СИСТЕМА МОНИТОРИНГА АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ И СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
SYSTEM TO MONITOR AUTOMATIC CONTROLLERS OF EXCITATION AND SYSTEM OF EXCITATION OF POWER PLANT GENERATORS

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для мониторинга функционирования автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) и систем возбуждения (СВ) синхронных генераторов в эксплуатационных, аварийных и особых режимах работы энергосистем, в частности для своевременного выявления незатухающих низкочастотных синхронных колебаний в эксплуатационных и аварийных режимах работы энергосистемы с определением генератора электростанции, являющегося их источником, с целью своевременного выполнения мероприятий по ликвидации выявленных колебаний путем корректировки настроек автоматических регуляторов возбуждений и устранения неполадок в системе возбуждения синхронных генераторов электростанции, что позволяет повысить устойчивость параллельной работы генерирующего оборудования в энергосистеме и не допустить дальнейшее развитие аварийного процесса.
Известно техническое решение, содержащее устройства присоединения к объекту, подключенные к измерительным выводам вводов, узлы защиты токовых цепей, подключенные к выходам устройств присоединения, узлы гальванической развязки и нормализации токовых сигналов с трансформаторами тока на входах, подключенные к выходам узлов защиты токовых цепей, узлы гальванической развязки и нормализации сигналов напряжения измерительными трансформаторами напряжения на входе, получающие входные сигналы от сетевого трансформатора напряжения, мультиплексоры аналоговых сигналов тока и напряжения и узел измерений, коммуникационный узел, содержащий элементы отображения, клавиатуру, коммуникационный интерфейс, узел связи с системой сигнализации и защиты, интерфейс связи с верхним уровнем системы, формирователь калибровочного сигнала, выполненный в виде цифроаналогового преобразователя и управляющий контроллер, причем узел измерения включает входной мультиплексор аналоговых сигналов, умножающий цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), фильтр низкой частоты (ФНЧ) и выходной аналого-цифровой преобразователь, а узел формирования сигналов системы отсчета представляет собой замкнутую систему фазовой автоподстройки частоты, включающую в себя умножающий ЦАП и включенные последовательно с ним в ФНЧ генератор импульсов, управляемый напряжением, двоичный счетчик и преобразователь кодов, выходная шина данных которого подключена к цифровому входу умножающего цифроаналогового преобразователя [RU 2328009, C1, G01R 31/02, G01R 31/14, 27.06.2008].
Недостатком этого технического решения являются относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно позволяет оценить лишь состояние изоляции электрооборудования, но не позволяет своевременно выявить незатухающие низкочастотные синхронные колебания в эксплуатационных, аварийных и особых режимах работы энергосистемы с определением генератора, являющегося их источником.
Известно также устройство для регистрации параметров переходных процессов изменения напряжения и тока в электрических сетях при авариях, содержащее группу аналоговых датчиков, группу цифровых датчиков, многоканальные первый аналоговый и второй цифровой коммутаторы, формирователь модуля, нуль-орган, источник опорных напряжений, дешифратор, первое, второе и третье оперативные запоминающие устройства, постоянное запоминающее устройство, микроконтроллер, таймер, первый-четвертый одноканальные аналоговые коммутаторы, аналого-цифровой преобразователь, первый и второй аналоговые компараторы, регистр, первый-пятый счетчики, первый-третий триггеры, элемент И-НЕ, первый-пятый элементы И, первый-четвертый элементы ИЛИ, первый-шестнадцатый одновибраторы, числовой компаратор и генератор тактовых импульсов [RU 2376625, Cl, G06F 17/40, 20.12.2009].
Недостатком этого технического решения также являются относительно узкие функциональные возможности, поскольку, хотя оно и позволяет осуществлять регистрацию параметров переходных процессов изменения напряжения и тока в электрических сетях при авариях, но не позволяет своевременно выявить незатухающие низкочастотные синхронные колебания в эксплуатационных, аварийных и особых режимах работы энергосистемы с определением генератора, являющегося их источником.
