Система определения инерционной постоянной синхронной машины
SYSTEM OF DETERMINATION OF INERTIAL CONSTANT SYNCHRONOUS MACHINE

Область техники
Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в системах оперативно-диспетчерского и противоаварийного управления для определения инерционной постоянной синхронных машин (СМ) в режиме реального времени на основе измерений параметров электрического режима и параметров работы машины в электроэнергетических системах переменного тока (ЭЭС).
Уровень техники
Корректное моделирование инерционных свойств энергоблоков играет большую роль в задачах противоаварийного управления электроэнергетическими системами (ЭЭС). Возникающие после динамического возмущения синхронные колебания могут быть продолжительными и могут увеличивать свою амплитуду при неправильной настройке противоаварийной автоматики ЭЭС. Для правильной ее настройки необходимо получать максимально точные параметры используемых моделей.
Определение эквивалентной инерционной постоянной позволяет перейти к применению более простых адаптивных динамических математических моделей СМ, параметры которых могут быть определены на основе измерений мгновенных электрических и механических величин в ходе динамических возмущений. Это позволит упростить методы расчета и анализа электромеханических переходных процессов, упростить процесс идентификации параметров модели, сделав ее адаптивной. При этом точность модели будет достаточно высокой в силу того, что все ее параметры будут определяться на основе измерений в ходе реальных возмущений, а не специальных испытаний или эмпирических методик.
В настоящее время в ЕЭС России находится в эксплуатации система мониторинга системных регуляторов в части АРВ и систем возбуждения (СМСР), которая выполняет контроль работоспособности устройств АРВ и систем возбуждения при управлении режимами ЭЭС по данным текущей регистрации параметров режима работы генераторов в различных режимах работы - эксплуатационных, аварийных, особых (режим ограничения минимального возбуждения и режим ограничения двукратного значения тока ротора) (RU 132637 U1, H02J 3/24, H02J 13/00, 20.09.2013).
Система мониторинга автоматических регуляторов возбуждения и систем возбуждения генераторов, принимаемая за прототип, содержит:
датчики режимных параметров генераторов;
измерительные преобразователи, осуществляющие формирование привязанных к системе единого времени цифровых режимных параметров контролируемых генераторов;
анализатор функционирования АРВ-СВ генераторов электростанции со специально разработанным программным обеспечением, предназначенный для выполнения алгоритмической обработки полученных данных;
выходной регистратор ЭЭС, на который поступают сигналы о состоянии АРВ и СВ генераторов с анализатора функционирования АРВ-СВ генераторов электростанции;
датчики дискретных сигналов штатной автоматики системы возбуждения контролируемых генераторов и
локальную сеть для связи измерительных преобразователей и датчиков дискретных сигналов с анализатором функционирования АРВ-СВ генераторов электростанции.
Предлагаемая система схожа с прототипом в части исходных данных и их источника: для определения инерционной постоянной СМ используются значения тока и напряжения от штатных датчиков тока и напряжения каждой из трех фаз в контролируемой точке ЭЭС (точка присоединения СМ к шинам станции), а также дополнительно могут поступать значения напряжения и тока обмотки возбуждения СМ и угла положения ротора СМ.
Сущность изобретения
Технический результат изобретения - определение в режиме реального времени по данным измерений токов и напряжений в контролируемой точке ЭЭС (точка присоединения СМ к шинам станции) инерционной постоянной СМ для уточнения параметров модели СМ, используемой в других системах и расчетах.
Указанный технический результат достигается тем, что система определения инерционной постоянной СМ содержит:
1 цифровой регистратор параметров электрического режима и параметров работы СМ, который осуществляет фиксацию измеряемых параметров работы СМ: напряжение и ток на зажимах СМ, напряжение и ток обмотки возбуждения, угол положения ротора машины;
2 комплекс вычислительных средств;
3 выходной регистратор, содержащий человеко-машинный интерфейс.
Комплекс вычислительных средств содержит:
- блок расчета мгновенных параметров электрического режима, который осуществляет расчет мгновенных параметров электрического режима на основе измерений, зафиксированных цифровым регистратором параметров электрического режима и параметров работы СМ;
- блок накопления данных, который осуществляет сбор и накопление данных, полученных в блоке расчета мгновенных параметров электрического режима и при накоплении необходимого для расчета массива данных отправляет их на вход блока расчета постоянной инерции;
- блок расчета постоянной инерции, который осуществляет расчет инерционной постоянной СМ.
Выход комплекса вычислительных средств соединен с выходным регистратором, содержащим человеко-машинный интерфейс, отображающий значения вычисленной постоянной инерции СМ.
Работа предлагаемой системы определения инерционной постоянной возможна при использовании технологии синхронизированных векторных измерений, в результате применения которой напряжения и токи представляются в виде векторов в системе координат, вращающейся с постоянной скоростью (как правило, соответствующей номинальной частоте переменного тока). Такая технология используется, в частности, и в устройствах СМПР (WAMS).
