СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СИНХРОФАЗОРА РЕЖИМНОГО ПАРАМЕТРА ЭНЕРГОСИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
MEASUREMENT METHOD OF SYNCHROPHASOR OF OPERATING CONDITION OF POWER SYSTEM, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к технологии измерения режимных параметров электроэнергетической системы - напряжения и тока. Изобретение может быть использовано при мониторинге и ведении режима энергосистемы, а также в устройствах предотвращения нарушения устойчивости энергосистемы.
Известен способ измерения режимных параметров энергосистемы, напряжения и тока, в виде векторов, применяемый в микропроцессорных устройствах [В.Г.Наровлянский, А.Б.Ваганов. Применение устройства АЛАР-М для выявления и ликвидации асинхронного режима электроэнергетической системы.// Энергетик, №5, 2011, с.17-21]. При этом получают оцифрованные значения режимных параметров и рассчитывают их вектора методом дискретного преобразования Фурье с использованием косинусоидальной гармонической функции с номинальной частотой, фаза которой всегда отсчитывается от нуля на используемой для расчета выборке оцифрованных значений режимного параметра. По результатам расчета определяют необходимость и условия воздействия на режим энергосистемы. Предположение равенства частоты режимного параметра номинальной частоте энергосистемы приводит к заметной погрешности измерения режимных параметров. Кроме того, поскольку измерения таких устройств не синхронизированы друг с другом, невозможно совместно использовать значения режимных параметров, полученные в разных узлах энергосистемы.
Эти недостатки в значительной степени преодолены в способе, изложенном в работе [A.G.Phadke and J.S.Thorp. Synchronized Phasor Measurements and Their Applications. ISBN 978-0-387-76535-8, Springer Verlag, 2008].
Измерения синхронизируют по секундным меткам (1PPS) единого мирового времени, которые формируют с погрешностью не более нескольких десятков наносекунд и передают спутниковой системой позиционирования GPS/ГЛОНАСС в устройство измерения. С использованием микроконтроллера получают оцифрованные значения режимного параметра, напряжения или тока и рассчитывают вектор режимного параметра на номинальной частоте энергосистемы, используя время, отсчитанное от последней секундной метки 1PPS. Этому вектору ставят в соответствие метку времени, соответствующую, как правило, моменту середины выборки оцифрованных значений. Такое представление векторного измерения режимного параметра называют синхрофазором [IEEE Standard for Synchrophasor Measurements for Power Systems IEEE Std C37.118.1™ - 2011].
Существенно, что при этом фаза косинусоидальной гармонической функции номинальной частоты равна нулю в каждый момент 1PPS. Синхрофазор можно использовать в узле измерения и передавать по системе связи в компьютер диспетчерского центра для совместного использования со синхрофазорами из других узлов для управления энергосистемой.
На основе синхрофазоров определяют состояние энергосистемы, параметры работы средств противоаварийного управления энергосистемой и выполняют настройку работы аппаратуры противоаварийной автоматики. Преимущества этого способа состоят в получении из узлов энергосистемы синхронизированных векторных данных - синхрофазоров. Недостатки способа - расчеты синхрофазора проводят на номинальной частоте энергосистемы. При частоте энергосистемы, отличной от номинальной, приходится корректировать полученные параметры синхрофазора с привлечением дополнительной информации. Поэтому применение этого способа возможно только в ограниченном частотном диапазоне измеряемого режимного параметра [IEEE Standard for Synchrophasor Measurements for Power Systems IEEE Std C37.118.1™ - 2011].
Блок-схема всех существующих устройств для синхронизированных векторных измерений режимных параметров практически совпадает с блок-схемой таких устройств, приведенной в Стандарте IEEE [IEEE Standard for Synchrophasor Measurements for Power Systems IEEE Std C37.118.1™ - 2011]. Устройство содержит блок ввода аналоговых сигналов, блок приема сигналов системы единого времени, АЦП, генератор синхроимпульсов дискретизации, блок генерации косинусоидальных сигналов на номинальной частоте энергосистемы, синхронизированной генератором синхроимпульсов, блок расчета векторов режимного параметра, блок передачи результатов измерения в центр управления энергосистемой и/или на настройку аппаратуры РЗА и ПА.
На вход блока ввода аналоговых сигналов подают аналоговый сигнал режимного параметра. Выход блока ввода аналоговых сигналов соединен с сигнальным входом АЦП, выход АЦП соединен с первым входом блока расчета вектора режимного параметра. Выход блока приема сигналов системы единого времени присоединен ко входу генератора синхроимпульсов дискретизации, первый выход которого соединен со входом синхронизации АЦП и со входом блока генерации косинусоидальных сигналов на номинальной частоте энергосистемы, а его второй выход соединен с первым входом блока передачи результатов измерения в центр управления энергосистемой и/или на настройки аппаратуры РЗА и ПА. Выход блока генерации косинусоидальных сигналов на номинальной частоте энергосистемы подан на второй вход блока расчета вектора. Выход блока расчета вектора подан на второй вход блок передачи результатов измерения в центр управления энергосистемой и/или на настройку аппаратуры РЗА и ПА.