Кроме того, известно устройство для регистрации параметров переходных процессов изменения напряжения и тока в электрических сетях, содержащее группу аналоговых датчиков, группу цифровых датчиков, аналоговый и цифровой коммутаторы, первый-четвертый счетчики, группу оперативных запоминающих устройств, постоянное запоминающее устройство, микроконтроллер, таймер, регистр, аналого-цифровой преобразователь, генератор тактовых импульсов, D-триггеры, первый-четвертый одновибраторы [RU 2402067, C1, G06F 17/40, 20.10.2010].
Этому устройству также присущи относительно узкие функциональные возможности, поскольку при регистрации параметров переходных процессов в системах электроснабжения оно не позволяет, в частности, своевременно выявить незатухающие низкочастотные синхронные колебания в эксплуатационных, аварийных и особых режимах работы энергосистемы с определением генератора, являющегося их источником.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство дистанционного контроля за параметрами тока и напряжения в высоковольтной части электроэнергетических систем, включая контроль за переходными процессами в этих системах, содержащее подключенный к высоковольтной сети высоковольтный измерительный модуль, включающий в себя магнитно-связанный с высоковольтной сетью пассивный преобразователь сетевого тока и/или электрически связанный с высоковольтной сетью пассивный преобразователь сетевого напряжения, причем высоковольтный измерительный модуль содержит блок вторичного электропитания, подключенные к блоку вторичного электропитания магнитно-связанный с высоковольтной сетью низковольтный питающий трансформатор тока и/или электрически связанный с высоковольтной сетью и включенный в цепь пассивного преобразователя сетевого напряжения низковольтный питающий трансформатор напряжения с фильтрующим конденсатором, шунтирующим первичную обмотку, и параллельным ему демпфирующим резистором, активный преобразователь сигналов измерительной информации, соединенный с пассивным преобразователем сетевого тока и/или пассивным преобразователем сетевого напряжения и блоком вторичного электропитания и имеющий радиочастотный и/или оптический выходы для преобразованных сигналов измерительной информации, а пассивный преобразователь сетевого напряжения выполнен в виде последовательно соединенных высоковольтного опорного конденсатора и низковольтного плеча, причем все элементы высоковольтного измерительного модуля, кроме высоковольтного опорного конденсатора, помещены в электрический экран, соединенный с сетевым проводом через дроссель и параллельный ему демпфирующий резистор [RU 2143165, C1, H02J 13/00,20.12.1999].
Недостатком наиболее близкого технического решения являются относительно узкие функциональные возможности, поскольку, хотя оно и позволяет осуществлять дистанционный контроль параметров тока и напряжения в высоковольтной части электроэнергетических систем, но не позволяет своевременно выявить незатухающие низкочастотные синхронные колебания в эксплуатационных, аварийных и особых режимах работы энергосистемы с определением генератора, являющегося их источником.
Целью усовершенствования наиболее близкого технического решения является расширение функциональных возможностей.
Требуемый технический результат, на достижение которого направлено усовершенствование наиболее близкого технического решения, заключается в расширении функциональных возможностей путем разработки и введения дополнительного арсенала технических средств, позволяющих своевременно выявить незатухающие низкочастотные синхронные колебания в эксплуатационных, аварийных и особых режимах работы энергосистемы с определением генератора, являющегося их источником.
Поставленная цель реализуется, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее группу измерителей, информационные входы которых подключены к выходам соответствующих генераторов, и группу преобразователей измерительной информации, введены блок синхронизации, выход которого соединен с синхронизирующими входами измерителей группы, выходы которых соединены со входами соответствующих преобразователей измерительной информации, а также блок контроля работы АРВ в эксплуатационных режимах, блок контроля работы АРВ в аварийных режимах и блок контроля работы АРВ в особых режимах, входы которых соединены с выходами преобразователей измерительной информации группы, и блок формирования результата мониторинга, входы которого соединены с выходами блока контроля работы АРВ в эксплуатационных режимах, блока контроля работы АРВ в аварийных режимах и блока контроля работы АРВ в особых режимах, соответствующих режиму ограничения минимального возбуждения и/или режиму ограничения двукратного значения тока ротора.
