Устройство управления дугогасящим реактором

Полезная модель  относится к электроизмерительной технике и может быть использована на электрических подстанциях для управления настройкой дугогасящих реакторов, компенсирующих емкостные токи замыкания на землю в сетях 6-35 кВ.
Для компенсации емкостных токов замыкания на землю в сетях 6-35 кВ используются настраиваемые дугогасящие реакторы (ДГР), включаемые в контур нулевой последовательности сети (КНПС), например, в нейтраль силового трансформатора. Емкостные токи компенсируются при совпадении собственной частоты КНПС, регулируемой путем изменения индуктивности ДГР, с частотой напряжения сети (промышленной частотой).
Известно устройство управления настройкой ДГР, описанное в патенте RU 2475915, опубликованном 20.02.2013, МПК H02J 3/18 (2006.01), формирующее управляющие воздействия на регулятор индуктивности ДГР для компенсации емкостных токов замыкания на землю и содержащее вычислительный модуль, снабженный аналого-цифровым преобразователем, предназначенным для оцифровки напряжения смещения нейтрали (НСН), в которую включен ДГР. Вычислительный модуль устройства для выделения свободной составляющей возбужденных колебаний фиксирует НСН и выделяет разностный сигнал, полученный путем наложения двух участков кривой этого напряжения, зафиксированных до и после действия импульса возбуждения.
Недостаток описанного устройства - низкая достоверность определения собственной частоты КНПС, зависимость регулирующего воздействия, формируемого после каждого импульса опорного тока, от величины и фазы НСН сети и, как следствие, низкая точность и затяжной характер процесса компенсации емкостных токов замыкания на землю.
Этот недостаток обусловлен следующим. В отсутствие импульса возбуждения уровень контролируемого сигнала НСН определяется несимметрией фаз сети, а частота совпадает с частотой напряжения сети. После воздействия импульса возбуждения к НСН добавляется свободная составляющая переходного процесса, за короткое время затухания которой НСН практически остается неизменным по величине, частоте и фазе. При выделении свободной составляющей переходного процесса, несущей информацию о собственной частоте КНПС, НСН проявляется как помеха, на устранение которой направлена процедура наложения сигналов (фрагментов контролируемого НСН), зафиксированных до и после действия импульса возбуждения соответственно. При этом первый сигнал содержит указанную помеху в чистом виде, а второй - в сумме со свободной составляющей возникшего переходного процесса.
При наложении фрагментов, зафиксированных согласно патенту RU 2475915 до и после действия импульса возбуждения, фазы НСН на налагаемых фрагментах случайны и исключение мешающего НСН из получаемого сигнала при наложении (сложении или вычитании) происходит лишь с малой вероятностью. Получаемый в результате такого наложения сигнал будет в большинстве случаев содержать не только свободную составляющую переходного процесса, но и помеху, величина которой будет зависеть от амплитуды и случайной разности фаз НСН в зафиксированных и налагаемых друг на друга сигналах. Собственная частота КНПС и регулирующее воздействие на ДГР по такому сигналу определяются недостоверно, процесс настройки становится неустойчивым, а ток замыкания на землю остается нескомпенсированным.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является устройство, описанное в патенте RU 147273 U1 «Устройство управления настройкой дугогасящего реактора», опубликованном 27.10.2014, МПК H02J 3/18 (2006.01). Устройство содержит вычислительный модуль, снабженный аналого-цифровым преобразователем, предназначенным для оцифровки напряжения смещения нейтрали, в которую включен дугогасящий реактор, и подключенные к интерфейсу вычислительного модуля возбудитель колебаний и блок сопряжения с регулятором индуктивности дугогасящего реактора, при этом вычислительный модуль выполнен с возможностью задержки оцифрованного сигнала, поступающего с аналого-цифрового преобразователя, на целое число N полупериодов промышленной частоты, выделения свободной составляющей возбужденных колебаний в виде суммы или разности текущего и задержанного оцифрованных сигналов при нечетном или четном числе N соответственно, определения частоты выделенной свободной составляющей и формирования управляющих воздействий на регулятор индуктивности дугогасящего реактора, приближающих указанную частоту к промышленной частоте.
Недостатками прототипа являются высокая погрешность определения собственной частоты КНПС и, как следствие, низкая точность резонансной настройки КНПС из-за возможной неполной компенсации периодической помехи, а также вследствие усиления случайных помех, присутствующих во входном сигнале НСН.
