УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ ЭНЕРГОРАЙОНА С СЕТЬЮ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ
DEVICE FOR SYNCHRONIZATION OF THE ENERGY DISTRICT WITH THE NETWORK OF THE POWER SYSTEM

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для точной синхронизации энергорайона с сетью энергосистемы.
Известно устройство синхронизации с постоянным временем опережения для автоматического повторного включения одиночной линии электропередачи с двусторонним питанием с улавливанием синхронизма [SU 194918 А1, МПК H02J 3/42 (2000.01), опубл. 12.04.1967], содержащее блок питания, связанный с блоком преобразования напряжения, фазовращательным блоком и реагирующим органом. Фазовращательный блок состоит из статических фазоповоротных мостов, которые осуществляют поворот векторов напряжения для уменьшения разности углов. В регулируемом плече статических фазоповоротных мостов включен полупроводниковый триод, управляемый напряжением, снимаемым с выхода преобразования.
Известно реле синхронизации [RU 2224321 С1, МПК Н01Н 47/00 (2000.01), Н01Н 47/20 (2000.01), опубл. 20.02.2004], использующееся на линиях с двухсторонним питанием. Это устройство содержит измерительный преобразователь, первый и второй входы которого являются входами напряжений синхронизируемого генератора и сети соответственно, а выход является выходом постоянного напряжения, амплитуда которого пропорциональна углу между векторами напряжений синхронизируемого генератора и сети. Входы первого и второго компараторов соединены с входом третьего компаратора и с выходом измерительного преобразователя. Последовательно соединены одновибратор и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом «Больше» второго компаратора. Счетный вход счетчика импульсов соединен с выходом первого элемента И. Выход четвертого компаратора соединен с первым входом второго элемента И, выход которого соединен с входом исполнительного элемента. Второй вход второго элемента И соединен с выходом «Равно» второго компаратора. Вход формирователя короткого импульса по заднему фронту соединен с выходом «Больше» второго компаратора и со вторым входом первого элемента И, а выход соединен с управляющим входом регистра памяти и входом элемента задержки, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом установки в «О» счетчика импульсов, а второй и третий входы соединены соответственно с выходом «Равно» третьего компаратора и с выходом одновибратора.
Недостатками данных устройств является большая длительность синхронизации ввиду отсутствия возможности управления процессом включения на параллельную работу.
Известно, принятое за прототип, устройство синхронизации энергосистемы и отделившегося в аварийном режиме энергорайона [SU 1647765 А1, МПК H02J 3/42 (2000.01), опубл. 07.05.1991], который содержит четыре блока умножения, два блока деления, блок возведения в степень, три сумматора и исполнительный орган отключения нагрузок. Последовательно соединенные первый блок умножения, первый блок деления, блок возведения в степень, второй блок умножения, первый сумматор, второй блок деления и второй блок умножения подключены к входу исполнительного органа. К входам третьего блока умножения подключены второй и третий сумматоры. Входы второго сумматора соединены с выходами первого и второго датчиков частоты. Выход первого датчика частоты подключен ко вторым входам второго блока умножения и первого сумматора. Вход второго датчика частоты подключен к шинам энергосистемы, а вход первого датчика частоты присоединен к шинам отделившейся части энергосистемы. Шины энергосистемы и шины отделившейся части энергосистемы соединены выключателем. Входы четвертого сумматора соединены с первым и вторым датчиками активной мощности первого и второго генераторов в отделившейся части энергосистемы. К входам исполнительного органа подключены три датчика активной мощности соответственно трех нагрузок, а выходы соединены с цепями управления трех коммутационных аппаратов соответствующих нагрузок.
Устройство работает при отделении части энергосистемы и, как результат, определяет требуемый объем отключения нагрузки и выдает управляющие воздействия на ее отключение для успешной синхронизации.
Недостатком данного устройства является необходимость отключения нагрузки потребителей для успешной синхронизации, а также то, что данное устройство применимо только для избыточных энергорайонов.