Недостатком такого устройства является существенная зависимость погрешности результата измерения от частоты энергосистемы, поэтому в [IEEE Standard for Synchrophasor Measurements for Power Systems IEEE Std C37.118.1™ - 2011] указаны ограничения по частотному диапазону работы устройства.
Предложенный способ направлен на решение задачи повышения точности расчета синхрофазора с одновременным снятием ограничений по частотному диапазону.
Техническое решение основано на том, что фаза используемой в предлагаемом способе косинусоидальной гармонической функции с частотой, равной целому числу герц, равна нулю в моменты 1PPS.
В предлагаемом способе при синхронизированных векторных измерениях режимных параметров энергосистемы, работающей с текущей произвольной (неноминальной) частотой, синхрофазор режимного параметра рассчитывают по параметрам пары векторов, один из которых рассчитывают на частоте, равной целой части значения текущей частоты энергосистемы, а другой - на частоте на 1 Гц больше. Вектор режимных параметров на текущей частоте энергосистемы получают посредством линейного интерполирования параметров векторов, рассчитанных на этих частотах. Параметры синхрофазора, модуль и угол получают, используя параметры вектора на текущей частоте.
Предложенный способ позволяет повысить точность измерения режимных параметров в широком диапазоне изменения текущей частоты энергосистемы.
Для реализации способа выполняют следующие операции:
- измеряют текущую частоту энергосистемы (f) по полученной к моменту измерения выборке оцифрованных значений режимного параметра,
- получают значение разности текущей частоты и номинальной частоты энергосистемы,
floor
ceil
floor
- определяют интервал частот: нижнюю границу интервала задают как целую часть от текущей частоты энергосистемы (f), а верхнюю границу - на 1 Гц больше нижней границы (f=f+1),
<mrow><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>V</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi><mi>o</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi><mi>o</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi><mi>o</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></msup></mrow>
<mrow><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>V</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mrow><mi>c</mi><mi>e</mi><mi>i</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mrow><mi>c</mi><mi>e</mi><mi>i</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>c</mi><mi>e</mi><mi>i</mi><mi>l</mi></mrow></msub></mrow></msup></mrow>
- по выборке оцифрованных значений режимного параметра рассчитывают методом дискретного преобразования Фурье вектора режимного параметра на граничных частотах интервала:
и
с учетом того, что в моменты 1PPS фаза используемых в предлагаемом способе косинусоидальных гармонических функций с частотами, равными целому числу герц, равна нулю, и сохраняют результат в машиночитаемом виде,
- принимают за модуль синхрофазора режимного параметра результат линейной интерполяции по частоте модулей векторов режимного параметра
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi><mi>o</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>f</mi><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi><mi>o</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>c</mi><mi>e</mi><mi>i</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi><mi>o</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>A</mi><mrow><mi>c</mi><mi>e</mi><mi>i</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>A</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi><mi>o</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
- определяют фазу сигнала как величину разности текущей и номинальной частот энергосистемы, умноженной на 2π и на интервал времени, прошедший от последнего сигнала секундной метки до момента измерения синхрофазора
s
0
δ=2π(f-f)·Δt,
и сохраняют значение фазы сигнала в машиночитаемом виде,
- принимают за угол синхрофазора результат линейной интерполяции по частоте сохраненных значений углов векторов режимного параметра с добавлением к полученному значению сохраненного значения фазы сигнала
<mrow><mi>δ</mi><mo>=</mo><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi><mi>o</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>f</mi><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi><mi>o</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>c</mi><mi>e</mi><mi>i</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi><mi>o</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>c</mi><mi>e</mi><mi>i</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi><mi>o</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>δ</mi><mi>s</mi></msub></mrow>
,
0
где f=50 Гц - номинальная частота энергосистемы, Δt - интервал от метки времени синхрофазора до последней секундной метки 1PPS.
Выполненные численные эксперименты подтверждают изложенные положения. Например, для гармонического сигнала в диапазоне частот от 35 до 65 Гц при частоте дискретизации 12800 Гц погрешность модуля синхрофазора, рассчитанного предлагаемым способом, не превышала 0,025%, а погрешность угла не превышала 0,03 градуса. В стандарте [IEEE Standard for Synchrophasor Measurements for Power Systems IEEE Std C37.118.1™ - 2011] указаны требования к погрешности синхрофазора. По стандарту необходимо, чтобы в диапазоне от 45 до 55 Гц погрешность не превышала 1%. Результаты эксперимента показали, что в исследованном диапазоне, расширенном по отношению к требованиям стандарта [IEEE Standard for Synchrophasor Measurements for Power Systems IEEE Std C37.118.1™ - 20 II], погрешность не превышает 0,1%.
