УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
DEVICE FOR PROTECTION OF EQUIPMENT OF POWER SYSTEM

Настоящее изобретение относится к устройству для защиты оборудования электроэнергетической системы переменного тока (АС), содержащему:
- первое средство, сконфигурированное с возможностью детектирования параметров электрической мощности упомянутой энергетической системы,
- второе средство, сконфигурированное, наряду с рассмотрением электроэнергетической системы в качестве эквивалентной двухмашинной системы, имеющей на каждом из ее противоположных концов одну абстрактную (теоретическую) электрическую машину с электродвижущей силой и межсоединением между ними, для использования детектированных значений параметров для предоставления информации, относящейся к возникновению проскальзывания полюса в электроэнергетической системе, определенного в качестве состояния, в котором угол между электродвижущими силами двух абстрактных электрических машин выходит за 180°, и
- третье средство, сконфигурированное, на основании информации, с возможностью выполнения управления для защиты оборудования электроэнергетической системы, а также способа защиты такой электроэнергетической системы согласно преамбуле прилагаемого независимого пункта формулы изобретения, касающегося способа.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Защита электроэнергетических систем переменного тока любого типа включена в состав, и такая система типично, но не обязательно, среди прочего, включает в себя генераторы электрической мощности, трансформаторы, преобразователи и сети для передачи электроэнергии. Более того, настоящее изобретение не ограничено никакими конкретными уровнями электрических мощностей, напряжений или токов таких электроэнергетических систем.
Внезапные события в такой электроэнергетической системе, такие как большие скачки по нагрузке, возникновение неисправностей или медленное устранение неисправностей, которые нарушают равновесие энергии в системе, могут вызывать колебания механических масс, такие как ускорения роторов электрических машин системы, и такие колебания, нарушающие равновесие, указываются ссылкой и определены здесь как качания мощности. В устранимой ситуации эти колебания будут затухать, а устойчивая работа будет возобновляться, что может достигаться посредством разного управляющего оборудования электроэнергетических систем, такого как системы управления для электрогенераторов, являющихся частью системы. Однако, в неустранимой ситуации, качания мощности становятся настолько тяжелыми, что теряется синхронизм между разными частями системы, такими как их генераторы, что является состоянием, указываемым ссылкой как проскальзывание полюса или асинхронный режим в литературе. В дальнейшем для такого состояния будем использовать «проскальзывание полюса», что, соответственно, является одним и тем же, что и «асинхронный режим». В случае проскальзывания полюса, возбуждение электрических машин энергетической системы, как правило, нетронуто, но есть сильные колебания активной и реактивной мощности, обусловленные разной частотой вращения вовлеченных роторов машин. Кроме электрических явлений, колебания механических масс также подвергают генераторы и/или другое оборудование энергетической системы значительным пульсирующим механическим напряжениям. Даже если современные электроэнергетические системы сконструированы и работают с высокой степенью защиты от качаний мощности, и даже больше, от проскальзывания полюса, эти два явления могут возникать особенно во время аномальных состояний системы. Если проскальзыванию полюса предоставлена возможность продолжать существовать в одной части энергетической системы, то этому могут последовать другие электрические машины/оборудование, и мы имеем не только прямую угрозу повреждения подшипников роторов и других механических частей, но также может быть потеряна устойчивость полной электроэнергетической системы, и в итоге может быть полная системная авария энергетической системы.
Из вышеприведенного раскрытия очевидно, что важно иметь устройства для защиты оборудования электроэнергетических систем от пагубных влияний качаний мощности и проскальзывания полюса, поскольку таковые, в ином случае, могут вызывать огромные затраты. В случае тяжелых неисправностей, может быть абсолютно необходимым изолировать часть электроэнергетической системы от ее оставшейся части, но также важно иметь возможность определять, устранимо или нет качание мощности, поскольку ошибочное отключение такого защитного устройства должно избегаться, поскольку таковое имело бы следствием значительные затраты. Ради этого было предложено устройство этого типа, изолирующее электрическую машину, такую как генератор, от оставшейся части системы, либо разделяющее систему в предопределенных точках.
В прошлом было обнаружено, что подходящим является попытка рассмотреть электроэнергетическую систему в качестве эквивалентной двухмашинной системы, имеющей на каждом из ее противоположных концов одну абстрактную электрическую машину с электродвижущей силой и межсоединение между ними для возможности выдавать информацию, относящуюся к возникновению проскальзывания полюса, то есть того, что такое проскальзывание полюса может или будет происходить, либо произошло. Применение этой модели возможно, если электроэнергетическая система может быть поделена на две части, соединенные подобным радиальной линии трактом потока энергии.
