СПОСОБ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ И ЭНЕРГООБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR MONITORING STATE OF ELECTRICAL NETWORK AND POWER FACILITY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к системам и устройствам для измерения параметров электрической сети и контроля состояния энергообъектов (диспетчеризации электрических станций и подстанций, переключательных и секционирующих пунктов, узлов учета электроэнергии и т.п.).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для контроля и диспетчеризации состояния электрических сетей и энергообъектов в настоящее время применяется два подхода [1-4]:
- непрерывная передача данных о состоянии электрической сети и энергообъекта с заданным периодом обновления, при этом данные содержат значения измеряемого параметра и содержат или не содержат метку времени;
- формирование событий при обнаружении изменения состояния электрической сети и энергообъекта (выход измеряемого значения за заданный порог, изменение текущего измеряемого значения относительно предыдущего на заданную величину и т.п.), при этом события содержат значения измеряемого параметра и метку времени события.
Первый подход при малом (относительно времени изменения измеряемого технологического параметра) периоде обновления позволяет получить высокую степень детализации измеряемых параметров, но содержит большую избыточность в стационарном режиме (передаются данные, не содержащие новой полезной информации). Кроме того, объем данных требует наличия канала связи с энергообъектом с достаточно высокой пропускной способностью. Крайним случаем первого подхода является непрерывное осциллографирование формы входного сигнала измеряемого параметра. При относительно большом же периоде обновления обеспечивается низкая степень детализации измеряемых параметров, вплоть до пропуска быстропротекающих процессов.
Второй подход обеспечивает обнаружение изменений состояния электрических сетей и энергообъектов при уменьшении, по сравнению с первым подходом, объема данных с энергообъекта. Критерии формирования событий (например, выбор значений порогов, при пересечении которых измеряемым параметром формируется событие) имеют определяющее значение с точки зрения степени детализации данных измерений. Существуют комбинированные реализации, в которых при обнаружении изменений состояния электрических сетей и энергообъектов формируются соответствующие события со значениями параметров и одновременно производится запись формы сигнала.
Известен способ и устройство для одновременной записи осциллограмм с разной частотой дискретизации для анализа качества электроэнергии (Патент США №US8121801). Способ записи осциллограмм с различными частотами дискретизации заключается в том, что в аналого-цифровом преобразователе производят преобразование входных трехфазных сигналов тока и напряжения в цифровой код, далее с помощью цифровой обработки сигналов определяют нарушения режима электрической сети по среднеквадратическим значениям напряжения (переходные процессы, провалы, перенапряжения) и формируют осциллограммы с двумя различными частотами дискретизации в зависимости от определенного нарушения режима электрической сети.
Устройство, реализующее способ, состоит из блока входных датчиков, соединенных с аналого-цифровым преобразователем, выходы которого через блок программируемой логики подключены к двум процессорам обработки сигналов (первый для целей учета электроэнергии, второй для целей анализа качества электроэнергии), данные с процессоров обработки сигналов поступают на первый порт двухпортовой памяти, ко второму порту которой подключен центральный процессор, сохраняющий результаты обработки в долговременной памяти, а также передающий их на интерфейсы связи и панель индикатора.
Недостатком способа и устройств является:
- формирование сравнительно большого объема данных в осциллограммах, недопустимого при использовании каналов связи с ограниченной полосой пропускания, при обнаружении событий по среднеквадратическим значениям.
Известен способ и система для мониторинга напряжения в счетчиках, связанных беспроводной сетью (Патент США №US7860672). Способ заключается в том, что в каждом из счетчиков измеряют входные напряжения, формируют события и архивы измерений (включая осциллограммы) при выходе входных напряжений за заранее определенные пороги в течение определенного времени (параметры, различные для каждого устройства), далее передают события по беспроводной сети в устройство сбора, в котором определяют группы счетчиков, сформировавших события, и, далее, управляют порогами каждого счетчика по беспроводной сети от устройства сбора.
Недостатками способа и системы являются:
- фиксированные значения порогов и, соответственно, фиксированная степень детализации в каждом устройстве;
- необходимость связи между несколькими устройствами с различными порогами для повышения детализации событий в системе в целом;
- централизованное управление системой от устройства сбора, снижающее общую надежность.
