стрелка C) детектируется, когда дискретный обработанный сигнал U_X изменяет свое значение с плюса на минус, и когда его значение меньше отрицательного значения гистерезиса, установленного как отрицательное значение среднеквадратичного значения RMS_Lev, которое известно для каждого заданного CVT 6, отмеченного на фиг.3 как E. Гистерезисы D и E устанавливаются для того, чтобы избежать смешения пересечений нуля с шумом, который всегда имеется в сигналах, снятых с реальных электроэнергетических систем.

После нахождения первой точки пересечения нуля, которая может быть положительной или отрицательной, находится следующая точка пересечения нуля, отрицательная или положительная соответственно, временной интервал T_Poz1 или T_Neg1 между этими точками пересечения нуля определяется как интервал для вычисления положительной части U_Poz (отмеченной на фиг.3 как пунктирная линия) или отрицательной части U_Neg (отмеченной на фиг.3 как сплошная линия) относительно дискретного обработанного сигнала U_X. Последовательности последовательных временных интервалов T_Poz1, T_Neg1,... T_PozN, T_NegN соответственно для положительной U_Poz и отрицательной U_Neg части дискретного обработанного сигнала между пересечениями нуля являются результатом этого этапа.

Этап S3

Вычисление демодулированного сигнала U_D.

Сначала для каждого T_Poz1,... T_PozN временных интервалов соответственно для положительного U_Poz по длине сигнала, равной значению T_L, вычисляются максимальные значения дискретного обработанного сигнала U_X, а затем по значениям таких максимумов создается верхняя огибающая E_up дискретного обработанного сигнала U_X.

Аналогично для каждого T_Neg1,... T_NegN временных интервалов соответственно для отрицательного U_Neg по длине сигнала, равной значению T_L, вычисляются минимальные значения дискретного обработанного сигнала U_X, а затем по значениям таких минимумов создается нижняя огибающая E_low дискретного обработанного сигнала U_X.

Затем вычисляется демодулированный сигнал U_Dem путем сложения значений нижней огибающей E_low со значениями верхней огибающей E_up

U_Dem=E_up-E_low $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (3)

В отличие от дискретного обработанного сигнала U_X демодулированный сигнал U_Dem не содержит номинальную частоту линии передачи.

Если имеет место явление подсинхронного резонанса, дискретный демодулированный сигнал U_Dem содержит субгармоническую резонансную частоту, которая проявляется как доминантная. Перед появлением явления подсинхронного резонанса демодулированный сигнал U_Dem меньше значения RMS_Lev. В момент, когда появляется подсинхронный резонанс, демодулированный сигнал U_Dem превышает значение RMS_Lev.

Этап S4

Детектирование наличия частоты подсинхронного резонанса в демодулированном сигнале U_Dem путем сравнения среднеквадратичной RMS величины демодулированного сигнала U_Dem со значением RMS_Lev.

Сначала выполняется вычисление среднеквадратичной величины RMS демодулированного сигнала U_Dem. Значение RMS является статистической величиной дискретного сигнала, детали такого вычисления общеизвестны специалистам в области техники.

Затем значение RMS сравнивается со значением RMS_Lev, которое было предоставлено в качестве параметра на первом этапе.

Если значение RMS для U_Dem меньше значения RMS_Lev, то это означает, что не детектировано никакой частоты подсинхронного резонанса в демодулированном сигнале U_Dem. В этом случае амплитуда частоты подсинхронного резонанса A_Fss и соответствующая частота f_Fss считаются равными нулю.

Если значение RMS сигнала U_Dem больше значения RMS_Lev или равно ему, выполняется дополнительный анализ на этапе S5.

Этап S5

Вычисление и идентификация амплитуды напряжения A_Fss и частоты f_Fss, соответствующих подсинхронному резонансу.

Сначала выполняется вычисление FFT (быстрое преобразование Фурье) сигнала U_Dem. Операция FFT преобразовывает сигнал из временной области в сигнал в частотной области; детали такого вычисления общеизвестны специалистам в области техники.

Затем вычисляется наибольшее значение амплитуды A_Fss напряжения в полосе спектра между 10% и 90% номинальной частоты линии передачи и сравнивается со значением RMS_Lev.