2
3
2
3
2
3
Теоретические основы этого подхода для получения защиты электроэнергетической системы далее будут кратко пояснены наряду со ссылкой на прилагаемые Фиг. 1-3. На Фиг.1 показано, каким образом электроэнергетическая система рассматривается в качестве эквивалентной двухмашинной системы 1, имеющей на каждом из ее противоположных концов одну абстрактную электрическую машину 2, 3 с электродвижущей силой и межсоединением 4, показанным в качестве полного сопротивления. Две машины имеют электродвижущие силы E и E, показанные на Фиг.2, и здесь, имеющие одинаковую амплитуду. Более того, здесь предполагается, что резистивная часть довольно мала и, таким образом, не принимается в расчет. Ток I, протекающий между двумя машинами, отстает от векторной разности E-E точно на 90°, если предполагается, что полное сопротивление является чисто индуктивным. Угол между двумя электродвижущими силами E и E имеет значение δ. φ - угол между напряжением U и током в данном местоположении и меняется вдоль соединения между двумя электрическими машинами 2, 3, тогда как Ucosφ является постоянным вдоль этого соединения.
2
3
Угол δ между электродвижущими силами E и E абстрактных машин является меняющимся во время качания мощности, и, если качание мощности неустранимо, этот угол в итоге будет выходить за 180°, что определено в качестве проскальзывания полюса. Фиг.3 изображает график, показывающий ток I и Ucosφ в зависимости от угла δ. Оказывается, что Ucosφ будет убывать, когда проскальзывание полюса приближается к нулю, когда δ имеет значение 180°, где, в таком случае I является наивысшим, что может быть очень вредным для оборудования электроэнергетической системы.
Таким образом, важно выполнять измерение такой электроэнергетической системы, с тем, чтобы выявлять электрические параметры, интересные для предоставления информации, относящейся к возникновению проскальзывания полюса, а это, до сих пор, главным образом, делалось согласно двум принципам.
Один из этих принципов основан на детектировании частоты изменения Ucosφ, и этот принцип, например, дополнительно описан в «Innovations in the Detection of Power Swings in Electrical Networks», Brown Boveri Review Feb. 1981 (BBC Publication Number CH-ES 35-30.10E) by F. Ilar («Новшества в детектировании качаний мощности в электросетях», Brown Boveri Review, февраль 1981 г.; № CH-ES 35-30.10E публикации BBC) от Ф. Илара. Разные условия, которые должны быть удовлетворены для выявления проскальзывания полюса, упомянуты в том документе, это, например, частота изменения Ucosφ, которая обычно составляет порядка 0,2-8 Гц для состояния проскальзывания полюса, и прохождение порогового значения Ucosφ.
Другой принцип основан на детектировании частоты изменения полного сопротивления межсоединения двух абстрактных электрических машин эквивалентной двухмашинной системы и, например, раскрыт в IEEE PSRC Tutorial 95 TP 102, «IEEE Tutorial on the Protection of Synchronous Generators» (Учебном пособии 95 TP 102 PSRC IEEE «Учебное пособие Института инженеров по электротехнике и электронике по защите синхронных генераторов»). Этот принцип, среди прочего, основан на понимании того, что, когда измеренное положение полного сопротивления пересекает линию в плоскости полных сопротивлений, это будет точным моментом, когда возникает проскальзывание полюса.
Однако, эти теоретические основы скорее основаны на грубой оценке полных сопротивлений электроэнергетических систем.
Конечно, имеют место продолжающиеся попытки повысить надежность устройств типа, определенного во введении, для отключающего оборудования, только когда это абсолютно необходимо, и, в таком случае, гарантируя, что это применяется до того, как повреждено какое бы то ни было дорогостоящее оборудование системы. Также имеет место желание повысить возможности для восстановления равновесия электроэнергетической системы без отсоединения каких бы то ни было ее частей от оставшейся части системы, когда это вообще выполнимо.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить устройство типа, определенного во введении, являющееся улучшенным по меньшей мере в некотором аспекте относительно уже известных устройств такого типа.
Задача согласно настоящему изобретению решается снабжением устройства следующими дополнительными признаками: первое средство, сконфигурированное с возможностью измерения частоты тока и напряжения в по меньшей мере одном местоположении в электроэнергетической системе вдоль межсоединения между двумя абстрактными электрическими машинами, причем устройство содержит четвертое средство, сконфигурированное с возможностью использования значений частоты тока и напряжения, измеренных первым средством, для определения, возникло ли качание мощности в электроэнергетической системе, причем качание мощности является определенным в качестве изменения угла между электродвижущими силами как следствие возникновения каких-либо нарушений электроэнергетической системы, и если возникновение качания мощности было определено, определять, расположено ли местоположение измерения на стороне электродвигателя или стороне генератора потенциального электрического центра проскальзывания полюса вдоль межсоединения, причем центр, определяемый в качестве местоположения, где напряжение становится нулевым во время проскальзывания полюса, подвергается определению местоположения, и отправки этой информации дополнительно в третье средство для использования в управлении для защиты электроэнергетической системы.