Известно семейство счетчиков электроэнергии с функциями анализа качества электроэнергии (Патент США №US7006934). Счетчики состоят из блока входных датчиков, подключенных к аналого-цифровому преобразователю, выход которого подключен к микропроцессору и памяти, микропроцессор производит вычисление параметров электрической сети, включая учет электроэнергии, вычисление параметров качества электроэнергии и гармонический анализ, и формирует события и архивы измерений (включая осциллограммы) при обнаружении выхода измеряемых значений за заданный порог.
Недостатком метода и системы является:
- фиксированные значения порогов и, соответственно фиксированная степень детализации.
Известна система измерений (Патент США №US7865320), являющаяся централизованной системой, состоящей из блока входного датчика напряжения, блоков входных датчиков токов, выходы всех датчиков подключены к схеме одновременной выборки аналого-цифрового преобразователя, отсчеты с выхода которого поступают на микропроцессор, выполняющей вычисление токов и напряжений, учет электроэнергии, гармонический анализ, контроль дискретных входов и управление дискретными выводами. После гармонического анализа микропроцессор производит сравнение значений гармоник с заранее заданным порогом и сохраняет только значения, превышающие заданный порог.
Недостатками системы измерений являются:
- фиксированные значения порогов, при которых производится уменьшение объема данных за счет обнуления значений параметров;
- централизованное построение в виде единого измерительного блока, что повышает риск выхода из строя сразу всей системы на энергообъекте при неисправности хотя бы одной цепи напряжения или хотя бы одной цепи питания.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ и устройство для одновременной записи осциллограмм с разной частотой дискретизации для анализа качества электроэнергии (Патент США №US8121801). Способ записи осциллограмм с различными частотами дискретизации заключается в том, что в аналого-цифровом преобразователе производят преобразование входных трехфазных сигналов тока и напряжения в цифровой код, далее с помощью цифровой обработки сигналов определяют нарушения режима электрической сети по среднеквадратическим значениям напряжения (переходные процессы, провалы, перенапряжения) и формируют осциллограммы с двумя различными частотами дискретизации в зависимости от определенного нарушения режима электрической сети.
Отличительной особенностью способа является возможность обнаружения нарушений режима электрической сети на основе данных, полученных с низкой частотой дискретизации, формирования событий различных типов и одновременного сохранения осциллограмм с различной частотой дискретизации для различных типов событий при эффективном использовании памяти и отсутствии дополнительных аппаратных или вычислительных затрат.
Устройство, реализующее способ, состоит из блока входных датчиков, соединенных с аналого-цифровым преобразователем, выход которого через блок программируемой логики подключен к процессору обработки сигналов с двумя каналами обработки (первый для целей учета электроэнергии, второй для целей анализа качества электроэнергии), данные с процессора обработки сигналов поступают через двухпортовую память к центральному процессору, сохраняющий результаты обработки в блоке хранения (долговременной памяти), а также передающий данные через интерфейсы связи на верхний уровень управления и панель индикатора.
Недостатком способа и устройства является отсутствие возможности гибко регулировать степень детализации данных в зависимости от режима электрической сети и сравнительно большой объем данных, содержащихся в осциллограммах, недопустимый при использовании каналов связи с ограниченной полосой пропускания.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель изобретения - повышение степени наблюдаемости параметров электрической сети и энергообъекта, адаптивное изменение степени детализации данных о состоянии энергообъекта с одновременным снижением объема данных за счет мониторинга и оценки режима работы электрической сети и состояния энергообъектов и адаптивного изменения параметров измерения и формирования событий, включая осциллографирование, в зависимости от режимов электрической сети.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе дополнительно анализируют измеренные на интервале в ½ периода частоты сети среднеквадратические значения входных токов и напряжений, на основе анализа определяют типовой для энергосистемы режим электрической сети, в соответствии с определенным типовым режимом изменяют параметры адаптивных фильтров-вычислителей параметров сети (например, изменяют время усреднения среднеквадратических значений активной мощности), изменяют параметры адаптивных формирователей событий (например, для периодических событий изменяют время, через которое формируются соседние события со значениями измерений, для событий по отклонениям изменяют максимально допустимую разницу значений между соседними событиями со значениями измерений). Тем самым, обеспечивают зависимость количества событий со значениями измеряемого параметра в единицу времени (степень детализации данных) от текущего типового режима работы электрической сети и энергообъекта, что, в свою очередь, позволяет без ухудшения наблюдаемости уменьшить объем данных, передаваемых с энергообъекта по каналу связи на верхний уровень управления диспетчерскому персоналу для анализа режима электрической сети и состояния энергообъекта.
