СПОСОБ МОНИТОРИНГА ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR MONITORING OF TRANSIENT MODES IN ELECTRIC ENERGY SYSTEM AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для регистрации параметров переходных режимов в электроэнергетических системах (ЭЭС) с целью мониторинга и исследования динамических свойств ЭЭС, а также оценки качества работы системных регуляторов электростанций.
Развитие электроэнергетических систем сопровождается их непрерывной модернизацией и усложнением структуры, что приводит к соответствующему изменению динамических свойств. Для обеспечения надежного и безопасного функционирования ЭЭС необходима адаптация работы противоаварийной и режимной автоматики к изменяющимся схемно-режимным условиям, для определения параметров и настройки которых необходимо использовать соответствующие способы и методики мониторинга переходных режимов.
доп
Известен способ [RU 2389116, C1, H02H 3/00, 10.05.2010], в соответствии с которым из токов трех фаз, например линии электропередачи, по определенному правилу формируют электрический сигнал, содержащий в своей структуре при возникновении в линии короткого замыкания с переходным процессом апериодическую составляющую, которую используют как признак возникновения короткого замыкания и выявляют путем обработки электрического сигнала, в результате чего получают информационный сигнал в виде некоторого затухающего синусоидального сигнала с постоянной частотой f, который может быть использован в логике функционирования соответствующих устройств, обеспечивающих правильную работу релейной защиты и автоматики.
Недостатком этого способа является относительно узкая область применения.
Кроме того, известен способ [RU 2363960, C1, G01R 31/02, 10.08.2009], в соответствии с которым подают в сеть зондирующий сигнал, представляющий собой непрерывную периодическую функцию напряжения от времени, состоящую из поочередно следующих друг за другом интервалов линейно изменяющегося и постоянного напряжения, и по разности скоростей изменения магнитных потоков, измеренных на двух указанных интервалах, находят составляющую скорости изменения магнитного потока, индуцированного током, протекающим между проводниками присоединения и землей, причем, измерение скоростей изменения магнитных потоков проводят на завершающих отрезках соответственно интервала линейно изменяющегося и интервала постоянного напряжения, а относительную длительность этих интервалов устанавливают в зависимости от величины емкости контролируемого присоединения и суммарной емкости сети относительно земли из условия малости вклада, вносимого в результаты измерений переходными процессами, обусловленными скачкообразными изменениями скорости изменения напряжения зондирующей ЭДС в начальных точках упомянутых интервалов.
Недостатком этого способа также является относительно узкая область применения.
Л
Известен также способ выявления асинхронного режима в энергосистеме [RU 2199807, С2, H02J 3/24, 27.02.2003], в котором используют знаки относительно углов между напряжениями в двух различных точках электропередачи, рассчитанных на основании измерений токов и напряжений линии электропередачи, причем, по результатам измерений токов и напряжений на одном из концов линии электропередачи определяют знаки относительно угла между напряжениями, расположенными по концам защищаемого участка линии электропередачи, и знаки его первой и второй производных по времени, определяют реактивное сопротивление MIN от точки измерения до точки с минимальным напряжением и знак производной по времени активной мощности, передаваемой по линии электропередачи, и фиксируют начало асинхронного режима, если точка минимального напряжения расположена в пределах защищаемого участка линии и знаки относительного угла и его первой и второй производных совпадают, а знак производной по времени активной мощности - противоположен им, при этом, проверка наличия на контролируемой линии точки с минимальным напряжением заключается в проверке условия 0<X<SUB>MIN< SUB><X<SUB>Л< SUB>, где Х - реактивное сопротивление линии электропередачи.
Этот способ также характеризуется относительно узкой областью применения.
Наиболее близким по своей сущности к предложенному является способ [US 2011191048 А1, НКИ 702/75, G06F 19/00, 04.08.2011], предусматривающий, в частности, контроль текущих режимов работы электроэнергетической системы в режиме реального времени, выявление и наблюдение переходных процессов в электроэнергетической системе, обнаружение колебаний частоты, мощности и разности углов синхронных генераторов, анализ причин и последствий технологических нарушений и системных аварий, проверку и уточнение динамической модели электроэнергетической системы, настройку автоматики и защиты.
