СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИНХРОНИЗИРУЮЩЕЙ МОЩНОСТИ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ Российский патент 2015 года по МПК H02J3/24 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в системах оперативно-диспетчерского и противоаварийного управления для определения синхронизирующей мощности синхронных машин в режиме реального времени на основе измерений параметров электрического режима и параметров работы машины в электроэнергетических системах переменного тока (далее по тексту - ЭЭС).

Уровень техники

Настоящий этап развития энергетики характеризуется наличием соединенных относительно слабыми связями крупных концентрированных энергосистем, в состав которых активно включаются мощности распределенной генерации. Изменение состава генерации и структуры электропотребления приводит к уменьшению постоянных инерции элементов энергосистем, повышая чувствительность параметров режима энергосистемы в целом к небольшим возмущениям. В целях повышения управляемости энергосистем внедряется новое оборудование, оснащенное современными быстродействующими устройствами регулирования: асинхронизированные синхронные генераторы, FACTS, накопители энергии. В результате, помимо полезных эффектов, энергосистема приобретает также и некоторые негативные свойства, проявляющиеся, в частности, в возникновении низкочастотных (0,1÷3,0 Гц) колебаний ее режимных параметров.

Как правило, собственные частоты электромеханических колебаний расположены в диапазоне 0,1÷2,0 Гц. В связи с этим появление в ЭЭС колебаний на этих частотах может вызвать резонансы в различных частях ЭЭС, приводящие к нарушению параллельной работы отдельных ее частей. Участниками низкочастотных колебаний могут быть отдельные объекты, как генерации электроэнергии, так и синхронной нагрузки (далее - синхронных машин (СМ)) с определенным образом настроенными системами автоматического регулирования. Корректно настроенные системы автоматического регулирования препятствуют изменению частоты в системе - демпфируют, подавляют развивающиеся колебания за счет синхронизирующей мощности. Таким образом, для предотвращения развития колебательных процессов, приводящих к нарушению синхронной работы ЭЭС, важно обладать возможностью оценки эффективности противодействия СМ низкочастотным колебаниям, т.е. количественной оценки синхронизирующей мощности СМ.

В настоящее время в ЕЭС России находится в эксплуатации система мониторинга системных регуляторов в части АРВ и систем возбуждения (СМСР), которая выполняет контроль работоспособности устройств АРВ и систем возбуждения (СВ) при управлении режимами ЭЭС по данным текущей регистрации параметров режима работы генераторов в различных режимах работы - эксплуатационных, аварийных, особых (режим ограничения минимального возбуждения и режим ограничения двукратного значения тока ротора) (RU 132637 U1, H02J 3/24, H02J 13/00, 20.09.2013).

Система мониторинга автоматических регуляторов возбуждения и систем возбуждения генераторов, принимаемая за прототип, содержит:

датчики режимных параметров генераторов;

измерительные преобразователи, осуществляющие формирование привязанных к системе единого времени цифровых режимных параметров контролируемых генераторов;

анализатор функционирования АРВ-СВ генераторов электростанции со специально разработанным программным обеспечением, предназначенный для выполнения алгоритмической обработки полученных данных;

выходной регистратор ЭЭС, на который поступают сигналы о состоянии АРВ и СВ генераторов с анализатора функционирования АРВ-СВ генераторов электростанции;

датчики дискретных сигналов штатной автоматики системы возбуждения контролируемых генераторов и

локальную сеть для связи измерительных преобразователей и датчиков дискретных сигналов с анализатором функционирования АРВ-СВ генераторов электростанции.

Предлагаемая система схожа с прототипом в части исходных данных и их источника: для определения синхронизирующей мощности СМ используются значения тока и напряжения от штатных датчиков тока (ТТ) и напряжения (TH) каждой из трех фаз в контролируемой точке ЭЭС (точка присоединения СМ к шинам станции), а также дополнительно могут поступать значения напряжения и тока обмотки возбуждения CM (F) и угла положения ротора CM (Ang).

