СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИГНАЛИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОСЕТЬЮ, СВЯЗЫВАЮЩЕЙ МНОЖЕСТВО ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ Российский патент 2018 года по МПК H02J3/12 H02J13/00 

Настоящее изобретение относится к способу и к устройству для сигнализации и управления энергосетью, связывающей множество исполнительных механизмов для обеспечения сигналов мощности.

В энергосетях, таких как сети распределения энергии с высоким внедрением исполнительных механизмов, подобных возобновляемым источникам энергии, является сложной задачей удовлетворение требований к качеству для электроэнергии, в частности, удовлетворение пределов напряжения и перегрузок силовых компонентов, таких как трансформаторы или линии питания.

Управление такими сетями является сложной задачей, поскольку парадигма управления изменилась от небольшого количества крупных генераторов к множеству локальных малых генераторов, например гальванических генераторов, биогазовых генераторов или небольших ветровых турбин. Эти генераторы слабее соединены, и из-за их большого количества трудно реализовать скоординированное управление и требуемую связь.

Для управления энергосетями обычно могут быть использованы модели на основе схем управления. При этом зависимость напряжения узлов в энергосети от переменных управления, т.е. реактивной и активной мощности, определяется на основе электрических свойств энергосети. Эти электрические свойства либо измеряют, либо получают путем моделирования. Получение точной модели, особенно для распределительных сетей, которые являются обширными по своим размерам, является невыгодным ввиду высоких затрат и трудности поддержки.

В большинстве традиционных схем управления используются выделенные каналы связи. Например, могут быть использованы каналы мобильной связи, такие как 2G, 3G или 4G, WiMAX, или проводная связь, например, цифровой абонентский шлейф (DSL) или связь по линиям питания (PLC). Кроме того, сигнализация в энергосистемах достигается также с помощью так называемых коммуникационных систем управления нагрузкой. В этих системах используются сигналы высокой мощности на частотах в диапазоне от 100 Гц до 2 кГц, чтобы информировать нагрузки о переключении между различными тарифами или для управления переключением нагрузок. Но эти связи являются только однонаправленными от точки ввода энергосети к нагрузкам, в частности, широковещательной передачей. Таким образом, это не может быть использовано для сигнализации проблем с напряжением между исполнительными механизмами в энергосети.

Соответственно, задачей настоящего изобретения является предоставление улучшенной сигнализации и управления в энергосети.

В соответствии с первым аспектом предложен способ для сигнализации и управления в энергосети, связывающей множество исполнительных механизмов для обеспечения сигналов мощности. На первом этапе в первом исполнительном механизме из исполнительных механизмов обнаруживается проблема с напряжением, генерируется сигнал связи на основе обнаруженной проблемы с напряжением, и сгенерированный сигнал связи передается через энергосеть. На втором этапе во втором исполнительном механизме из исполнительных механизмов принимается переданный сигнал связи, генерируется управляющее действие на основе принятого сигнала связи, и сгенерированное управляющее действие передается через энергосеть к первому исполнительному механизму.

При этом управляющее действие генерируется на основе или как функция от принятого сигнала связи. Таким образом, первый исполнительный механизм может прозрачным образом использовать помощь второго исполнительного механизма или устройства, связанного со вторым исполнительным механизмом, образуя общий узел в энергосети.

В результате, предпочтительным образом становится возможным децентрализованное управление. Таким образом, никакой дополнительный центральный блок управления не требуется.

Кроме того, не требуется информации о топологии. Кроме того, путем создания управляющего действия в зависимости от сигнала связи, в частности, от амплитуды сигнала связи, возможно оптимальное использование реактивной и/или активной мощности в энергосети.

Таким образом, настоящая схема управления может также называться самоорганизующейся схемой управления. Кроме того, настоящий сигнал связи может быть также назван сигналом сигнализации, в частности, потому, что он используется для сигнализации проблемы с напряжением к связанным исполнительным механизмам или узлам.

В настоящем способе, зависимость управляющего действия от проблемы с напряжением и, следовательно, сигналом связи может быть обнаружена онлайн во втором исполнительном механизме. Таким образом, настоящая схема управления может также называться свободной от модели схемой управления, где, в качестве примера, только аналоговое значение для сообщения степени проблемы с напряжением должно быть передано от первого исполнительного механизма ко второму исполнительному механизму. Ввиду передачи только одного аналогового значения, не может произойти никаких нарушений диапазона напряжения. Кроме того, никакой выделенный канал связи не должен быть использован для передачи настоящего сигнала связи, потому что он может быть непосредственно передан по энергосети.

Исполнительные механизмы, связанные посредством энергосети, могут включать в себя инверторы, соединенные с генераторами и потребителями, где активная и/или реактивная мощность может быть управляемой, например, фотогальваническими генераторами, аккумуляторными системами, такими как стационарные батареи или батареи для электромобилей, или ветровыми турбинами, другими генераторами и потребителями, которые могут управлять активной мощностью, например, устаревшими генераторами, теплоэлектроцентралями, биогазовыми генераторами, потребителями с переменной мощностью и/или коммутационным оборудованием, в том числе трансформаторами с управляемыми переключениями отводов.

Сгенерированное управляющее действие может включать в себя ввод активной мощности, например, тока, в энергосеть, ввод реактивной мощности в энергосеть и/или переключение отвода трансформатора.

Согласно некоторым реализациям, сигнал связи имеет частоту, близкую к номинальной частоте или основной частоте энергосети. Преимущество использования такого сигнала связи состоит в том, что уровень принимаемого сигнала пропорционален импедансу сети, воспринимаемому исполнительным механизмом (вторым исполнительным механизмом). Импеданс сети является коэффициентом пропорциональности с величиной, в которой принимающий исполнительный механизм может влиять на напряжение в передающем исполнительном механизме с использованием реактивной и активной мощности. Таким образом, узел или исполнительный механизм, имеющий проблему с напряжением, управляет помощью, которую он получает от других исполнительных механизмов, автоматически пропорционально с тем, насколько эти исполнительные механизмы могут влиять на напряжение в его соединении с энергосетью.

