Устройство для выявления источника колебаний частоты и мощности Российский патент 2020 года по МПК H02J3/24 

Область техники

Изобретение относится к информационно-измерительной технике в энергетике и может быть использовано в устройствах мониторинга работоспособности системных регуляторов в части систем автоматического регулирования (САР) турбин генераторов электрических станций и в системах мониторинга переходных режимов.

Уровень техники

Развитие электроэнергетических систем в Российской Федерации идет по пути объединения на параллельную работу энергосистем, мощных электростанций и крупных потребителей электроэнергии, расположенных на обширных территориях, связанных протяженными линиями электропередачи, с организацией централизованного оперативно-диспетчерского управления. Однако, в некоторых субъектах Российской Федерации все ещё существуют, в основном, в силу географических и климатических особенностей, а также неравномерной плотности населения, изолированно работающие энергорайоны или энергорайоны, обладающие относительно слабыми связями с ЕЭС России и периодически выделяющиеся на изолированную от ЕЭС России работу.

Несмотря на это, существующие в Российской Федерации требования, определяемые нормативными документами к качеству регулирования частоты, а следовательно, и к САР турбин электрических станций, едины для всех генерирующих энергообъектов. Как показали некоторые исследования [1], указанные требования способствуют повышению быстродействия САР турбин, что, как показывает практика, в специфических условиях работы электрических станций в изолированных районах сопоставимой с ними мощности может приводить к развитию незатухающих колебаний частоты и мощности, вызывающих срабатывание частотной автоматики и последующее отключение потребителей.

Таким образом, корректное функционирование САР турбин электрических станций, работающих на изолированные от ЕЭС России энергорайоны, или энергорайоны, периодически выделяющиеся на изолированную от крупных энергообъединений работу, является необходимым условием сохранения непрерывного электроснабжения потребителей.

Известно устройство для выявления источника синхронных колебаний (RU 2508591 C1, H02J 3/24, 27.02.2014).

Устройство содержит датчики действующего значения напряжения и реактивной мощности синхронного генератора, корреляторы для определения коэффициентов взаимной корреляции, блок задержки времени и анализирующее устройство. Сигнал на выходе анализирующего устройства появляется в случае, когда один из синхронных генераторов является источником синхронных колебаний в энергосистеме или межмашинных колебаний в группе генераторов одной электростанции.

Известна система мониторинга автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) и систем возбуждения (СВ) генераторов (RU 132637 U1, H02J 3/24, H02J 13/00 20.09.2013), которая выполняет контроль работоспособности устройств АРВ и 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).

Однако, указанные устройство для выявления источника синхронных колебаний и система мониторинга позволяют определить источник синхронных колебаний режимных параметров только в том случае, если причиной возникновения колебаний является некорректная работа АРВ и СВ синхронных генераторов электрических станций, но не позволяют идентифицировать неправильную работу САР турбин генераторов электрических станций.

Устройство для выявления источника синхронных колебаний принимается за прототип.

Сущность изобретения

Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание устройства для выявления источника возникновения незатухающих колебаний частоты и мощности, вызванных некорректной работой САР турбин генераторов электрических станций, т.е. определение генератора и турбины, неправильная или неэффективная настройка регулятора скорости которой является причиной их возникновения или развития.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для выявления источника колебаний частоты и мощности, как и прототип, содержит для синхронного генератора: измерительные датчики и анализирующее устройство.

В отличие от прототипа предлагаемое устройство содержит:

- блок определения спектральных составляющих активной мощности;

- блок определения спектральных составляющих частоты напряжения статора;

- компаратор амплитуд для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих активной мощности;

- компаратор амплитуд для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих частоты напряжения статора;

- компаратор частот для выявления i-й спектральной составляющей сигнала частоты напряжения статора и j-й спектральной составляющей сигнала активной мощности, для которых частоты равны;

- логический блок, выполняющий проверку соответствия амплитуды i-й спектральной составляющей сигнала частоты напряжения статора максимальной амплитуде спектральных составляющих частоты напряжения статора и проверку соответствия амплитуды j-й спектральной составляющей сигнала активной мощности максимальной амплитуде спектральных составляющих активной мощности.

