УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТЬЮ МЕСТНОЙ ЭЛЕКТРОСЕТИ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ТРАНСФОРМАТОРОМ МЕСТНОЙ ЭЛЕКТРОСЕТИ
DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING THE STABILITY OF A LOCAL NETWORK USING AN ADJUSTABLE LOCAL NETWORK TRANSFORMER

Настоящее изобретение касается устройства для управления устойчивостью местной электросети с регулируемым трансформатором местной электросети. В особенности, местная электросеть имеет множество ответвлений, причем каждое ответвление включает в себя, по меньшей мере, одного потребителя и/или, по меньшей мере, одну децентрализованную систему энергоснабжения. Магистральная шина, которая соединяет друг с другом множество ответвлений местной электросети, соединена с регулируемым трансформатором местной электросети, который также соединен с магистральной шиной через электрическую линию. Посредством магистральной шины предусмотрено измерение напряжения для местной электросети. С помощью переключателя ступеней под нагрузкой может осуществляться регулировка (настройка) выходного напряжения трансформатора местной электросети.
Кроме того, изобретение относится к способу управления устойчивостью местной электросети с регулируемым трансформатором местной электросети.
Направление потока энергии с некоторых пор находится в поле зрение имеющихся участников, так как поток энергии может поворачиваться в зависимости от текущей ситуации в сети, метеорологических условий, моментального потребления, а также параметров питателей. Это неизбежно ведет к проблемам при стабилизации напряжения, соответственно, к нарушениям диапазонов напряжения, которые согласно стандарту EN 50160 должны соблюдаться. Это новое развитие должно приниматься во внимание будущими энергетическими структурами и при необходимости компенсироваться. Однако, рассчитанные в прошлом сети не разрабатывались для двунаправленного потока энергии.
Согласно новой, вступившей в силу в 2012 году инструкции (VDE-AR-N 4105) реактивная мощность PV-преобразователя переменного тока должна предоставляться в зависимости от ситуации (потребляемая эффективная мощность). Следовательно, всегда наиболее важную роль в энергосети при стабилизации напряжения играет как емкостная, так и индуктивная реактивная мощность. До сих пор этот момент никак не учитывался в алгоритме регулирования.
Современные электросети по своему принципу действия рассчитаны на распределение потоков нагрузки от электростанции до потребителя. Управление качеством у сетевого оператора, как правило, гарантирует, что критерии качества для качества напряжения соответственно DIN EN 50160 соблюдаются на всех подключениях потребителей соответствующей сети.
Немецкая патентная заявка DE 10 2010 018 996 А1 раскрывает устройство и способ для измерения полного электрического сопротивления сети электроснабжения. В частности, в случае сети электроснабжения, у которой не имеется в распоряжении или в наличии никакой эталонной линии. Посредством предоставления сигнала возбуждения на разные сопряженные фазы может измеряться соответствующий ответный сигнал. Полное электрическое сопротивление электросети рассчитывается из различных сигналов возбуждения и различных ответных сигналов разных сопряженных фаз.
Способ адаптивного регулирования питающего напряжения в местных электросетях, в которые электрическая энергия, в частности в форме солнечной и/или фотоэлектрической энергии, может подаваться и отбираться потребителями, может быть позаимствован из немецкой патентной заявки DE 10 2011 108 255 А1. Для регулирования используется, по меньшей мере, один трансформатор, который предусмотрен между электросетью среднего напряжения и электросетью низкого напряжения. Для осуществления регулирования внутри соответствующей местной электросети определяют различные параметры состояния, по меньшей мере, одного из источника питания/потребителя, например, ток, напряжение, потребление, подачу энергии, потерю энергии или тому подобное. Эти параметры состояния в зависимости от фазы подаются регулятору, в частности, мультивариантному регулятору. Соответствующий регулятор эти параметры состояния в качестве исходных значений сравнивает с номинальными/контрольными величинами и генерирует, по меньшей мере, один регулирующий параметр, который предоставляется в электронно-регулируемый трансформатор. Посредством электронно-регулируемого трансформатора соответствующей местной электросети в пределах предварительно заданных ступеней настраивается отличающееся от определенного ранее параметра состояния отрегулированное напряжение сети, которое может измеряться в предопределенном месте местной электросети.