Таким образом, настоящее изобретение основано на новом подходе к использованию результатов измерений частоты тока и напряжения по меньшей мере в одном местоположении в электроэнергетической системе вдоль межсоединения между двумя абстрактными электрическими машинами для определения, где расположен потенциальный электрический центр проскальзывания полюса. Это определение местоположения потенциального электрического центра проскальзывания полюса не будет зависящим от какой-либо оценки полных сопротивлений электроэнергетической системы и будет очень достоверным. Более того, посредством таких действий может очень рано определяться, где позже должны были бы приниматься меры в качестве изоляции оборудования, если бы возникло проскальзывания полюса, и запуск процедур управления для достижения восстановления любых нарушений равновесия, когда это возможно, может начинаться заблаговременно для исключения изолирования или отключения оборудования электроэнергетической системы.
Согласно варианту осуществления изобретения, четвертое средство сконфигурировано с возможностью определения того, что возникает качание мощности, если значения частоты тока и напряжения, выданные первым средством, показывают, что измеренный вектор тока начинает вращаться быстрее/медленнее, чем измеренный вектор напряжения, и их относительный угол является непрерывно возрастающим/убывающим. Соответственно, этим способом может определяться, что фактически возникает качание мощности, так что может быть принято решение, на какой стороне: стороне генератора или стороне электродвигателя, потенциального электрического центра проскальзывания полюса, расположено местоположение измерения для использования в защитном оборудовании электроэнергетической системы.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, четвертое средство сконфигурировано, по определению возникновения качания мощности, с возможностью определения того, что местоположение расположено на стороне электродвигателя потенциального электрического центра проскальзывания полюса в двухмашинной системе, если частота тока, измеренная первым средством, выше, чем частота напряжения в местоположении, и определения того, что местоположение расположено на стороне генератора потенциального электрического центра проскальзывания полюса, который расположен на стороне электродвигателя, местоположения в двухмашинной системе, если частота тока, измеренная первым средством, ниже, чем частота напряжения в местоположении. Можно очень простым и надежным средством, посредством использования результата этих измерений частоты, определять, на какой стороне потенциального электрического центра проскальзывания полюса расположено местоположение измерения, так что надлежащие действия могут предприниматься для защиты электроэнергетической системы.
Соответственно, изобретатели настоящего изобретения предложили также способ определения местоположения потенциального электрического центра проскальзывания полюса для электроэнергетической системы переменного тока, в котором эта электроэнергетическая система рассматривается в качестве эквивалентной двухмашинной системы, имеющей на каждом из ее противоположных концов одну абстрактную электрическую машину с электродвижущей силой и межсоединением между ними, изменяется частота тока и напряжения в по меньшей мере одном местоположении в электроэнергетической системы вдоль межсоединения между двумя абстрактными электрическими машинами, причем измеренные значения частоты тока и напряжения используются для определения, возникло ли качание мощности в электроэнергетической системе, и если было определено возникновение качания мощности, определяется, расположено ли местоположение измерения вдоль межсоединения на стороне электродвигателя или стороне генератора потенциального электрического центра проскальзывания полюса.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, первое средство сконфигурировано с возможностью измерения частоты тока и напряжения в дополнительном местоположении, и четвертое средство сконфигурировано, по определению возникновения качания мощности, с возможностью определения, того что дополнительное местоположение расположено на стороне электродвигателя потенциального электрического центра проскальзывания полюса в двухмашинной системе, если частота тока, измеренная первым средством, выше, чем частота напряжения, в дополнительном местоположении, и определения того, что дополнительное местоположение расположено на стороне генератора потенциального электрического центра проскальзывания полюса в двухмашинной системе, если частота тока, измеренная первым средством, ниже, чем частота напряжения в дополнительном местоположении. Посредством измерения в дополнительном местоположении и сравнения результата измерения с результатом измерения в местоположении, первым, может определяться то, на какой стороне от этих местоположений расположен потенциальный электрический центр проскальзывания полюса.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, устройство сконфигурировано с возможностью защиты электроэнергетической системы, имеющей блок генератора и трансформатора, присоединенный через станцию высокого напряжения к системе высокого напряжения для передачи электроэнергии, причем устройство содержит первое средство, расположенное на межсоединении между блоком генератора/трансформатора и станцией высокого напряжения, а третье средство сконфигурировано, по приему информации из второго средства, относящейся к возникновению проскальзывания полюса, и информации из четвертого средства о том, что местоположение измерения расположено на стороне электродвигателя электрического центра в двухмашинной системе, с возможностью воздействия на оборудование, управляющее работой блока генератора/трансформатора в направлении получения устойчивости электроэнергетической