Способ определения угла сдвига фаз между напряжениями в двух узловых точках электрической сети Советский патент 1992 года по МПК G01R25/00 

Изобретение с гносится к области электротехнических и мерений, в частности к телеизмерениям и телеконтролю с помощью нетрадиционных средств телеуправления объектами электроэнергетических систем.

Известны способы определения сдвига фаз между двумя гармоническими колебаниями одинаковой частоты, среди которых близкими являются предложенные в работе 2,3. Однако для их использования при измерении фазы треОуется передача информации о временном либо фазовом сдвиге синусоиды напряжения на противоположном относительно базового источника гармонического напряжения (тока)

Известные способы кодирования и передачи сообщений, вводимых в электрическую сеть или использующих выделенные проводные каналы связи с различными генераторами сигналов не нашли широкого применения при решении поставленной задачи либо из-за малого радиуса действия (5-10 км), либо из-за большой погрешности дистанционного измерения фазы 1 (10- 15)%.

В настоящее время контроль и регулирование устойчивости энергосистемы осуществляется чаще без информации о значениях угла между векторами напряжений начала (Ui) и конца (Ua) линии электропередачи. Это связано с трудностями возникающими npvt передаче значении фаХГ00

со

4

ся

ю

зы напряжения Ог с противоположного конца линии к питающему центру или началу линии. Для этих целей по данным 1 используются два способа:

фантомный - основанный на принципе прибавления падения напряжения в модели линии к напряжению передающего конца

(Ui);

второй - основанный на телепередаче значений фазы напряжения приемного конца (U2) электросети высокочастотными сигналами.

Погрешность таких измерений составляет: ±25%.

В обоих способах измерение сдвига фазы между напряжениями в двух точках энергосистемы выполнено на основе датчика разности фаз ДРФ, к первому входу которого подводится либо напряжение от вспомогательного генератора, сидящего на валу одного силового генератора первой части энергоситсемы, либо напряжение Ch + MZ, где ток И - нагрузка электропередачи с обоих шин этой же ..энергосистемы При этом сопротивление Z моделирует внутреннее сопротивление генераторов и элементов первой части энергосистемы. А фаза входного/ напряжения соответствует фазе напряжению Ui на общих шинах первой части энергосистемы. На второй вход ДРВ подается либо напряжение Ui + hZi, либо напряжение U2 Другой части энергосистемы с помощью высокочастотной аппаратуры: передатчик - усилитель - в том числе канал - приемник, причем передатчик управляется по фазе отражающих соответственно фазе напряжения Gz усредненные значения которого формируется специальным смесителем, подключенным к шинам 02.

На выходе ДРФ подключено реле угла 5i,2 -сдвига фаз между 1Н и U2, осуществляющее измерение в соответствии с уравнениями:

6i-dz(5i., где k - коэффициент инерции энергосистемы в предшествующем режиме к , в переходном режиме k;

Фс - предельное значение угла 61,2 , соответствующее устойчивому режиму энергосистемы,

Используемый в системе способ телепередачи на высоких частотах информации о значении величины угла дг и рассматривается в качестве прототипа. Недостатком такого способа является то, что с его помощью передается, не значения величины фазового угла 5i.2 5i , между напряжениями двух точек электросети, а высокочастотные сигналы, способные только отражать информацию о величине угла 62 с погрешностью, достигающей более 25%. Кроме того, сложность исполнения самой

высокочастотной аппаратуры (передатчик; приемник, усилители, подключаемые к высоковольтной ЛЭП) и устройства преобразования сигнала в тракте приема, а также необходимость установки дополнительного

0 генератора на валу силового генератора основной частоты электросети, от стабильной работы элементов которой зависит точность измерений, ставит под вопрос возможность эксплуатации самой системы.

5 Следует отметить, что на практике значения относительного угла 5i,2 как правило меньше его суммарного значения 5fci , что требует высокой точности измерений.

Другим недостатком способа прототипа

0 является низкое быстродействие. Время измерения и суммирование аналоговых значе- ний: 0, + i,Z , поступающих на соответствующие датчики от трансформатора напряжения и трансформатора тока,

5 составляет: (80-90) мс. Сумматор, установленный на передающей стороне системы, производит операцию сложения за время: (1500-1600) мс. Время передачи - приема в высокочастотном канале составляет: (0,50 1,0) с, поскольку требуется время на коммутацию и выбор конкретной частоты либо полосы частот для телеизмерения. Общее время отработки сигнала телеизмеренмя на приемной части системы, с помощью ДРФ

5 и реле угла составляет (600-900) мс, а полное время цикла телеизмерения при данном способе составляет: (3,7-2,6) с. При таком низком быстродействии практически невозможно использовать данный способ

0 определения фазового сдвига между напряжениями Ui и U2 для оперативного управления электрической системой в текущих и переходных режимах.