Европейская патентная заявка ЕР 2 592 709 А1 раскрывает способ управления устойчивостью электросети низкого напряжения, причем электросеть низкого напряжения питается электрическим током от трансформатора местной электросети. В трансформаторе местной электросети среднее напряжение преобразовывается в низкое напряжение. Электросеть низкого напряжения имеет основную токовую линию, причем электрический ток направляется от основной токовой линии через сетевую точку разветвления в, по меньшей мере, одну ответвленную токовую линию, к которой подключены/подключен, по меньшей мере, один потребитель тока (потребитель) и/или один электрогенератор (питатель). Ответвленная токовая линия с подключенным к ней потребителем и/или питателем образует автономную локальную сеть. На сетевой точке разветвления расположен, по меньшей мере, один датчик, где ответвляющая токовая линия ответвляется от основной токовой линии. С помощью датчика измеряются электрический ток в ответвленной токовой линии и/или напряжение в ответвленной токовой линии. Отбор тока потребителем из ответвленной токовой линии и/или подача энергии питателем в ответвленную токовую линию и/или ввод тока из основной токовой линии в ответвленную токовую линию и/или подача электрического тока из трансформатора местной электросети в электросеть низкого напряжения регулируется на основе зафиксированного датчиком электрического тока и/или на основе зафиксированного датчиком напряжения при условии, что предотвращается перегрузка ответвленной токовой линии в локальной сети и/или что соблюдается диапазон напряжения в локальной сети.
Международная заявка WO 2011/076887 раскрывает способ для регулирования мощности внутри имеющего, по меньшей мере, временно, по меньшей мере, один электрический накопитель сегмента сетевого контура переменного напряжения. Сегмент сетевого контура через трансформатор соединен с вышестоящим уровнем сетевого контура переменного напряжения, который эксплуатируется с более высоким напряжением, чем указанный сегмент сетевого контура. Электропитание электрического накопителя в сегменте сетевого контура и/или отбор мощности электрического накопителя из сегмента сетевого контура осуществляется в зависимости от эксплуатационного параметра указанного сегмента сетевого контура. Предусмотрено, что электропитание также осуществляется в зависимости от разности напряжений между питающим напряжением в точке запитывания электрического накопителя и выходным напряжением трансформатора в соединенном с расположенным со стороны сегмента выходом трансформатора контакте.
С помощью полученных результатов из моделирований создается необходимая для количественной оценки информация, такая как колебания напряжения, токи и потери в линиях, а также потребность регулирования (интенсивность переключений и число переключений) ступенчатого переключателя (переключатель ответвлений под нагрузкой) в год. Эта информация является причиной однозначной прибавочной величины для будущих стратегий регулирований, таким образом может значительно более эффективно соблюдаться, например, предварительно заданные энергоснабжающей организацией предельные значения.
Поэтому, задачей изобретения является создание устройства, с помощью которого общая устойчивость системы местной электросети может выдерживаться внутри заданных предельных значений значительно более эффективно, более надежно и более экономично.
Эта задача решается посредством устройства для управления устойчивостью местной электросети, которое включает в себя признаки пункта 1 формулы изобретения.
Кроме того, задачей изобретения является создание способа, с помощью которого общая устойчивость системы местной электросети будет удерживаться внутри предварительно заданных предельных значений значительно более эффективно, более надежно и более экономично.
Эта задача решается посредством способа управления устойчивостью местной электросети, который включает в себя признаки пункта 5 формулы изобретения.
Преимуществом соответствующего изобретению устройства является то, что устройство для измерения тока, которое соединено с, по меньшей мере, одним из множества ответвлений и устройство для измерения напряжения, которое соединено с магистральной шиной, смонтированы с корпусом трансформатора местной электросети. Устройство для измерения тока и устройство для измерения напряжения предпочтительно образуют один конструктивный узел.
Из множества ответвлений только критические ответвления соединены с устройством для измерения тока. Для случая, что количество критических ответвлений с течением времени изменяется, устройство для измерения тока должно конфигурироваться заново. Это может осуществляться на месте, а именно в корпусе трансформатора, соответственно, на станции местной электросети. Кроме того, также проверочное устройство смонтировано с устройством для измерения тока и устройством для измерения напряжения в корпусе трансформатора. С помощью проверочного устройства может перепроверяться, соответственно, настраиваться соблюдение верхней границы диапазона и нижней границы диапазона напряжения в местной электросети. Устройство для измерения тока, устройство для измерения напряжения и проверочное устройство образуют регулятор напряжения, который для настройки ступеней трансформатора местной электросети соединен с переключателем ступеней под нагрузкой трансформатора местной электросети.