В соответствии с вариантом осуществления, управляющее действие генерируется таким образом, что его амплитуда является функцией амплитуды принимаемого сигнала связи.

В частности, сигнал связи передается через энергосеть и имеет частоту, близкую к основной частоте энергосети. Преимущество использования такого сигнала состоит в том, что уровень принимаемого сигнала связи пропорционален импедансу сети, воспринимаемому принимающим исполнительным механизмом, т.е. импедансу сети, который является коэффициентом пропорциональности с величиной, в которой принимающий исполнительный механизм может влиять на напряжение на передающем исполнительном механизме, с использованием реактивной и активной мощности. Таким образом, исполнительный механизм, в котором появляется проблема с напряжением, управляет помощью, которую он получает от другого исполнительного механизма или других исполнительных механизмов, автоматически пропорционально с тем, насколько эти исполнительные механизмы, принимающие сигнал связи, могут оказывать влияние на напряжение в его соединении.

Согласно другому варианту осуществления, управляющее действие генерируется таким образом, что его амплитуда пропорциональна амплитуде принимаемого сигнала связи.

Согласно другому варианту осуществления, управляющее действие генерируется в исполнительном механизме таким образом, что выполняется следующее равенство:

причем обозначает амплитуду генерируемого сигнала связи в первом исполнительном механизме,

причем обозначает амплитуду принимаемого сигнала связи во втором исполнительном механизме,

причем обозначает амплитуду генерируемого управляющего действия во втором исполнительном механизме, и

причем обозначает амплитуду принимаемого управляющего действия в первом исполнительном механизме.

С помощью приведенного выше равенства, оказывающий помощь исполнительный механизм может прозрачным образом помогать исполнительному механизму, запрашивающему помощь.

В соответствии с другим вариантом осуществления, в по меньшей мере двух вторых исполнительных механизмах из множества исполнительных механизмов принимается передаваемый сигнал связи, генерируется соответствующее управляющее действие на основе соответствующего принятого сигнала связи, и соответствующее сгенерированное управляющее действие передается через энергосеть к первому исполнительному механизму.

В частности, множество исполнительных механизмов могут оказывать помощь исполнительному механизму, запрашивающему помощь посредством сигнала связи, с использованием различных управляющих действий. Управляющие действия множества вторых исполнительных механизмов различны, поскольку они принимают различный уровень сигнала связи в энергосети, соответственно.

В соответствии с другим вариантом осуществления, сигнал связи представляет собой ток, вводимый в энергосеть посредством первого исполнительного механизма.

Сигнал связи модулирует сигналы мощности.

В соответствии с другим вариантом осуществления, сигнал связи генерируется таким образом, что ток имеет частоту, которая пропорционально связана с основной частотой сигналов мощности, передаваемых исполнительными механизмами по энергосети.

В соответствии с другим вариантом осуществления, сигнал связи генерируется таким образом, что ток является гармоникой основной частоты сигналов мощности, передаваемых исполнительными механизмами по энергосети.

Является выгодным использовать гармоники сигнала мощности для сигнала связи, потому что основная частота или основная составляющая (50 Гц) присутствует во всех узлах (исполнительных механизмах) с одинаковой частотой и может быть использована для обеспечения синхронизации для связи.

В соответствии с другим вариантом осуществления, сигнал связи генерируется таким образом, что ток является четной гармоникой, в частности, второй гармоникой основной частоты сигналов мощности, передаваемых исполнительными механизмами по энергосети.

Четные гармоники по существу свободны от помех и только влияют на фоновый шум приблизительно 0,06%. Кроме того, связь может быть синхронизирована посредством основной составляющей (50 Гц), которая имеет ту же частоту повсюду в сети. Кроме того, соответствующие нормы допускают до 2% амплитуды сигнала, что является достаточным для детектирования в исполнительных механизмах. Показано, что уровень четных гармоник очень низкий, в то время как уровень нечетных гармоник может быть значительным (см. ссылку [2]).

В соответствии с другим вариантом осуществления, сигнал связи генерируется таким образом, что ток является интер- гармоникой основной частоты сигналов мощности, передаваемых исполнительными механизмами по энергосети.

Кроме того, возможно использование интергармоник, например, 3/4 основной частоты или 4/5 основной частоты. Модуляция и особенно демодуляция может быть более сложной с использованием интергармоник. Преимущество гармоник заключается в том, что в один период основной частоты целое число периодов гармоник может передаваться и детектироваться. Синхронизация передачи и детектирования может быть реализована в начале периода основной частоты. В случае интергармоник любые несколько периодов основной частоты должны быть использованы для передачи, в качестве альтернативы, могут передаваться полные периоды интергармоник. В первом случае должна быть реализована синхронизация пакетов. Во втором случае, детектирование может быть искажено.

В соответствии с другим вариантом осуществления, сигнал связи модулируется посредством амплитудной (On/Off – включение/выключение) манипуляции.

Использование амплитудной манипуляции, On/Off-модуляции или альтернативной схемы временного множественного доступа облегчает передачу сильных сигналов, а также детектирование возможных помех на тех же гармониках. Кроме того, пока нормы на среднее RMS (среднеквадратичное) значение удовлетворены путем детектирования и компенсации помех, надежность всей системы может быть увеличена. Кроме того, оценка количества передатчиков в энергосети может быть облегчена, в частности, путем оценки количества занятых сегментов в одном периоде передачи.

Согласно еще одному варианту, модулированный сигнал связи синхронизируется с основной частотой сигналов мощности.

Основная частота или основная составляющая сигналов мощности используется для синхронизации связи, в частности, сигналов связи. Основная составляющая имеет ту же частоту, на всех узлах энергосети, и разности фаз очень малы, в частности, в распределительных сетях. Следовательно, в случае нескольких передатчиков, сигналы стремятся суммироваться в фазе, а также может быть реализована синхронизация амплитудной манипуляции. Таким образом, облегчается передача фазы от различных передатчиков. Без этой синхронизации может произойти то, что сигналы от различных передатчиков компенсируют друг друга. Детектирование фазы передаваемых сигналов возможно потому, что основная составляющая может действовать в качестве фазовой опоры. Кроме того, облегчается временное разделение периода передачи, который используется в амплитудной манипуляции.

