Способ снижения потерь электроэнергии в двухтрансформаторной системе электропитания Российский патент 2024 года по МПК H02J3/46 

Область техники

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть применено в двухтрансформаторных системах электропитания собственных нужд электрических подстанций.

Уровень техники

Номинальную мощность трансформаторов собственных нужд (ТСН) электрической подстанции выбирают с большим запасом, исходя из высоких требований к ее надежности. Поэтому для рабочего режима ТСН характерна слабая загруженность с высокой долей потерь холостого хода в общих потерях электроэнергии, снижающих КПД трансформаторов.

Известен способ снижения потерь в двухтрансформаторной подстанции путем выведения из работы одного из трансформаторов и его возврата в работу, согласно которому смена режимов (однотрансформаторного и двухтрансформаторного) выполняется при критическом значении измеряемой активной мощности нагрузки, соответствующей равенству КПД в двух указанных режимах [RU 2179776 опуб. 20.02.2002]. Недостаток этого способа (применительно к трансформаторам собственных нужд подстанции) - он ориентирован на пару трансформаторов разной номинальной мощности, в то время как для питания собственных нужд подстанции, как правило, используется пара одинаковых трансформаторов. Кроме того, учет только активной составляющей полной мощности и фиксированность критерия смены режимов снижает эффективность энергосбережения.

В качестве прототипа выбран способ снижения потерь двухтрансформаторной подстанции, заключающийся в том, что рассчитывают потери в одно- и двухтрансформаторном режимах, в текущем одно- или двухтрансформаторном режиме измеряют ток и напряжение нагрузки, выводят из работы или возвращают в работу один из трансформаторов в соответствии с принятым критерием смены режима работы. [«Повышение эффективности режимов работы двух-трансформаторной подстанции» /А.Н. Гуминский //Вестник ГГТУ им. П.О. Сухого: научно-практический журнал. 2011. №3. С. 74-81].

В прототипе указанным критерием служит полная мощность нагрузки. Ее сравнивают с уставкой, равной «граничному» значению полной мощности нагрузки, предварительно рассчитанному из условия равенства потерь в одно- и двухтрансформаторном режимах работы. «Граничное» значение полной мощности нагрузки определяется в прототипе заранее в результате расчета, выполненного с использованием приведенных потерь холостого хода и приведенных потерь короткого замыкания. Приведенные потери вычисляют с применением эмпирических коэффициентов, один из которых предназначен для всех понижающих двухтрансформаторных подстанций, а другой - для всех пар трансформаторов, установленных на электростанциях.

Недостаток способа-прототипа, особенно проявляющийся при его использовании в слабонагруженных двухтрансформаторных системах собственных нужд подстанций, - пониженная точность (приблизительность, грубость) критерия смены режима работы трансформаторов и, как следствие, неполное использование потенциальных возможностей экономии электроэнергии.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат изобретения - повышение эффективности энергосбережения.

Предметом изобретения является способ снижения потерь в двухтрансформаторной системе электропитания, заключающийся в том, что в текущем одно- или двухтрансформаторном режиме измеряют токи и напряжения каждого работающего трансформатора, по измеренным токам и напряжениям рассчитывают текущие потери и потери, ожидаемые после смены текущего режима, рассчитывают критерий смены режима как разность текущих и ожидаемых потерь, сравнивают рассчитанный критерий с заданной уставкой и в случае превышения уставки меняют режим работы - выводят из работы или возвращают в работу один из трансформаторов.

Отличие способа состоит в том, что потери для обоих указанных режимов рассчитывают по значениям токов и напряжений, измеряемым в текущем режиме, а в качестве критерия смены режима работы используют разность рассчитываемых потерь.

Краткое описание фигур

На фиг. 1 представлена однолинейная схема двухтрансформаторной системы питания собственных нужд электроподстанции, оснащенной программируемым контроллером 1, осуществляющим заявляемый способ.

Фигуры 2 и 3 иллюстрируют алгоритмы вывода и обратного ввода соответственно одного из пары ТСН, установленных на подстанции.