Предлагаемая система позволяет выявить активных участников низкочастотных колебаний (генераторы и/или электростанции, синхронная нагрузка), что необходимо для принятия диспетчером или соответствующей автоматикой необходимых и достаточных по объему мер воздействия для предотвращения нарушения устойчивости ЭЭС, а также позволяет количественно оценить участие отдельных СМ в процессе демпфирования колебательных процессов в ЭЭС.

Сущность изобретения

Технический результат изобретения - определение в режиме реального времени по данным измерений токов и напряжений в контролируемой точке ЭЭС (точка присоединения СМ к шинам станции) синхронизирующей мощности СМ, представляющей реакцию на возникновение колебательного процесса, для последующего принятия диспетчером или соответствующей автоматикой мер воздействия по устранению этих колебаний.

Указанный технический результат достигается тем, что система определения синхронизирующей мощности СМ содержит:

- цифровой регистратор параметров электрического режима и параметров работы СМ, в котором на основании значений тока и напряжения среди прочих параметров электрического режима вычисляются частота системы, активная и реактивная мощности с интервалом 20 мс; также цифровой регистратор может дополнительно фиксировать параметры работы СМ: напряжение и ток обмотки возбуждения, угол положения ротора машины;

- комплекс вычислительных средств;

- выходной регистратор, содержащий человеко-машинный интерфейс.

При этом комплекс вычислительных средств содержит расчетно-аналитический блок, который включает:

- блок контроля состава измерений, поступающих от цифрового регистратора параметров электрического режима и параметров работы СМ;

- блок хранения проектных и экспериментальных параметров и характеристик СМ;

- блок расчета синхронизирующей мощности СМ на основе параметров электрического режима и параметров работы машины.

Выход расчетно-аналитического блока соединен с выходным регистратором, содержащим человеко-машинный интерфейс, отображающий информацию об участниках и параметрах низкочастотных колебаний.

Работа предлагаемой системы определения синхронизирующей мощности возможна при использовании технологии синхронизированных векторных измерений, в результате применения которой напряжения и токи представляются в виде векторов в системе координат, вращающейся с постоянной скоростью (как правило, соответствующей номинальной частоте переменного тока). Такая технология используется, в частности, и в устройствах СМПР (WAMS) [1].

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена блок-схема системы определения синхронизирующей мощности синхронной машины:

- блок 1 - цифровой регистратор параметров электрического режима и параметров работы СМ;

- расчетно-аналитический блок, включающий:

- блок 2 - блок контроля состава измерений, поступающих от цифрового регистратора параметров электрического режима и параметров работы СМ;

- блок 3 - блок хранения проектных и экспериментальных параметров и характеристик СМ;

- блок 4 - блок расчета синхронизирующей мощности СМ на основе параметров электрического режима и параметров работы машины;

- блок 5 - выходной регистратор с человеко-машинным интерфейсом.

На фиг. 2 представлены результаты испытаний предлагаемой системы определения синхронизирующей мощности.

На фиг. 3 представлены результаты оценки допущений, принимаемых при расчете.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого устройства - системы определения синхронизирующей мощности синхронной машины.

На входы цифрового регистратора 1 параметров электрического режима и параметров работы СМ поступают значения тока и напряжения от штатных датчиков тока (ТТ) и напряжения (ТН) каждой из трех фаз в контролируемой точке ЭЭС (точка присоединения СМ к шинам станции), а также дополнительно могут поступать значения напряжения и тока обмотки возбуждения CM (F) и угла положения ротора CM (Ang). На основании значений тока и напряжения среди прочих параметров электрического режима вычисляются частота системы и активная и реактивная мощности с интервалом 20 мс.

На выходы цифрового регистратора 1 подаются значения измерений и полученные из них параметры.

Расчетно-аналитический блок реализует идею, заключающуюся в том, что для оценки способности СМ сохранять синхронный режим при отклонении угла нагрузки синхронной машины θ от некоторого установившегося значения θ_o на некоторую величину Δθ используют синхронизирующий момент ∂М/∂θ и, соответственно, удельную синхронизирующую мощность ∂Р/∂θ [2].