Согласно другому варианту осуществления, пока проблема с напряжением обнаруживается на первом исполнительном механизме, сигнал связи генерируется на основе обнаруженной проблемы с напряжением и передается через энергосеть в каждом периоде передачи, причем период передачи включает в себя N периодов основной частоты сигналов мощности, при N≥2.

До тех пор, пока проблема с напряжением сохраняется на первом исполнительном механизме, сигнал связи передается через энергосеть. Сигнал связи, передаваемый через энергосеть, может изменяться по своему уровню с течением времени. Изменение уровня зависит от уровня обнаруживаемой проблемы с напряжением.

В соответствии с другим вариантом осуществления, следующие этапы выполняются в первом исполнительном механизме:

- детектирование основной частоты сигналов мощности,

- детектирование периода передачи с N сегментами передачи,

- выбор одного сегмента передачи в N сегментах передачи для передачи сигнала связи,

- вычисление амплитуды тока сигнала связи на основании обнаруженной проблемы с напряжением и

- ввод тока с вычисленной амплитудой и частотой второй гармоники основной частоты сигналов мощности в выбранном сегменте передачи в энергосеть.

Любой вариант осуществления первого аспекта может быть объединен с любым из вариантов осуществления первого аспекта, чтобы получить другой вариант осуществления первого аспекта.

В соответствии со вторым аспектом, изобретение относится к компьютерному программному продукту, содержащему программный код для сигнализации и управления в энергосети, связывающей множество исполнительных механизмов, обеспечивающих сигналы мощности, при исполнении на по меньшей мере одном компьютере.

Компьютерный программный продукт, подобно компьютерному программному средству, может быть выполнен в виде карты памяти, USB-карты памяти, CD-ROM, DVD или в виде файла, который может быть загружен с сервера в сети. Например, это может быть обеспечено путем передачи соответствующего файла с компьютерным программным продуктом из сети беспроводной связи.

В соответствии с третьим аспектом, предложено устройство для сигнализации и управления энергосетью, связывающей множество исполнительных механизмов, предоставляющих сигналы мощности. Устройство включает в себя первый объект и второй объект. Первый субъект может связываться с первым исполнительным механизмом из исполнительных механизмов и сконфигурирован для генерации сигнала связи на основе обнаруженной проблемы с напряжением и передачи сгенерированного сигнала связи по энергосети.

Второй объект может связываться с вторым исполнительным механизмом из исполнительных механизмов и сконфигурирован для приема переданного сигнала связи, генерации управляющего действия на основе принятого сигнала связи и для передачи сгенерированного управляющего действия по энергосети к первому исполнительному механизму.

Устройство может быть автоматически конфигурируемым (plug-and-play) устройством, которое может связываться с любым исполнительным механизмом в энергосети. Таким образом, конфигурация очень проста и не требует экспертного знания.

Соответствующие средства, например первого объекта и второго объекта, могут быть реализованы в аппаратных средствах и/или в программном обеспечении. Если упомянутые средства реализованы в аппаратных средствах, это может быть воплощено как устройство, например, компьютер или как процессор или как часть системы, например компьютерной системы. Если упомянутые средства реализованы в программном обеспечении, это может быть реализовано как компьютерный программный продукт, как функция, как подпрограмма, как программный код или как исполняемый объект.

Согласно четвертому аспекту, предложена энергосеть, которая связывает множество исполнительных механизмов для предоставления сигналов мощности. Каждый из множества исполнительных механизмов включает в себя устройство вышеупомянутого третьего аспекта.

Другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из нижеследующего описания и зависимых пунктов формулы изобретения во взаимосвязи с приложенными чертежами, на которых:

Фиг. 1 показывает вариант осуществления последовательности этапов способа для сигнализации и управления в энергосети, связывающей множество исполнительных механизмов;

Фиг. 2 показывает первый пример представления энергосети;

Фиг. 3 показывает первый пример представления энергосети;

Фиг. 4 показывает диаграмму, иллюстрирующую основную частоту энергосетей и некоторые гармоники;

Фиг. 5 показывает временной график амплитуды второй гармоники согласно фиг. 4;

Фиг. 6 показывает временной график амплитуды третьей гармоники согласно фиг. 4;

Фиг. 7 показывает временной график амплитуды четвертой гармоники согласно фиг. 4;

Фиг. 8 показывает временной график амплитуды пятой гармоники согласно фиг. 4;

Фиг. 9 показывает представление операции передачи сигналов связи;

Фиг. 10 показывает представление сигнала, выбранного для детектирования; и

Фиг. 11 показывает вариант осуществления устройства для сигнализации и управления в энергосети, соединяющей множество исполнительных механизмов.

На чертежах одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые или функционально эквивалентные элементы, если не указано иное.

На фиг. 1 показан первый вариант осуществления последовательности этапов способа для сигнализации и управления в энергосети G (см. фиг. 2 или 3), связывающей множество исполнительных механизмов A, B, C для обеспечения сигналов мощности.

На этапе 101 в исполнительном механизме B из исполнительных механизмов A, B, C обнаруживается проблема с напряжением. В случае, когда обнаруживается проблема с напряжением, сигнал I_В связи, основанный на обнаруженной проблеме с напряжением, генерируется в исполнительном механизме В. Затем сгенерированный сигнал I_В связи передается по энергосети G посредством исполнительного механизма В. В этом отношении, фиг. 2 и 3 показывают простые представления энергосети G. На фиг. 2, 3 Тх указывает передающий узел, в данном случае B, где Rx обозначает принимающий узел, на фиг. 2 узел или исполнительный механизм А, на фиг. 3 узлы или исполнительные механизмы А, С

В примерах, показанных на фиг. 2 и 3, исполнительный механизм B может также называться передающим (Т_х) исполнительным механизмом или первым исполнительным механизмом, а исполнительные механизмы А и С могут также называться принимающими (R_х) или вторыми исполнительными механизмами.