Соответствующий изобретению способ для управления устойчивостью местной электросети характеризуется следующими этапами:
- определение критических ответвлений местной электросети;
- вычисление эквивалентного полного электрического сопротивления для каждого критического ответвления при минимальном узловом напряжении в возникающем варианте развития событий;
- вычисление эквивалентного полного электрического сопротивления для каждого критического ответвления при максимальном узловом напряжении в возникающем варианте развития событий;
- расчет актуального комплексного тока, причем расчет производится для каждого из критических ответвлений местной электросети;
- расчет испытательного напряжения;
- проверка верхней границы диапазона и нижней границы диапазона в зависимости от направления кажущейся (полной) мощности в счетной указывающей системе потребителя; и
- изменение напряжения в местной электросети за счет того, что переключатель ступеней под нагрузкой приспосабливает положение ступени к трансформатору местной электросети с тем, чтобы напряжение в местной электросети оставалось в пределах верхней границы диапазона и нижней границы диапазона.
Величина напряжения в критическом узле критических ответвлений определяется из напряжения в магистральной шине и повышения напряжения или понижения напряжения. Измерения напряжения в магистральной шине, а также измерения тока в каждом критическом ответвлении производятся в устройстве для измерения тока и в устройстве для измерения напряжения в корпусе трансформатора.
Из измеренных данных рассчитывается полная мощность соответствующего критического ответвления. Измеренные данные передаются на проверочное устройство, с помощью которого проверяется соблюдение верхней границы диапазона и нижней границы диапазона напряжения. При превышении верхней границы диапазона или при принижении нижней границы диапазона проверочное устройство предпринимает настройку ступени трансформатора местной электросети.
Классификация ответвлений в качестве критических ответвлений местной электросети может представляться тогда, когда высокая подача мощности, соответственно, отбор мощности, длина линии или кабеля соответствующего ответвления или большое полное электрическое сопротивление линии или кабеля в соответствующем ответвлении превышает предварительно заданный предел.
Далее, изобретение и его преимущества будет более подробно описываться со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1А – схематичное представление для анализа падения напряжения;
Фиг.1В – схематичное представление для анализа повышения напряжения;
Фиг.2 – графическое представление соотношения между полным электрическим сопротивлением и напряжением у верхней границы диапазона и нижней границы диапазона;
Фиг.3 – схематичное представление устройства для управления устойчивостью местной электросети;
Фиг.4 – блок-схема способа управления устойчивостью местной электросети; и
О
U
Фиг.5 – проверка у B и В согласно актуальной полной мощности (счетная указывающая система потребителя).
Для одинаковых или одинаково действующих элементов изобретения используются идентичные ссылочные позиции. Кроме того, из соображений наглядности на отдельных фигурах представляются только ссылочные позиции, которые необходимы для описания соответствующей фигуры. Изображенные варианты осуществления изобретения представляют собой всего лишь примеры, как соответствующее изобретению устройство и соответствующий изобретению способ могут быть выполнены.
Фиг.1А показывает схематичное представление для анализа падения напряжения, а фиг.1В показывает схематичное представление для анализа повышения напряжения. В случае предложенного алгоритма регулирования речь идет о способе, который учитывает как реактивную, так и эффективную мощность. При этом, эквивалентное полное электрическое сопротивление электросети для повышения напряжения и падения напряжения дифференцируется и вычисляется отдельно для обоих теоретически возможных случаев (см. фиг.1А или соответственно 1В).
1
2
В показанном на фиг.1А и 1В примере потребитель 5 подключен к магистральной шине 8 в первом узле 22. Также потребитель 5 и децентрализованная система 6 энергоснабжения подключены ко второму узлу 22. Магистральная шина 8 соединена с регулируемым трансформатором 10 местной электросети.