Однако этот способ не характеризуется достаточным уровнем информационного обеспечения, что в многообъектной электроэнергетической системе не позволяет в должной мере оценивать качество переходного процесса и обеспечить, на этой основе, эффективное управление режимами электроэнергетической системы.
В частности, способ не позволяет определять длительность и другие параметры переходного процесса в электроэнергетической системе в целом при возмущениях, вносимых объектами ЭЭС. Это ограничивает область применения известного способа.
Задачей изобретения является расширение области применения способа путем обеспечения возможности определения длительности и иных параметров переходного процесса в ЭЭС.
Требуемый технический результат относительно способа заключается в разработке расширенного арсенала операций способа и последовательности их выполнения, которые обеспечивают расширение области применения способа за счет, в частности, обеспечения возможности определения длительности и иных параметров переходного процесса в ЭЭС.
Требуемый технический результат применительно к способу достигается тем, что в способе, включающем контроль текущих режимов работы электроэнергетической системы в режиме реального времени, выявление и наблюдение переходных процессов в электроэнергетической системе, при контроле текущих режимов работы электроэнергетической системы формируют в дискретные моменты времени синхронизированные внешним источником единого времени сигналы, пропорциональные параметрам векторов напряжений, вырабатываемых контролируемыми объектами единой электроэнергетической системы, в качестве которых выбирают генераторы напряжений, входящих в ее состав, определяют на заданном скользящем интервале времени оценки математических ожиданий фазовых углов и их приращений в каждый дискретный момент времени, а при наблюдении переходных процессов в электроэнергетической системе выявляют группу возмущенных контролируемых объектов по резкому изменению фазовых углов, по крайней мере, на двух контролируемых объектах на основе сравнения приращений фазовых углов с их допустимыми пороговыми значениями, по максимальному приращению фазовых углов возмущенных контролируемых объектов определяют источник возмущений, определяют в дискретные моменты времени среднее расстояние между возмущенными объектами группы и источником возмущений, по которому судят о пространственном характере переходного процесса в электроэнергетической системе, по скорости изменения этого расстояния судят о скорости переходного процесса и его изменении во времени, а по длительности интервала времени от момента выявления группы возмущенных контролируемых объектов до момента прекращения возмущений судят о длительности переходного процесса в электроэнергетической системе.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что допустимые пороговые значения приращений фазовых углов для каждого объекта контроля определяют на основании оценки текущих значений средних квадратических отклонений фазовых углов в невозмущенном состоянии объекта контроля.
Известны также устройства для мониторинга переходных режимов в электрических сетях и устройствах.
Одно из таких устройств [RU 2402067, C1, G06F 17/40, 20.10.2010] содержит первый счетчик, первый и второй коммутаторы, микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь, группу аналоговых датчиков, первое-четвертое оперативные запоминающие устройства, группу цифровых датчиков, постоянное запоминающее устройство, таймер, регистр, второй-четвертый счетчики, первый и второй D-триггеры, первый-четвертый одновибраторы и генератор тактовых импульсов, третий выход которого соединен с тактовым входом первого счетчика, а первый выход - соединен с тактовым входом микроконтроллера, выход порта F (адресная шина) которого соединен с объединенными адресными входами второго и третьего оперативных запоминающих устройств, разряды второго и третьего выходов порта G (шины управления) микроконтроллера соединены, соответственно, со входами управления записью второго и третьего оперативных запоминающих устройств, а десятый выход - соединен со входом управления состоянием выходов третьего оперативного запоминающего устройства, информационный выход первого счетчика соединен с управляющим входом первого коммутатора, информационные входы которого подключены к выходам группы аналоговых датчиков, выходы группы цифровых датчиков соединены с информационными входами второго коммутатора, управляющий вход которого объединен с информационным входом регистра и группой старших разрядов адресного входа первого, второго и четвертого оперативных запоминающих устройств и подключен к информационному выходу первого счетчика, третий выход генератора тактовых импульсов через первый одновибратор соединен со входом запуска аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого подключен к выходу первого коммутатора, тактовый вход подключен ко второму выходу генератора тактовых импульсов, информационный выход соединен с информационным входом первого оперативного запоминающего устройства, информационный выход которого соединен с информационным входом второго оперативного запоминающего устройства, информационный выход которого соединен с информационным входом третьего оперативного запоминающего устройства, информационный выход которого соединен со входом порта Е (шиной данных) микроконтроллера, соединенным также с информационным входом постоянного