Например, сигнал I_В связи является током, вводимым в электрическую сеть G посредством исполнительного механизма В. В частности, сигнал I_В связи генерируется таким образом, что ток имеет частоту, которая пропорционально связана с основной частотой сигналов мощности, передаваемых исполнительными механизмами А, В, С по энергосети G. Например, основная частота составляет 50 Гц.

В частности, сигнал I_В связи модулируется посредством амплитудной манипуляции. Кроме того, модулированный сигнал I_В связи синхронизируется основной частотой (50 Гц) сигналов мощности. Это также объясняется ниже более детально.

На этапе 102 во втором исполнительном механизме A, C из исполнительных механизмов A, B, C принимается переданный сигнал I_В связи. В ответ на прием такого переданного сигнала I_В связи, генерируется управляющее действие I_А, I_C на основе принятого сигнала I_В связи. Другими словами, существует прямая связь между принятым сигналом I_В cвязи и генерируемыми управляющими действиями I_А, I_C. Затем сгенерированное управляющее действие I_А, I_C передается вторым исполнительным механизмом A, C по энергосети G к первому исполнительному механизму В.

В частности, управляющее действие I_А, I_C генерируется так, что его амплитуда является функцией амплитуды принятого сигнала I_В связи. В частности, управляющее действие I_А, I_C генерируется так, что его амплитуда пропорциональна амплитуде принимаемого сигнала I_В связи.

В частности, управляющее действие I_А, I_В генерируется во втором исполнительном механизме A, C таким образом, что выполняется следующее равенство:

причем обозначает амплитуду генерируемого сигнала I_В связи в первом исполнительном механизме В,

причем обозначает амплитуду принимаемого сигнала I_В связи во втором исполнительном механизме А, С,

причем обозначает амплитуду генерируемого управляющего действия I_А, I_C во втором исполнительном механизме А, С, и

причем обозначает амплитуду принимаемого управляющего действия I_А, I_C в первом исполнительном механизме В.

Для случая, когда по меньшей мере два вторых исполнительных механизма А, С из множества исполнительных механизмов А, В, С принимают переданный сигнал I_В связи, как показано на фиг. 3, соответствующее управляющее действие I_А, I_C генерируется на основе соответствующего принятого сигнала I_В связи, и соответствующее сгенерированное управляющее действие I_А, I_C передается через энергосеть G по направлению к первому исполнительному механизму В. Ввиду различных импедансов Z_А, Z_АВ, Z_C в различных узлах A, C, принимаемые сигналы I_В связи также являются различными в различных узлах A, C.

Пока проблема с напряжением обнаруживается в первом исполнительном механизме B, сигнал I_В связи генерируется на основе соответствующей обнаруженной проблемы с напряжением и передается по энергосети G в каждом периоде передачи. Период передачи включает в себя N периодов основной частоты (50 Гц) сигналов мощности.

Более подробно, в примере на фиг. 2 предполагается, что существует проблема с напряжением в исполнительном механизме (узле) В. Узел В генерирует сигнал I_В связи для запроса помощи у исполнительного механизма в узле А путем ввода тока I_В. Тогда изменение напряжения, измеренное в узле А, вследствие этого тока будет равно: ΔU_A=Z_A⋅I_В.

Если приемник вводит ток, пропорциональный ΔU_A (I_А=α⋅ΔU_A) в узле А, то разность потенциалов, наблюдаемая в узле B, будет ΔU_В=Z_A⋅α⋅Z_A⋅I_В.

Изменение напряжения в узле В, который имеет проблему с напряжением, производимое исполнительным механизмом А, управляемым введенным током I_В, будет ΔU_В, пропорциональное I_В. Следовательно, исполнительный механизм в узле В может использовать прозрачным образом помощь исполнительного механизма в узле А, отклик которого пропорционален управляющей переменной I_В.

Далее, рассматривая более сложную энергосеть G с несколькими ветвями, как изображено в качестве примера на фиг. 3, можно видеть, что измеренный сигнал в узле А равен ΔU_A=(Z_А+Z_T)⋅I_В, и измеренный сигнал в узле С равен ΔU_С=(Z_T⋅I_В), меньше, чем сигнал в узле А. Но также помощь, которую может предоставить узел А, равна (Z_А+Z_T)⋅I_А, больше, чем может предоставить узел С, что равно Z_Т⋅I_С для того же вводимого тока I_В. Следовательно, узел, который может помочь в большей степени (узел A), будет первым и самым сильным, который будет предоставлять помощь. Это приводит к эффективному использованию имеющихся ресурсов управления, в частности, реактивной и активной мощности.

Как упоминалось выше, сигнал связи находится в диапазоне частот, так что импеданс энергосети на основной частоте энергосети (50 Гц) может быть выведен. На частотах, отличных от основной частоты, сетевые нормы вводят ограничения на возмущения, и связь может выполняться более надежно.

Тем не менее требуется обеспечивать то, что также с сигналом связи нормы не будут нарушены. Таким образом, использование гармоник сигналов мощности (50 Гц) является предпочтительным, потому что основная частота (50 Гц) присутствует во всех узлах с одинаковой частотой и может быть использована для обеспечения синхронизации для связи. В частности, сигнал I_В связи генерируется таким образом, что ток является гармоникой основной частоты сигналов мощности, передаваемых исполнительными механизмами А, В, С по энергосети G.

Например, в работе [1] показано, как гармоники генерируются различным оборудованием, фокусируясь на силовых электронных инверторах. Показано, что только нечетные гармоники обычно возбуждаются (третья, пятая и т.д.), в то время как, в принципе, четные гармоники (вторая, четвертая и т.д.) не генерируются. Кроме того, в работе [2] показано, что уровень четных гармоник очень низок, в то время как уровень нечетных гармоник является значительным. Это изображено на фиг. 4.