Целью изобретения является повыше5 ние точности и быстродействия при телеизмерениях величины угла фазового сдвига между напряжениями Ui и Ua двух узловых точек электрической сети.

Поставленная цель достигается тем, что

0 в конце линии электропередачи, в момент ti, соответствующий заданному углу а , относительно нуля синусоиды, в каждый полупериод напряжения U2, формируют информационные импульсы сигнала, в виде

5

кратковременных посадок напряжения сети Д U, которые выявляют из спектра вторичного напряжения сети Ui, в начале этой линии, в виде импульсов сигнала AU., создают опорные импульсы A U0, сдвигают их

относительно нулей синусоиды напряжения Ui, на заданную величину угла AUj , с помощью импульсов Л и,. временной сдвиг между которыми равен - г, формируют суммарно-разностные вспомога- тельные импульсы с длительностью;

Т1 -+гиг2 2--т.

определяют значение временного сдвига между напряжениями Ui и Ua:

7i - Г2

г 2.

а искомый фазовый сдвиг eh.a определяют по формуле:

2тг

5i,2 гйъ -г-,

где Т - период сетевого напряжения.

Сущность изобретения состоит в том, что в электрической сети формируют кратковременные (импульсные) посадки сииусо- иды напряжения, что обеспечивает таким импульсным сигналам синхронизацию с основной частотой ее напряжения и, соответственно, возможность передачи временных параметров распространения этого напряжения.

В случае формирования таких импульсных сигналов в отдаленной точке электрической сети, со-стороны нагрузки, последние по линии электропередачи поступают в ее начало, где производят определение временного положения импульсов относительно полупериодов синусоиды напряжения, в которых они переданы,

По временному сдвигу- т, в положении этих импульсов, относительно их прежнего, фиксированного углом а, положения на синусоиде напряжения производят непосредственное определение величины фазового угла 5i,a , между напряжениями Ui и U2, в контролируемых узловых точках электрической сети, соответствующих противоположным сторона,м линии электропередачи.

Определение угла 61.2 фазового сдвига, по фиксированному значению временного сдвига- т, между положением мгновенных значений синусоиды напряжения Ui и Ua, обеспечивает более высокие показатели точности измерений и скорости передачи данных по сравнению с прототипом, что дает новый положительный эффект.

Способ позволяет производить определение фазового сдвига с точностью: (0,б°- 0,9°), относительно периода синусоиды напряжения электрической сети, при быстродействии системы, реализующей данный способ - 0,2 С,

0

5

0

5

5

0

5

0

На фиг,1 представлены диаграммы, поясняющие вывод формулы,

Для достижения поставленной цели, например, в конце одной из линий электросети, начиная с момента времени ti. соответствующего угла fit, на каждом полупериоде синусоиды напряжения U2 формируют информационные импульсы сигнапа в виде кратковременных посадок синусоиды напряжения Ли, синхронизированных частотой 50 Гц (фмг, 1а). Эти импульса распространяясь по всей электрической сети поступают и в начало линии, где их выявляют из спектра вторичного напряжения в виде импульса Ди(фиг,1б,д). Одновременно а начале линии, в момент Т/2, Т, 3/2Т, 2Т и т.д., т.е. при переходе синусоиды напряжения Ui, через нулевое значение формируют опорные импульсы Ди0 (фиг,1в), сдвигают их на временной интервал соответствующий углу d - а , и получают соответственно импульсы U-(фиг. 1 г).

С помощью импульсов AUyH AU,i, временной сдвиг между которыми составляет г формируют суммарно-разностные вспомогательные импульсы И; 2 с длительностью

вт+г.Лшт.

0

Т1

Г2

2 -, Ј - (фиг. 1е, ж), вычитают вспомогательные импульсы и находят: т , а искомый сдвиг фаз di,2 определяют по формуле:

5i,2 ,,

где Т - период сетевого напряжения,

На фиг.2 представлена система для реализации предположенного способа. Она состоит из двух полукомплексов: передатчика (П) и приемного устройства (ПУ), в качестве канала связи используется непосредственно участок, линии электропередачи. Обработанная ВЧ-заградителями линия может также использоваться в качестве канала связи, при этом учитывается несколько большее затухание сигнала при прохождении от передатчика к приемному устройству.