1
2
2
u
u
Этот процесс может более точно поясняться на основании случая падения напряжения (фиг.1А) и случая повышения напряжения (фиг.1В). С помощью закона Кирхгофа и дополнительной информации из соответствующих узлов 22 и 22 может рассчитываться эквивалентное полное электрическое сопротивление в случае минимального падения напряжения и эквивалентное полное электрическое сопротивление в случае максимального повышения напряжения. На основании вычисленного полного электрического сопротивления или электрической сети и рассчитанного полного тока в ответвлении 4 определяется падение Δ напряжения, соответственно, повышение Δ напряжения между магистральной шиной 8 и вторым критическим узлом 22. Ответвление 4 обозначается как критическое, если имеется высокое электропитание, соответственно, электропотребление, длинный провод или кабель формируют ответвление 4 или имеется высокое полное электрическое сопротивление провода или кабеля в соответствующем ответвлении 4.
u
u
Падение Δ напряжения, соответственно, повышение Δ напряжения рассчитывается из уравнения (1):
(1),
причем:  показывает измеренное значение в трансформаторном узле.
Для падения напряжения используются уравнения (2) и (3):
(2)
и
(3)
Для повышения напряжения используются уравнения (4) и (5):
(4)
и
(5)
I
+
I
1
2
2
Для понижения напряжения ток  в ответвлении 4 рассчитывается из Р и Q и таким же образом измеряется  в трансформаторном узле. Для нормального напряжения  во втором узле 22используется уравнение (6).
(6)
причем имеет место:
.
Для минимального напряжения  используется уравнение (7):
(7)
причем имеет место:
.
Таким образом, для большинства ситуаций оказывается
I
-
I
2
1
2
Для повышения напряжения ток в ответвлении 4 рассчитывается из Р и Q и таким же образом измеряется  в трансформаторном узле. Для нормального напряжения  во втором узле 22(фиг.1В) используется уравнение (8):
(8)
причем имеет место:
.
2
Для максимального напряжения  во втором узле 22(фиг.1В) используется уравнение (9):
(9)
причем имеет место:
.
Таким образом, для большинства ситуаций оказывается
Z
U
U
U
U
о
u
о
u
soll
soll
о
soll
u
о
u
о
u
Фиг.2 показывает графическое представление соотношения между полным электрическим сопротивлением  и напряжением  верхней границы В диапазона и нижней границы B диапазона. Верхняя граница В диапазона и нижняя граница B диапазона являются зависимыми от номинального напряжения . Если, например, номинальное напряжение  составляет 400V, то, например, верхняя граница В диапазона отклоняется на +2% от номинального напряжения , а нижняя граница B диапазона отклоняется на -2%. Если верхняя граница В диапазона и нижняя граница B диапазона превышается, соответственно, принижается, то положение ступеней трансформатора 10 местной электросети устанавливается соответственно переключателем 14 ступеней под нагрузкой так, что предотвращается превышение или принижение верхней границы В диапазона или соответственно нижней границы B диапазона.
1
2
м
1
2
м
1
м
1
2
м
1
2
м
Фиг.3 показывает схематичное представление устройства 1 для управления устойчивостью местной электросети 3. Местная электросеть 3 имеет множество ответвлений 4,4,…,4, причем каждое ответвление 4,4,…,4 включает в себя, по меньшей мере, одного потребителя 5 и/или, по меньшей мере, одну децентрализованную систему 6 энергоснабжения. Под децентрализованной системой 6 энергоснабжения может пониматься фотоэлектрическая энергетическая установка, биогазовая установка и т.д. У показанного на фиг.3 представления, в первом ответвлении 4- три потребителя 5, из которых потребитель 5 в качестве децентрализованной системы 6 энергоснабжения имеет фотоэлектрическую энергетическую установку на крыше дома. М-ое ответвление 4 имеет два потребителя 5 и независимую от потребителей 5 децентрализованную систему 6 энергоснабжения, которая также является фотоэлектрической энергетической установкой. С помощью магистральной шины 8 множество ответвлений 4,4,…,4 соединено или соответственно связано друг с другом и подключены к регулируемому трансформатору 10 местной электросети. Трансформатор 10 местной электросети соединен с магистральной шиной 8 посредством кабеля 11. Измерение напряжения для местной электросети 3 предусмотрено и связано с переключателем 14 ступеней под нагрузкой для регулирования выходного напряжения трансформатора 10 местной электросети. Трансформатор 10 местной электросети размещен в корпусе 20 трансформатора. Таким же образом устройство 16 для измерения тока, которое соединено с, по меньшей мере, одним из множества ответвлений 4,4,…,4, и устройство 18 для измерения напряжения, которое соединено с магистральной шиной 8, вмонтированы в корпус трансформатора.