Кроме того, выполнялись измерения в распределительной сети AüW энергии, получаемой в рамках определенного проекта, а именно, проекта IRENE. Эти измерения приведены на фиг. 5-8 и подтверждают наблюдение согласно фиг. 4, а именно, что очень выгодно использовать гармоники четного порядка для сигнала связи, чтобы поддерживать свойства энергосети подобными, насколько это возможно, и избегать помех коммуникационным системам управления нагрузкой. Предпочтительно используются вторые гармоники.

Частота второй гармоники лежит ниже частот, используемых в системе управления нагрузкой. Если по каким-либо причинам вторая гармоника испытывает помехи, 4-ые гармоники также могут быть использованы. Системы управления нагрузкой не создают реальной помехи, так как их сигналы передаются редко и имеют короткую длительность.

В импедансе сети, резистивная часть является той же самой на основной частоте и на гармониках. Реактивная часть прямо пропорциональна частоте, так что реактивная часть умножается на номер гармоники по сравнению с реактивностью на основной частоте.

Как уже упоминалось выше, использование интергармоник, например, 3/4 от основной составляющей, 4/5 от основной составляющей также возможно, но модуляция и особенно демодуляция более сложны. Преимущество гармоник состоит в том, что в одном периоде основной частоты может передаваться и детектироваться целое число периодов гармоник. Синхронизация передачи и детектирования реализуется началом периода основной частоты. В случае интергармоник это не выполняется, так что либо несколько периодов основных частот должно быть использовано для передачи, либо передаются не полные периоды интергармоник. В первом случае, должна быть реализована синхронизация пакетов. Во втором случае, детектирование искажается.

Кроме того, схема амплитудной манипуляции может быть использована из передачи сигналов связи.

В норме EN 61000-3-2 (VDE 0838-2), например, описано, какие требования предъявляются к электрическим устройствам, чтобы они могли быть соединены с электросетью. В этой норме описано, какими являются максимальные токи, которые разрешены для ввода на различных гармониках сигнала мощности.

Для вторых гармоник, требуется, чтобы RMS среднее значение тока в течение 1,5 секунд было максимально равно 1,08A, и это может быть превышено максимум с 150%.

Типовой кабель, используемый в низковольтных распределительных сетях (NAVY 4x150), имеет следующие электрические свойства:

R=0,206 Ом/км

Х=0,080 Ом/км.

Ввод мощности 25 кВт на конце кабеля 1 км, приводит к увеличению напряжения (вычисленному приближенно):

ΔU=(Р/3)/U_N*R=7,2 В ≅3%

Это значение является увеличением напряжения, когда нормальные операции сети разрешается выполнять в низковольтной части распределительной сети. На этом уровне инвертор должен быть в состоянии передать детектируемый сигнал для координации управления напряжением.

Амплитуда сигнала гармоник второго порядка, которая может быть достигнута на такой линии с использованием тока 1 А, равна:

ΔU₁₀₀=I₁₀₀*(R+i2X)=0,2+i0,16 В

Этот сигнал слишком мал и может быть очень легко искажен шумом.

Решение, чтобы избежать этого ограничения, заключается в том, чтобы передавать сигнал второй гармоники лишь в течение короткого периода времени, а затем не передавать его некоторое время. Тогда RMS среднее будет меньше, чем пик, который передается.

Для синхронизации используется основная частота. Период передачи определяется как группа N периодов основной составляющей. Этот период передачи затем делится на N сегментов, причем каждый сегмент имеет длину одного периода основной составляющей. В одном сегменте передается вторая гармоника (2 периода гармоники), в то время как в других N-1 периодах сигнал не передается. Таким образом, все принимающие узлы или приемники знают, что они должны принимать в течение N периодов основной составляющей сигнала мощности (50 Гц), и если есть сигнал, он будет в одном из сегментов.

Например, рассмотрим количество N=50 сегментов длительностью примерно 20 мс, тогда период передачи будет равен 1 секунде. Если ток вводится в течение 1 сегмента, то есть 1/50 периодов времени, то может быть разрешена максимальная амплитуда 7А для вторых гармоник, и RMS значение за период будет равно 1 А.

Измеряемое напряжение сигнализации на линии длиной 1 км будет равно

ΔU_{100 ON/OFF}=I_{100 ON/OFF}*(R+i2X)=1,4+I1,12 В,

которое может очень хорошо детектироваться.

Мощность сигнала при передаче может быть равна S=abs(U*I)≅12,5 ВА, в то время как средняя мощность может быть равна 0,25 ВА, что может быть легко реализовано электронными компонентами.

Для связи, передается амплитудно-манипулированный сигнал связи, причем сигнал состоит из двух периодов вторых гармоник основной частоты.

Определения:

- Период передачи (кратко называется периодом): Период передачи состоит из N периодов основной частоты. Обработка выполняется в течение одного периода, и сигналы повторяются каждый период.

- Сегмент передачи (кратко называется сегментом): имеет длительность одного периода основной частоты. Сегмент начинается, когда основная составляющая, представленная в виде синусоиды, имеет нулевую фазу, то есть напряжение линии относительно нейтрали равно 0 и возрастает, см. представление на фиг. 6.

- Передатчик: элемент в схеме связи, который имеет проблему с напряжением и передает сигнал, чтобы управлять потенциальными исполнительными механизмами, которые могут принимать его сигнал и могут помочь скомпенсировать напряжение. В частности, передатчики определяют как ведущие. Может быть несколько передатчиков одновременно.

- Приемник: все элементы в схеме связи, которые могут помочь в проблеме с напряжением. Они также являются передатчиками. В частности, приемники называются ведомыми.

Параметры:

- N - количество сегментов в одном периоде, например N=50;

- I_100max - максимальный ток, используемый для сигнала связи, соответствующий передаче максимального значения от контроллера. Значения, необходимые для передачи, являются аналоговыми значениями между 0 и 1, и они отображаются на ток вторых гармоник между 0 и I_100max. Пример: I_100max=7 А.

Операция:

1. Каждый передатчик детектирует основную составляющую сигнала мощности, частоту и фазу.