На чертеже представлены:
на фиг.1 - функциональная схема системы мониторинга автоматических регуляторов возбуждения и систем возбуждения (АРВ и СВ) генераторов электростанции;
на фиг.2 - функциональная схема преобразователя измерительной информации.
Система мониторинга АРВ и СВ генераторов электростанции (фиг.1) содержит группу измерителей 1-1…1-n, информационные входы которых подключены к выходам соответствующих генераторов 2-1…2-n.
Кроме того, система мониторинга АРВ и СВ генераторов электростанции содержит группу преобразователей 3-1…3-n измерительной информации и блок 4 синхронизации, выход которого соединен с синхронизирующими входами измерителей 1-1…1-n группы.
Система мониторинга АРВ и СВ генераторов электростанции содержит также блок 5 контроля работы АРВ в эксплуатационных режимах, блок 6 контроля работы АРВ в аварийных режимах и блок 7 контроля работы АРВ в особых режимах, входы которых соединены с выходами преобразователей 3-1…3-n измерительной информации группы, входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей 1-1…1-n группы.
Помимо указанных система мониторинга АРВ и СВ генераторов электростанции содержит блок 8 формирования результата мониторинга, входы которого соединены с выходами блока 5 контроля работы АРВ в эксплуатационных режимах, блока 6 контроля работы АРВ в аварийных режимах и блока 7 контроля работы АРВ в особых режимах.
Каждый из преобразователей 3-1…3-n измерительной информации (фиг.2) содержит блок 9 памяти линейного архива и блок 10 памяти аварийного архива, входы которых объединены и являются входом соответствующего преобразователя 3-1…3-n измерительной информации, а выходы являются выходами соответствующего преобразователя 3-1…3-n измерительной информации, а также блок 11 определения некорректной работы автоматических регуляторов возбуждения, вход которого соединен с выходом блока 9 памяти линейного архива, а выход  соединен с управляющим входом блока 10 памяти аварийного архива выходом соответствующего преобразователя 3-1…3-n измерительной информации.
Примеры конструктивного выполнения блоков системы, а также алгоритмы их функционирования приведены при описании ее работы.
Система мониторинга автоматических регуляторов возбуждения и систем возбуждения генераторов электростанции работает следующим образом.
Работа предложенной системы заключается в измерении мгновенных значений фазных напряжений и токов генераторов, вычислении для каждого генератора с заданной периодичностью средних значений параметров электрического режима (напряжение статора генератора Uг, реактивная мощность генератора Qг, частота напряжения fu, напряжение Uf и ток If возбуждения генератора), вычислении дисперсии параметров и коэффициентов корреляции напряжения генератора по отношению к остальным параметрам и выявлении генератора, являющегося источником колебаний из условия: если для него синфазны колебания напряжения статора и реактивной мощности, коэффициент корреляции между напряжением и реактивной мощностью максимален, положителен и среднеквадратичное отклонение реактивной мощности больше заданного значения. В этом случае фиксируют некорректную настройку АРВ генератора. Такой алгоритм работы заложен, в частности, в работу блока 11 определения некорректной работы автоматических регуляторов возбуждения
Для каждого из генераторов 2-1…2-n предусматривается свой измеритель 1-1…1-n, на входы которого подаются три фазных тока и три фазных напряжения генератора, напряжение возбуждения и ток возбуждения генератора. Измерители 1-1…1-n осуществляют сбор информации, необходимой для мониторинга АРВ и СВ, которая подается по локальной вычислительной сети в режиме реального времени с заданной периодичностью, например 1 с, в соответствующие преобразователи 3-1…3-n измерительной информации.