Частными случаями использования этого способа измерения режимных параметров энергосистемы служат измерения напряжения в узле энергосистемы или тока по отходящей от узла энергосистемы линии.
floor
ceil
Заявляемый способ может быть реализован в устройстве с блок-схемой, показанной на рис.1. В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве использованы два блока расчета векторов режимного параметра. Это вызвано тем, что в прототипе расчет вектора режимного параметра проводят всегда на номинальной частоте энергосистемы (50 Гц), а в предлагаемом устройстве расчет векторов режимного параметра проводят на двух частотах и их значения зависят от текущей частоты энергосистемы. Кроме того, по сравнению с прототипом в устройство добавлены блок измерения текущей частоты энергосистемы, блок расчета интервала частот f и f, блок интерполяции параметров векторов и второй блок генерации косинусоидальных сигналов, синхронизированных генератором синхроимпульсов дискретизации, при этом первый блок генерации значений косинусоидальных сигналов снабжен вторым входом.
На рис.1 приняты следующие обозначения:
floor
ceil
floor
ceil
1 - блок ввода аналоговых сигналов; 2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 3 - генератор синхроимпульсов дискретизации; 4 - блок приема сигналов системы единого времени; 5 - блок генерации косинусоидальных сигналов на частоте f; 6 - блок генерации косинусоидальных сигналов на частоте f; 7 - блок передачи результатов измерения в центр сбора данных; 8 - блок измерения текущей частоты энергосистемы; 9 - блок расчета векторов режимного параметра на частоте f; 10 - блок расчета векторов режимного параметра на частоте f; 11 - блок расчета интервала частот; 12 - блок интерполяции параметров векторов.
floor
ceil
floor
ceil
floor
ceil
floor
floor
ceil
ceil
floor
ceil
Выход блока ввода аналоговых (1) сигналов соединен с сигнальным входом АЦП (2), выход АЦП (2) соединен с первым входом блока расчета векторов режимного параметра f(9), с первым входом второго блока расчета векторов режимного параметра на частоте f(10) и со входом блока измерения текущей частоты энергосистемы (8), выход блока приема сигналов системы единого времени (4) соединен со входом генератора синхроимпульсов дискретизации (3), первый выход генератора синхроимпульсов дискретизации (3) соединен со входом синхронизации АЦП (2), со входом первого блока генерации косинусоидальных сигналов на частоте f (5) и с первым входом второго блока генерации косинусоидальных сигналов f(6), второй выход генератора синхроимпульсов дискретизации (3) соединен с первым входом блока передачи результатов измерения в центр сбора данных (7), выход блока измерения текущей частоты энергосистемы (8) соединен со входом блока расчета интервала частот (11), первый выход блока расчета интервала частот (11) соединен со вторым входом первого блока генерации косинусоидальных сигналов f (5), второй выход блока расчета интервала частот (11) соединен со вторым входом второго блока генерации косинусоидальных сигналов f (6), выход первого блока генерации косинусоидальных сигналов f (5) соединен со вторым входом первого блока расчета векторов режимного параметра f (9), выход второго блока генерации косинусоидальных сигналов f (6) соединен со вторым входом второго блока расчета векторов режимного параметра f (10), выход первого блока расчета векторов режимного параметра f (9) соединен с первым входом блока интерполяции параметров векторов (12), выход второго блока расчета векторов режимного параметра f (10) соединен со вторым входом блока интерполяции параметров векторов (12), выход блока интерполяции параметров векторов (12) соединен со вторым входом блока передачи результатов измерения в центр сбора данных (7).
floor
ceil
Блок ввода аналоговых сигналов (1) служит для ввода в устройство режимного параметра в аналоговом представлении и для согласования уровня сигнала для работы АЦП (2). В зависимости от вида режимного параметра, напряжения или тока блок ввода аналоговых сигналов (1) представляет собой трансформатор напряжения или тока. АЦП (2) преобразует аналоговый входной сигнал в оцифрованные значения, синхронизированные тактовыми импульсами от генератора синхроимпульсов дискретизации (3). Генератор синхроимпульсов дискретизации (3) синхронизирован метками системами единого времени. Частота тактовых импульсов определяет частоту выборки данных в АЦП (2) и частоту генерации значений косинусоидальных сигналов в блоке генерации косинусоидальных сигналов на частоте f (5) и блоке генерации косинусоидальных сигналов на частоте f(6). Блок приема сигналов системы единого времени (4) принимает секундные метки системы единого времени. Прием может осуществляться либо непосредственно от навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС, либо от средств локальной подстанционной системы единого времени по протоколам IRIG-B или РТР с обеспечением погрешности синхронизации не более 1 мкс. Кроме того, блок приема сигналов системы единого времени (4) вырабатывает метку времени измерения синхрофазора. Блок измерения текущей частоты энергосистемы (8) измеряет текущую частоту энергосистемы.