Это детектирование используется каждым передатчиком, чтобы определять период передачи и каждый сегмент.

Отметим, что периоды могут не быть синхронными между различными передатчиками - периоды могут начинаться в разные моменты, разные кратные значения периода основной составляющей. Тем не менее, сегменты почти синхронны, будучи синхронизированными основной составляющей.

Разница между сегментами различных передатчиков и различных приемников возникает из-за фазового сдвига основной частоты между различными узлами. Тем не менее, это фазовый сдвиг является весьма ограниченным в распределительных сетях, даже в экстремальных случаях.

2. Каждый передатчик определяет период из N сегментов. Он выбирает случайным образом один сегмент, в котором он передает.

3. Перед каждой передачей, передатчик считывает из контроллера в узле значение, которое должно передаваться, значение, которое нормализовано между 0 и 1. Это значение отображается на ток между 0 и I_100max.

4. Передатчик вводит ток вторых гармоник тока в выбранный сегмент. Ток также является синусоидой, которая начинается с фазы 0 в начале сегмента.

Вышеописанная операция иллюстрируется на фиг. 9 для двух ведущих устройств, при N=5. Вертикальными более длинными линиями 901 обозначено начало периодов передачи, каждые N периодов основной составляющей, а более короткими линиями 902 – начала сегментов (одно перекрывается с началом периода). Отметим, что периоды не синхронизированы между передатчиками (ведущими). Сегменты начинаются, когда основная составляющая пересекает нулевую линию, и напряжение растет. В соответствии с верхним под-изображением на фиг. 9, первое ведущее устройство вводит ток вторых гармоник в сегмент 3, в то время как второе - в сегмент 1. Частота основной составляющей равна 50,05 Гц (отличается от номинальной частоты 50 Гц), и имеется разность фаз 3 градуса между основными составляющими. Эти очень малые различия не могут быть визуализированы на фиг. 9.

Детектирование сигнала выполняется каждым участником в сети связи, независимо от того, является ли он также одновременно передатчиком. При детектировании сигнала, полная амплитуда сигнала связи должна быть оценена, то есть в амплитудной манипуляции суммарный сигнал, передаваемый во всех сегментах, оценивается. Кроме того, вследствие проектирования таким образом, что количество сегментов существенно больше, чем количество передатчиков, помехи могут быть детектированы и удалены из сигнала, как это будет описано ниже в данном разделе.

Параметры (фиксированные, определенные для системы):

- N - количество сегментов в одном периоде, например N=50;

- М - верхняя граница числа возможных передатчиков, например, М=25. Этот параметр используется при детектировании любой непрерывной помехи с использованием того факта, что если имеется не более M передатчиков, то в N-М сегментах должна присутствовать только помеха. Даже если имеется более M передатчиков, они выбирают свои сегменты случайно, так что весьма вероятно, что многие будут перекрываться, и еще будет иметься по меньшей мере N-M сегментов, где передатчик связи не передает сигнал, и принимается только источник помехи.

ΔА_interf, Δϕ_interf - пороги, используемые при принятии решения, является ли сигнал тем же самым в разных сегментах. Например, ошибки детектирования находятся в диапазоне:

Δϕ_interf=0,1 вольт и Δϕ_interf=3 градуса.

A_sensit - чувствительность по детектированию второй гармоники, порог, используемый для принятия решения, имеется ли в сегменте полезный сигнал, который должен быть добавлен к общему сигналу связи. Не все сегменты суммируются, чтобы избегать суммирования только шума. A_sensit имеет аналогичный смысл с Δϕ_interf и может быть установлено на то же значение A_sensit=0,1 В.

Операция:

1. Каждый приемник детектирует основную составляющую сигнала мощности, амплитуду, частоту и фазу.

Этот этап такой же, как и в случае передачи, обе операции могут использовать ту же самую реализацию и процесс.

Отслеживание основной составляющей должно выполняться непрерывно, чтобы избежать ошибок из-за изменения частоты и, что более важно, распространения и увеличение фазовой ошибки из-за малых погрешностей в оценке частоты.

Необходимы по меньшей мере два периода плюс несколько выборок для компенсации разностей частот между основной и номинальной частотой. При обработке, примерно три периода основной частоты будут выбраны, начиная примерно с середины периода, см. фиг. 10. В верхнем под-изображении на фиг. 9, изображен принимаемый сигнал r, а нижнее под-изображение на фиг. 9 показывает вторые гармоники.

Для выбора периода сигнала для анализа, не требуется, чтобы точность была слишком высокой. Сам алгоритм, описанный в вышеупомянутом отчете, затем обрабатывает данные так, что ортогональность сигналов достигается наилучшим образом.

2. Детектирование сигнала связи в первом сегменте (полный период основной составляющей) выбранного сигнала.

На фиг. 10 показан случай, когда 2-ая гармоника присутствует в первом сегменте (от t≅0,01 до t≅0,02 с). Точное начало и конец сегмента вычисляются на основе частоты и фазы основной составляющей, детектированных на этапе 1.

Детектирование второй гармоники имеет два этапа:

- основная составляющая вычитается из принимаемого сигнала, чтобы устранить самую сильную помеху из детектирования,

- затем вторая гармоника детектируется способом, изложенным в вышеупомянутом отчете или с использованием простого FFT или метода Герцеля (см. ссылку [3]).

Для детектированного сегмента, амплитуда и фаза гармоники второго порядка сохраняется.

Данные из следующего периода основной составляющей собираются, и пункты 1 и 2 повторяются, пока не будут детектированы данные для N сегментов, т.е. одного периода амплитудной манипуляции.

3. Обработка амплитудной манипуляции (On/Off) с подавлением помехи.

Во-первых, проверяется, имеется ли источник помехи. Источник помехи может распознаваться, если он детектируется в нескольких сегментах с той же амплитудой и фазой, то есть он передает непрерывно, а не только в одном сегменте.