Техническим результатом предложенного изобретения является расширение арсенала средств управления процессом синхронизации энергорайона с сетью энергосистемы.
Предложенное устройство синхронизации энергорайона с сетью энергосистемы, также как в прототипе, содержит трансформатор напряжения со стороны энергосистемы, трансформатор напряжения со стороны энергорайона и два сумматора.
Согласно изобретению предложенное устройство содержит измеритель разности фаз, который соединен с первым и вторым измерителями напряжения, а также с первым и вторым измерителями частоты напряжения, которые подключены соответственно к трансформатору напряжения энергосистемы и трансформатору напряжения энергорайона. К первому измерителю напряжения подключен первый сумматор. К второму измерителю напряжения подключен первый инвертор, выход которого подключен к первому сумматору, который подключен к блоку модуля и к первому ключу. Выход блока модуля соединен с блоком сравнения, который подключен к первому ключу и к второму инвертору, который соединен со вторым ключом. К первому измерителю частоты напряжения последовательно подключены третий инвертор и второй сумматор, к которому подключен второй измеритель частоты напряжения. Второй сумматор подключен к второму ключу, который связан с первым и вторым нуль-органами и программатором. Первый нуль-орган подключен к программатору и третьему ключу. Второй нуль-орган подключен к программатору. К измерителю разности фаз подключены программатор и третий нуль-орган, который соединен с третьим ключом, который подключен к линейному выключателю, соединенному с шинами и трансформатором напряжения энергосистемы, с шинами и трансформатором напряжения энергорайона. Программатор и первый ключ подключены к первому контроллеру, к которому присоединен второй измеритель частоты напряжения. К первому контроллеру также последовательно подключены передатчик, приемник и второй контроллер, выходы которого подключены к первому и второму регуляторам, выходы которых присоединены к генератору, который связан с шинами энергорайона.
Предложенное изобретение позволяет управлять процессом синхронизации и осуществлять включение как избыточного, так и дефицитного энергорайона на параллельную работу с энергосистемой.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства для синхронизации энергорайона с сетью энергосистемы.
Устройство синхронизации энергорайона с сетью энергосистемы содержит первый и второй измеритель напряжения 1 (ИН1) и 2 (ИН2), первый и второй измеритель частоты напряжения 3 (ИНЧ1) и 4 (ИНЧ2), измеритель разности фаз 5 (ИРФ). Входы первого измерителя напряжения 1 (ИН1) и первого измерителя частоты 3 (ИНЧ1), а также измерителя разности фаз 5 (ИРФ) подключены к трансформатору напряжения энергосистемы 6. Входы второго измерителя напряжения 2 (ИН2) и второго измерителя частоты 4 (ИНЧ2), а также измерителя разности фаз 5 (ИРФ) подключены к трансформатору напряжения энергорайона 7. Выход первого измерителя напряжения 1 (ИН1) подключен к первому сумматору 8. Ко второму измерителю напряжения 2 (ИН2) подключен первый инвертор 9, выход которого подключен к первому сумматору 8, выход которого подключен к блоку модуля 10 и к первому ключу 11. Выход блока модуля 10 подключен к блоку сравнения 12, выход которого подключен к первому ключу 11 и второму инвертору 13, выход которого подключен ко второму ключу 14. К первому измерителю частоты напряжения 3 (ИЧН1) последовательно подключены третий инвертор 15 и второй сумматор 16, к входу которого подключен второй измеритель частоты напряжения 4 (ИЧН2). Выход второго сумматора 16 подключен ко второму ключу 14, выход которого подключен к первому и второму нуль-органам 17 и 18 и к программатору 19. Выход первого нуль-органа 17 подключен к программатору 19 и к третьему ключу 20. Выход второго нуль-органа 18 подключен к программатору 19. К измерителю разности фаз 5 (ИРФ) подключены программатор 19 и третий нуль-орган 21, выход которого подключен к третьему ключу 20, выход которого подключен к линейному выключателю 22, подключенному к шинам энергосистемы, к трансформатору напряжения энергосистемы 6, к трансформатору напряжения энергорайона 7 и к шинам энергорайона. Выходы программатора 19 и первого ключа 11 подключены к первому контроллеру 23, к которому также подключен второй измеритель частоты напряжения 4 (ИЧН2). К первому контроллеру 23 последовательно подключены передатчик 24, приемник 25 и второй контроллер 26, выходы которого подключены к первому и второму регуляторам 27 и 28 соответственно. Выходы первого и второго регуляторов 27 и 28 подключены к генератору 29, который подключен к шинам энергорайона.