Реализация способа возможна с помощью устройства, в которое дополнительно вводятся многопороговые компараторы, определяющие зону нахождения измеряемого параметра на основании измеренных на интервале в ½ периода частоты сети среднеквадратических значений токов и напряжений, выходы компараторов подключены к решающей схеме, определяющей на основе комбинации выходов компараторов режим работы электрической сети и энергообъекта, решение поступает на адаптивные фильтры-вычислители, адаптивные формирователи событий и адаптивный блок записи осциллограмм, которые меняют параметры своей работы на основе решения о режиме сети, далее события, сформированные адаптивными формирователями событий и осциллограммы, сформированные адаптивным блоком записи осциллограмм поступают, соответственно, в блок хранения событий и блок хранения осциллограмм для дальнейшей передачи через интерфейсы связи с энергообъекта по каналу связи на верхний уровень управления диспетчерскому персоналу для анализа режима электрической сети и состояния энергообъекта.
Существенными отличиями изобретения являются:
- наличие анализа измеренных на интервале в ½ периода частоты сети среднеквадратических значений входных токов и напряжений и определение типового для энергосистемы режима электрической сети и энергообъекта на основе данных анализа;
- наличие изменения параметров адаптивных фильтров-вычислителей в зависимости от режима работы электрической сети и энергообъекта;
- наличие изменения параметров адаптивных формирователей событий в зависимости от режима работы электрической сети и энергообъекта;
- наличие зависимости степени детализации данных о состоянии электрической сети и энергообъекта, количества событий со значениями измеряемого параметра в единицу времени от текущего режима работы электрической сети и энергообъекта;
- наличие в устройстве многопороговых компараторов, определяющих зону нахождения среднеквадратического значения каждого измеряемого параметра электрической сети;
- наличие в устройстве решающей схемы, определяющей на основе комбинации выходов многопороговых компараторов режим работы электрической сети и энергообъекта;
- наличие в устройстве адаптивного блока записи осциллограмм, изменяющего свои параметры в зависимости от режима работы электрической сети и энергообъекта.
Техническим результатом является адаптивное изменение степени детализации данных измерений о состоянии энергообъекта с одновременным снижением объема данных измерений, передаваемых с энергообъекта, при сохранении достаточной для текущего режима сети степени наблюдаемости. Результат достигается за счет мониторинга и оценки режимов работы электрической сети и состояния энергообъектов и адаптивного изменения параметров измерения и формирования событий, включая осциллографирование, в зависимости от режимов электрической сети.
На фиг.1 поясняются временные диаграммы работы при реализации предлагаемого способа.
На фиг.2 поясняется схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
На фиг.1а показана возможная реализация входного сигнала по одному из входных каналов.
На фиг.1б показано среднеквадратическое значение входного сигнала, соответствующее приведенной на фиг.1а реализации входного сигнала (сплошная линия), значения входного сигнала (точки), передаваемые на верхний уровень управления при непрерывной периодической передаче значений соответствующего параметра электрической сети с заданным периодом обновления D и возможный график измеряемого параметра, построенный по полученным точкам (пунктирная линия).
При показанном на фиг.1б значении периода D на участке стационарного режима (до момента времени Т2) формируется избыточное количество данных, не несущих полезной информации о состоянии электрической сети (значение параметра практически не меняется). На участке аварийного режима (момент времени Т2 и позднее) формируется недостаточное количество данных, не позволяющих провести полноценный анализ развития аварийного режима (значения параметров чрезмерно сглажены). При больших значениях периода D, выбранных исходя из имеющихся низкоскоростных каналов связи энергообъекта с верхним уровнем управления, и превышающих длительность аварийного процесса, аварийный процесс может быть вообще не зафиксирован.
На фиг.1в показано среднеквадратическое значение входного сигнала, соответствующее приведенной на фиг.1а реализации входного сигнала (сплошная линия), значения входного сигнала (точки), передаваемые на верхний уровень управления при формировании событий, возможный график измеряемого параметра, построенный по полученным точкам (пунктирная линия).