Если имеется N сегментов, и М является верхним пределом для количества передатчиков, то источник помехи должен приниматься отдельно, без наложения на передачи связи, в по меньшей мере N-М сегментах. Следовательно, он должен детектироваться с такой же (с точностью до ошибки детектирования, ΔА_interf, Δϕ_interf) амплитудой и фазой. Отметим, что если помеха и полезный сигнал накладываются в одном сегменте, то тогда этот сегмент будет иметь другую амплитуду и фазу, чем сегмент, где присутствует только источник помехи. Кроме того, если есть несколько источников помех, они будут детектироваться как источник помех с амплитудой и фазой, равной тригонометрической сумме источников помех. Это не имеет никакого влияния на детектирование схемы связи.

Если источник помехи идентифицирован, амплитуда и фаза источника помехи вычисляется как среднее детектированных амплитуд и среднее фаз в сегментах, маркированных как сегменты только с источником помехи.

Далее, сегменты с полезным сигналом идентифицируются как сегменты, где детектированная амплитуда выше предопределенного уровня шума (A_sensit), и которые не были ранее идентифицированы как сегмент только с источником помехи.

Если источник помехи был детектирован, то сигнал источника помехи вычитается из всех сегментов с полезным сигналом. При условии двух синусоидальных сигналов (модуляции связи и помехи), сумма сигналов также является синусоидальным сигналом. Сигнал связи может быть получен путем определения разности принятого синусоидального сигнала и детектированного источника помехи:

Asin(ωt+α)+Bsin(ωt+β)=

Asin(ωt+α)-Bsin(ωt+β)= Asin(ωt+α)+Bsin(ωt+β+π)

Суммарный детектированный сигнал связи вычисляется затем как сумма оцененных полезных сигналов. Сумма берется тригонометрически в соответствии с уравнением, приведенным выше.

4. Выходная нормализация.

Для входа управления принимаемый сигнал нормализуется.

Чтобы избежать формирования сигнала управления только из-за шума, сигналы, которые находятся ниже уровня шума, устанавливаются в нуль, так что выходной сигнал равен нулю.

Для управления напряжением с реактивной мощностью, выбирается только часть сигнала, зависящая от реактивности сети. Это эквивалентно мнимой части комплексного представления детектированной амплитуды и фазы.

Наконец значение нормализуется к детектированному сигналу в случае, если устройство должно передавать только полный ток I_100max, значение которого пропорционально реактивности сети. Чтобы определить это значение, устройство будет передавать сигнал связи в течение короткого периода, когда точно нет никаких проблем с напряжением.

Следующие критерии могут быть использованы, чтобы убедиться, что никакой другой сигнал связи не присутствует:

1. Детектирование выполняется, и никакой сигнал связи не детектируется.

2. Локально измеренное значение напряжения ниже заданного порога, например, U<102% от номинального значения.

Оценка сети должна выполняться регулярно, каждые несколько часов или дней.

Чтобы дополнительно избежать того, что из-за резких изменений напряжения в сети (например, в случае изменений коммутации отводов) несколько устройств связи пытаются оценивать сеть одновременно, случайные задержки должны быть реализованы таким образом, чтобы передача сигнала выполнялась спустя случайное время (например, от 1 до 1000 периодов основной частоты).

Если сигнал, оцениваемый в описанной выше процедуре, находится ниже уровня шума (A_sensit), то устройство сильно связано с сетью и не будет иметь возможности влиять на напряжение реактивной мощностью. Оно не должно участвовать в схеме управления, так что выход всегда установлен в нуль.

В противном случае, сигнал, посылаемый к контроллеру с помощью блока связи, будет реактивной частью детектированного суммарного сигнала из пункта 4, нормированной к детектированной реактивной части, когда устройство само передает с полным током.

Фиг. 11 показывает вариант осуществления устройства 10 для сигнализации и управления энергосетью G, связывающей множество исполнительных механизмов А, В, С, обеспечивающих сигналы мощности. Устройство 10 может связываться с исполнительным механизмом или узлом в энергосети G. Устройство 10 содержит первый объект 11 и второй объект 12. Следует отметить, что первый объект 11 осуществляет связь с вторыми объектами других узлов. Аналогичным образом, второй объект 12 устройства 10 на фиг. 11 осуществляет связь с первыми объектами других узлов.

Первый объект 11 сконфигурирован, чтобы генерировать сигнал CS связи в случае, когда связанный узел имеет проблему с напряжением. Тогда первый объект 11 передает сгенерированный сигнал CS связи через энергосеть G.

Второй объект 12 сконфигурирован, чтобы принимать переданный сигнал CS связи от другого узла, генерировать управляющее действие CA на основе принятого сигнала CS связи и передавать сгенерированное управляющее действие CA по энергосети G к отправителю сигнала CS связи.

Более подробно, первый объект 11 включает в себя приемник 13 для приема сигналов от сети G, в частности, напряжения U и тока I. Поскольку сигнал CS связи является током, модулирующим сигналы мощности энергосети G, он, в частности, принимается как ток I в приемнике 13. Кроме того, первый объект 11 включает в себя контроллер 14 для управления генератором 15 сигнала, который генерирует сигнал CS связи в зависимости от соответствующей обнаруженной проблемы с напряжением. Кроме того, контроллер 14 сконфигурирован, чтобы обеспечивать команду СО для генерации управляющего действия во второй объект 12.

Хотя настоящее изобретение было описано в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления, для специалиста в данной области техники очевидно, что возможны модификации во всех вариантах осуществления.