Измерители напряжения 1 (ИН1) и 2 (ИН2) реализованы на вольтметрах RBUZ V3. Измерители частоты напряжения 3 (ИЧН1) и 4 (ИЧН2) выполнены на частотомерах Ф5137. Измеритель разности фаз 5 (ИРФ) реализован на фазометре Ф5126. Блок модуля 10 выполнен на логическом контроллере ПЛК 100. Первый 8 и второй 16 сумматоры, первый 9, второй 13 и третий 15 инверторы реализованы на операционных усилителях 140УД17А. Блок сравнения 12 выполнен на компараторе CMP402GSZ. Первый 11, второй 14 и третий 20 ключи реализованы на микроконтроллере ADG819BRM. Первый 17, второй 18 и третий 21 нуль-органы выполнены на компараторах CMP402GSZ. Программатор 19, а также первый 27 и второй 28 регуляторы реализованы на микроконтроллерах серии 51 производителя Atmel AT89S53. Первый 23 и второй 26 контроллеры выполнены на станционных контроллерах связи и управления СКСУ. Передатчик 24 и приемник 25 реализованы на гибких мультиплексорах МАКОМ-МХ.
При автономной работе энергорайона от энергосистемы линейный выключатель 22 находится в отключенном положении.
Устройство синхронизации энергорайона с сетью энергосистемы осуществляет синхронизацию посредством включения линейного выключателя 22.
c
эp
c
эp
От трансформатора напряжения энергосистемы 6 на входы первого измерителя напряжения 1 (ИН1) и первого измерителя частоты напряжения 3 (ИЧН1) поступают сигналы мгновенных значений напряжения сети в точке синхронизации энергорайона U(t). Одновременно от трансформатора напряжения энергорайона 7 на входы второго измерителя напряжения 2 (ИН2) и второго измерителя частоты напряжения 4 (ИЧН2) поступают сигналы мгновенных значений напряжения энергорайона в точке синхронизации энергорайона U(t), а от трансформаторов напряжения энергосистемы 6 и энергорайона 7 на входы измерителя разности фаз 5 (ИРФ) поступают сигналы U(t) и U(t).
c
эp
Uc
Uэр
c
эp
ƒс
ƒэр
С помощью первого и второго измерителей напряжения 1 (ИН1) и 2 (ИН2) сигналы U(t) и U(t) преобразуются в коды K и K, пропорциональные напряжению системы и напряжению энергорайона в точке синхронизации соответственно. С помощью первого и второго измерителей частоты напряжения 3 (ИЧН1) и 4 (ИЧН2) сигналы U(t) и U(t) преобразуются в коды K и K, пропорциональные частоте напряжения системы и частоте напряжения энергорайона в точке синхронизации соответственно. С помощью измерителя разности фаз 5 (ИРФ) получают код , пропорциональный разности фаз напряжений системы и энергорайона в точке синхронизации.
Uэр
Uэр
Uc
Uэр
ΔU
Uc
Uэр
ΔU
ΔU
ΔU
ΔU
ΔU
ΔU
ΔU
С выхода второго измерителя напряжения 2 (ИН2) сигналы, соответствующие коду K, поступают в первый инвертор 9, где преобразуются в код - K. С выходов первого измерителя напряжения 1 (ИН1) и первого инвертора 9 коды K и -K поступают в первый сумматор 8, где определяется код K, как сумма значений сигналов K+(-K). С выхода первого сумматора 8 код K поступает в блок модуля 10 и на первый ключ 11. С помощью блока модуля 10 код K преобразуется в код |K|, и затем поступает в блок сравнения 12. Блок сравнения 12 осуществляет сравнение кода |K| с нулем и выдает сигналы на первый ключ 11 и на второй ключ 14, посредством преобразования сигнала через второй инвертор 13. Таким образом, если код |K| > 0, то замыкается первый ключ 11, посредством которого передается код K, а если код |K| = 0, то замыкается второй ключ 14.