Осуществление изобретения с учетом его развития

На схеме фиг. 1 показаны программируемый контроллер 1, первый ТСН 2, питающий секцию 3 шины собственных нужд (ШСН) подстанции и второй ТСН 4, питающий секцию 5 ШСН. В системах собственных нужд подстанций работающая пара ТСН раздельно питает нагрузки, подключенные к двум секциям ШСН.

ТСН 2 и 4 питаются от секционированной шины напряжением 6(10) кВ.

Измерительные трансформаторы 6, 7 и 8, 9 контролируют соответственно токи и напряжения силовых трансформаторов ТСН 2 и 4. Измеренные значения I₁, U₁ и I₂, U₂ этих параметров поступают в программируемый контроллер 1, который имеет возможность выводить из работы или вводить в работу ТСН 2 и ТСН 4, управляя коммутаторами 10-14.

Заявляемый способ осуществляют под управлением загруженной в контроллер 1 программы следующим образом.

Пусть, например, ТСН 2 и ТСН 4 работают на разделенные отключенным коммутатором (контактором) 12 секции 3 и 5 шины собственных нужд (ШСН).

Целесообразность вывода из работы одного из двух трансформаторов 2 или 4, определяют путем расчета и сравнения текущих потерь ΔР_2T в двухтрансформаторном режиме и ожидаемых потерь ΔР_1Т в режиме одного ТСН (например, первого ТСН 2, работающего на обе секции 3 и 5, соединенные коммутатором 12).

Текущие потери ΔР_2Т двух работающих ТСН рассчитывают согласно (1), используя токи I₁ и I₂, измеряемые трансформаторами 6 и 9, и напряжения U₁ и U₂, измеряемые трансформаторами 7 и 8 соответственно:

где: Р_х1, Р_х2, Р_к1, Р_к2, β_T1, β_Т2, U_н1, U_н2 - потери холостого хода, короткого замыкания, коэффициент загрузки первого и второго ТСН, номинальные напряжения первого и второго ТСН соответственно (полагаем, что выключатель 15 отключен и измеряемые напряжения U₁ и U₂ не совпадают). Коэффициенты загрузки определяют по формулам:

где S₁ и S₂ - полные мощности ТСН, рассчитанные как произведения соответствующих токов и напряжений, а S_ном1 и S_ном2 - номинальные мощности соответствующих ТСН.

Потери ΔР_1Т, ожидаемые после перехода в однотрансформаторный режим работы (например, при работе только первого ТСН 2 после отключения второго ТСН 4 выключателями 10 и 13) и ожидаемый при этом коэффициент β_1Т загрузки первого ТСН 2 также рассчитывают на основе текущих измерений токов и напряжений по выражению:

Для определения целесообразности отключения одного из работающих ТСН вычисляют снижение потерь δР_откл, как разность потерь, рассчитанных по формулам (1) и (2):

Если δР_откл > 0, то при текущих значениях измеренных токов I₁ и I₂ и напряжений U₁ и U₂ вывод из работы одного ТСН уменьшит общие потери в ТСН, а если δР_откл < 0, то общие потери возрастут. Решение по отключению одного ТСН из работающей пары ТСН принимают по результату сравнения расчетного значения δР_откл с уставкой δР_{уст.откл}, которая может быть выбрана не равной нулю. При использовании пары ТСН с неодинаковыми параметрами, если отключаемый ТСН не определен заранее, вычисляют два значения:

δР_откл1 - при отключении первого ТСН 2 и δР_откл2 - при отключении второго ТСН 4, а сравнение с δР_{уст.откл} выполняют для большего из них.

Вышеописанный алгоритм принятия решения о выводе из работы одного ТСН, осуществляемый контроллером 1 в режиме работы двух ТСН, иллюстрирует фиг. 2.

В режиме работы одного ТСН, например первого ТСН 2, на обе секции ШСН 3 и 5, соединенные коммутатором 12, второй ТСН 4 выведен из работы выключателями 11, 14, и I₂=0. В этом режиме контроллер 1 определяет целесообразность ввода в работу второго ТСН в зависимости от величины снижения потерь δР_вкл, которая равна разности:

где ΔР_1T - текущие потери, рассчитанные на основе измеренных значений I₁ и U₁ по формуле (2), а ΔР_2T - ожидаемые суммарные потери обоих ТСН в двухтрансформаторном режиме, рассчитанные по формуле (1). Решение о вводе в работу второго ТСН принимают по результату сравнения расчетного значения δ_вкл с уставкой δР_{уст.вкл}, которая может быть выбрана не равной нулю.