Указанные недостатки обусловлены следующим. Во-первых, формы положительного и отрицательного полупериодов НСН могут отличаться, что в случае сложения текущего и задержанного оцифрованных сигналов при нечетном числе полупериодов N приведет к неполной компенсации НСН и, как следствие, к искажению формы исследуемой свободной составляющей переходного процесса и к увеличению погрешности или к полной невозможности определения собственной частоты КНПС. Во-вторых, текущий и задержанный сигналы в реальных условиях содержат случайные составляющие, обусловленные шумами и помехами. При сложении или вычитании этих сигналов дисперсии их случайных составляющих складываются, а среднеквадратичное отклонение (СКО), определяющее случайную составляющую погрешности значений исследуемого переходного процесса, возрастает в  раз по сравнению с исходным. Вследствие этого собственная частота КНПС может определяться некорректно, а резонансная настройка КНПС будет неточной.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности резонансной настройки КНПС. Технический результат заключается в повышении точности измерения собственной частоты КНПС за счет снижения чувствительности устройства к случайным и периодическим помехам.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство управления дугогасящим реактором, содержащее дифференциальный усилитель, вычислительный модуль, снабженный аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и подключенные к интерфейсу вычислительного модуля возбудитель колебаний и блок сопряжения с регулятором индуктивности дугогасящего реактора, дополнительно введены запоминающий блок, блок определения периода и усреднения, блок циклического воспроизведения, сумматор, блок определения частоты и блок вычисления управляющего воздействия, причем выход дифференциального усилителя подключен к входу АЦП, выход АЦП подключен к входу запоминающего блока и прямому входу сумматора, выход запоминающего блока подключен к входу блока определения периода и усреднения, выход блока определения периода и усреднения подключен к входу блока циклического воспроизведения, выход блока циклического воспроизведения подключен к вычитающему входу сумматора, выход сумматора подключен к входу блока определения частоты, выход блока определения частоты подключен к входу блока вычисления управляющего воздействия, выход блока вычисления управляющего воздействия подключен к входу интерфейса вычислительного модуля.
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, а на фиг. 2 -временные диаграммы, поясняющие его работу, причем на фиг. 2а показана форма сигнала на выходе АЦП, на фиг. 2б - форма синтезированного компенсационного сигнала на выходе блока циклического воспроизведения, а на фиг. 2в - форма сигнала на выходе сумматора, соответствующего свободным колебаниям в КНПС.
На схеме фиг. 1 показан вычислительный модуль 1, снабженный АЦП 2. К интерфейсу 3 вычислительного модуля 1 подключены возбудитель колебаний 4 и блок сопряжения 5. Кроме того, на фиг. 1 показаны настраиваемый ДГР 6, через который заземлена нейтраль силового трансформатора 7, подключенного к электрической сети, и распределенные емкости 8 фаз этой сети на землю. ДГР 6 снабжен сигнальной обмоткой 9 и регулятором индуктивности 10 (например, приводом плунжера ДГР).
Выход возбудителя 4 подключен к сигнальной обмотке 9. Вход АЦП 2, предназначенного для оцифровки напряжения смещения нейтрали, заземленной через ДГР 6, может быть подключен по аналогии с прототипом к обмотке «разомкнутый треугольник» измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности или в частом случае, показанном на фиг. 1, - к сигнальной обмотке 9 через дифференциальный усилитель 11. Выход блока сопряжения 5 подключен к входу регулятора индуктивности 10.
Выход АЦП 2 подключен к входу запоминающего блока 12 и прямому входу сумматора 13, выход запоминающего блока 12 подключен к входу блока определения периода и усреднения 14, выход блока определения периода и усреднения 14 подключен к входу блока циклического воспроизведения 15, выход блока циклического воспроизведения 15 подключен к вычитающему входу сумматора 13, выход сумматора 13 подключен к входу блока определения частоты 16, выход блока определения частоты 16 подключен к входу блока вычисления управляющего воздействия 17, выход блока вычисления управляющего воздействия 17 подключен к входу интерфейса 3 вычислительного модуля 1.
Устройство работает следующим образом.
1
1
1
1
i
i
АЦП 2 оцифровывает сигнал, поступающий на его вход с сигнальной обмотки 9 через усилитель 11 и пропорциональный напряжению смещения нейтрали (НСН). В начале очередного рабочего цикла, начиная с момента времени t и в течение интервала времени T (фиг. 2), запоминающий блок 12 сохраняет поступающие с АЦП 2 отсчеты сигнала x(t), соответствующего НСН до возбуждения свободных колебаний в КНПС. Интервал T выбирается таким образом, чтобы в него уложилось K периодов сигнала с учетом возможного отклонения частоты сети от номинального значения (K - целое число). По истечению времени T блок определения периода и усреднения 14 определяет период T0 сохраненного сигнала и разбивает сохраненный сигнал x(t) на K фрагментов x(t) длительностью T0 каждый (фиг. 2а), после чего формирует компенсационный фрагмент  длительностью T0 путем усреднения формы фрагментов x(t).
