УСТРОЙСТВО ПО УПРАВЛЕНИЮ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ АДАПТИВНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ ПОД НАГРУЗКОЙ Российский патент 2020 года по МПК H02J3/12 G05F1/14 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам регулирования уровня напряжения в центре питания.

Известна система управления режимом напряжений в распределительной электрической сети, питаемой от силового трансформатора, оснащенного регулятором напряжения под нагрузкой (патент RU №2631873, МПК H02J 3/12, G05F 1/14, опубл. 28.09.2017 Бюл. №28), содержащая первый блок управления, воздействующий на указанный регулятор, и снабженные аналого-цифровыми преобразователями измерительные трансформаторы тока и напряжения, установленные на выходе силового трансформатора и, по меньшей мере, на части трансформаторных подстанций распределительной сети, причем по меньшей мере, на части трансформаторных подстанций установлены автоматические компенсаторы реактивной мощности, поддерживающие напряжения на шинах трансформаторных подстанций в соответствии с заданными уставками, и введен второй блок управления, связанный цифровыми каналами с первым блоком управления и, по меньшей мере, с частью автоматических компенсаторов реактивной мощности и измерительных трансформаторов, при этом второй блок управления выполнен с возможностью расчета напряжений на шинах всех трансформаторных подстанций с использованием данных, полученных им по цифровым каналам, коррекции указанных уставок в случае выхода рассчитанных или измеренных напряжений за допустимые пределы и переключения регулятора напряжения под нагрузкой в случае недостаточности такой коррекции.

Недостатком данного изобретения является то, что расчет уровня напряжения осуществляется только по текущим параметрам, без подбора рационального уровня напряжения (без использования коэффициентов аппроксимации). При этом поддерживаемый уровень напряжения в центре питания автоматически не изменяется, а автоматическое изменение уставок производится только для автоматической компенсирующей установки. Все это приводит к снижению эффективности работы электроприводов с РПН в ограниченном паспортом изделия диапазоне переключений, повышает потери уровня напряжения, потери активной мощности до 2% в зависимости от структуры распределительной электрической сети и снижает качество электроэнергии, по показателю «отклонение уровня напряжения».

Наиболее близким по технической сущности является устройство управления режимом напряжения в электрической сети с применением fuzzy-логики при помощи трансформатора со ступенчатым регулированием напряжения (патент RU №2416855, МПК H02J 3/12, опубл. 20.04.2011 Бюл. №11), содержащее устройство регулирования под нагрузкой (РПН), сборные шины, измерительный трансформатор напряжения, регулятор, причем выход регулятора соединен с входом РПН, выход РПН соединен с первичной обмоткой силового трансформатора, вторичная обмотка силового трансформатора соединена со сборной шиной, к которой подключен измерительный трансформатор напряжения, причем вторичная обмотка измерительного трансформатора напряжения соединена с входом регулятора, причем в состав устройства включен аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок задания постоянных параметров нагрузки и присоединений, модуль памяти, блок фаззификации, блок нечеткого логического вывода, блок хранения базы правил, блок дефаззификации и переключатель, измерительные трансформаторы тока, причем измерительные трансформаторы тока подключены к присоединенным к сборным шинам, входы АЦП соединены со вторичными обмотками измерительных трансформаторов тока и напряжения, входы блока фаззификации связаны с выходами АЦП и выходом модуля памяти, вход модуля памяти соединен с блоком задания постоянных параметров нагрузки и присоединений, входы блока нечеткого вывода соединены с выходами блока фаззификации и выходами блока хранения базы правил, выход блока нечеткого вывода соединен с входом блока дефаззификации, входы переключателя соединены с выходом блока дефаззификации и выходами АЦП, выход переключателя соединен с входом БАР.

Недостатком известного устройства динамического управления режимом напряжения в электрической сети с применением fuzzy - логики является то, что управление напряжением осуществляемого в центре питания по определяющей линии, осуществляется на основании заданных значений уровня напряжения и зон уставок нечувствительности. При этом отсутствует контроль количества переключений электропривода РПН. Известное устройство динамического управления режимом напряжения в электрической сети с применением fuzzy-логики, не использует также алгоритмы и математический аппарат для определения и автоматического изменения рационального уровня напряжения и оптимальных уставок зоны нечувствительности, на основе измерений для повышения точности регулирования напряжений. При этом отсутствует контроль за частыми переключениями электропривода РПН, снижающими срок службы и надежность работы силового трансформатора. Все это приводит к снижению эффективности работы электроприводов с РПН в ограниченном паспортом изделия диапазоне переключений, повышает потери уровня напряжения, потери активной мощности до 2% в зависимости от структуры распределительной электрической сети и снижает качество электроэнергии, по показателю «отклонение уровня напряжения».