Расчетно-аналитический блок включает блок 2 контроля состава измерений, поступающих от цифрового регистратора 1, блок 3 хранения проектных и экспериментальных параметров СМ и блок 4 расчета синхронизирующей мощности СМ на основе параметров электрического режима и параметров работы машины.

В блоке 2 контроля состава измерений, поступающих от цифрового регистратора параметров электрического режима и параметров работы СМ, реализуется определение наличия измерений, необходимых для расчета синхронизирующей мощности СМ.

Вход блока 2 соединен с выходом цифрового регистратора 1.

Блок 2 имеет два выхода. Первый из них, обозначенный «Д», задействуется в случае наличия всех измерений, необходимых для расчета синхронизирующей мощности, а именно:

- векторы напряжений и токов фаз обмотки статора СМ;

- значение угла нагрузки СМ либо значения электрической угловой скорости вращения ротора и синхронной электрической угловой скорости вращения поля статора.

Второй из них, обозначенный «Н», задействуется в случае отсутствия какого-либо из измерений, необходимых для расчета синхронизирующей мощности.

Выход «Д» блока 2 соединен с входом блока 4 расчета синхронизирующей мощности СМ на основе параметров электрического режима и параметров работы машины. На выход «Д» подаются данные измерений, необходимых для расчета синхронизирующей мощности. Выход «Н» блока 2 соединен с входом блока 3 хранения проектных и экспериментальных параметров и характеристик СМ. На выход «Н» подаются данные имеющихся измерений и информация об отсутствующих измерениях.

В блоке 3 хранятся следующие проектные и экспериментальные параметры и характеристики СМ:

- номинальные значения напряжения и тока статора;

- индуктивное сопротивление Потье X_p;

- индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки якоря Х_σ;

- характеристика холостого хода;

- характеристика 3-фазного короткого замыкания.

Вход блока 3 соединен с выходом «Н» блока 2. На выход блока 3 подаются данные имеющихся измерений, а также проектные и экспериментальные параметры и характеристики СМ, необходимые для определения синхронизирующей мощности СМ.

Выход блока 3 соединен с входом блока 4 расчета синхронизирующей мощности СМ на основе параметров электрического режима и параметров работы машины.

В блоке 4 выполняется расчет синхронизирующей мощности. Расчет синхронизирующей мощности СМ выполняется следующим образом:

- если значение угла нагрузки синхронной машины θ определяется путем непосредственных измерений, либо используя интегрирование разности мгновенных значений электрической угловой скорости вращения ротора ω и синхронной электрической угловой скорости вращения поля статора (частота системы) [2] $$(\theta ={\displaystyle {\int }_0^t(\omega -{\omega }_c)dt})$$ , удельная синхронизирующая мощность P_см(t) для любого момента времени t определяется по следующей формуле (способ 1):

P_см(t)=∂P_эм(t)/∂θ(t);

- если непосредственные измерения угла нагрузки СМ или электрической угловой скорости вращения ротора ω отсутствуют, для определения синхронизирующей мощности СМ необходимо предварительно рассчитать угол нагрузки СМ с использованием данных, хранящихся в блоке хранения проектных и экспериментальных параметров СМ по следующей формуле:

При этом учет насыщения магнитной цепи осуществляется для известных значений тока нагрузки и тока возбуждения в текущий момент времени (способ 2);

- если измерения параметров работы возбуждения отсутствуют, определение синхронизирующей мощности выполняется без учета непостоянства значений параметров и их зависимости от нагрузки и тока возбуждения (способ 3).

Таким образом, определив угол нагрузки синхронной машины, можно определить синхронизирующую мощность для любого момента времени. По зависимости Р_см(t), в свою очередь, можно оценивать качество работы системных регуляторов.

Вход блока 4 соединен с выходами блоков 2 и 3.

На выход блока 4 подается значение рассчитанной синхронизирующей мощности СМ.