Все измерители 1-1…1-n для осуществления корректного анализа работы АРВ и СВ синхронизированы по времени путем использования внешнего блока 4 синхронизации, который обеспечивает подачу синхронизирующих импульсов. Синхронизация работы измерителей может быть осуществлена с помощью системы единого времени (GPS или ГЛОНАСС). Точность временной синхронизации измерений должна быть не менее ±1 мс.
В преобразователях 3-1…3-n измерительной информации формируются линейные и аварийные архивы с шагом дискретизации 20 мс, которые заносятся в блок 9 памяти линейного архива и в блок 10 аварийного архива соответственно. Архивы содержат измеренные и вычисленные данные для каждого генератора с заданной периодичностью: средние значения измеренных параметров электрического режима (напряжение статора генератора Uг, реактивная мощность генератора Qг, частота напряжения fu, напряжение Uf и ток If возбуждения генератора) и вычисленные значения дисперсии параметров и коэффициентов корреляции напряжения генератора по отношению к остальным параметрам. Аварийный архив формируется по команде блока 11 определений некорректной работы автоматических регуляторов возбудителя на основе анализа текущей информации, поступающей из измерителей 1-1…1-n. Линейные и аварийные архивы могут быть переданы по каналам связи и передачи данных и использованы в верхних звеньях управления электроэнергетических систем.
Блок 5 осуществляет контроль работы АРВ в эксплуатационных режимах, под которым понимается совокупность нормальных, ремонтных и послеаварийных режимов, характеризующихся относительно медленным изменением электрических параметров. Работа АРВ в этих режимах должна обеспечивать поддержание напряжения в точке регулирования, а также их стабилизацию. В случае отсутствия каналов стабилизации АРВ не должен являться источником возникновения синхронных колебаний на собственной (локальной) частоте и не должен способствовать развитию колебаний на более низких межзональных частотах. Для определения генератора (электростанции), являющегося источником синхронных колебаний, достаточно выполнить сравнение фаз реактивной мощности генератора и его статорного напряжения или напряжения на шинах ОРУ, а для определения генератора, являющегося источником межмашинных колебаний, необходимо также выполнить сравнение изменения напряжения возбуждения на генераторах этой электростанции. При наличии внутригрупповой неустойчивости определить, какой, например, из двух генераторов ГРЭС является источником межмашинных колебаний, довольно затруднительно. Близкое совпадение фаз изменения напряжения и реактивной мощности является только необходимым условием того, что генератор может являться источником межмашинных колебаний. Достаточным условием является также контроль напряжения возбуждения генератора. Генератор, являющийся источником межмашинных колебаний, определяется из числа генераторов, участвующих в межмашинных колебаниях, по характеру изменения напряжения возбуждения, которое у генератора - источника межмашинных колебаний достигает своих потолочных значений (в сторону форсировки и развозбуждения). Таким образом, мониторинг статорного напряжения, реактивной мощности и напряжения возбуждения каждого генератора обеспечивает однозначное определение источника электромеханических синхронных колебаний в диапазоне частот от нуля до нескольких Гц. На выходе блока 5 формируются сигналы «правильное/неправильное» функционирование АРВ в эксплуатационных режимах.