Предлагаемое устройство позволяет устранить указанные выше недостатки.

Технической задачей предполагаемого изобретения является поддержание рационального уровня напряжения в центре питания и обеспечение его автоматического регулирования с учетом переменной нагрузки в распределительной электрической сети, а соответственно и изменения начальных условий, при которых изначально настраивается быстродействующий автоматический регулятор (БАР) для управления электроприводом РПН.

Техническая задача решается устройством по управлению электроприводом адаптивным регулятором напряжения под нагрузкой, включающим блок автоматического регулирования, состоящий из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) с программным обеспечением, выполненного с возможностью формирования рационального уровня напряжения, подающегося на один из входов регулятора напряжения под нагрузкой (РНП), формирующего на выходах сигналы для переключения электропривода, к которым присоединен блок контроля положения электропривода (БКПЭ), быстродействующий автоматический регулятор (БАР), в котором, исходя из полученных данных с выхода РНП, осуществляется корректировка поддерживаемого уровня напряжения в режиме реального времени для РНП.

Новым является то, что РНП дополнительно оснащен пятью входами для приема уставок зоны нечувствительности и выдержки времени в единицу времени в режиме реального времени от БАР, сигнала положения электропривода из соответствующего блока и заданного значения уровня напряжения от блока автоматического регулирования, который дополнительно снабжен аналоговыми входами для сигналов мгновенного значения уровня напряжения в конце линии, активной и реактивной мощностей для получения заданного значения уровня напряжения на выходе, дополнительно оснащенным блоком задержки по времени для предотвращения возникновения возмущений в системе электроснабжения вследствие постоянных изменений начальных условий, причем блок автоматического регулирования выполнен с возможностью проведения расчета от конца линии до начала методом свертывания для определения энергетических параметров самой длинной отходящей линии от РНП, основанном на использовании статических характеристик в виде коэффициентов полинома Ньютона второй степени, при этом выход РНП дополнительно снабжен счетчиком переключений электропривода (СПЭ) для подачи сигнала на вход БАР, в котором, исходя из полученных данных, осуществляется дополнительная корректировка уставок зоны нечувствительности и выдержки времени в единицу времени в режиме реального времени.

На фиг. 1 изображена схема устройства.

Устройство по управлению электроприводом (не показан) адаптивным регулятором напряжения под нагрузкой включает блок автоматического регулирования 1, состоящий из АЦП, процессора, ОЗУ и ПЗУ с программным обеспечением (на фиг. 1 не показаны), выполненного с возможностью формирования рационального уровня напряжения, подающегося на один из входов РНП 2, формирующего на выходах 3 и 4 сигналы для переключения электропривода, к которым присоединен БКПЭ 5. БАР 6 корректирует, исходя из полученных данных с выхода 7 РНП 2, уставки в режиме реального времени для РНП 2. РНП 2 оснащен входом питающего напряжения 8 {U - значение напряжения) и дополнительно оснащен пятью входами для приема уставок зоны нечувствительности 9 и 10 {dUu, dUd - значения верхней и нижней границ зоны нечувствительности соответственно) и выдержки времени в единицу времени в режиме реального времени 11 (t - время выдержки) от БАР 6 сигнала положения электропривода 12 (N - положение электропривода) из БКПЭ 5 и заданного значения уровня напряжения 13 (U_z - рациональный уровень напряжения) от блока автоматического регулирования 1. Блок автоматического регулирования 1 дополнительно снабжен аналоговыми входами для сигналов мгновенного значения уровня напряжения в конце линии 14 (U_K), активной 15, 15', 15'' … (Р_1, Р₂, Р₃ …) и реактивной 16, 16', 16'' … (Q₁, Q₂, Q₃ …) мощностей для получения заданного значения уровня напряжения U_z на выходе 17, который оснащен блоком задержки (БЗ) по времени 18 для предотвращения возникновения возмущений в системе электроснабжения вследствие постоянных изменений начальных условий U_z. Блок автоматического регулирования 1 выполнен с возможностью проведения расчета от конца линии до начала с узлов электротехнического комплекса отходящих линий (ЭКОЛ) методом свертывания для определения энергетических параметров самой длинной отходящей линии (не показана) от РНП 2, основанном на использовании статических характеристик в виде коэффициентов полинома Ньютона 2 степени (см. Идельчик В.И. Электрические системы и сети: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 592 с.). Выход 7 РНП 2 дополнительно снабжен счетчиком переключения электропривода СПЭ 19 для подачи сигнала (n - количества переключений) на вход 20 БАР 4, в котором, исходя из полученных данных, осуществляется дополнительная корректировка на соответствующих выходах уставок зоны нечувствительности 21 и 22 (dUu,dUd - значения верхней и нижней границ зоны нечувствительности соответственно) и выдержки времени в единицу времени в режиме реального времени 23 (t - время выдержки), для подачи на соответствующие входы 9, 10 и 11 РНП 2.