запоминающего устройства и информационными выходами регистра и таймера, тактовый вход которого подключен к первому выходу генератора тактовых импульсов, второй выход которого соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя, а третий - со входом первого одновибратора, информационный выход первого счетчика соединен с объединенными управляющим входом второго коммутатора, группой старших разрядов адресных входов первого, второго и четвертого оперативных запоминающих устройств, а также информационным входом регистра, выходы группы цифровых датчиков соединены с информационными входами второго коммутатора, выход которого соединен со входом второго одновибратора, прямой выход которого соединен со входом управления записью регистра, а инверсный выход  соединен со входами установки единицы первого и второго D-триггеров, прямой выход которого соединен со входом порта А (первого вектора прерываний) микроконтроллера, информационный выход четвертого счетчика соединен со входом порта F (адресной шиной) микроконтроллера, который также соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства, а также с группой старших разрядов информационного входа четвертого оперативного запоминающего устройства, группа старших разрядов информационного выхода которого соединена с информационным входом четвертого счетчика, выход переноса которого соединен со входом третьего одновибратора, прямой выход которого соединен со входом порта С (третьего вектора прерываний) микроконтроллера и входом установки нуля четвертого счетчика, а инверсный выход - соединен со входом установки нуля первого D-триггера, прямой выход которого соединен с младшим разрядом информационного входа четвертого оперативного запоминающего устройства, младший разряд информационного выхода которого соединен со входом порта D микроконтроллера, выход переноса третьего счетчика соединен со входом четвертого одновибратора, четвертый выход которого соединен со входом установки нуля третьего счетчика, а инверсный выход  соединен со входом установки нуля второго D-триггера, информационный выход второго счетчика соединен с группой младших разрядов адресного входа первого оперативного запоминающего устройства, выход первого одновибратора соединен со входом запуска аналого-цифрового преобразователя, выход окончания цикла преобразования которого соединен со входом порта В (второго вектора прерываний) микроконтроллера, разряды первого и четвертого выходов порта G (шины управления) которого соединены, соответственно, со входами управления записью первого и четвертого оперативных запоминающих устройств, пятый выход - соединен со входом управления записью постоянного запоминающего устройства, шестой выход -соединен со входом управления записью четвертого счетчика, седьмой, восьмой и девятый выходы соединен с тактовыми входами второго, третьего и четвертого счетчиков соответственно, десятый выход -соединен со входом управления состоянием выходов четвертого счетчика, двенадцатый и тринадцатый выходы  соединены со входом управления состоянием выходов таймера и регистра, соответственно, а четырнадцатый выход  соединен со входом захвата таймера.
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство [RU 112441, C1, G01R 21/00, 10.01.2012], включающее информационно-вычислительный комплекс, выполненный с возможностью осуществления функций мониторинга качества электрической энергии в энергосистеме и выявления виновников и причин нарушения качества электрической энергии, подключенный через сеть передачи данных системы мониторинга качества электрической энергии, по крайне мере, к одному программно-аппаратному комплексу синхронных измерений показателей качества электрической энергии энергообъекта, состоящему из устройств синхронных измерений качества электрической энергии, объединенных сетью передачи данных энергообъекта, причем каждое из устройств синхронных измерений качества электрической энергии, выполненное с возможностью обеспечения оценки качества электрической энергии в точке измерения и осуществления одновременных измерений показателей качества электрической энергии в фиксированные временные интервалы, подключено через сеть тактовой синхронизации к внешнему источнику единого времени и содержит коммуникационный интерфейс, связанный с сетью передачи данных энергообъекта, блок тактовой и календарной синхронизации, подключенный через интерфейс тактовой синхронизации к сети тактовой синхронизации, интерфейс измерительных трансформаторов, подключенный к измерительным трансформаторам, блок обработки первичных данных, подключенный к интерфейсу измерительных трансформаторов, коммуникационному интерфейсу, блоку тактовой и календарной синхронизации, блок измерения показателей качества электрической энергии и учета электроэнергии, подключенный к блоку обработки первичных данных и блоку тактовой и календарной синхронизации, блок контроля показателей качества электрической энергии, подключенный к блоку измерения показателей качества электрической энергии и учета электроэнергии, база данных, подключенная к блоку контроля показателей качества электрической энергии, блоку измерения показателей качества электрической энергии и учета электроэнергии, телекоммуникационный блок, подключенный к коммуникационному интерфейсу, базе данных, блоку измерения показателей качества электрической энергии и учета электроэнергии.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности.