floor
ceil
floor
ceil
floor
ceil
floor
ceil
В блоке расчета интервала частот (11) по значению текущей частоты получают нижнюю и верхнюю границы интервала частот f и f. Блок генерации косинусоидальных сигналов на частоте f (5) и блок генерации косинусоидальных сигналов на частоте f (6) генерируют значения косинусоидальных сигналов на этих частотах с дискретностью тактовой частоты. В блоке расчета векторов режимного параметра на частоте f (9) и блоке расчета векторов режимного параметра на частоте f(10) рассчитывают вектора на частотах f и f соответственно. В блоке интерполяции параметров векторов (12) происходит преобразование параметров полученных векторов в модуль и угол синхрофазора. Блок передачи результатов измерения в центр сбора данных (7) служит для передачи синхрофазора в центр управления энергосистемой или в аппаратуру РЗА и ПА.
floor
ceil
floor
ceil
Устройство работает следующим образом. Аналоговый режимный параметр поступает на вход блока ввода аналоговых сигналов (1). С выхода блока ввода аналоговых сигналов (1) аналоговые значения поступают на сигнальный вход АЦП (2). На вход синхронизации АЦП (2) поступают тактовые импульсы с первого выхода генератора синхроимпульсов дискретизации (3). Они жестко привязаны к секундным меткам системы единого времени, полученным блоком приема сигналов системы единого времени (4). Тактовые импульсы с первого выхода генератора синхроимпульсов дискретизации (3) поступают также на вторые входы блока генерации косинусоидальных сигналов на частоте f (5) и блока генерации косинусоидальных сигналов на частоте f (6). Поэтому значения косинусоидальных сигналов на частотах, f и f, в частности их фаза, соответствуют тем же моментам времени, что и оцифрованные значения входного сигнала режимного параметра. Со второго выхода генератора синхроимпульсов дискретизации (3) на первый вход блока передачи результатов измерения в центр сбора данных (7) поступает метка времени синхрофазора.
floor
ceil
floor
floor
ceil
ceil
С выхода АЦП (2) оцифрованные значения режимного параметра поступают на блок измерения текущей частоты энергосистемы (8) для измерения текущей частоты энергосистемы и на первые входы блока расчета векторов режимного параметра на частоте f (9) и блока расчета векторов режимного параметра на частоте f(10). Значение текущей частоты с выхода блока измерения текущей частоты энергосистемы (8) поступает на вход блока расчета интервала частот (11). С первого выхода блока расчета интервала частот (11) на второй вход блок генерации косинусоидальных сигналов на частоте f (5) поступает значение частоты f. Со второго выхода блока расчета интервала частот (11) на второй вход блок генерации косинусоидальных сигналов на частоте f (6) поступает значение частоты f.
floor
floor
floor
С выхода блока генерации косинусоидальных сигналов на частоте f (5) его значения поступают на второй вход блока расчета векторов режимного параметра на частоте f (9) для расчета вектора на частоте f.
ceil
ceil
ceil
С выхода блока генерации косинусоидальных сигналов на частоте f(6) его значения поступают на второй вход блока расчета векторов режимного параметра на частоте f (10) для расчета вектора на частоте f.
<mrow><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>V</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi><mi>o</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>V</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mrow><mi>c</mi><mi>e</mi><mi>i</mi><mi>l</mi></mrow></msub></mrow>
floor
ceil
Для расчета параметров синхрофазора параметры векторов
с выхода блока расчета векторов режимного параметра на частоте f (9) поступают на первый вход блока интерполяции параметров векторов (12), а параметры векторов
с выхода блока расчета векторов режимного параметра на частоте f (10) попадают на второй вход блока интерполяции параметров векторов (12).
Значения параметров синхрофазора с выхода блока интерполяции параметров векторов (12) поступают на второй вход блока передачи результатов измерения в центр сбора данных (7) для передачи параметров синхрофазора и его метки времени в центр управления энергосистемой или в аппаратуру РЗА и ПА.
Применение предложенного способа позволяет более эффективно использовать результаты синхронизированных векторных измерений за счет повышения точности определения параметров синхрофазоров.
Это повышает точность как оценки режима энергосистемы при передаче режимных параметров в центр управления энергосистемой по линиям связи, так и установки параметров работы устройств управления энергосистемой в узле измерения режимных параметров.