системы и/или управления элементом для отсоединения генератора от энергосистемы высокого напряжения или прекращения работы генератора. Таким образом, две абстрактные электрические машины эквивалентной двухмашинной системы здесь являются, с одной стороны, блоком генератора/трансформатора, а с другой, системой высокого напряжения, и устройством этого типа будет заблаговременно и достоверно определяться, на какой стороне потенциального электрического центра проскальзывания полюса расположено местоположение измерения. Более того, если определено, что местоположение измерения расположено на стороне электродвигателя, системы управления генератора сначала могут быть подвергнуты влиянию для попытки добиться надлежащей работы генератора, с тем чтобы восстановить равновесие электроэнергетической системы, а если это не удалось, генератор может отключаться и отсоединяться от системы высокого напряжения до того, как возникает какое-либо проскальзывание полюса. Когда, с другой стороны, определено, что местоположение измерения расположено на стороне генератора электрического центра в двухмашинной системе, может ожидаться предопределенный период времени после возникновения проскальзывания полюса, и когда электроэнергетическая система затем по-прежнему неустойчива, блок генератора/трансформатора будет отсоединяться от энергетической системы высокого напряжения. Таким образом, может ожидаться возможный положительный результат каких-нибудь исправительных действий, или тому подобного, выполняемых в энергосистеме высокого напряжения, так что блок генератора/трансформатора не отсоединяется до тех пор, пока это не является реально необходимым для его защиты, посредством чего такое отсоединение может исключаться, если оно не является абсолютно необходимым.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, устройство сконфигурировано с возможностью защиты электроэнергетической системы, имеющей синхронную машину, работающую в качестве электродвигателя, присоединенного через станцию высокого напряжения к системе высокого напряжения для передачи электроэнергии, причем первое средство расположено на межсоединении между синхронной машиной и станцией высокого напряжения, и третье средство сконфигурировано, по приему информации из второго средства, относящейся к возникновению проскальзывания полюса, и информации из четвертого средства о том, что местоположение измерения расположено на стороне генератора электрического центра в двухмашинной системе, для воздействия на оборудование, управляющее работой синхронной машины, в направлении получения устойчивости электроэнергетической системы и/или управления элементом для отсоединения синхронной машины от энергосистемы высокого напряжения или прекращения работы синхронной машины. Устройство согласно изобретению имеет такие же признаки для случая синхронной машины, работающей в качестве электродвигателя, как и для генератора.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, устройство сконфигурировано с возможностью защиты электроэнергетической системы в виде магистральной электроэнергетической системы, включающей в себя первую и вторую электроэнергетическую систему и межсоединение между ними, причем четвертое средство расположено на одном конце межсоединения, присоединяющемся к первой электроэнергетической системе, причем такое устройство содержит устройство, сконфигурированное с возможностью использования значений частоты тока и напряжения, измеренных первым средством на конце межсоединения, и на основании информации о свойствах межсоединения, хранимой в памяти, для выполнения расчета, с тем чтобы оценивать векторы напряжения и тока, преобладающие на другом конце межсоединения, присоединяющегося ко второй электроэнергетической системе, и четвертое средство сконфигурировано, по определению возникновения качания мощности, с возможностью определения a) того, что электрический центр распложен в пределах межсоединения, если частота тока выше, чем частота напряжения на одном конце межсоединения и, одновременно, частота тока ниже, чем частота напряжения на другом конце межсоединения, и b) того, что электрический центр расположен в электроэнергетической системе, расположенной на конце межсоединения с наименьшей разницей между частотой тока и частотой напряжения, если часта тока на обоих концах межсоединения одновременно выше либо ниже, чем частота напряжения. В какой части электроэнергетической системы в виде двух соединенных электроэнергетических систем расположен потенциальный электрический центр проскальзывания полюса, в то же время может быть простым средством надежно и заблаговременно (смотрите выше) получено, что могут приниматься уместные меры для защиты оборудования магистральной электроэнергетической системы. Таким образом, необходимо измерять частоту напряжения и тока только в одном местоположении, и, посредством информации о свойствах межсоединения, определять, где расположен электрический центр.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, являющемуся дополнительным усовершенствованием варианта осуществления, упомянутого в последний раз, третье средство сконфигурировано, по информации из второго средства, относящейся к возникновению проскальзывания полюса, согласно предыдущему определению a) посредством четвертого средства, для управления элементом для отсоединения межсоединения от электроэнергетической системы до или после возникновения проскальзывания полюса, для того чтобы минимизировать его влияние на две электроэнергетические системы, и согласно предыдущему определению b) посредством четвертого средства, для воздействия на оборудование, управляющее работой компонентов электроэнергетической системы, в направлении получения устойчивости этой системы, и/или управления элементом для отсоединения этой электроэнергетической системы от межсоединения.
