УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПАСА СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ УЗЛА НАГРУЗКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

Полезная модель относится к области аналоговой вычислительной техники и может быть использована для целей управления и расчета режима электрических сетей.
Известно устройство для определения коэффициента крутизны характеристик нагрузки по напряжению (А.С. №920776, БИ №14, 1982 г.), содержащее делитель напряжения, два центрирующих фильтра, два выпрямителя, два аналого-цифровых преобразователя, два логических элемента «И», генератор тактовых импульсов, триггер, делитель частоты, генератор импульсов опроса, счетчик импульсов, блок индикации, преобразователь реактивной мощности в напряжение. Однако, данное устройство не решает прямой задачи определения условий сохранения статической устойчивости узла нагрузки электрической сети по коэффициенту запаса и критическому напряжению узла сети, а только позволяет производить косвенную оценку режима узла сети по коэффициенту крутизны характеристики нагрузки по напряжению. Кроме этого, при данных измерениях возникает погрешность из-за неучета физической сущности регулирующего эффекта нагрузки по напряжению, заключающейся в том, что в окрестности напряжения рабочего режима, приращению напряжения соответствует приращение мощности того же знака.
Известно устройство для вычисления коэффициента запаса статической устойчивости узла нагрузки электрической сети (А.С. №1196910, БИ №45, 1985 г.), содержащее преобразователь реактивной мощности в напряжение, два центрирующих фильтра, два выпрямителя, блок деления, два ключа, два вычитателя, два блока дифференцирования, два компаратора, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ,
масштабный усилитель, вход которого является информационным входом устройства и соединен со входом преобразователя реактивной мощности в напряжение. Выход масштабного усилителя соединен с первым входом первого центрирующего фильтра, а второй вход соединен с входом задания условного математического ожидания реактивной мощности. Выход первого центрирующего фильтра подключен ко входу первого выпрямителя. Выход масштабного усилителя соединен с первым входом второго центрирующего фильтра, а его второй вход соединен с входом задания математического ожидания напряжения. Выход второго центрирующего фильтра подключен ко входу второго выпрямителя, выход которого соединен со вторыми входами первого и второго вычитателей. Первый вход первого вычитателя подключен к выходу первого выпрямителя, а первый вход второго вычитателя соединен с выходом первого выпрямителя. Выход преобразователя реактивной мощности в напряжение соединен со входом первого блока дифференцирования, выход которого подключен ко входу первого компаратора. Выход первого компаратора соединен с первым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Вход второго блока дифференцирования подключен к выходу масштабного усилителя, а его выход соединен со входом второго компаратора. Выход второго компаратора соединен со вторым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Данное устройство, будучи наиболее близким с заявляемым объектом, позволяет определять только коэффициент запаса статической устойчивости, и не позволяет определять критическое напряжение для узла нагрузки электрической сети при котором происходит нарушение статической устойчивости.
Задача полезной модели - расширение функциональных возможностей устройства.
Решение задачи достигается тем, что в устройство, содержащее преобразователь реактивной мощности в напряжение, два центрирующих
фильтра, два выпрямителя, блок деления, масштабный усилитель, вход которого является информационным входом устройства и соединен со входом преобразователя реактивной мощности в напряжение, выход которого соединен с первым входом первого центрирующего фильтра, а второй вход соединен с входом задания условного математического ожидания реактивной мощности, выход первого центрирующего фильтра подключен ко входу первого выпрямителя, выход масштабного усилителя соединен с первым входом второго центрирующего фильтра, а второй вход соединен с входом задания математического ожидания напряжения, выход второго центрирующего фильтра подключен ко входу второго выпрямителя, выход которого соединен со вторыми входами первого и второго вычитателей, первый вход первого вычитателя подключен к выходу первого выпрямителя, а первый вход второго вычитателя соединен с выходом первого выпрямителя, выход преобразователя реактивной мощности в напряжение соединен со входом первого блока дифференцирования, выход которого подключен ко входу первого компаратора, выход которого соединен с первым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, вход второго блока дифференцирования подключен к выходу масштабного усилителя, а его выход соединен со входом второго компаратора, выход которого соединен со вторым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, введены блок перемножения, третий ключ и третий выпрямитель, выход которого соединен со вторым входом блока перемножения, а его вход соединен с выходом масштабного усилителя, первый вход блока перемножения соединен с выходом второго выпрямителя, а его выход соединен со вторым входом третьего ключа, выход которого соединен с третьим входом блока деления, первые входы первого, второго и третьего ключей подключены к выходу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход первого вычитателя соединен со вторым входом первого ключа, а выход второго вычитателя соединен со вторым входом второго
ключа, выход первого ключа соединен с первым входом блока деления, второй вход которого соединен с выходом второго ключа.
Предлагаемое устройство для определения критического напряжения и коэффициента запаса статической устойчивости узла комплексной нагрузки электрической сети базируется на использовании критерия устойчивости нагрузки вида:
Г
Н
где Q и Q - соответственно реактивные мощности питающей системы и узла нагрузки.
Условие (1) может быть представлено в виде:
или
Тогда критерий предельного по устойчивости режима будет
H
H
Г
Н
Г
Q зависит не только от напряжения узла сети, но также от состава потребителей, причем регулирующий эффект нагрузки α также зависит от состава нагрузки и является величиной случайной. Регулирующий эффект α по сравнению с α является более стабильным и в окрестности точки с напряжением U может быть принят α=const.
Н
Коэффициент α может быть получен путем дифференцирования уравнения статической характеристики реактивной нагрузки по напряжению вида
откуда
Q
Q
Q
где α, b, c - коэффициенты аппроксимации, зависящие от состава нагрузки.
Коэффициент запаса статической устойчивости по напряжению определяется выражением:
где U - рабочее напряжение узла.
