УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ В ПРОИЗВОЛЬНЫХ УЗЛАХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПО ДАННЫМ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ

Полезная модель относится к информационно-измерительной и вычислительной технике и может быть использована в устройствах для обработки результатов векторной регистрации параметров, получаемых регистраторами параметров электроэнергетического режима на отдельных объектах (узлах) энергосистемы, в частности, для определения параметров переходных режимов в энергосистеме, например, уровня колебаний напряжения электрического тока в произвольных узлах энергосистемы.
Предложенное техническое решение представляет собой устройство, содержащее элементы (блоки) и связи между ними, находящиеся в функционально-конструктивном единстве и размещенные в ограниченном пространстве с возможностью выполнения в едином корпусе.
В настоящее время на объектах ЕЭС России установлены цифровые регистраторы параметров электроэнергетического режима, результаты измерений которых синхронизированы по времени с помощью спутниковых систем глобального позиционирования (ГЛОНАСС, GPS), и объединены в систему мониторинга переходных режимов (СМПР).
Получаемая с помощью СМПР информация может быть использована, в том числе, и для количественной оценки параметров переходного режима, например, интерполяционной оценки уровня колебаний напряжения электрического тока в произвольных узлах энергосистемы.
Мониторинг колебаний напряжения электрического тока (идентификация модального состава колебаний напряжения, доминантных локальных и межзональных мод, определение параметров низкочастотных колебаний, включая коэффициенты демпфирования) предназначается для оценки уровня колебательной устойчивости энергосистемы.
Известно устройство для регистрации параметров переходных режимов 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, C1, G06F 17/40, 20.12.2009].
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности.
Известно также 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, при чем, 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 3/00, 20.12.1999].
Недостатком этого устройства также является относительно узкие функциональные возможности.
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].
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно не позволяет определить динамику переходных процессов на объектах (узлах) энергосистемы, в которых не размещены аналоговые и цифровые датчики.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является система оценивания динамики изменения частоты в произвольных узлах электроэнергетической системы, содержащая блок памяти данных от цифровых регистраторов, блок памяти координат цифровых регистраторов, блок памяти границ энергосистемы, блок формирования графа электрической сети энергосистемы, вход которого соединен с выходом блока памяти границ энергосистемы, блок построения координатной сетки, вход которого объединен с входом блока памяти координат цифровых регистраторов и соединен с выходом блока формирования графа электрической сети энергосистемы, блок формирования триангуляции конечного множества маркированных узлов графа, вход которого соединен с выходом блока памяти координат цифровых регистраторов, блок присвоения значений данных маркированным узлам, первый, второй и третий входы которого соединены с выходами блока памяти данных от цифровых регистраторов, блока формирования триангуляции конечного множества маркированных узлов графа и блока построения координатной сетки, соответственно, блок расчета интерполированных данных, вход которого соединен с выходом блока присвоения значений данных маркированным узлам, блок памяти значений частоты, первый и второй входы которого соединены с выходами блока присвоения значений данных маркированным узлам и блока расчета интерполированных данных, соответственно, а также блок оценки динамики изменений частоты, вход которого соединен с выходом блока памяти значений частоты [RU 131216, U1, G06F 17/40, 10.08.2013]
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, поскольку, несмотря на то, что система позволяет оценивать динамику изменения частоты в произвольных узлах электроэнергетической системы, но не позволяет оценивать уровни колебаний напряжения в этих узлах.
Задачей, на решение которой направлена предложенная полезная модель, является расширение функциональных возможностей известного устройства для обеспечения возможности оценивания уровня колебаний напряжения в произвольных узлах электроэнергетической системы.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем введения дополнительного арсенала технических средств, обеспечивающих возможность оценивания уровня колебаний напряжения в произвольных узлах электроэнергетической системы.
Целью разработки полезной модели является создание инструмента, обеспечивающего повышение наблюдаемости энергосистемы, контроль качества регулирования напряжения в энергосистеме, мониторинг колебаний напряжения и оценивание опасности уровня колебаний.
Практической целью полезной модели является информационная поддержка принятия решений оператором (диспетчером) при решении следующих задач:
- мониторинг колебаний напряжения в масштабах региональной энергосистемы и определение параметров колебаний напряжения;
- оценка качества регулирования напряжения в энергосистеме;
- идентификация технологического возмущения и локализация места возмущения;
- идентификация локальных и межзональных колебаний, уровня их демпфирования;
- повторение (проигрывание) аварийного события (технологического возмущения) в псевдореальном времени;
- пост-аварийный анализ.