Согласно еще одному другому варианту осуществления изобретения, устройство сконфигурировано для защиты электроэнергетической системы в виде ячеистой электроэнергетической сети, причем первое средство сконфигурировано с возможностью измерения частоты тока и напряжения в по меньшей мере двух местоположениях в ячеистой электроэнергетической сети, причем местоположения измерения выбираются так, что измерение выполняется первым средством в одном и том же коридоре потока энергии в пределах сети, давая второму средству возможность рассматривать ячеистую электроэнергетическую сеть в качестве эквивалентной двухмашинной системы, и четвертое средство сконфигурировано, по определению возникновения качания мощности, для определения a) того, что электрический центр будет где-нибудь между двумя местоположениями измерения в пределах ячеистой электроэнергетической сети, если частота тока в одном местоположении измерения выше, чем частота напряжения, и, одновременно, частота тока ниже, чем частота напряжения в другом местоположении, и b) того, что электрический центр расположен вне части ячеистой электроэнергетической сети, ограниченной местоположениями измерения, и, что касается этого, за одним из двух местоположений измерения с наименьшей разницей между частотой тока и частотой напряжения, если в обоих местоположениях измерения ток имеет одновременно большую или меньшую частоту, чем напряжение. Измерения частоты напряжения и тока и оценка их результатов, этим способом могут использоваться для получения главной задачи по защите от проскальзывания полюса ячеистой электроэнергетической сети, то есть для детектирования, расположен ли потенциальный электрический центр проскальзывания полюса в пределах части электроэнергетической сети, ограниченной местоположениями измерения. Эта информация затем может использоваться для принятия решения, должна ли быть отсоединена какая-нибудь часть ячеистой электроэнергетической сети между местоположениями, или должны ли быть предприняты другие типы исправительных мер. Четвертое средство, в таком случае, может быть сконфигурировано с возможностью определения того, что качание мощности возникает в ячеистой электроэнергетической сети, если значения частоты тока и напряжения, выданные первым средством, показывают, что измеренный вектор тока начинает вращаться быстрее/медленнее, чем измеренный вектор напряжения, в любом из двух местоположений измерения, и относительный угол вектора тока и вектора напряжения является непрерывно возрастающим/убывающим.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, устройство сконфигурировано для защиты электроэнергетической системы в виде ячеистой электроэнергетической сети, имеющей PMU (блоки векторных измерений) во множестве разных местоположений в пределах ячеистой электроэнергетической сети, второе средство сконфигурировано, чтобы рассматривать, в каждом местоположении PMU, две части ячеистой электроэнергетической сети, соединенные там, в качестве эквивалентной двухмашинной системы. Посредством использования распределенных измерений из подходящего количества PMU и рассмотрения двух частей ячеистой электроэнергетической сети, присоединенной в таких местоположениях, в качестве двухмашинной системы, можно выявлять, в какой части ячеистой электроэнергетической сети расположен потенциальный электрический центр проскальзывания полюса. В таком случае важно надлежащим образом выбирать местоположения для PMU, для того чтобы покрывать полную сеть. Четвертое средство в таком случае сконфигурировано с возможностью использования значений частоты тока и напряжения, измеренных PMU в каждом местоположении, для определения, возникло ли качание мощности в ячеистой электроэнергетической сети, и если возникновение качания мощности было определено, определения того, что местоположение PMU, где измеренная частота тока, выше, чем измеренная частота напряжения, находится на стороне электродвигателя ячеистой электроэнергетической сети, и того, что местоположение PMU, где измеренная частота тока ниже, чем измеренная частота напряжения, находится на стороне генератора ячеистой электроэнергетической сети, и согласно еще одному варианту осуществления изобретения, четвертое средство сконфигурировано с возможностью использования информации из всех PMU касательно местоположений на стороне электродвигателя или стороне генератора для определения, в какой части ячеистой электроэнергетической сети расположен потенциальный электрический центр проскальзывания полюса. К этому времени будет можно предпринимать любые мыслимые исправительные действия до того, как происходит проскальзывание полюса, для того чтобы минимизировать его влияние на оставшуюся часть ячеистой электроэнергетической сети. Четвертое средство, в таком случае, сконфигурировано для определения, что качание мощности возникло в пределах ячеистой электроэнергетической сети, если в любом из местоположений измерения измеренный вектор тока начинает вращаться быстрее/медленнее, чем измеренный вектор напряжения, и относительный угол вектора тока и вектора напряжения является непрерывно возрастающим/убывающим.
Изобретение также относится к способу защиты электроэнергетической системы переменного тока согласно прилагаемому независимому пункту формулы изобретения способа. Преимущества и полезные признаки его и вариантов осуществления согласно изобретению способа, определенные в зависимых пунктах формулы изобретения, оказываются очевидными из вышеприведенного раскрытия устройства согласно настоящему изобретению.
Способ согласно изобретению также пригоден для выполнения компьютером, и изобретение, по причине этого, также относится к компьютерной программе и компьютерному программному продукту согласно прилагаемым пунктам формулы изобретения для них.
Более того, изобретение также относится к электроэнергетической системе переменного тока, содержащей устройство для защиты оборудования энергетической системы согласно изобретению, а также использованию такого устройства для защиты оборудования электроэнергетической системы переменного тока.