Задача, которая решается в данном изобретении относительно устройства заключается в расширении функциональных возможностей.
Требуемый технический результат заключается в разработке дополнительного арсенала технических средств, в результате применения которых расширяются функциональные возможности устройства, в частности, реализуется возможность определения пространственных и временных характеристик переходного процесса в электроэнергетических системах.
Требуемый технический результат относительно устройства достигается тем, что, в устройство, содержащее источник единого времени, блок памяти и группу цифровых датчиков параметра напряжения, введены группа фильтров-усреднителей по числу цифровых датчиков группы, входы которых соединены с выходами блока памяти, входы которого соединены с выходами цифровых датчиков параметра напряжения группы, синхровходы которых соединены с выходом источника единого времени, группа блоков вычитания, первые и вторые входы которых соединены, соответственно, с выходами и входами соответствующего им фильтра-усреднителя группы, группа пороговых блоков, входы которых соединены с выходами соответствующих блоков вычитания группы, блок определения цифрового датчика параметра напряжения группы, соответствующего максимальному приращению параметра, входы которого соединены с выходами блоков вычитания группы, последовательно соединенные элемент ИЛИ, входы которого соединены с выходами пороговых блоков группы, одновибратор, таймер и регистр памяти, а также блок вычисления среднего расстояния, входы которого соединены с выходами пороговых блоков группы, и блок дифференцирования, вход которого соединен с выходом блока вычисления среднего расстояния, и детектор нуля, вход которого соединен с выходом блока вычисления среднего расстояния, выход которого соединен с управляющими входами таймера и регистра памяти.
На чертеже представлено устройство для реализации способа мониторинга переходных режимов в электроэнергетической системе.
Устройство для реализации способа мониторинга переходных режимов в электроэнергетической системе содержит источник 1 единого времени, блок 2 памяти и группу цифровых датчиков 3-1 - 3-к параметра напряжения.
Кроме того, устройство содержит группу фильтров-усреднителей 4-1 - 4-к по числу цифровых датчиков группы, входы которых соединены с выходами блока 2 памяти, входы которого соединены с выходами цифровых датчиков 3-1 - 3-к параметра напряжения группы, синхровходы которых соединены с выходом источника 1 единого времени, группу блоков 5-1 - 5-к вычитания, первые и вторые входы которых соединены, соответственно, с выходами и входами соответствующего им фильтра-усреднителя 4-1 - 4-к группы.
Устройство содержит также группу пороговых блоков 6-1 - 6-к, входы которых соединены с выходами соответствующих блоков 5-1 - 5-к вычитания группы, блок 7 определения цифрового датчика параметра напряжения группы, соответствующего максимальному приращению параметра, входы которого соединены с выходами блоков 5-1 - 5-к вычитания группы, последовательно соединенные элемент ИЛИ 8, входы которого соединены с выходами пороговых блоков 6-1 - 6-к группы, одновибратор 9, таймер 10 и регистр 11 памяти, а также блок 12 вычисления среднего расстояния, входы которого соединены с выходами пороговых блоков 6-1 - 6-к группы, и блок 13 дифференцирования, вход которого соединен с выходом блока 12 вычисления среднего расстояния, и детектор 14 нуля, вход которого соединен с выходом блока 12 вычисления среднего расстояния, выход которого соединен с управляющими входами таймера 10 и регистра 11 памяти.