Фиг.1в поясняет изменение различных параметров формирования событий для различных зон нахождения значений измеряемого параметра. Вводится несколько пороговых значений (П1, П2) для измеряемого параметра. Для каждой зоны нахождения измеряемого параметра (ниже порога П1, между порогами П1 и П2, выше порога П2) определяются параметры формирования событий: период обновления значений (D0, D1, D2), относительное отклонение (А0, A1, А2), частота дискретизации и длительность записи при записи осциллограмм (на фигурах условно не показана), тип записи осциллограмм (запись формы сигнала или запись среднеквадратических значений за заданный период, на фигурах условно не показаны). Для определенных зон нахождения измеряемого параметра некоторые виды формирования событий могут быть отключены (например, в зоне ниже порога П1 на фиг.1в события по относительному отклонению не формируются, параметр А0 не используется).
Устройство, реализующее способ, состоит из блока входных датчиков тока и напряжения 1, аналого-цифрового преобразователя 2, процессора обработки сигналов 3, блока хранения событий 14, блока хранения осциллограмм 15 и интерфейсов связи 16. Процессор обработки сигналов 3 включает в себя вычислитель среднеквадратических значений фазных токов и напряжений за ½ периода частоты сети 4, многопороговые компараторы 5 и 6 (число которых соответствует числу входных каналов тока и напряжения), решающую схему 7, адаптивные фильтры-вычислители 8 и 9 (число которых соответствует числу вычисляемых параметров сети), адаптивный формирователь периодических событий 10, адаптивный формирователь событий по порогам 11, адаптивный формирователь событий по отклонениям 12 и адаптивный блок записи осциллограмм 13.
Блок входных цепей тока и напряжения выполняет предварительную фильтрацию входных сигналов с каналов тока и каналов напряжения (всего не менее 3 каналов фазных токов и 3 каналов фазных напряжений), далее в аналого-цифровом преобразователе 2 производится преобразование сигналов в цифровой код, поступающий в процессор обработки сигналов 3. В процессоре обработки сигналов 3 цифровой код, соответствующий входным сигналам, поступает в вычислитель среднеквадратических значений фазных токов и напряжений за ½ периода частоты сети 4, адаптивные фильтры-вычислители 8, 9 и в адаптивный блок записи осциллограмм 13. В вычислителе среднеквадратических значений фазных токов и напряжений за ½ периода частоты сети 4 на основе цифрового кода, соответствующего входным сигналам, производится вычисление среднеквадратических значений за ½. периода частоты сети. Вычисленные значения поступают на входы многопороговых компараторов 5 и 6. Выходы многопороговых компараторов 5 и 6 подключены к решающей схеме 7, которая определяет типовой текущий режим работы электрической сети в точке измерения (например, стационарный режим, режим пуска асинхронного двигателя, провал напряжения и т.п.). На основе выходных данных решающей схемы 7 производится выбор параметров работы адаптивных фильтров-вычислителей 8, 9. Фильтры-вычислители 8, 9 на основе цифрового кода, соответствующего входным сигналам, и выбранных параметров работы производят вычисление параметров сети (например, активная мощность на основе тока и напряжения, усредненная за 1 секунду, напряжение нулевой последовательности на основе фазных напряжений, усредненное за 1 период частоты сети и т.п.). Вычисленные фильтрами-вычислителями 8, 9 значения параметров сети поступают на адаптивные формирователи событий 10-12, причем на каждый формирователь событий поступают как все вычисленные значения параметров сети, так и выходные данные о режиме сети от решающей схемы 7. Адаптивный формирователь периодических событий 10 формирует события со значениями вычисленных параметров с заданной периодичностью, например, формирует события со значениями фазных токов каждые 5 минут и со значениями активных мощностей каждые 10 минут. Адаптивный формирователь периодических событий 10 в зависимости от выходных данных о режиме сети от решающей схемы 7 независимо для каждого измеряемого параметра разрешает или запрещает сохранение событий в блок хранения событий 14 и изменяет значения периодов формирования событий. Адаптивный формирователь событий по порогам 11 формирует события со значениями вычисленных параметров при обнаружении пересечения измеряемыми параметрами одного или нескольких заданных порогов, например, формирует события при превышении тока нулевой последовательности первого порога со значением, соответствующим 10% от номинального