Поставленная задача реализуется, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее блок памяти данных от цифровых регистраторов, блок памяти координат цифровых регистраторов, блок памяти границ энергосистемы, блок формирования графа электрической сети энергосистемы, вход которого соединен с выходом блока памяти границ энергосистемы, блок построения координатной сетки, вход которого объединен с входом блока памяти координат цифровых регистраторов и соединен с выходом блока формирования графа электрической сети энергосистемы, блок формирования триангуляции конечного множества маркированных узлов графа, вход которого соединен с выходом блока памяти координат цифровых регистраторов, блок присвоения значений данных маркированным узлам, первый и второй входы которого соединены с выходами блока формирования триангуляции конечного множества маркированных узлов графа и блока построения координатной сетки, соответственно, и блок расчета интерполированных данных, вход которого соединен с выходом блока присвоения значений данных маркированным узлам, согласно предложенной полезной модели, введены блок пересчета данных в относительные величины и фильтрации верхних частот, вход которого соединен с выходом блока памяти данных от цифровых регистраторов, а выход соединен с третьим входом блока присвоения значений данных маркированным узлам, а также блок памяти значений напряжения, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходом блока присвоения значений данных маркированным узлам и блока расчета интерполированных данных, и блок оценки параметров колебания напряжения, вход которого соединен с выходом блока памяти значений напряжения.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - функциональная схема устройства для определения уровня колебаний напряжения в произвольных узлах электроэнергетической системы по данным системы мониторинга переходных режимов;
на фиг. 2 - пример визуализации колебаний напряжения в масштабах энергосистемы.
Устройство для определения уровня колебаний напряжения в произвольных узлах электроэнергетической системы по данным системы мониторинга переходных режимов (фиг. 1) содержит блок 1 памяти данных от цифровых регистраторов, блок 2 памяти координат цифровых регистраторов, блок 3 памяти границ энергосистемы и блок 4 формирования графа электрической сети энергосистемы, вход которого соединен с выходом блока 3 памяти границ энергосистемы.
Кроме того, устройство для определения уровня колебаний напряжения в произвольных узлах электроэнергетической системы по данным системы мониторинга переходных режимов содержит блок 5 построения координатной сетки, вход которого объединен с входом блока 2 памяти координат цифровых регистраторов и соединен с выходом блока 4 формирования графа электрической сети энергосистемы, блок 6 формирования триангуляции конечного множества маркированных узлов графа, вход которого соединен с выходом блока 2 памяти координат цифровых регистраторов, блок 7 пересчета данных в относительные величины и фильтрации верхних частот, вход которого соединен с выходом блока 1 памяти данных от цифровых регистраторов, и блок 8 присвоения значений данных маркированным узлам, первый, второй и третий входы которого соединены, соответственно, с выходами блока 6 формирования триангуляции конечного множества маркированных узлов графа, блока 5 построения координатной сетки и блока 7 пересчета данных в относительные величины и фильтрации верхних частот.
Помимо указанных выше, устройство для определения уровня колебаний напряжения в произвольных узлах электроэнергетической системы по данным системы мониторинга переходных режимов содержит блок 9 расчета интерполированных данных, вход которого соединен с выходом блока 8 присвоения значений данных маркированным узлам, блок 10 памяти значений напряжения, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходом блока 8 присвоения значений данных маркированным узлам и блока 9 расчета интерполированных данных, а также блок 11 оценки параметров колебания напряжения, вход которого соединен с выходом блока памяти значений напряжения.
Примеры выполнения блоков устройства и их алгоритмы работы раскрываются ниже.
Работает устройство для определения уровня колебаний напряжения в произвольных узлах электроэнергетической системы по данным системы мониторинга переходных режимов следующим образом.
В качестве предварительной процедуры до начала работы устройства (циклического расчета) в блоке 3 памяти границ энергосистемы, который может быть выполнен в виде блока памяти, задается область границ энергосистемы, что необходимо для построения в последующем графа электрической сети энергосистемы на плоскости.
В блоке 4, выполненном в виде специализированного вычислительного устройства с памятью, формируется граф электрической сети энергосистемы. Координаты узлов графа соответствуют географическому расположению объектов энергосистемы (энергообъектов и элементов сети), а расстояние между узлами графа - пропорционально взаимным сопротивлениям (величинам, обратным взаимным проводимостям) между ними. Эти данные заносятся в упорядоченном виде в ячейки памяти блока 4. Актуализацию параметров графа можно производить не на каждом цикле расчета, а, например, через заданное количество циклов или при резком изменении схемно-режимной ситуации.
На сформированном в блоке 4 графе электрической сети энергосистемы в блоке 2 памяти координат цифровых регистраторов проводится идентификация узлов графа (привязка к упорядоченным узлам графа, сформированным в блоке 4), соответствующих объектам энергосистемы, на которых установлены регистраторы СМПР. Координаты таких узлов графа присваиваются цифровым регистраторам и заносятся в ячейки памяти блока 2. Такие узлы становятся маркированными узлами графа.