Значение рассчитанной синхронизирующей мощности СМ подается на вход блока 5 - выходного регистратора, содержащего человеко-машинный интерфейс. Полученная информация о синхронизирующей мощности СМ может быть использована диспетчером как для решения задач оперативного диспетчерского управления ЭЭС, так и задач противоаварийного управления.

Работоспособность предлагаемого технического решения подтверждена результатами испытаний.

В качестве практического примера было оценено участие турбогенератора номинальной мощностью 800 МВт в демпфировании низкочастотных колебаний, произошедших во время технологического инцидента [3]. Так как регистратором СМПР измерялись только токи и напряжения обмоток статора, расчеты выполнялись без учета непостоянства значений параметров СМ и их зависимости от нагрузки и тока возбуждения (в соответствии со способом 3).

Для иллюстрации работы системы на фиг. 2 представлены полученные зависимости активной мощности генератора от его угла нагрузки.

График активной мощности генератора Р_г в данном инциденте приведен на фиг. 2а. На фиг. 2б приведены полученные зависимости активной мощности генератора от угла его нагрузки θ по одному циклу НЧК для указанных интервалов.

На интервалах по 10 секунд (8 циклов НЧК), обозначенных на фиг. 2а, определялись следующие величины:

$${Р}_{г}^{ср}$$ - среднее значение мощности генератора;

$${Р}_{г}^{мин}$$ - минимальное значение мощности генератора;

$${Р}_{г}^{макс}$$ - максимальное значение мощности генератора;

θ^ср - среднее значение угла нагрузки генератора;

θ^мин - минимальное значение угла нагрузки генератора;

θ^макс - максимальное значение угла нагрузки генератора;

$${Р}_{синх.уд}^{ср}$$ ^- среднее значение удельной синхронизирующей мощности;

$${Р}_{синх.уд}^{мин}$$ - минимальное значение удельной синхронизирующей мощности;

$${Р}_{синх.уд}^{макс}$$ - максимальное значение удельной синхронизирующей мощности.

Результаты расчетов приведены в табл. 1.

Средняя удельная синхронизирующая мощность характеризует количество энергии, прилагаемое генератором на демпфирование колебательного процесса. Из табл.1 видно, что наименьшая величина $${Р}_{синх.уд}^{ср}=\mathrm{26,15}МВт/град$$ имела место при наибольшей амплитуде низкочастотных колебаний. После разгрузки генератора ее величина увеличилась до 34,82 МВт/град и перед затуханием достигла величины 41,06 МВт/град.

Оценка влияния допущений, принятых в расчете без учета непостоянства значений параметров СМ и их зависимости от нагрузки и тока возбуждения, выполнена в среде MATLAB на модели двухрайонной системы, представленной в главе 12 «Power System Stability and Control» [4]. В качестве примера из работы были выведены PSS генераторов 1, 2, 4, в результате чего наблюдаются затухающие НЧК активной мощности генераторов амплитудой до 50 МВт и частотой 0,55 Гц. На фиг. 3а приведен график НЧК активной мощности Р_г, зафиксированной на генераторе 3. На фиг. 3б приведена зависимость активной мощности Р_г генератора 3 от значений угла нагрузки генератора θ, полученных в результате измерения (способ 1) и расчета (способ 3). Результаты расчетов приведены в табл. 2.

Из табл.2 видно, что допущения, принятые в способе 3, для модели приводят к увеличению амплитуды колебаний угла нагрузки генератора и снижению удельной синхронизирующей мощности. В то же время характер процесса при этом сохраняется, что позволяет выполнить оценочный анализ.

Таким образом, представленный для иллюстрации пример работы подтверждает, что предлагаемая система позволяет определять величину синхронизирующей мощности, развиваемой СМ в процессе демпфирования колебаний.

Реализация предлагаемого технического решения может быть осуществлена с использованием современных цифровых средств обработки и вычислений сигналов.