Для выполнения расчета по формуле (1) необходимо сначала определить передаваемую полную мощность S₂ для еще не подключенного второго ТСН 4 (при измеряемом токе I₂=0). Это может быть сделано, например, с использованием измеряемого напряжения U₂ и измеряемого трансформатором 16 межсекционного тока I_секц, равного току нагрузки СН, подключенной к секции 5, которая будет питаться от ТСН 4. По величине I_секц и коэффициенту N трансформации ТСН 4 можно рассчитать ожидаемое значение тока I_2ож, которое вместе измеряемым значением U₂ определяет ожидаемую величину передаваемой полной мощности S₂=U₂ I_2ож, еще не подключенного ТСН 4. Полная мощность S₁, которая будет передаваться через ТСН 2 в двухтансформаторном режиме, также может быть рассчитана по измеренным значениям тока и напряжения как разность: S₁=I₁U₁ - S₂.

Алгоритм принятия решения о вводе в работу выведенного ТСН, выполняемый контроллером 1 в режиме работы двух ТСН, иллюстрирует фиг. 3.

Как следует из выражений (1) и (2), заявляемый способ позволяет учитывать фактические (текущие) отклонения контролируемых в реальном времени напряжений U₁ и U₂ от их номинальных значений U_ном1 и U_ном2 как при расчете как потерь ΔР_1Т и ΔР_2Т, так и при расчете критериев δР_вкл и δР_откл смены (переключения) режимов. Поскольку допустимые отклонения напряжений электросети от их номинального значения составляют 10% и поскольку в выражения (1) и (2) эти отклонения входят в квадратичном виде, такой учет способен увеличить точность вычисления потерь и критериев переключения режимов на 19÷21%. Следствием этого является повышение эффективности энергосбережения, достигаемое при использовании заявляемого способа на двухтрансформаторных подстанциях.

Из изложенного следует, что в заявляемом способе снижения потерь в двухтрансформаторной системе электропитания, согласно которому в текущем одно- или двухтрансформаторном режиме измеряют токи и напряжения каждого работающего трансформатора, по измеренным токам и напряжениям рассчитывают текущие потери и потери, ожидаемые после смены текущего режима, рассчитывают критерий смены режима как разность текущих и ожидаемых потерь, сравнивают рассчитанный критерий с заданной уставкой и в случае превышения уставки меняют режим работы - выводят из работы или возвращают в работу один из трансформаторов, повышение эффективности энергосбережения достигается благодаря тому, что потери для обоих указанных режимов рассчитывают по значениям токов и напряжений, измеряемым в текущем режиме, а в качестве критерия смены режима работы используют разность рассчитываемых потерь.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть применено в двухтрансформаторных системах электропитания собственных нужд электрических подстанций. Технический результат изобретения - повышение эффективности энергосбережения. Технический результат достигается тем, что в текущем одно- или двухтрансформаторном режиме измеряют токи и напряжения каждого работающего трансформатора. По измеренным токам и напряжениям рассчитывают текущие потери и потери, ожидаемые после смены текущего режима. Рассчитывают критерий смены режима как разность текущих потерь и потерь, ожидаемых после смены режима. Сравнивают рассчитанный критерий смены режима с заданной уставкой. В случае превышения уставки меняют режим работы - выводят из работы или возвращают в работу один из трансформаторов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ снижения потерь в двухтрансформаторной системе электропитания, заключающийся в том, что в текущем одно- или двухтрансформаторном режиме измеряют токи и напряжения каждого работающего трансформатора, по измеренным токам и напряжениям рассчитывают текущие потери и потери, ожидаемые после смены текущего режима, рассчитывают критерий смены режима как разность текущих и ожидаемых потерь, сравнивают рассчитанный критерий с заданной уставкой и в случае превышения уставки меняют режим работы - выводят из работы или возвращают в работу один из трансформаторов путем подачи сигналов управления на выключатели трансформаторов и коммутатор между секциями шины электропитания.

2. Способ по п. 1, в котором двухтрансформаторная система электропитания представляет собой систему питания собственных нужд электрической подстанции.