Способ автоматического управления перераспределением энергии в многозвенных линиях электропередачи
AUTOMATIC CONTROL METHOD OF ENERGY DISTRIBUTION IN ELECTRIC LADDER-TYPE POWER TRANSMISSION LINES

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано при организации электропитания нескольких потребителей с отдельными линиями электропередачи при условии изменения нагрузок у потребителей.
Известен управляемый шунтирующий реактор-трансформатор (УШРТ) [1-3], выполняющий функции магнитного шунта и подключаемый к линии электропередачи. С его помощью можно регулировать напряжение на входе линии электропередачи от трансформаторной подстанции (ТП), что необходимо для поддержания постоянной величины переменного напряжения у потребителя в конце линии электропередачи при изменяющемся во времени характере нагрузки, компенсируя возникающие в линии транспортные потери. В случае использования нескольких потребителей, снабжаемых энергией по раздельным линиям электропередачи от одной ТП возникает задача по перераспределению потоков энергии этим потребителям в зависимости от действующих в них изменяющихся нагрузок. И в этом случае важно устранить влияние изменяющихся нагрузок у одних потребителей на величину действующего напряжения у других потребителей.
Целью изобретения является автоматическое поддержание неизменным напряжения у всех потребителей, связанных с трансформаторной подстанцией раздельными линиями электропередачи, независимо от вариации величин нагрузок у потребителей.
Указанная цель достигается в заявляемом способе автоматического управления перераспределением потоков энергии в многозвенных линиях электропередачи от трансформаторной подстанции к нескольким потребителям с переменными нагрузками, основанном на использовании в начале каждой из линий передачи управляемых шунтирующих реакторов трансформаторного типа, которыми регулируют напряжение в начале линий, отличающемся тем, что сигнал управления формируют сравнением некоторого опорного напряжения с напряжением, падающим в каждой из линий передачи с известным сопротивлением, для чего измеряют ток в линии как функцию изменяющейся нагрузки потребителя, а величину опорного напряжения в каждом канале авторегулирования статического или астатического типа устанавливают равной падению напряжения в линии передачи при среднестатистическом значении тока в нагрузке каждого из потребителей.
Достижение поставленной цели изобретения объясняется линейной зависимостью напряжения на входе линии передачи от управляющего напряжения, подаваемого на управляющий вход системы авторегулирования, в которой вырабатываются сигналы включения тиристорных пар, входящих в состав управляемого шунтирующего реактора трансформаторного типа. При этом управляющее напряжение находится путем измерения тока нагрузки для его фиксированного и текущего значений при известном сопротивлении линии электропередачи по каждому из потребителей. Фиксированное значение тока нагрузки определяется на основе статистического исследования режима потребления электроэнергии по каждому из потребителей раздельно.
На рис. 1 показана примерная схема системы энергоснабжения, например, трех потребителей с тремя отдельными для них линиями электропередачи, включающая:
1 - трансформаторную подстанцию (ТП), связанную с ВЛ-10 кВ,
2, 3 и 4 - подключенные к линиям электропередачи управляемые шунтирующие реакторы трансформаторного типа (УШРТ),
5, 6 и 7 - измерители тока в линиях,
8, 9 и 10 - системы автоматического регулирования для УШРТ 2, 3 и 4 соответственнно,
11, 12 и 13 - линии электропередачи (ВЛ-0,4 кВ) с известными значениями сопротивлений r=ρL/q, где ρ - удельное сопротивление проводника, L - его длина, q - поперечное сечеиие проводника линии,
2
2
14, 15 и 16 - потребители электроэнергии со среднестатистической мощностью Р потребления, где Р=IU, a U - стабилизируемое напряжение у потребителей.
1
O
O
H
H
2
2
O
O
На рис. 2 дан график зависимости напряжения U(α) на входе линии электропередачи от управляющего напряжения Δu(α)=U-r I(α), подаваемого на управляющий вход системы автоматического регулирования 8 (9 или 10), где U - опорное напряжение для данного канала регулирования, I(α) - ток нагрузки данного потребителя в функции полного текущего сопротивления этой нагрузки, текущее значение которой равно αR, где R - среднестатистическое значение сопротивления нагрузки данного потребителя, соответствующее среднему току в линии I=Р/U, напряжение U=const - действующее в нагрузке потребителя независимо от ее изменения, оцениваемого коэффициентом α, величина которого может быть больше или меньше единицы. При этом опорное напряжение U вычисляется и устанавливается как U=Ir, но раздельно по каждому потребителю.
Рассмотрим работу указанного устройства, характеризующего заявляемый способ.