Измерительными датчиками являются датчик активной мощности и датчик частоты напряжения статора, подсоединенные к клеммам синхронного генератора. К выходу датчика активной мощности присоединен блок определения спектральных составляющих активной мощности, а к выходу датчика частоты напряжения статора присоединен блок определения спектральных составляющих частоты напряжения статора. Первый выход блока определения спектральных составляющих активной мощности соединен с компаратором амплитуд для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих активной мощности, второй выход соединен с компаратором частот, а третий - с анализирующим устройством. Первый выход блока определения спектральных составляющих частоты напряжения статора соединен с компаратором амплитуд для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих частоты напряжения статора, второй выход соединен с компаратором частот, а третий - с анализирующим устройством. К выходам компаратора амплитуд для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих активной мощности, компаратора амплитуд для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих частоты напряжения статора и компаратора частот присоединен логический блок, выход которого соединен с анализирующим устройством, причем сигнал на выходе анализирующего устройства появляется в случае, когда САР турбины синхронного генератора является источником незатухающих колебаний частоты и мощности в энергосистеме.

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

Краткое описание чертежей

На блок-схеме заявляемого устройства для выявления источника колебаний частоты и мощности обозначены: 1 - датчик активной мощности; 2 - датчик частоты напряжения статора; 3 - блок определения спектральных составляющих активной мощности; 4 - блок определения спектральных составляющих частоты напряжения статора; 5 - компаратор амплитуд для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих активной мощности; 6 - компаратор амплитуд для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих частоты напряжения статора; 7 - компаратор частот для выявления i-й спектральной составляющей сигнала частоты напряжения статора и j-й спектральной составляющей сигнала активной мощности, для которых частоты равны; 8 - логический блок; 9 - анализирующее устройство.

Осуществление изобретения

К клеммам синхронного генератора Г₁ подсоединены датчики 1 и 2. Выходы датчиков 1 и 2 подключены соответственно к блокам 3 и 4.

В блоках 3 и 4 реализуется метод Прони спектрального разложения сигналов [2], при котором определяются все параметры спектральных составляющих сигналов активной мощности и частоты напряжения статора синхронного генератора: амплитуды A_P1, А_P2, ..., А_Pk, A_f1, А_f2, ..., А_fk, частоты f_P1, f_P2, ..., f_Pk, f_f1, f_f2, ..., f_fk, а также фазы φ_P1, φ_P2, …, φ_Pk, φ_f1, φ_f2, …, φ_fk. При этом в блоке 3 определяются спектральные составляющие активной мощности, в блоке 4 определяются спектральные составляющие частоты напряжения статора.

Для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих активной мощности используется компаратор амплитуд 5, для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих частоты напряжения статора используется компаратор амплитуд 6. Компаратор частот 7 используется для выявления i-й спектральной составляющей сигнала частоты напряжения статора и j-й спектральной составляющей сигнала активной мощности, для которых частоты равны. В логическом блоке 8 выполняется проверка соответствия амплитуды i-й или j-й составляющих найденным в компараторах 5 и 6 максимальным амплитудам соответствующих спектров. При положительном результате проверки информация о рассматриваемых составляющих спектров активной мощности и частоты напряжения статора поступает в анализирующее устройство 9.

Для САР турбины синхронного генератора, являющейся источником незатухающих колебаний частоты и мощности характерно, что колебания активной мощности синхронного генератора P_г совпадают или опережают по фазе колебания частоты напряжения статора f_Uг на клеммах синхронного генератора. САР турбины синхронного генератора, не являющаяся источником синхронных колебаний, будет препятствовать возникшим колебаниям или колебания активной мощности будут обусловлены колебаниями частоты напряжения сети, поэтому колебания активной мощности находятся в противофазе к колебаниям частоты напряжения статора или отстают от них по фазе.

В анализирующем устройстве 9 выполняется сравнение фаз i-й спектральной составляющей сигнала частоты напряжения статора и j-й спектральной составляющей сигнала активной мощности: Δϕ = φ_fi – φ_Pj. Если полученное значение Δϕ лежит в первом, третьем или четвертом квадрантах, то САР турбины синхронного генератора не является источником незатухающих колебаний, если полученное значение Δϕ лежит во втором квадранте, делается вывод о том, что САР турбины синхронного генератора является источником или способствует развитию незатухающих колебаний частоты и мощности.

Таким образом, достигается требуемый технический результат - выявляется источник незатухающих колебаний частоты и активной мощности по данным регистрации параметров электрического режима на объектах энергообъединений.