Все элементы устройства являются стандартными элементами измерительной и электронно-вычислительной техники.
Работает устройство, в котором реализован предложенный способ мониторинга переходных режимов в электроэнергетической системе, следующим образом.
Группа цифровых датчиков 3-1 - 3-к установлена на контролируемых объектах электроэнергетической системы, в качестве которых используются генераторы напряжений. Измерения осуществляются специализированными устройствами, например, измерительными преобразователями, например, PMU, Phaser Measurement Unit и т.п., которые измеряют фазовые углы, амплитуды токов и напряжений, частоту, мощности и т.д. в местах их установки в различных частях ЭЭС. Все измерения синхронизированы при помощи ГЛОНАСС с точностью до 20 мкс. Данные от цифровых датчиков 3-1 - 3-к с метками времени передаются в блок 2 памяти, в частности, на сервер мониторинга и управления ЭЭС, на котором устанавливается специализированное программное обеспечение, которое обеспечивает сбор данных от всех цифровых датчиков 3-1 - 3-к и производит их хранение и отображение в режиме реального времени. Таким образом, в блок 2 памяти заносятся для каждого контролируемого объекта признак контролируемого объекта, значения фазового угла и соответствующие им значения дискретного момента времени. Текущие значения фазовых углов на заданном скользящем интервале времени усредняются в фильтрах-усреднителях 4-1 - 4-к. Из результатов усреднения в блоках вычитания 5-1 - 5-к вычитаются текущие значения фазовых углов. Разностные сигналы, взятые по модулю (без учета знакового разряда), поступают на входы пороговых блоков 6-1 - 6-к, сигналы с уровнем логической единицы, на выходах которых формируются в моменты резкого приращения фазового угла, определяемые по превышению заданного порогового уровня. Такая ситуация соответствует возникновению переходного процесса в электроэнергетической системе. Разностные сигналы, взятые по модулю, поступают также в блок 7, в котором они используются совместно с признаком контролируемого объекта для определения источника возмущения, который определяется по максимальному приращению фазового угла. Это позволяет в блоке 12 определить среднее расстояние между возмущенными объектами и источником возмущений, а в блоке дифференцирования 13 характеристику скорости изменения этого расстояния. Кроме того, при срабатывании пороговых блоков 6-1 - 6-к по сигналам уровнем логической единицы с их выходов, поступающих через элемент ИЛИ 8 и используемых для срабатывания одновибратора 9, запускается таймер 10. Остановка таймера 10 и перенос его выходного сигнала в регистр 11 памяти производится по сигналу с выхода детектора 14 нуля, который срабатывает при прекращении переходного процесса в системе. При выборе порогов срабатывания пороговых блоков 6-1 - 6-к на уровне, сравнимых со средним квадратическим отклонением фазового угла, остановка таймера происходит при прекращении переходных процессов в электроэнергетической системе. Следовательно, зафиксированная в регистре 10 величина соответствует длительности переходного процесса. Для определения среднего квадратического отклонения (СКО) фазового угла в невозмущенном состоянии могут быть использованы опытные данные или текущие отсчеты с выходов блоков 5-1 - 5-к вычитания, которые после оценки СКО (блок оценки на чертеже не показан) подаются на управляющие входы соответствующих пороговых блоков 6-1 - 6-к.
Таким образом, в устройстве достигается требуемый технический результат, связанный с расширением функциональных возможностей устройства, поскольку в отличие от прототипа оно позволяет определять в блоке 12 среднее расстояние между возмущенными объектами и его изменение во времени, по которому судят о пространственном характере переходного процесса в электроэнергетической системе. Кроме того, по сигналу на выходе блока 13 появляется возможность судить о скорости изменения этого расстояния (скорости переходного процесса и его изменении во времени), а по длительности интервала времени от момента выявления до момента исчезновения группы возмущенных контролируемых объектов, формируемого в регистре 11, судят о длительности переходного процесса в электроэнергетической системе.
Это подтверждает и реализованную в предложенном способе возможность расширения области его применения.