Дополнительные преимущества, а также полезные признаки изобретения раскрыты в следующем описании.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает упрощенную схему электроэнергетической системы переменного тока в виде эквивалентной двухмашинной системы;
Фиг.2 изображает векторную диаграмму, относящуюся к системе согласно Фиг.1,
Фиг.3 изображает диаграмму, показывающую Ucosφ и I в зависимости от угла δ, созданного электродвижущими силами двух машин на Фиг.1;
Фиг.4 изображает упрощенный вид эквивалентной двухмашинной системы, используемой для пояснения настоящего изобретения;
Фиг.5 изображает упрощенную диаграмму напряжения в зависимости от времени в разных местоположениях на Фиг.4 во время проскальзывания полюса;
Фиг.6 изображает упрощенную диаграмму зависимости частоты напряжения от положения на межсоединении, показанном на Фиг.4;
Фиг.7 изображает упрощенную диаграмму, иллюстрирующую влияние амплитуды напряжения на двух концах двухмашинной системы, показанной на Фиг.4 в местоположении потенциального электрического центра проскальзывания полюса;
Фиг.8 изображает упрощенную схему устройства согласно первому варианту осуществления изобретения, примененному к электроэнергетической системе, имеющей блок генератора и трансформатора, присоединенного через станцию высокого напряжения к системе высокого напряжения для передачи электроэнергии;
Фиг.9 изображает вид, подобный Фиг.8, устройства согласно второму варианту осуществления изобретения для защиты электроэнергетической системы в виде магистральной электроэнергетической системы, включающей в себя первую и вторую электроэнергетическую систему и межсоединение между ними;
Фиг.10 изображает схему устройства, каким образом устройство согласно третьему варианту осуществления изобретения может применяться для защиты электроэнергетических систем в виде ячеистой электроэнергетической сети,
Фиг.11 изображает вид, подобный Фиг.8 эквивалентной двухмашинной системы сети, показанной на Фиг.10;
Фиг.12 изображает вид, подобный Фиг.10, иллюстрирующий устройство согласно четвертому варианту осуществления изобретения для защиты электроэнергетической системы в виде ячеистой электроэнергетической сети, имеющей PMU, распределенные по обширной области.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1
2
Теоретические основы, на которых основано настоящее изобретение, например, для измерения частоты тока и напряжения в по меньшей мере одном местоположении в электроэнергетической системе вдоль межсоединения между двумя абстрактными электрическими машинами эквивалентной двухмашинной системы для определения местоположения потенциального электрического центра проскальзывания полюса, далее будут пояснены наряду со ссылкой на Фиг. 4-7. Фиг.4 иллюстрирует двухмашинную систему, как показано на Фиг.1, в виде двух электрических машин 2, 3, соединенных межсоединением 4, имеющим полное сопротивление, указанное посредством 5. Два конца межсоединения указаны на 6 и 7, причем напряжение имеет значение U и U, соответственно. Контролируемые местоположения на этой и следующих фигурах вдоль межсоединения помечены с помощью A, C и B. Местоположение C соответствует потенциальному электрическому центру проскальзывания полюса системы. Фиг.5 показывает, каким образом амплитуда U напряжения в разных местоположениях меняется со временем во время проскальзывания полюса, и оказывается, что напряжение является нулевым в местоположении C, то есть, в электрическом центре, когда возникает проскальзывание полюса.
1
2
cu
1
2
Мы определяем, что качание мощности возникает, если значения частоты тока и напряжения показывают, что вектор тока начинает вращаться быстрее/медленнее, чем вектор напряжения, и их относительный угол является непрерывно возрастающим/убывающим, и здесь мы предполагаем, что частота f в местоположении 6 выше, чем частота f в местоположении 7, для пояснения явления качания мощности и проскальзывания полюса. Частота тока f идентична по всей радиальной системе, как показано на Фиг.6, и одинакова в качестве средней частоты ((f+f)/2) двух напряжений в 6 и 7. Ucosφ - постоянная каждого момента вдоль радиальной линии связи, соединяющей местоположения 6 и 7. Разность фазовых углов между током и напряжением, измеренная в потенциальном электрическом центре проскальзывания полюса, всегда постоянна, что означает, что эти две величины здесь имеют одинаковую скорость вращения, и соответственно, идентичную частоту. Это означает, что электрический центр C будет расположен там, где линия частоты напряжения пересекает линию частоты тока (см. Фиг.6). Это понимание может использоваться для определения, на какой стороне такого электрического центра будет расположено местоположение для измерения частоты тока и напряжения. Таким образом, если такое измерение выполняется, и вектор напряжения вращается быстрее, чем вектор тока, на комплексной плоскости, это местоположение будет слева от электрического центра C, то есть, на стороне 100, указываемой ссылкой режимом работы генератора во время проскальзывания полюса. Кроме того, это означает, что, если вектор тока вращается быстрее, чем вектор напряжения, на комплексной плоскости, это местоположение измерения будет справа от точки C, то есть, на стороне 200, указываемой ссылкой режимом работы электродвигателя во время проскальзывания полюса.
Фиг.7 иллюстрирует, каким образом местоположение потенциального электрического центра проскальзывания полюса является независящим от относительной амплитуды напряжений на двух концах межсоединения 4, и показано, что этот электрический центр будет расположен ближе к концу с меньшей амплитудой напряжения.