Если наибольшее значение амплитуды A_Fss напряжения меньше значения RMS_Lev, то это означает, что не детектировано никакой частоты подсинхронного резонанса (A_Fss=0, f_Fss=0).

Если наибольшее значение амплитуды A_Fss напряжения больше или равно значению RMS_Lev, то значение амплитуды A_Fss и соответствующая частота f_Fss считаются подсинхронным резонансом.

Этап 6

Визуализация амплитуды подсинхронного резонанса как наибольшего значения амплитуды A_Fss напряжения и/или соответствующей частоты f_Fss.

На этом этапе отображается амплитуда подсинхронного резонанса как наибольшее значение амплитуды A_Fss напряжения и/или также отображается соответствующая резонансная частота f_Fss, используя общеизвестные средства для отображения или печати данных, подключенные к компьютерному устройству (8), которые не представлены на чертежах.

Изобретение относится к способам детектирования подсинхронного резонанса в электроэнергетических системах с добавочными конденсаторами. Способ согласно изобретению содержит этапы, на которых: создают демодулированный сигнал (U_Dem) напряжения путем сложения минимального значения отрицательного полупериода формы волны дискретного обработанного сигнала (U_X) напряжения c максимальным значением положительного полупериода формы волны дискретного обработанного сигнала напряжения (U_X) для временных интервалов, имеющих длину (T_L) сигнала, где (T_L) является постоянным параметром, предоставляемым пользователем. Вычисляют среднеквадратичное значение (RMS) для демодулированного сигнала напряжения U_Dem и сравнивают его со значением другого постоянного параметра, предоставляемого пользователем как уровень среднеквадратичного значения (RMS_Lev), и если значение (RMS) меньше значения (RMS_Lev), то это указывает, что подсинхронный резонанс отсутствует, а если значение RMS больше значения (RMS_Lev), то наличие подсинхронного резонанса идентифицируется путем определения амплитуды (A_Fss) напряжения подсинхронного резонанса и/или частоты (f_Fss) подсинхронного резонанса. Технический результат заключается в ускорении процесса детектирования подсинхронного резонанса. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ детектирования подсинхронного резонанса в электроэнергетических системах с добавочными конденсаторами, в котором сигналы напряжения измеряют в режиме реального времени и путем обнаружения точек пересечения нуля дискретного сигнала измеренного напряжения положительные и отрицательные полупериоды формы волны дискретного сигнала напряжения вычисляют в компьютерном устройстве, которому постоянные параметры поставляет пользователь, причем способ, содержащий этапы, на которых:
создают демодулированный сигнал (U_Dem) напряжения путем сложения минимального значения отрицательного полупериода формы волны дискретного обработанного сигнала (U_X) напряжения c максимальным значением положительного полупериода формы волны дискретного обработанного сигнала (U_X) для временных интервалов, включающих в себя длину (T_L) сигнала, где (T_L) является постоянным параметром, предоставляемым пользователем,
вычисляют среднеквадратичное значение (RMS) для демодулированного сигнала напряжения (U_Dem) и сравнивают его со значением другого постоянного параметра, предоставляемого пользователем как уровень среднеквадратичного значения (RMS_Lev), и если значение (RMS) меньше значения (RMS_Lev), то это указывает, что подсинхронный резонанс отсутствует, а если значение (RMS) больше значения (RMS_Lev), идентифицируют наличие подсинхронного резонанса путем определения амплитуды (A_Fss) напряжения подсинхронного резонанса и/или частоты (f_Fss) подсинхронного резонанса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что во время нахождения точек пересечения нуля устанавливают два гистерезиса для положительных и отрицательных полупериодов формы волны для определения последовательностей последовательных временных интервалов (T_Poz1, T_Neg1, … T_PozN, T_NegN) соответственно для положительной (U_Poz) и отрицательной (U_Neg) части дискретного обработанного сигнала (U_X) между точками пересечения нуля, чтобы создать верхнюю огибающую (E_up) и нижнюю огибающую (E_low) дискретного обработанного сигнала (U_X).

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что абсолютное значение гистерезиса для положительных и отрицательных полупериодов формы волны равно уровню среднеквадратичного значения (RMS_Lev).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что длина (T_L) сигнала имеет величину во временной области как минимум 0,2 с.