На конструктивные особенности блоков автоматического регулирования, РНП 2, БКПЭ 5, БАР 6, БЗ 18, СПЭ 19 авторы не претендуют, так как реализованы могут быть на любой из известных выпускаемых аппаратных и программных базах, однако такое сочетание и принцип действия блоков, заложенные в техническое решение, для управления электроприводом авторам из изученных источников не известен.

Устройство работает следующим образом:

Массив данных измерений уровня напряжения, активной и реактивной мощностей с узлов ЭКОЛ, в режиме реального времени непрерывно передается на аналоговые входы активной 15, 15', 15'' … (Р₁, Р₂, Р₃ …) и реактивной 16, 16', 16'' … (Q₁, Q₂, Q₃ …) мощностей блока автоматического регулирования 1. На вход 14 блока автоматического регулирования 1 подается мгновенное значение уровня напряжения в конце линии (U_K). В блоке автоматического регулирования 1 реализована математическая модель для определения рационального уровня напряжения в центре питания U_z. Расчет ведется от конца линии до начала методом свертывания, т.е. от конечного узла к началу линии. В качестве базисного метода расчета режима напряжения используется существующий метод (см. Идельчик В.И. Электрические системы и сети: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 592 с.). По приведенной методике определяются энергетические параметры самой длинной отходящей линии. Метод основан на использовании статических характеристик в виде коэффициентов полинома Ньютона второй степени (коэффициенты аппроксимации). В данном блоке 1 определяется рациональный уровень напряжения U_z на выходе 17, который оснащен БЗ 18 для предотвращения возникновения возмущений в системе электроснабжения вследствие постоянных изменений начальных условий U_z.

РНП 2 оснащен входом питающего напряжения 8 (U - значение напряжения) и дополнительно оснащен пятью входами для приема уставок зоны нечувствительности 9 и 10 (dUu,dUd - значения верхней и нижней границ зоны нечувствительности соответственно) и выдержки времени в единицу времени в режиме реального времени 11 (t - время выдержки) от БАР 6 сигнала положения электропривода 12 (N - положение электропривода) из БКПЭ 5 и заданного значения уровня напряжения 13 (U_z - рациональный уровень напряжения) от блока автоматического регулирования 1

Значение рационального уровня напряжения U_z с БЗ 18 подается на вход 13 РНП 2. В РНП 2 заложен алгоритм управления электроприводом, в котором формируются команды для переключения ступеней Up (вверх) на выходе 3 и Down (вниз) на выходе 4. Входными сигналами для РПН 2 являются значение напряжения в центре питания U на входе 8, которое необходимо поддерживать на уровне U_z, N - положение электропривода на входе 12, dUu,dUd - значения верхней и нижней границ зоны нечувствительности на соответствующих входах 9 и 10, t - время выдержки на входе 11.

Положение привода берется с выхода 7 из БКПЭ 5. Значения верхней и нижней границ зоны dUu,dUd нечувствительности и время выдержки t берется с соответствующих выходов 21, 22 и 23 БАР 6. С помощью БАР 6 осуществляется корректировка уставок зоны нечувствительности и выдержки времени в зависимости от количества переключений электропривода РПН в единицу времени в режиме online, снимаемых с СПЭ 19 и подающихся на вход 20 БАР 4. В БАР 6 определяются значения на основе заложенного алгоритма на основании количества переключений n, исходя из данных полученных эмпирическим путем в ходе эксплуатации аналогичных электроприводов.

Для предотвращения возникновения возмущений в системе электроснабжения вследствие постоянных изменений начальных условий на выходе 17 блока атематического регулирования 1 установлен БЗ 18, позволяющий контролировать периодичность обновления заданного уровня напряжения в РПН 2, чтобы исключить переходные процессы, снижающие ресурс работы электропривода.