Устройство согласно первому варианту осуществления изобретения очень схематично проиллюстрировано на Фиг.8. Это устройство сконфигурировано для защиты электроэнергетической системы, имеющей блок 10 генератора 11 и трансформатора 12, присоединенный через станцию 13 высокого напряжения к системе 14 высокого напряжения для передачи электроэнергии. Эта система 14 высокого напряжения может рассматриваться в качестве электрической машины с бесконечной мощностью в эквивалентной двухмашинной системе. Устройство имеет первое средство 15, расположенное на межсоединении между блоком 10 генератора/трансформатора и станцией 13 высокого напряжения, и сконфигурировано для измерения частоты тока (15a) и напряжения (15b) в этом местоположении 16. Устройство дополнительно содержит реле в виде интеллектуального электронного устройства, IED 17, включающее в себя второе средство 18, принимающее измеренные значения частоты тока и напряжения, и сконфигурированное, наряду с рассмотрением электроэнергетической системы в качестве эквивалентной двухмашинной системы, имеющей на каждом из ее противоположных концов одну абстрактную электрическую машину с электродвижущей силой и межсоединением между ними, для использования этих значений для предоставления информации, относящейся к возникновению проскальзывания полюса в электроэнергетической системе, определенного в качестве состояния, в котором угол между электродвижущими силами двух абстрактных электрических машин выходит за 180°, как раскрыто выше. Устройство также содержит четвертое средство 19, принимающее значения измерения и сконфигурированное для использования этих измеренных значений частоты тока и напряжения для определения, возникло ли качание мощности в электроэнергетической системе, причем качание мощности является определенным в качестве изменения угла δ между электродвижущими силами как следствие возникновения любых нарушений электроэнергетической системы, и если возникновение качания мощности было определено, определения, расположено ли местоположение 16 вдоль межсоединения на стороне электродвигателя или стороне генератора потенциального электрического центра проскальзывания полюса, определенного в качестве местоположения, где напряжение становится нулевым во время проскальзывания полюса, которое подвергнуто определению местоположения. Соответственно, это делается посредством использования теоретических основ, представленных выше, со ссылкой, в особенности произведенной на Фиг.6. Четвертое средство будет отправлять эту информацию дальше в третье средство 20, также включенное в IED, которое сконфигурировано, на основании информации из второго и четвертого средств, для выполнения управления для защиты оборудования электроэнергетической системы. Когда возникает качание мощности, и определено, что местоположение 16 измерения расположено на стороне электродвигателя электрического центра, оборудование, управляющее работой блока генератора/трансформатора может подвергаться воздействию в направлении получения устойчивости электроэнергетической системы и/или элемент 21, такой как прерыватель или разъединитель, может управляться, чтобы отсоединять генератор от энергосистемы высокого напряжения, или работа генератора может останавливаться. В противоположность, если определено, что местоположение 16 измерения расположено на стороне генератора потенциального электрического центра проскальзывания полюса, будет возможно ожидать предопределенный период времени после возникновения проскальзывания полюса, возможно, до тех пор, пока не произошло 2 или три проскальзывания полюса, а затем отсоединять блок генератора/трансформатора от энергосистемы высокого напряжения для защиты этого блока, если электроэнергетическая система по-прежнему неустойчива. Это также означает, что, если равновесие электроэнергетической системы восстанавливается после первого проскальзывания полюса, блок ни разу не будет отсоединяться, так как это не обязательно для его защиты, что имеет следствием значительную экономию затрат по отношению к предшествующему уровню техники, определенному без учета местоположения электрического центра проскальзывания полюса.
Фиг.9 иллюстрирует устройство согласно второму варианту осуществления изобретения, сконфигурированное с возможностью защиты электроэнергетической системы в виде магистральной электроэнергетической системы, включающей в себя первую 2' и вторую 3' электроэнергетическую систему и межсоединение 4' между ними. Части устройства согласно этому варианту осуществления, соответствующие частям варианта осуществления, показанного на Фиг.8, здесь снабжены теми же самыми номерами ссылки со штрихом, добавленным к ним. Межсоединение здесь представлено полным сопротивлением. Таким образом, две энергетических системы и межсоединение образуют радиальную линию связи, так что могут быть полностью применимы теоретические основы двух машин. Первое средство 15' сконфигурировано с возможностью измерения частоты тока и напряжения в местоположении 16' на стороне межсоединения 4'. Более того, устройство содержит устройство 25, сконфигурированное с возможностью использования измеренных значений частоты тока и напряжения, и, на основании информации о свойствах межсоединения, хранимых в памяти, выполнения расчета наряду с использованием любой из известных моделей, с тем чтобы оценивать векторы напряжения и тока, преобладающие на другом конце межсоединения 4'. Свойствами являются три полных сопротивления 22, 4' и 23, показанные на Фиг.9. Однако, на практике, постоянно и хорошо известно только полное сопротивление 4' межсоединения, в то время как два полных сопротивления 22, 23 источников являются меняющимися и очень сильно зависящими от реального состояния соединения обеих энергосистем. Четвертое средство 19', включенное в IED, сконфигурировано, по определению возникновения качания мощности, с возможностью определения a) что электрический центр распложен в пределах межсоединения 4', если частота тока выше, чем частота напряжения на одном конце межсоединения и, одновременно, частота тока ниже, чем частота напряжения на другом конце межсоединения, и b) что электрический центр расположен в электроэнергетической системе, расположенной на конце межсоединения с наименьшей разницей между частотой тока и частотой напряжения, если частота тока на обоих концах межсоединений одновременно выше либо ниже, чем частота напряжения. Посредством получения сведений, в какой части электроэнергетической системы расположен потенциальный электрический центр проскальзывания полюса, надлежащие меры могут быть приняты для защиты системы, как раскрыто выше.