Итак, система реализующая предлагаемый способ содержит передающее устройство (П), установленное в конце линии электропередачи, состоящее из двух проти- вовключеиных управляемых вентилей - 1, подключенный к напряжению Ua с помощью сопротивления -2, а также из формирователя 5 импульсов управления и нуль-органа - 4, подключенных к вторичной обмотке трансформатора 3 напряжения, выход нуль- органа 4 подключен к второму входу формирователя 5, выходы которого подключены к

цепям управления тиристоров 1 передающего устройства, а на приемной стороне (ПУ) в начале линии электропередачи к напряжению Ui подключен трансформатор напряжения - З1, к вторичной обмотке которого подключен вход (второго) формирователя импульсов - 51 и нуль-органа - 4, а также входы селектора импульсов сигналов - б1 устройства приема, выход нуль-органа - 41, подключен к управляющему входу формирователя импульсов - З1, выход которого вместе с выходами селектора импульсов - б1, через распределитель - 7 , подключены к входам триггеров - 81, 811, выходы которых соединены с входами измерителя интервалов - 91 устройства.

Система работает следующим образом. Передающее устройство 1 формирует в электрической сети импульсные сигналы при подаче управляющих сигналов с блока 5 на вентили 1 (фиг.2). Вентили отпираются с заданными углами , в которые и формируются импульсные сигналы в виде кратковременных посадок напряжения сети. Аналогичным образом импульсные сигналы управления формируют и на приемной стороне системы, на выходе формирователя 5 (фиг.2), которые затем подают на первый вход распределителя -7. При этом, поступающие из электрической сети сигналы от передающего устройства выявляют с помощью импульсного селектора - 6 и подают на второй вход распределителя - , с помощью которого на выходах триггеров - 81 и б формируются импульсы суммарной и разностной длительности - (фиг.1е и ж), по которым в блоке измерителя интервалов - 9 , реализуется функция определения величины искомого угла 5i,2 , в соответствии с выражением

5l,2

п - г2

Ш0 Г

2л:

2

На основе метода симметричных составляющих мощности сигнала формированного вентильным передатчиком (П) - фиг.2, на шинах Ua определяется в соответствии с 2 формулами: W Uf2 Yfc,

Umc 2CkUJf(LT-LB)

i7ie(Jf ; -- --напряжение

RB 2 + (Li + LB)2 oj§

сигнала, Yfc Yfc + Yfc + Yfc - результирующая проводимость электросети прямой, обратной, нулевой последовательностей, LB; RB - токоограничивающее сопротивление передатчика (вентилей); U - индуктивность сетевых трансформаторов, Ск удельный коэффициент гармоники в спектре сигнала, оь; wr- круговая частота напряжения сети и гармоники сигнала, соответственно.

Каждое значение Ск зависит от угла

отпирания вентилей (аг, 02) Так как наибольшее практическое значение Uf определяется первым десятком гармоник в расчетах принимались значения к от 1 до 10 и в 3 получены адекватные упрощенные

формулы расчета уровня сигнала прямой последовательности с учетом эквивалентных сопротивлений сети Zc и передатчика Znep.:

Uf Ли Umc - . sin a,

Јnep + Јc

где а-угол включения вентилей передатчика.

Полученный сигнал распространяется по электросетям вправо к шинам Ui и влево к шинам из от точки несимметрии (шины U2) с затуханием, определяющимся коэффициентами распределения

з

v i - Кр Zc

Zc -rZc3

и KDJ

, т.е./ -А

Zc +Zc

соотношениями сопротивлений левой и правой части электрической сети относительно шин U2. В соответствии с данными 2 затухание напряжения сигнала составляет (25-50)% и может быть выявлено прием- никами с чуствительностью

AU л 2 Для

электросети напряжением 110 кВ, мощностью (250-1000) мВА такие уровни сигналов можно обеспечить передатчиком при RB 1000 Ом; LB + U 0,006 Гн. Быстродействие tn силовой схемы передатчика (фиг,2) определится из выражения;

t )0,02c. шг

Быстродействие ty блоков управления (3,4) на основе цифрового фазоимпульсного устройства также составляет (0,02-0,04) с, поэтому время срабатывания передатчика не превысит 0,06 с, что значительно меньше

времени срабатывания передатчика ПРОТОТИПА (2,3-2,5) с.

Точность (погрешность) отработки углов включения а вентильного передатчика определяется стабильностью работы фазоимпульсного узла 3; 3 . В случае использования генератора пилообразного напряжения (ГПН)угол включения определяется выражением фазы выходного импульса блока 3;

„„iPr vIn Ui - Uo lo Г

a - а) к х in -----н

Un f Uy - U3x - lo r

ДЦ,

TF1

где RC - времязадаюшая цепочка;

+ arcsin

Un. Uy - напряжение питания, управления;

Uo; to - напряжение, ток нуль-органа;

1)эк напряжение транзисторного ключа синхронизации;

Ucl AUC напряжение синхронизации 50 Гц (его отклонение).