ΔU
ΔU
ΔU
рег
ΔU
С выхода первого ключа 11 код K поступает в первый контроллер 23. С помощью первого контроллера 23 код K преобразуется в GOOSE сообщение и поступает последовательно на передатчик 24, расположенный на одном конце линии (сеть), на приемник 25, расположенный на другом конце линии (энергорайон) и на второй контроллер 26. С помощью второго контроллера 26 GOOSE сообщение преобразуется в код K и поступает в первый регулятор 27, который вырабатывает управляющие воздействия и осуществляет автоматическое регулирование возбуждения ротора синхронного генератора 29 на основании того, что ток регулятора пропорционален разности значений напряжений сети и энергорайона в точке синхронизации I ~ K.
ƒс
ƒс
ƒэр
ƒс
ƒэр
ƒс
ΔU
S
пуск
S
пуск
12
1
2
Sp1
S пуск
у
j
ω0
у
рТ
0
j
(1)
(1)
С выхода первого измерителя частоты напряжения 3 (ИЧН1) код K поступает на третий инвертор 15, где преобразуется в код - K. С выходов второго измерителя частоты напряжения 4 (ИНЧ2) и третьего инвертора 15 коды K и - K поступают во второй сумматор 16, где определяется код скольжения Ks, как сумма кодов K + (-K). С выхода второго сумматора 16 код скольжения Ks поступает на второй ключ 14, который замыкается при условии |K| = 0. С выхода второго ключа 14 код Ks поступает на первый нуль-орган 17, второй нуль-орган 18 и программатор 19. Первый нуль-орган 17 определяет момент, когда скольжение генератора 29 относительно сети достигает величины K и подает сигнал на программатор 19. Значение K может быть как положительным, так и отрицательным. Получив сигнал от первого нуль-органа 17 программатор 19 начинает определение траектории изменения скольжения для первого подынтервала управления t ∈ [t, t]. Программатор 19 строит траекторию изменения скольжения при его начальном значении K равном величине K, измеренной в момент включения первого-нуль органа 17. Для этого предварительно в программатор 19 вводят значения интервала регулирования Т, постоянной инерции генератора 29 T, синхронной частоты K = 1 о.е. (314 рад/с), длительности первого подынтервала регулирования Т, разности фаз напряжений между сетью и энергорайоном δ = 0 и коэффициента пропорциональности K = ω/T.
Построение траектории изменения скольжения на первом подынтервале регулирования:
2
1. Определяют время начала второго подынтервала регулирования t:
1
где t - время начала первого подынтервала регулирования.
р1
(1)
2. Определяют небаланс мощности на валу генератора 29 энергорайона ΔР на первом подынтервале регулирования:
Sp2
(2)
3. Определяют значение коэффициента скольжения K в конце первого подынтервала регулирования:
Sp
4. Определяют значение коэффициента скольжения K на первом подынтервале регулирования:
где t - переменная времени подынтервалов регулирования.
Sp
Sp
ДН
Сигнал, соответствующий коэффициенту скольжения K из программатора 19 поступает в первый контроллер 23, где преобразуется в GOOSE сообщение и поступает последовательно на передатчик 24, расположенный на одном конце линии (энергосистема), на приемник 25, расположенный на другом конце линии (энергорайон) и на второй контроллер 26. С помощью второго контроллера 26 GOOSE сообщение преобразуется в коэффициент скольжения K, который поступает во второй регулятор 28, с помощью которого определяют код K, пропорциональный изменению расхода топлива посредством дозатора в приводе генератора 29 энергорайона:
S
S
2
3
S
В конце первого подынтервала регулирования коэффициент скольжения становится равен нулю K = 0. Второй нуль-орган 18 определяет момент, когда скольжение генератора 29 относительно сети достигает величины K = 0 и подает сигнал на программатор 19. В программатор 19 вводят значение длительности второго подынтервала регулирования  Программатор 19 строит взаимосвязанные функции изменения угла разности фаз и скольжения на втором подынтервале регулирования [t, t] при нулевом начальном значении скольжения K = 0 и начальном значении угла разности фаз  равном коду  в момент включения второго нуль-органа 18 на входе программатора 19. Код разности фаз  поступает в программатор 19 с выхода измерителя разности фаз 5 (ИРФ).