фазного тока. Адаптивный формирователь событий по порогам 11 в зависимости от выходных данных о режиме сети от решающей схемы 7 независимо для каждого измеряемого параметра разрешает или запрещает сохранение событий в блок хранения событий 14 и изменяет значения порогов для формирования событий. Адаптивный формирователь событий по отклонениям 12 формирует события со значениями вычисленных параметров при обнаружении изменения измеряемого параметра более, чем на заданное значение отклонения, например, формирует события при изменении фазных токов на 5% и при изменении частоты сети на 0.5%. Адаптивный формирователь событий по отклонениям 12 в зависимости от выходных данных о режиме сети от решающей схемы 7 независимо для каждого измеряемого параметра разрешает или запрещает сохранение событий в блок хранения событий 14 и изменяет значения отклонений для формирования событий. Адаптивный блок записи осциллограмм 13 на основе цифрового кода, соответствующего входным сигналам, производит непрерывную запись осциллограмм в кратковременную память с параметрами работы, выбранными решающей схемой 7 для текущего режима электрической сети, например, отсутствие записи в стационарном режиме, запись среднеквадратических значений фазных токов и напряжений с частотой дискретизации 50 Гц в режиме пуска двигателя и запись мгновенных значений фазных токов и напряжений с частотой дискретизации 8000 Гц в аварийном режиме. При формировании нового события на выходах адаптивных формирователей событий 10-12 адаптивный блок записи осциллограмм производит запись осциллограммы в блок хранения осциллограмм 15. Вычисленные фильтрами-вычислителями 8, 9 значения параметров сети, события, сохраненные в блоке хранения событий 14, осциллограммы, сохраненные в блоке хранения осциллограмм 15 передаются через интерфейсы связи 16 на верхний уровень управления.
Путем комбинирования параметров многопороговых компараторов 5, 6 и решающей схемы 7 возможна настройка определения различных режимов электрической сети. Путем комбинирования параметров адаптивных формирователей событий 10-12 возможна настройка степени детализации значений измеряемых параметров в различных режимах электрической сети и, таким образом, оптимизация объема данных, передаваемых от энергообъекта на верхний уровень управления, по критериям объем данных - наблюдаемость. Блоки хранения событий 14 и осциллограмм 15 имеют возможность настройки приоритетов (очередности) передачи данных событий и осциллограмм различных типов по интерфейсам связи 16 на верхний уровень управления. Таким образом, при аварийной ситуации наиболее важные данные, необходимые для ликвидации последствий аварии, могут быть получены максимально быстро, а сохраненные при аварии осциллограммы, необходимые для детального анализа развития аварийной ситуации и ее причин, могут быть получены позднее. Общий объем данных для передачи от энергообъекта на верхний уровень управления в стационарном режиме может быть резко уменьшен по сравнению с применением традиционных способов и устройств, тем самым резко снижая требования к каналам передачи данных.
Источники информации
1. ГОСТ Р МЭК 60870-5-1-95 Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 1. Форматы передаваемых кадров.
2. ГОСТ Р МЭК 60870-5-104-2004 Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 104. Доступ к сети для ГОСТ Р МЭК 870-5-101 с использованием стандартных транспортных профилей.
3. IEC 61850-5 Communication networks and systems in substations - Part 5: Communication requirements for functions and device models.
4. IEC 61850-7-2 Communication networks and systems in substations - Part 7-2: Basic communication structure for substation and feeder equipment - Abstract communication service interface (ACSI).
5. Pat. US8121801 (B2) USA, Int. CI. G01R 13/00, G01R 13/02, G06F 19/00, G06F 17/40. System and method for multi-rate concurrent waveform capture and storage for power quality metering / Joseph Spanier, Hai Zhu, Frederick В Slota. - 21.02.2012.
6. Pat. US7860672 (B2) USA, Int. CI. G06F 19/00. Method and apparatus for monitoring voltage in a meter network / Keith Richeson, Charlie E. Minton, III, Rodney C. Hemminger, Robert T. Mason, Jr. - 28.10.2010.
7. Pat. US7006934 (B2) USA, Int. CI. G01R 19/25. Revenue meter with power quality features / Rene T Jonker, Piotr В Przydatek, Colin N Gunn, Michael E Teachman, Constantine A Antoniou. - 28.02.2006.
8. Pat. US7865320 (B2) USA, Int. CI. G01R 19/00. High density metering system / Avery Long, Ronald W Carter. - 04.01.2011.