В качестве цифровых регистраторов параметров электрического режима могут быть использованы штатные многофункциональные измерительные преобразователи систем WAMS или СМПР [1], обеспечивающие преобразование и векторную обработку сигналов. В качестве выходного регистратора, содержащего человеко-машинный интерфейс, может быть использован терминал АС СИ СМПР (Автоматизированной системы сбора информации СМПР). Таким образом, блоки определения наличия и параметров и участников низкочастотных колебаний могут быть введены в состав системы мониторинга переходных режимов ЭЭС.

Источники информации

1. Могилко Р.Н.: Система мониторинга переходных режимов для объектов РАО «ЕЭС России», журнал «Энергетик», 7/2006.

2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: учеб. для студентов вузов, обучающихся по направлению подгот. дипломиров. специалистов "Электротехника, электромеханика и электротехнологии": в 2 т. / А.В. Иванов-Смоленский. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МЭИ, 2004.

3. Оценка участия синхронного генератора в демпфировании низкочастотных колебаний по данным синхронизированных векторных измерений. А.С. Берлин, А.С. Герасимов, Ю.П. Захаров, П.Ю. Коваленко, А.Н. Мойсейченков. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Энергетика», 2013. - Том 13. - №2.

4. P.S. Kundur. «Power System Stability and Control»: McGraw-Hill Professional, 1994. - 1176.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - определение в режиме реального времени в контролируемой точке электроэнергетической системы (ЭЭС) синхронизирующей мощности (СМ), представляющей реакцию на возникновение колебательного процесса для последующего принятия диспетчером или соответствующей автоматикой мер воздействия по устранению этих колебаний. Система включает цифровой регистратор параметров электрического режима и параметров, установленный в контролируемой точке энергосистемы; комплекс вычислительных средств и выходной регистратор, содержащий человеко-машинный интерфейс. Комплекс вычислительных средств содержит расчетно-аналитический блок, который включает блок контроля состава измерений, поступающих от цифрового регистратора параметров электрического режима и параметров работы СМ, вход которого соединен с выходом цифрового регистратора параметров электрического режима и параметров работы СМ; блок хранения проектных и экспериментальных параметров и характеристик СМ, вход которого соединен с одним из выходов блока контроля состава измерений, поступающих от цифрового регистратора параметров электрического режима и параметров работы СМ; блок расчета синхронизирующей мощности СМ на основе параметров электрического режима и параметров работы машины, входы которого соединены с одним из выходов блока контроля состава измерений, поступающих от цифрового регистратора параметров электрического режима и параметров работы СМ, и выходом блока хранения проектных и экспериментальных параметров и характеристик СМ, а выход соединен со входом выходного регистратора, содержащего человеко-машинный интерфейс и отображающего информацию о рассчитанной синхронизирующей мощности. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Система определения синхронизирующей мощности синхронной машины (СМ) в энергосистемах переменного тока, содержащая цифровой регистратор параметров электрического режима и параметров работы синхронной машины, установленный в контролируемой точке энергосистемы; комплекс вычислительных средств и выходной регистратор, содержащий человеко-машинный интерфейс, отличающаяся тем, что комплекс вычислительных средств содержит расчетно-аналитический блок, который включает блок контроля состава измерений, поступающих от цифрового регистратора параметров электрического режима и параметров работы синхронной машины; блок хранения проектных и экспериментальных параметров и характеристик синхронной машины, вход которого соединен с одним из выходов блока контроля состава измерений, поступающих от цифрового регистратора параметров электрического режима и параметров работы синхронной машины; блок расчета синхронизирующей мощности синхронной машины на основе параметров электрического режима и параметров работы машины, входы которого соединены с одним из выходов блока контроля состава измерений, поступающих от цифрового регистратора параметров электрического режима и параметров работы синхронной машины, и выходом блока хранения проектных и экспериментальных параметров и характеристик синхронной машины, а выход соединен с входом выходного регистратора, отображающего информацию о рассчитанной синхронизирующей мощности.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве цифрового регистратора параметров электрического режима используется штатный многофункциональный измерительный преобразователь системы мониторинга переходных режимов электроэнергетической системы, а в качестве выходного регистратора, содержащего человеко-машинный интерфейс, используется центр регистрации системы мониторинга переходных режимов электроэнергетической системы.