Датчики и блоки определения спектральных составляющих сигналов активной мощности и частоты напряжения статора, компараторы, логический блок являются стандартными элементами измерительной техники и систем обработки измерительной информации.

Анализирующее устройство производит анализ, обработку, визуализацию и передачу информации с использованием стандартных сетевых протоколов.

Возможно подключение к одному анализирующему устройству нескольких генераторов для одновременного мониторинга корректности функционирования САР их турбин, при этом выполняется независимая обработка информации, поступающей по каждому генератору.

Источники информации

Гуриков О.В., Касьянов С.Е. Регулирование частоты в изолированных районах с учетом обратной связи по мощности // Известия НТЦ Единой энергетической системы, 2019, № 1 (80). - С. 16-33.

Марпл-младший С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. - М.: Мир, 1990. - 265 с.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике в энергетике. Технический результат - выявление источника возникновения незатухающих колебаний частоты и мощности, вызванных некорректной работой системы автоматического регулирования (САР) турбин генераторов электрических станций. Устройство для выявления источника колебаний частоты и мощности содержит подсоединенные к клеммам синхронного генератора датчик активной мощности и датчик частоты напряжения статора, блок определения спектральных составляющих активной мощности, подсоединенный к выходу датчика активной мощности; блок определения спектральных составляющих частоты напряжения статора, подсоединенный к выходу датчика частоты напряжения статора; компаратор амплитуд для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих активной мощности, подсоединенный к выходу блока определения спектральных составляющих активной мощности; компаратор амплитуд для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих частоты напряжения статора, подсоединенный к выходу блока определения спектральных составляющих частоты статора; компаратор частот, подсоединенный к выходу блока определения спектральных составляющих активной мощности и выходу блока определения спектральных составляющих частоты напряжения статора; логический блок, подсоединенный к выходу компаратора амплитуд для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих активной мощности, к выходу компаратора амплитуд для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих частоты напряжения статора и выходу компаратора частот; выходы блока определения спектральных составляющих активной мощности, блока определения спектральных составляющих частоты напряжения статора и логического блока соединены с входами анализирующего устройства, причем сигнал на выходе анализирующего устройства появляется в случае, когда система автоматического регулирования турбины синхронного генератора является источником незатухающих колебаний частоты и мощности в энергосистеме. 1з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для выявления источника колебаний частоты и мощности, включающее подсоединенные к клеммам синхронного генератора измерительные датчики и анализирующее устройство, отличающееся тем, что в качестве измерительных датчиков используются датчик активной мощности и датчик частоты напряжения статора и дополнительно содержит блок определения спектральных составляющих активной мощности, подсоединенный к выходу датчика активной мощности; блок определения спектральных составляющих частоты напряжения статора, подсоединенный к выходу датчика частоты напряжения статора; компаратор амплитуд для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих активной мощности, подсоединенный к выходу блока определения спектральных составляющих активной мощности; компаратор амплитуд для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих частоты напряжения статора, подсоединенный к выходу блока определения спектральных составляющих частоты статора; компаратор частот для выявления i-й спектральной составляющей сигнала частоты напряжения статора и j-й спектральной составляющей сигнала активной мощности, для которых частоты равны, подсоединенный к выходу блока определения спектральных составляющих активной мощности и выходу блока определения спектральных составляющих частоты напряжения статора; логический блок, где выполняются проверка соответствия i-й спектральной составляющей сигнала частоты напряжения статора максимальной амплитуде спектральных составляющих частоты напряжения статора и проверка соответствия амплитуды j-й спектральной составляющей сигнала активной мощности максимальной амплитуде спектральных составляющих активной мощности, подсоединенный к выходу компаратора амплитуд для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих активной мощности, к выходу компаратора амплитуд для определения максимальной амплитуды спектральных составляющих частоты напряжения статора и выходу компаратора частот; выходы блока определения спектральных составляющих активной мощности, блока определения спектральных составляющих частоты напряжения статора и логического блока соединены с входами анализирующего устройства, выполняющего сравнение фаз i-й спектральной составляющей сигнала частоты напряжения статора и j-й спектральной составляющей сигнала активной мощности, причем сигнал на выходе анализирующего устройства появляется в случае, когда система автоматического регулирования турбины синхронного генератора является источником незатухающих колебаний частоты и мощности в энергосистеме.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что анализирующее устройство выполняет независимую обработку информации, поступающей от нескольких синхронных генераторов.