Фиг.10 иллюстрирует электроэнергетическую систему (энергетическую систему Швеции), в виде ячеистой электроэнергетической сети 30, и устройство согласно третьему варианту осуществления сконфигурировано с возможностью защиты этой ячеистой электроэнергетической сети посредством выбора двух местоположений 31, 32 для измерения частоты тока и напряжения первым средством 34, 35, так что эти измерения будут выполняться в одном и том же коридоре потока энергии в пределах сети, давая второму средству возможность рассматривать ячеистую электроэнергетическую сеть в качестве эквивалентной двухмашинной системы, как показано на Фиг.11. Соответственно, система, показанная на Фиг.11 отличается от показанной на Фиг.9 только тем обстоятельством, что здесь измерения выполняются в двух разных местоположениях, а именно, на каждом конце межсоединения. Это означает, что не обязательно быть осведомленным о значении каких бы то ни было полных сопротивлений межсоединения или двух источников, но можно полагаться только на измерения частоты для определения, в какой части эквивалентной двухмашинной системы, показанной на Фиг.11, расположен потенциальный электрический центр проскальзывания полюса. Линия 33 связи здесь требуется для обмена значениями измерения между двумя местоположениями 31 и 32.
В заключение, Фиг.12 иллюстрирует электроэнергетическую систему в виде ячеистой электроэнергетической сети 40, существующей на обширной области в Швеции и соседних странах, имеющих PMU 41-46 (блоки векторных измерений) во множестве разных местоположений в пределах ячеистой электроэнергетической сети. Важно надлежащим образом выбирать местоположения для PMU, для того чтобы покрывать полную сеть. Эти PMU дают возможность измерять частоту тока и напряжения и определять местоположение векторов тока и напряжения на комплексной плоскости по сигналу GPS (глобальной системы определения местоположения), каковое означает, что может определяться сдвиг фаз этих векторов в одном местоположении относительно другого местоположения. Второе средство сконфигурировано для рассмотрения в каждом местоположении PMU две части ячеистой электроэнергетической сети, соединенной там, в качестве эквивалентной двухмашинной системы, а четвертое средство сконфигурировано с возможностью использования значений частоты тока и напряжения, измеренных посредством PMU в каждом местоположении, для определения, возникло ли качание мощности в ячеистой электроэнергетической сети, и если возникновение качания мощности было определено, определения того, что местоположение PMU, где измеренная частота тока выше, чем измеренная частота напряжения, находится на стороне электродвигателя электроэнергетической сети, и того, что местоположение PMU, где измеренная частота тока ниже, чем измеренная частота напряжения, находится на стороне генератора ячеистой электроэнергетической сети. Эта информация из всех PMU относительно положений на стороне электродвигателя или стороне генератора затем может использоваться для определения, в какой части ячеистой электроэнергетической сети расположен потенциальный электрический центр проскальзывания полюса. Компьютер 47, соответствующей пригодной компьютерной программе, может выполнять расчеты для определения местоположения потенциального электрического центра проскальзывания полюса, так что любые возможные исправительные действия могут быть предприняты до того, как возникает первое проскальзывание полюса, для того чтобы минимизировать его влияние на оставшуюся часть электроэнергетической сети. Такие действия могут состоять в том, чтобы отсоединять части сети или любое ее оборудование.
Изобретение, конечно, никоим образом не ограничено вариантами осуществления, описанными выше, но многие возможности для его модификаций были бы очевидны специалисту в данной области техники, не выходя из объема изобретения, который определен в прилагаемой формуле изобретения.
Как уже упомянуто выше, устройство согласно изобретению может быть сконфигурировано для защиты иных типов электроэнергетических систем, нежели описанные выше, а измерение частот может выполняться в ином количестве местоположений, чем показано на Фигурах.
Устройство может быть предназначено для защиты оборудования электроэнергетической системы переменного тока, также имеющей линии связи постоянного тока (DC), присоединенные к ней через преобразовательные станции.
Обращается внимание на то, что второе, третье и четвертое средства в устройстве согласно изобретению не должны быть физически отдельными частями, но они могут быть обобщены в одном объекте, таком как компьютер, запрограммированный надлежащим образом.