Данное техническое решение позволяет не нарушать техническое ограничение по количеству переключений в сутки (например, не более 25 переключений, т.к. большинство существующих электроприводов с РПН силовых трансформаторов имеют такое ограничение) с сохранением эффективности работы.

Автоматическая стабилизация рационального уровня напряжения позволит снизить потери уровня напряжения до 2%, потери активной мощности до 2% в зависимости от структуры распределительной электрической сети. При моделировании наблюдается повышение качества электроэнергии, по показателю «отклонение уровня напряжения», которое составило ±3%.

Использование предлагаемого устройства позволит определять рациональные значения уровня напряжения в режиме реального времени, автоматически изменять поддерживаемый уровень напряжения, уставки зоны нечувствительности и выдержки времени, что в свою очередь будет способствовать повышению качества регулирования уровня напряжения в центре питания и предотвращению возникновения колебаний и возмущений в распределительной электрической сети из-за частых переключений электропривода РПН.

Использование: в области электротехники. Технический результат - поддержание рационального уровня напряжения в центре питания и обеспечение его автоматического регулирования с учетом переменной нагрузки в распределительной электрической сети. Устройство по управлению электроприводом адаптивным регулятором напряжения под нагрузкой включает блок автоматического регулирования, состоящий из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) с программным обеспечением, выполненного с возможностью формирования рационального уровня напряжения, подающегося на один из входов регулятора напряжения под нагрузкой (РНП), формирующего на выходах сигналы для переключения электропривода, к которым присоединен блок контроля положения электропривода, быстродействующий автоматический регулятор (БАР), в котором, исходя из полученных данных с выхода РНП, осуществляется корректировка поддерживаемого уровня напряжения в режиме реального времени для РНП. При этом РНП дополнительно оснащен пятью входами для приема уставок зоны нечувствительности и выдержки времени в единицу времени в режиме реального времени от БАР, сигнала положения электропривода из соответствующего блока и заданного значения уровня напряжения от блока автоматического регулирования, который дополнительно снабжен аналоговыми входами для сигналов мгновенного значения уровня напряжения в конце линии, активной и реактивной мощностей для получения заданного значения уровня напряжения на выходе. Выход блока автоматического регулирования дополнительно оснащен блоком задержки по времени для предотвращения возникновения возмущений в системе электроснабжения вследствие постоянных изменений начальных условий. Блок автоматического регулирования выполнен с возможностью проведения расчета от конца линии до начала методом свертывания для определения энергетических параметров самой длинной отходящей линии от РНП, основанном на использовании статических характеристик в виде коэффициентов полинома Ньютона второй степени. Выход РНП дополнительно снабжен счетчиком переключений электропривода для подачи сигнала на вход БАР, в котором, исходя из полученных данных, осуществляется дополнительная корректировка уставок зоны нечувствительности и выдержки времени в единицу времени в режиме реального времени. 1 ил.

Устройство по управлению электроприводом адаптивным регулятором напряжения под нагрузкой, включающее блок автоматического регулирования, состоящий из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) с программным обеспечением, выполненного с возможностью формирования рационального уровня напряжения, подающегося на один из входов регулятора напряжения под нагрузкой (РНП), формирующего на выходах сигналы для переключения электропривода, к которым присоединен блок контроля положения электропривода, быстродействующий автоматический регулятор (БАР), в котором, исходя из полученных данных с выхода РНП, осуществляется корректировка поддерживаемого уровня напряжения в режиме реального времени для РНП, отличающееся тем, что РНП дополнительно оснащен пятью входами для приема уставок зоны нечувствительности и выдержки времени в единицу времени в режиме реального времени от БАР, сигнала положения электропривода из соответствующего блока и заданного значения уровня напряжения от блока автоматического регулирования, который дополнительно снабжен аналоговыми входами для сигналов мгновенного значения уровня напряжения в конце линии, активной и реактивной мощностей для получения заданного значения уровня напряжения на выходе, дополнительно оснащенным блоком задержки по времени для предотвращения возникновения возмущений в системе электроснабжения вследствие постоянных изменений начальных условий, причем блок автоматического регулирования выполнен с возможностью проведения расчета от конца линии до начала методом свертывания для определения энергетических параметров самой длинной отходящей линии от РНП, основанном на использовании статических характеристик в виде коэффициентов полинома Ньютона второй степени, при этом выход РНП дополнительно снабжен счетчиком переключений электропривода для подачи сигнала на вход БАР, в котором, исходя из полученных данных, осуществляется дополнительная корректировка уставок зоны нечувствительности и выдержки времени в единицу времени в режиме реального времени.