Приравняв Δα к нулю, можно получить критическое по условиям устойчивости напряжение:
Откуда
Подставляя в выражение (7) выражение (9) и значение U, выделенное из выражения (6), получим:
H
Q/U
U
Учитывая, что α=σ/σ, выражение (10) можно преобразовать к виду:
Таким образом, для определения коэффициента запаса статической устойчивости узла нагрузки электрической сети необходимы измерения условного среднеквадратического отклонения реактивной мощности
Q/U
U
Г
Q
σ и безусловного среднеквадратического отклонения напряжения σ. Коэффициенты α и b должны быть определены предварительно на основании статистических данных о режиме электропотребления узла сети.
КР
Функциональные возможности рассмотренного алгоритма могут быть расширены за счет того, что помимо определения коэффициента запаса статической устойчивости узла нагрузки сети, возможно определение критического по условиям устойчивости напряжения узла нагрузки электрической сети. Это достигается тем, что приравнивая правые части формул 7 и 11, получим выражение для определения U.
КР
Как видно из выражения 12, по сравнению с формулой 11 для определения U требуется дополнительно определять текущее значение напряжение узла U, а также осуществлять похожие преобразования сигналов. Блок-схема устройства изображена на фиг.1.
Устройство содержит следующие блоки:
1 - преобразователь реактивной мощности в напряжение - ПРМ;
2 - центрирующий фильтр - ЦФ;
3 - выпрямитель - ВЫП;
4 - вычитатель - ВЧ;
5 - ключ - КЛ;
6 - блок деления - БД;
7 - ключ - КЛ;
8 - вычитатель - ВЧ;
9 - выпрямитель - ВЫП;
10 - центрирующий фильтр - ЦФ;
11 - масштабный усилитель - МУ;
12 - блок дифференцирования - БДИФ;
13 - компаратор - КОМ;
14 - логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩИЙ ИЛИ - ИЛИ;
15 - компаратор - КОМ;
16 - блок дифференцирования - БДИФ;
17 - выпрямитель - ВЫП;
18 - блок перемножения - БП;
19 - ключ - КЛ.
Устройство работает следующим образом.
С узла электрической сети на вход устройства подается электрический сигнал, поступающий на преобразователь реактивной мощности 1 и масштабный усилитель 11. С выхода преобразователя реактивной мощности 1 электрический сигнал поступает на вход центрирующего фильтра 2, на другой вход которого подается опорный сигнал, пропорциональный величине условного математического ожидания m(Q/U). Двухполярное выходное напряжение центрирующего фильтра 2 преобразуется в первом выпрямителе 3. Выходной сигнал
Q/U
U
Г
Q
Q/U
Г
U
Q/U
Q
U
выпрямителя 3 пропорционален среднеквадратическому отклонению σ. В масштабном усилителе 11 электрический сигнал масштабируется и во втором центрирующем фильтре 10 центрируется относительно опорного сигнала, пропорционального математическому ожиданию напряжению узла нагрузки сети, который подается на другой вход центрирующего фильтра 10. Двухполярное напряжение с выхода центрирующего фильтра 10 преобразуется в однополярное во втором выпрямителе 9. Выходной сигнал выпрямителя 9 пропорционален среднеквадратическому отклонению σ относительно напряжения U узла сети. Опорные сигналы, пропорциональные m(Q/U) и m(U) могут быть рассчитаны или измерены. Выходной сигнал с выпрямителя 3 одновременно поступает на первые входы обоих вычитателей 4 и 8. На вторые входы этих же вычитателей 4 и 8 поступает сигнал с выпрямителя 9, при этом первый вычитатель 4 по второму входу имеет коэффициент передачи, пропорциональный α, а второй вычитатель 8 по второму входу имеет коэффициент передачи пропорциональный b. Таким образом, на выходе вычитателя 4 формируется сигнал равный (σ-ασ), а на выходе вычитателя 8 формируется сигнал равный (σ-bσ). Указанные сигналы, через ключи 5 и 7 соответственно, поступают на блок деления 6. Ключи 5 и 7 элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 14 разрешают прохождение сигналов на входы блока деления 6 в том случае, когда приращению реактивной мощности соответствует приращение напряжения того же знака. Это достигается тем, что к выходам преобразователя 1 и масштабного усилителя 11 подключены блоки дифференцирования 12 и 16, сигналы с которых поступают на компараторы 13 и 15 соответственно. На выходе компараторов 13 и 15
1
2
формируются логические сигналы X и Х, которые поступают на элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 14, реализующий функцию
Таким образом, на первом выходе блока деления 6 формируется сигнал, равный коэффициенту запаса статической устойчивости узла нагрузки электрической сети, определяемый по выражению 11.
U
Г
Q
U
Г
Q
Сигнал, пропорциональный напряжению узла сети, поступает с выхода масштабного усилителя 11 на вход третьего выпрямителя 17, с выхода которого подается на второй вход блока перемножения 18. На первый вход блока перемножения 18 подается сигнал с выхода выпрямителя 9, пропорциональный σ. При этом блок перемножения 18 по первому входу имеет коэффициент передачи, пропорциональный (α-b). Таким образом, на выходе блока перемножения 18 формируется сигнал равный σ(α-b)·U. Указанный сигнал через ключ 19 поступают на блок деления 6. Ключ 19 элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 14 разрешает прохождение сигнала на третий вход блока деления 6 в том случае, когда приращение реактивной мощности соответствует приращение напряжение того же знака.
Автоматизация измерения критического напряжения и коэффициента запаса статической устойчивости узла нагрузки сети в темпе процесса позволяет повысить точность измерения, выработать мероприятия по улучшению режима и значительно экономить трудовые и материальные ресурсы, связанные с получением и обработкой исходной информации.