Нестабильность уставки Да определится с помощью частных производных и формулы:

uy-(RCd«y+o CdR +

и/

U

+ wRdC)lnun+u/

Приняв средние значения отклонений параметров для общепромышленных элементов и узлов при температуре среды 20°С

AUy

ЧХ

AR

0,5 %

0,2%

AUJ ft АС

0,25 %;

0,4%, относительную поR ° С получим суммарную грешность:

2 0,005 + 0,0025 + 0,002 +

+ 0,,0135 0,02, что на порядок лучше погрешности рассмотренного прототипа, составляющего ±(20- 25)%.

Время tc прохождения импульсов AU сигнала по участкам И и г линии 110 кВ практически не превышает трех периодов частоты 50 Гц. Переходные процессы, при включении передатчика П, протекают на питающих центрах сравнительно быстро и заканчиваются через 2-3 периода частоты 50 Гц. Таким образом полное время формирования и передачи информативного сигнала tw в данном способе определится суммойт.и tn + tc 0,02с + 0,06с 0,08с, что значительно меньше времени прохождения сигналов в ВЧ канале прототипа (0,5 - 1) с,

Время приема и отработки информационного канала в точке 1 складывается из суммы времен срабатывания функциональных элементов .приемника: 5-4-6-7-8-9- 10. Наибольшее из которых у 5 и 4, а также у измерителя интервалов 10, составляющее 0,02 с и 0,04 с. Остальные элементы имеют быстродействие 2-3 мкс, т.е.

tnp 0,02 + 0,02 + 0,04 + 3 (2-3) 10 с,

гб

с 0,1

Таким образом время полного цикла Т ц., с работы устройств предложенного способа значительно меньше нежели у прототипа Тци

Тцс ти + tnp 0,08 с + 0,1 с

0,18 с Тци (2,7-3,6) с. Таким образом доказано преимущество нового способа над известным (прототипом) и по точности и быстродействию.

Формула изобретения

Способ определения угла сдвига фаз между напряжениями в двух узловых точках электрической сети, основанный на формировании первичного (опорного) сигнала из

напряжения сети в близлежащей узловой точке, телеметрической передаче в эту точку угла сдвига фаз вторичного сигнала, сформированного в удаленной узловой точке электрической сети, измерении искомого

сдвига фаз в близлежащей узловой точке между первичным и вторичным сигналами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, вторичный сигнал формируют путем кратковременных посадок напряжения сети в удаленной узловой точке дважды за период напряжения сети в моменты, когда угол сдвига фаз по отношению к переходу вторичного напряжения через нуль принимает

заданные значения «ия + а , выделяют в распространяющемся по данной электрической сети сигнале упомянутые посадки напряжения в близлежащей узловой точке в виде вторичных импульсных сигналов, первичные импульсные сигналы формируют со сдвигом по фазе относительно перехода напряжения сети в близлежащей точке через нуль, равным заданным выше значениям + а , с помощью упомянутых первичного и вторичного импульсных сигналов формируют два импульса длительностью

ri -+гиТ2+ - -т в течение одного периода напряжения сети, периодТи длитель- ности т- и Т2 измеряют, а искомый фазовый сдвиг определяют по формуле

5(n-Ti)2,

где Т - период сетевого напряжения;

т - временной сдвиг, пропорциональный искомому сдвигу фаз.

Использование: в области электроизмерений, в частности, для телеуправления путем фазовых измзрений в эпектроэнергетических сетях. Сущность изобретения: для повышения точности и быстродействия при измерении угла сдвига фаз между напряжениями в двух точках электрической сети, удаленных друг от друга на десятки километров, используют сформированные в удаленной узловой точке и распространяющиеся по электрической сети кратковременные посадки синусоидального напряжения. Синхронные с частотой сети импульсные посадки выделяются в близлежащей узловой точке и их временное по- ложение сравнивается с опорными импульсами, сформированными из синусоидального напряжения сети в близлежащей точке. Сравнение производят дважды за период и определяют по временному сдвигу импульсов фазовый сдвиг в электрической сети 2 ил. СП С

п .

ffOfg

Ы

, Cnocaff TtMusMtptHus.

ПСп

35 кв

еькзЖиJjp

(ЕЬКЗ

у

ИИ-m

Tp

0ц I

-« me

Щ

П

(ft

, Cnocaff TtMusMtptHus.

ПСп

35 кв

jp

ft

5|

t r

--. Ли

оц/У

(Я)

&

.I