Для идентифицированных и промаркированных в блоке 2 узлов графа электрической сети энергосистемы в блоке 6, выполненном в виде специализированного вычислительного устройства, проводится построение по выбранному математическому алгоритму триангуляции конечного множества маркированных узлов графа сети энергосистемы, например, по наиболее распространенному алгоритму триангуляции Делоне на плоскости области построения графа.
Кроме того, на заданной в блоке 3 области построения графа в блоке 5 формируется равномерная прямоугольная сетка. Шаг сетки определяется таким образом, чтобы соблюдалось условие, при котором все узлы графа, сформированного в блоке 4, должны находиться в узлах сетки.
В блоке 7, выполненном, например, в виде специализированного вычислительного устройства с памятью, измеренные значения напряжения пересчитываются в относительные величины посредством операции деления на номинальные значения напряжения, соответствующие классу напряжения объектов, на которых производятся измерения регистраторами СМПР, и поступают в фильтр верхних частот с заданной частотой среза (например, 0,1 Гц при работе с низкочастотными колебаниями параметров электрического режима).
Пересчитанные в относительные величины и прошедшие фильтр верхних частот в блоке 7 данные о значениях напряжения в блоке 8, выполненном, например, в виде регистра памяти, присваиваются промаркированным в блоке 2 узлам графа, а также узлам сформированной в блоке 5 равномерной прямоугольной сетки, в которых находятся маркированные узлы графа.
В блоке 9, выполненном в виде специализированного устройства вычислительной техники, производится расчет значений напряжения в непромаркированных узлах равномерной прямоугольной сетки, сформированной в блоке 5, посредством, например, кубической интерполяции значений напряжения, присвоенных в блоке 8 маркированным узлам, на картине триангуляции Делоне, построенной в блоке 6. При количестве маркированных узлов более ста рекомендуется применение в блоке 9 билинейной интерполяции. В блоке 10 производится присвоение всем узлам графа электрической сети энергосистемы значений напряжения в узлах равномерной прямоугольной сетки, в которых находятся узлы графа. Эти значения используются в блоке 11 для оценки следующих параметров колебания напряжения в произвольных узлах энергосистемы через значения напряжения в этих узлах на последовательных циклах расчета: частоты колебаний, амплитуды колебаний, относительной фазы колебаний, коэффициента демпфирования колебаний.
Полученные результаты позволяют оценивать динамические свойства энергосистемы, в том числе сравнивать частоты колебаний, амплитуды колебаний, фазы колебаний, коэффициенты демпфирования колебаний в произвольных узлах энергосистемы.
Кроме того, разработанная полезная модель может быть использована на практике для цветовой визуализации колебаний напряжения в масштабах региональных энергосистем, используя следующий алгоритм:
- построение поверхности уровня колебаний напряжения в трехмерном пространстве координат по координатам узлов прямоугольной сетки и интерполяционным значениям напряжения (в относительных единицах) в этих узлах;
- задание диапазона напряжения (в относительных единицах), подлежащего градиентной заливке цветом;
- задание границ соответствия цветовой заливки и значений выделяемых цветом напряжений, пересчитанных в относительные единицы и прошедших фильтр верхних частот;
- проведение градиентной заливки цветом поверхности уровня колебаний напряжения пропорционально величинам интерполяционных значений напряжения (в относительных единицах) в соответствии с заданными на предыдущем шаге границами (линейная интерполяция цвета);
- построение шкалы градиентной цветовой заливки в соответствии с заданными границами рядом с поверхностью уровня колебаний напряжения;
- нанесение графа сети на поверхность уровня колебаний напряжения с соблюдением цветовой палитры для обозначения класса напряжения иллюстрируемого объекта сети ЕЭС России (220 кВ - зеленый цвет, 500 кВ - красный цвет, 750 кВ - синий цвет);
- подпись названий маркированных узлов графа по названию иллюстрируемого объекта сети ЕЭС России.
На фиг. 2 в черно-белом представлении приведены примеры визуализации колебаний напряжения в региональной энергосистеме.
Таким образом, благодаря введению дополнительного арсенала технических средств (в частности, благодаря тому, что введены блок пересчета данных в относительные величины и фильтрации верхних частот, вход которого соединен с выходом блока памяти данных от цифровых регистраторов, а выход соединен с третьим входом блока присвоения значений данных маркированным узлам, а также блок памяти значений напряжения, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходом блока присвоения значений данных маркированным узлам и блока расчета интерполированных данных, и блок оценки параметров колебания напряжения, вход которого соединен с выходом блока памяти значений напряжения), достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей, поскольку обеспечивается возможность оценивания уровня колебаний напряжения в произвольных узлах электроэнергетической системы.