Блок 6 контроля работы АРВ в аварийных режимах осуществляет контроль функций, которые должен обеспечивать АРВ в аварийных режимах, в частности функции регулятора по обеспечению максимальных запасов динамической устойчивости, что достигается за счет полного использования расчетных возможностей силовой части системы возбуждения при аварийных возмущениях в энергосистеме и (частично) - при эффективном демпфировании больших послеаварийных колебаний. Для контроля полного использования расчетных возможностей силовой части системы возбуждения системой мониторинга АРВ и СВ фиксируется длительность существования потолочного значения напряжения возбуждения и ее сравнение с напряжением статора генератора. Если перед нарушением устойчивости напряжение генератора не восстановилось до величины, большей или равной 95% от своего доаварийного значения, и при этом потолочное значение напряжения возбуждения не поддерживалось, регулятор возбуждения работал неправильно (неэффективно). Причинами такой работы АРВ могут являться либо отсутствие релейной форсировки возбуждения, либо неправильная настройка ее параметров. Таким образом, в случае нарушения динамической устойчивости факт неправильной (неэффективной) работы АРВ однозначно выявляется путем сравнения напряжения возбуждения и напряжения статора генератора. Для контроля правильности работы АРВ при возникновении аварийных небалансов мощности система мониторинга АРВ и СВ должна обеспечить регистрацию напряжения статора генератора, частоты статорного напряжения и напряжения возбуждения. Правильность работы АРВ следует оценивать по факту отсутствия расфорсировки (форсировки) возбуждения при снижении (повышении) частоты напряжения. На выходе блока 6 формируются сигналы «правильное/неправильное» функционирование АРВ.
Блок 7 осуществляет контроль работы АРВ в особых режимах, под которыми понимается режимы, в которых АРВ переходит на другие алгоритмы регулирования возбуждения: режим ограничения минимального возбуждения или режим ограничения двукратного значения тока ротора. Переход АРВ в режим ограничения минимального возбуждения (ОМВ) должен фиксироваться системой мониторинга АРВ и СВ путем сравнения напряжения генератора и его реактивной мощности. Повышение напряжения генератора при постоянстве реактивной мощности свидетельствует о работе АРВ в режиме ОМВ. Переход цифровых АРВ в зону ОМВ может быть также зафиксирован путем передачи от АРВ дискретного сигнала о срабатывании ограничителя на регистратор системы мониторинга АРВ и СВ. Контроль правильности работы АРВ в режиме ограничения двукратного значения тока ротора возможен только на системах возбуждения, на которых обеспечивается измерение тока ротора, а именно, на всех системах возбуждения, кроме диодных бесщеточных систем. Переход АРВ в режим ограничения двукратного значения тока ротора должен фиксироваться системой мониторинга АРВ и СВ по факту достижения током своего потолочного значения. Переход цифровых АРВ в режим ограничения двукратного тока ротора может быть также зафиксирован путем передачи от АРВ дискретного сигнала о срабатывании ограничителя на регистратор системы мониторинга АРВ и СВ. Для контроля правильности работы АРВ в режиме ОМВ система мониторинга АРВ и СВ используются данные регистрации реактивной мощности генератора. Возникновение незатухающих синхронных колебаний реактивной мощности в режиме ОМВ свидетельствует о неисправности АРВ. Для контроля правильности работы АРВ в режиме ограничения двукратного значения тока ротора система мониторинга АРВ и СВ должна регистрировать ток ротора и напряжение возбуждения. Расфорсировка возбуждения при превышении двукратного значения тока ротора в начальной фазе аварийного процесса свидетельствует о неправильной работе АРВ (отсутствии временной задержки на ввод ограничения двукратного значения тока ротора). На выходе блока 7 формируются сигналы «правильное/неправильное» функционирование АРВ.
Примером конструктивного выполнения блока 8 является элемент И. Результаты мониторинга признаются положительными, если все сигналы с выходом блоков 5,6,7 являются «правильными», например, с уровнем логической единицы и отрицательными, если хотя бы один сигнал формируется с уровнем логического нуля при фиксации нарушения «неправильного» функционирования АРВ.
Таким образом, благодаря разработке и введению в известное устройство дополнительного арсенала технических средств обеспечивается расширение функциональных возможностей, что позволяет  своевременно выявить незатухающие низкочастотные синхронные колебания в эксплуатационных и аварийных режимах работы энергосистемы с определением генератора, являющегося их источником.