1
2
3
м
2
3
1
М
2
2
3
3
2
3
2
3
о
u
I
I
В показанном на фиг.3 представлении изображены четыре ответвления 4,4, 4 и 4. Здесь второе ответвление 4 и третье ответвление 4, которые отходят от узла 22, названы как критические ответвления. Первое ответвление 4 и четвертое ответвление 4, которые отходят от узла 23, оценены как не критические ответвления и следовательно не учитываются при управлении устойчивостью местной электросети 3. Таким образом, с помощью устройства 16 для измерения тока в корпусе 20 трансформатора измеряются только ток  второго ответвления 4 и ток  третьего ответвления 4. Параллельно этому устройством 18 измеряется прикладываемое к магистральной шине 8 напряжение. Из измеренных данных рассчитываются полные мощности S и S ответвлений 4 и 4, затем передаются на проверочное устройство 24, которым проверяется соблюдение верхней границы В диапазона и нижней границы диапазона В. Устройство 16 для измерения тока, устройство 18 для измерения напряжения и проверочное устройство 24 формируют регулятор 26 напряжения для регулировки ступеней трансформатора 10 местной электросети.
Фиг.4 показывает блок-схему соответствующего изобретению способа управления устойчивостью местной электросети 3. Сначала осуществляют определение 32 критических ответвлений местной электросети 3. Затем следует вычисление 30 эквивалентного полного электрического сопротивления  для каждого критического ответвления при минимальном узловом напряжении и вычисление 31 эквивалентного полного электрического сопротивления  для каждого критического ответвления при максимальном узловом напряжении. Вычисление 30, 31 может осуществляться посредством симуляции или измерения на подлежащей управлению реальной местной сети 3. Расчет 33 в p.u. (см. уравнение 10) из P и Q осуществляется для каждого из критических ответвлений местной электросети 3 (счетная указывающая система потребителя).
(10)
о
u
о
u
о
u
Непосредственно после этого происходит расчет 34 для , причем для понижения напряжения используется , а для повышения напряжения используется . В зависимости от направления полной мощности осуществляется проверка 35 верхней границы В диапазона и нижней границы диапазона В. Если верхняя граница В диапазона и нижняя граница диапазона В превышается, соответственно, принижается, то осуществляется изменение 36 напряжения в местной электросети 3. Для этого положение ступеней трансформатора 10 местной электросети соответственно настраивается так, что предотвращается превышение или принижение верхней границы В диапазона, соответственно, нижней границы диапазона В. Вычисление параметров выполняется постоянно, чтобы достичь оперативного (в реальном времени) согласования напряжения, соответственно, управления устойчивостью местной электросети 3.
В случае, если число критических ответвлений в существующей местной сети меняется, то этапы 30-31 следует проводить заново. Таким же образом необходимо заново конфигурировать устройство 1 из фиг.3. Это значит, что должна создаваться возможность контролировать и измерять классифицированные ранее как не критические ответвления. В случае этих способов у всех предварительно рассчитанных или смоделированных критических ответвлений измеряются токи в корпусе 20 трансформатора, соответственно, на станции местной электросети. Здесь, однако, не используются никакие дорогие и не стабильные, отключаемые датчики.
о
u
Фиг.5 показывает проверку (счетная указывающая система 40 потребителя) В и В в четырех квадрантах, которая используется для зависимого от полной мощности регулирования мощности.
Список ссылочных позиций
1 Устройство
3 Местная электросеть
1
2
м
4, 4, 4, 4 Ответвления
5 Потребитель
6 Децентрализованная система энергоснабжения
8 Магистральная шина
10 Трансформатор местной электросети
11 Кабель
12 Измерение напряжения
14 Переключатель ступеней под нагрузкой
16 Устройство для измерения тока
18 Устройство для измерения напряжения
20 Корпус трансформатора
1
2
22, 22, 22Критический узел
23 Некритический узел
24 Проверочное устройство
26 Регулятор напряжения
30 Вычисление
31 Вычисление
32 Определение
33 Расчет
34 Расчет
35 Проверка
36 Изменение
40 Счетная указывающая система потребителя
о
В Верхняя граница диапазона
u
В Нижняя граница диапазона
I Ток
P Индуктивная мощность
Q Емкостная мощность.