1
2
H
2
H
H
1
2
2
1
2
H
H
H
2
1
1
1
MIN
1
2
2
2
2
2
Для рассматриваемой системы автором создана математическая модель [4], согласно которой кпд η(α) при передаче электроэнергии мощностью Р(α) выражается как η(α)=1-q[U(α)-U]/ρ L Р(α), где α - коэффициент разброса нагрузки у потребителя от ее среднестатистического значения R, при котором α=1, а величина потребляемой мощности P(α)=U/α R. Тогда имеем η(α)=1-q α R [U(α)-U]/ ρ L U. Поскольку напряжение в начале линии электропередачи U(α)=U(1+ρ L/q α R), то в результате имеем: η(α)=1-(ρ L /q α R)=1-r / α R, то есть кпд передачи энергии зависит только от соотношения сопротивлений линии электропередачи к сопротивлению нагрузки у потребителя. Например, при передаче мощности Р=100 кВт с напряжением у потребителя U=380 В ток нагрузки (в сумме по трем фазам) составляет I=263,2 А. Для трехфазной сети ток в каждой из фаз составляет 87,7 А. Если для передачи используются многожильные алюминиевые проводники с общим сечением q=100 мм, то при длине линии L=1000 м сопротивление одного из трех проводников равно 0,29 Ом. Падение напряжения на этом проводнике равно 25,4 В. Следовательно, U(α)=380+25,4=405,4 В, и среднестатистическое значение кпд такой линии электропередачи η=93,7%. Если коэффициент разброса сопротивления нагрузки находится в пределах 0,75≤α≤1,25, то кпд передачи энергии к такому потребителю лежит в пределах 91,1%≥α≥94,6% соответственно. При указанном разбросе сопротивления нагрузки максимальное напряжение на входе линии U*=U(α)=413,9 В (см. рис. 2). Напряжение U* выбирают наибольшее для всех используемых линий передачи.
2
Необходимость в перераспределении потоков энергии между группой потребителей от единого источника (ТП) связана с требованием поддержания неизменным напряжения U у каждого из них при вариации сопротивлений нагрузки. Если не принимать предлагаемых мер по стабилизации этого напряжения у потребителей, то в случае избыточного потребления энергии у какого-либо потребителя напряжение у других понизится, а в случае, например, отключения какого-либо потребителя это напряжение у других потребителей повысится, что связано с конечным значением внутреннего сопротивления источника энергии. Именно поэтому каждая линия передачи должна быть снабжена автоматической системой регулирования напряжения по каждому из потребителей независимо.
1
O
В соответствии с заявляемым способом такая система включает по каждой из линий электропередачи с ее конечным потребителем 14 (15 или 16) УШРТ 2 (3 или 4) или его функциональный аналог, подключенный к линии 11 (12 или 13) на ее входном конце (у ТП 1) с измерителем тока 5 (6 или 7) в данной линии, а также систему авторегулирования 8 (9 или 10). Последняя управляет моментами включения тиристорных пар в УШРТ, что и приводит к регулированию напряжения U(α) на входе линии электропередачи, и включает последовательно связанные устройство сравнения выпрямленных опорного напряжения U с напряжением r I(α), фильтр нижних частот, интегратор и преобразователь получаемого управляющего сигнала в пару импульсных сигналов открывания тиристорной пары в составе УШРТ в требуемые моменты времени, синхронизированные с сетевым переменным напряжением.
Аналогом УШРТ может явиться трансформатр-ЛАТР, регулируемый от электродвигателя, либо трансформатор с группой отводов от его вторичной обмотки с переключателем - механическим или электронным (на силовых транзисторах или тиристорных парах). При этом управление двигателем или переключателем осуществляется также по сигналам системы авторегулирования с соответствующей конструкцией ее преобразователя-управителя.
O
2
Отличительные признаки заявляемого способа - формирование сигналов опорного U = r I и текущего r I(α) напряжений с помощью измерения соответственно токов I и I(α) в линии с известным ее сопротивлением по каждому из потребителей раздельно - реализуются в рассмотренном устройстве и его аналогах, использующих эти сигналы для работы системы автоматического регулирования, поддерживающей постоянными напряжения U у потребителей независимо от изменения их нагрузок. Объединение в заявляемом способе нескольких систем авторегулирования - по числу линий электропередачи и по числу потребителей, каждая из которых по своей структуре общеизвестна, позволяет именно перераспределить энергию общего для них источника с конечным его внутренним сопротивлением, поскольку изменение нагрузки у одного потребителя влияет на работу систем регулирования для всех других потребителей.
Искажение формы синусоиды при работе УШРТ просто устраняется применением режекторных фильтров гармоник, включаемых в начале линий электропередачи.
Заявляемый способ целесообразно использовать при нескольких достаточно протяженных линий электропередачи от одной трансформаторной подстанции, снабжающей конечных потребителей без промежуточных ответвлений в линиях.
Патентный поиск
SU 1781711 А1, 15.12.1992. RU 2297062 С2, 10.04.2007.
RU 2221297 С1, 10.01.2004. SU 1658224 А1, 23.06.1991.
ЕР 0443342, 28.08.1991.
Литература
1. Г.Н. Александров, Управляемый шунтирующий реактор трансформаторного типа, Труды ЛПИ им. М.И. Калинина, Л., 1990.
2. Александров Г.Н., Лунин В.П., Управляемые реакторы, изд.3-е Центра подготовки кадров энергетики, СПб, 2005.
3. Каленик В.А., Управляемый шунтирующий реактор-трансформатор, Заявка на изобретение №2007128284/09 от 23.07.2007.
4. Меньших О.Ф., Математическая модель управления электропередачей, статья в сборник «Allbest.ru» (База знаний) от 30.08.2016.