Список литературы

Использование – в области электротехники. Технический результат – повышение эффективности и надежности сигнализации и управления в энергосети. Согласно способу сигнализации и управления в энергосети, связывающей множество исполнительных механизмов для предоставления сигналов мощности, на первом этапе, в первом исполнительном механизме из исполнительных механизмов обнаруживается проблема с напряжением, генерируется сигнал связи на основе обнаруженной проблемы с напряжением, и сгенерированный сигнал связи передается по энергосети. На втором этапе, во втором исполнительном механизме из исполнительных механизмов принимается переданный сигнал связи, генерируется действие управления на основе принятого сигнала связи, и сгенерированное управляющее действие передается через энергосеть к первому исполнительному механизму. Предпочтительно, управляющее действие генерируется на основе или как функция принятого сигнала связи. Таким образом, первый исполнительный механизм может прозрачно использовать помощь второго исполнительного механизма. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ сигнализации и управления энергосетью (G), связывающей множество исполнительных механизмов (A, B, C) для обеспечения сигналов мощности, при этом способ содержит:

- в первом исполнительном механизме (B) из исполнительных механизмов (A, B, C) обнаружение (101) проблемы с напряжением, генерирование сигнала (I_B) связи на основе обнаруженной проблемы с напряжением и передачу сгенерированного сигнала (I_B) связи по энергосети (G), и

- во втором исполнительном механизме (А, С) из исполнительных механизмов (A, B, С) прием переданного сигнала (I_B) связи, генерацию управляющего действия (I_A, I_C) на основании принятого сигнала (I_B) связи и передачу сгенерированного управляющего действия (I_A, I_C) по энергосети (G) по направлению к первому исполнительному механизму (В).

2. Способ по п. 1, в котором управляющее действие (I_A, I_C) генерируется таким образом, что его амплитуда является функцией амплитуды принимаемого сигнала (I_B) связи, в частности, так, что его амплитуда пропорциональна амплитуде принимаемого сигнала (I_B) связи.

3. Способ по п. 1, в котором управляющее действие (I_A, I_C) генерируется во втором исполнительном механизме (А, С) таким образом, что выполняется следующее равенство:

причем обозначает амплитуду генерируемого сигнала связи в первом исполнительном механизме,

причем обозначает амплитуду принимаемого сигнала связи во втором исполнительном механизме,

причем обозначает амплитуду генерируемого управляющего действия во втором исполнительном механизме, и

причем обозначает амплитуду принимаемого управляющего действия в первом исполнительном механизме.

4. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере в двух вторых исполнительных механизмах (A, C) из множества исполнительных механизмов (A, B, C) принимается передаваемый сигнал (I_B) связи, соответствующее управляющее действие (I_A, I_C) генерируется на основании соответствующего принятого сигнала (I_B) связи, и соответствующее сгенерированное управляющее действие (I_A, I_C) передается по энергосети (G) в направлении первого исполнительного механизма (B).

5. Способ по п. 1, в котором сигнал (I_B) связи представляет собой ток, вводимый в энергосеть (20) первым исполнительным механизмом (B).

6. Способ по п. 5, в котором сигнал (I_B) связи генерируется таким образом, что ток имеет частоту, которая пропорционально связана с основной частотой сигналов мощности, передаваемых исполнительными механизмами (A, B, C) по энергосети (G).

7. Способ по п. 5, в котором сигнал (I_B) связи генерируется таким образом, что ток является гармоникой основной частоты сигналов мощности, передаваемых исполнительными механизмами (А, В, С) по энергосети (G).

8. Способ по п. 5, в котором сигнал (I_B) связи генерируется таким образом, что ток является четной гармоникой, в частности, второй гармоникой основной частоты сигналов мощности, передаваемых исполнительными механизмами (A, B, C) по энергосети (G).

9. Способ по п. 5, в котором сигнал (I_B) связи генерируется таким образом, что ток является интергармоникой основной частоты сигналов мощности, передаваемых исполнительными механизмами (А, В, С) по энергосети (G).

10. Способ по п. 6, в котором сигнал (I_B) связи генерируется таким образом, что ток является гармоникой основной частоты сигналов мощности, передаваемых исполнительными механизмами (А, В, С) по энергосети (G).

11. Способ по п. 6, в котором сигнал (I_B) связи генерируется таким образом, что ток является четной гармоникой, в частности, второй гармоникой основной частоты сигналов мощности, передаваемых исполнительными механизмами (A, B, C) по энергосети (G).

12. Способ по п. 6, в котором сигнал (I_B) связи генерируется таким образом, что ток является интергармоникой основной частоты сигналов мощности, передаваемых исполнительными механизмами (А, В, С) по энергосети (G).

13. Способ по любому из пп. 1-12, в котором сигнал (I_B) связи модулируется посредством амплитудной манипуляции.

14. Способ по п. 13, содержащий синхронизацию модулированного сигнала (I_B) связи посредством основной частоты сигналов мощности.

15. Способ по п. 13, в котором, если проблема с напряжением обнаружена в первом исполнительном механизме (B), сигнал (I_B) связи генерируется на основе обнаруженной проблемы с напряжением и передается по энергосети (G) в каждом периоде передачи, причем период передачи включает в себя N периодов основной частоты сигналов мощности.

16. Способ по п. 15, содержащий:

- детектирование основной частоты сигналов мощности,

- определение периода передачи с N сегментами передачи,

- выбор одного сегмента передачи в N сегментах передачи для передачи сигнала связи,

- вычисление амплитуды тока сигнала связи на основании обнаруженной проблемы с напряжением и

- ввод тока с вычисленной амплитудой и частотой второй гармоники основной частоты сигналов мощности в выбранном сегменте передачи в энергосеть.

17. Носитель с программным кодом, реализуемым компьютером для выполнения способа по любому из пп. 1-16.

18. Устройство (10) для сигнализации и управления энергосетью (G), связывающей множество исполнительных механизмов (A, B, C), обеспечивающих сигналы мощности, причем устройство (10) содержит:

первый объект (11), имеющий возможность связи с первым исполнительным механизмом из исполнительных механизмов и сконфигурированный, чтобы генерировать сигнал (CS) связи, основанный на обнаруженной проблеме с напряжением, и передавать сгенерированный сигнал (CS) связи по энергосети (G), и

второй объект (12), имеющий возможность связи со вторым исполнительным механизмом из исполнительных механизмов и сконфигурированный, чтобы принимать передаваемый сигнал (CS) связи, генерировать управляющее действие (CA) на основании принятого сигнала (CS) связи и передавать сгенерированное управляющее действие (CA) по энергосети (G) в направлении первого исполнительного механизма.