Построение взаимосвязанных траекторий изменения угла разности фаз и скольжения на втором подынтервале регулирования:
3
1. Определяют время начала третьего подынтервала регулирования t:
р2
(2)
2. Определяют небаланс мощности на валу генератора 29 энергорайона ΔР на первом подынтервале регулирования:
3. Определяют значение коэффициента угла разности фаз  в начале третьего подынтервала регулирования:
δр
4. Определяют значение коэффициента угла разности фаз K на третьем подынтервале регулирования:
5. Определяют значение коэффициента скольжения  в начале третьего подынтервала регулирования:
Sp
6. Определяют значение коэффициента скольжения K на третьем подынтервале регулирования:
Sp
Sp
Sp
ДН
Сигнал, соответствующий коэффициенту скольжения K из программатора 19 поступает в первый контроллер 23. С помощью первого контроллера 23 коэффициент скольжения K преобразуется в GOOSE сообщение и поступает последовательно на передатчик 24, расположенный на одном конце линии (энергосистема), на приемник 25, расположенный на другом конце линии (энергорайон) и на второй контроллер 26. С помощью второго контроллера 26 GOOSE сообщение преобразуется в коэффициент скольжения K и поступает во второй регулятор 28, с помощью которого определяют код K, пропорциональный изменению расхода топлива посредством дозатора в приводе генератора 29 энергорайона:
3
T
Программатор 19 строит взаимосвязанные функции изменения угла разности фаз и скольжения на третьем подынтервале регулирования [t, t].
Построение траекторий изменения угла разности фаз и скольжения на третьем подынтервале регулирования:
1. Определяют длительность третьего подынтервала регулирования
2. Определяют небаланс мощности на валу генератора 29 энергорайона  на третьем подынтервале регулирования:
3. Определяют значение коэффициента скольжения  в конце третьего подынтервала регулирования:
Sp
4. Определяют значение коэффициента скольжения K:
5. Определяют значение коэффициента угла разности фаз  в конце третьего подынтервала регулирования:
6. Определяют значение коэффициента угла разности фаз  в конце третьего подынтервала регулирования:
Sp
Sp
Sp
ДН
Сигнал, соответствующий коэффициенту скольжения K из программатора 19 поступает в первый контроллер 23. С помощью первого контроллера 23 коэффициент скольжения K преобразуется в GOOSE сообщение и поступает последовательно на передатчик 24, расположенный на одном конце линии (энергосистема), на приемник 25, расположенный на другом конце линии (энергорайон) и на второй контроллер 26. С помощью второго контроллера 26 GOOSE сообщение преобразуется в коэффициент скольжения K и поступает во второй регулятор 28, с помощью которого определяют код K, пропорциональный изменению расхода топлива посредством дозатора в приводе генератора 29 энергорайона:
3
T
δp
S
В конце третьего подынтервала регулирования [t, t], а соответственно и всего интервала регулирования K = 0 и K = 0.
С выхода измерителя разности фаз 5 (ИРФ) в третий нуль-орган 21 поступает код  Третий нуль-орган 21 срабатывает при условии  и пропускает сигнал на третий ключ 20, который открыт сигналом с первого нуль-органа 14. Посредством третьего ключа 20 поступает сигнал на включение линейного выключателя 22.
Таким образом, предложенное устройство позволяет осуществить синхронное включение энергорайона в сеть энергосистемы.