2
1
0
2
1
0
0
Затем в ближайший момент времени t=t+M×T, где M - целое число, вычислительный блок 1 через интерфейсный блок 3 воздействует на возбудитель колебаний 4, выдающий на сигнальную обмотку 9 ДГР 6 короткий импульс возбуждения, вызывающий затухающий переходный процесс в КНПС. Одновременно с этим блок циклического воспроизведения 15 начинает генерировать компенсационный сигнал, повторяя компенсационный фрагмент  на вычитающем входе сумматора 13 необходимое количество раз (фиг. 2б). Фактически компенсационный сигнал на выходе блока 15 является задержанным на М периодов и усредненным по форме сигналом x(t), сохраненным в запоминающем блоке 12 до воздействия возмущающего импульса. На прямой вход сумматора 13 с выхода АЦП 2 поступает оцифрованный сигнал q(t), изображенный на фиг. 2а и являющийся суммой затухающей свободной составляющей переходного процесса y{t), возбуждающего импульса p(t) и периодической составляющей x'(t), причем из-за небольшой величины разности t - t частоту и форму x'(t) можно считать идентичными частоте и форме компенсационного сигнала, формируемого блоком 15. В результате сигнал на выходе сумматора (фиг. 2в) содержит только возбуждающий импульс p(t) и свободную составляющую y(t). Получив этот сигнал, блок определения частоты 16 отбрасывает его начальную часть, в которой присутствует короткий возбуждающий импульс, и вычисляет частоту свободной составляющей переходного процесса y(t). Блок вычисления управляющего воздействия 17 сравнивает эту частоту с частотой сети f=1/T и на основании полученной разности вычисляет величину управляющего воздействия, которое необходимо оказать на ДГР 6 с целью приближения собственной частоты КНПС к частоте сети на заданную величину. Это воздействие через интерфейс 3 и блок сопряжения 5 передается на регулятор индуктивности 10 ДГР 6.
Описанный рабочий цикл выполняется с необходимой периодичностью или в произвольные моменты времени по команде управляющей программы вычислительного модуля 1, обеспечивая своевременную настройку ДГР.
Использование задержки компенсационного сигнала на целое число периодов обеспечивает, в отличие от прототипа, работоспособность устройства при несимметрии положительной и отрицательной полуволн НСН.
Использование синтезированного компенсационного сигнала  вместо задержанного исходного сигнала x(t) позволяет снизить уровень шума в выделенной затухающей свободной составляющей переходного процесса y(t), обеспечивая тем самым возможность анализа этой составляющей в области малых значений, что, в свою очередь, повышает точность измерения частоты свободных колебаний за счет увеличения интервала наблюдения. Более точное измерение указанной частоты позволяет повысить точность резонансной настройки ДГР, обеспечивая более полную компенсацию емкостных токов.
Снижение уровня шума при использовании усредненного компенсационного сигнала объясняется следующим. Сигнал НСН x(t), поступающий на вход АЦП до возбуждения свободных колебаний в КНПС, можно представить как
d
x(t)=x(t)+Δ(t),
d
1
где x(t) - детерминированная составляющая промышленной частоты, соответствующая НСН, с момента времени t;
Δ(t) - случайная составляющая, соответствующая шумам и помехам (математическое ожидание M[Δ(t)]=0).
Функцию переходного процесса q(t) после возбуждения свободных колебаний можно записать как
d
d
q(t)=x'(t)+*A(t)+y(t),
d
где x'(t) - детерминированная составляющая промышленной частоты,
2
соответствующая НСН, с момента времени t;
d
y(t) - детерминированная составляющая, соответствующая свободным колебаниям в КНПС.
d
d
Поскольку за время выполнения рабочего цикла НСН существенно не меняется, заменим x'(t) на x(t).
1
В случае исключения составляющей x(t) из функции q(t) путем простого вычитания сигнала x(t), задержанного на целое число периодов, как это сделано в прототипе, результирующая функция y(t) будет равна
1
1
1
1
где Δ(t) - результат сложения случайных составляющих функций x(t) и q(t). Пусть помеха Δ(t) в исходном сигнале имеет дисперсию D[Δ(t)] и, соответственно, среднеквадратичное отклонение . Тогда дисперсия D результирующей помехи Δ(t) будет равна 2D[Δ(t)], а ее СКО, определяющее случайную составляющую погрешности значений y(t):
, то есть в  раз больше исходного. С целью уменьшения случайной составляющей результирующей погрешности в предлагаемом устройстве используется синтезированный компенсационный сигнал, полученный путем усреднения формы сигнала x(t) за несколько периодов. При этом
,
где  - усредненная реализация функции x(t) за K периодов;
0
t - время, 0≤t<T;
0
T - период функции x(t);
K - число усредняемых периодов;
2
Δ(t) - случайная составляющая усредненного сигнала.
2
2
Дисперсия D функции Δ(t) будет равна D[Δ(t)]/K. Тогда при вычитании из q(t) компенсационного сигнала, синтезированного из повторяющихся фрагментов , дисперсия случайной составляющей результата D3 составит D[Δ(t)]+D[Δ(t)]/K, а ее СКО. Таким образом, усреднение формы сигнала x(t) за K периодов обеспечит уменьшение СКО случайной составляющей погрешности результата в  раз.
Типичная длина наблюдаемой свободной составляющей переходного процесса в КНПС составляет 5-6 периодов промышленной частоты, поэтому по сравнению с прототипом случайная погрешность будет уменьшена примерно в 1,3 раза. В отличие от прототипа при стабильных параметрах сигнала x(t) количество усредняемых фрагментов К можно увеличить, обеспечив дальнейшее снижение случайной погрешности и, следовательно, дальнейшее повышение точности резонансной настройки ДГР.
Таким образом, за счет совокупности работы описанных блоков и их связей достигается работоспособность устройства в более широком диапазоне характеристик НСН, а также увеличение точности резонансной настройки ДГР.