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная схема Системы определения инерционной постоянной синхронной машины:
- блок 1 - цифровой регистратор параметров электрического режима и параметров работы СМ;
- комплекс вычислительных средств, включающий:
- блок 2 - блок расчета мгновенных параметров электрического режима;
- блок 3 - блок накопления данных;
- блок 4 - блок расчета инерционной постоянной;
- блок 5 - выходной регистратор с человеко-машинным интерфейсом.
На фиг. 2 и фиг. 3 представлены результаты эксперимента по определению инерционной постоянной СМ предлагаемой системой на физической модели.
Осуществление изобретения
ƒ
ƒ
На входы цифрового регистратора 1 параметров электрического режима и параметров работы СМ поступают значения тока и напряжения от штатных датчиков тока (I) и напряжения (U) каждой из трех фаз в контролируемой точке ЭЭС (точка присоединения СМ к шинам станции), а также дополнительно могут поступать значения напряжения (u) и тока (i) обмотки возбуждения СМ и угла положения ротора CM (S). Данные параметры подвергаются оцифровке и на выходе блока формируются дискретные сигналы. Полученные сигналы подаются на входы блока 2 расчета мгновенных параметров электрического режима.
Блок 2 осуществляет расчет мгновенных амплитуд, фаз и частот измеренных параметров, а также мгновенной активной мощности генератора. Расчет осуществляется на базе модифицированного преобразования Гильберта [1]. Вычисленные данные поступают в блок 3 накопления данных.
Для выполнения расчета необходимо накопление массива мгновенных значений параметров электрического режима, полученных в ходе некоторого количества последовательных измерений. Блок накопления данных осуществляет накопление этих параметров. После появления в блоке необходимого для расчета количества данных он отправляет их в блок 4 расчета постоянной инерции, где выполняется вычисление инерционной постоянной СМ.
Алгоритм вычисления инерционной постоянной в расчетном блоке основан на уравнении движения синхронной машины [2]:
где J - момент инерции;
0
ω - номинальная угловая частота вращения;
0
δ - угловое положение ротора относительно состояния покоя или вращающейся с частотой ω системы координат (значение производной  в обоих случаях будет одинаковым);
m
P - мощность турбины;
э
Р - электромагнитная мощность (активная трехфазная мощность синхронной машины).
j
Для вычисления инерционной постоянной τ используется уравнение, где момент инерции заменен на постоянную инерции:
н
где S - номинальная полная мощность синхронной машины.
э
j
m
н
0
При этом измеряемыми являются параметры δ, и Р, вычисляемыми являются τ и P, номинальными являются S и ω. Все параметры выражены в именованных единицах.
j
m
э
Уравнение (2) используется для вычисления искомой инерционной постоянной τ. Также вычисляется мощность турбины Р. Расчеты осуществляются на скользящих окнах при помощи аппроксимации. В качестве исходных данных используются измерения Р и δ (или скорости ротора) с частотой дискретизации от 50 Гц до 10 кГц.
Определение углового положения ротора или его скорости может быть выполнено с помощью прямых измерений, измерений параметров возбуждения или измерения режимных параметров СМ [2], [3].
Значения рассчитанной инерционной постоянной СМ подаются на вход выходного регистратора, содержащего человеко-машинный интерфейс и интерфейсы связи со смежными системами. Вычисленные значения инерционной постоянной СМ могут быть использованы для решения задач оперативного диспетчерского управления ЭЭС, задач противоаварийного управления и задач уточнения динамических моделей СМ.
Работоспособность предлагаемого технического решения подтверждена результатами испытаний как на математических моделях, так и на физических и данными реальных измерений СМПР [2].
В качестве практического примера приведен расчет инерционной постоянной синхронной машины мощностью 6,25 кВт. В ходе эксперимента на приводной двигатель этой СМ был подан импульс, в результате чего начался динамический переходный процесс. Параметры электрического режима и параметры СМ были записаны цифровым регистратором с частотой дискретизации 10 кГц.
На фиг. 2 показана измеренная активная мощность СМ, вычисленная мощность турбины и активная мощность СМ, полученная расчетным путем, по вычисленной инерционной постоянной. На фиг. 3 показаны результаты вычисления инерционной постоянной СМ.
Как видно из графиков, степень аппроксимации вычисленными значениями измерений достаточно высока на всем интервале, кроме начала переходного процесса. Это можно объяснить существенным влиянием электромагнитных явлений на процесс в начале возмущения из-за чего аппроксимирующая способность модели снижается. На участке 1,5-5 с инерционная постоянная имеет достаточно стабильное среднее значение - 5,362 с. Точное теоретическое значение инерционной постоянной системы неизвестно, поэтому выполнить сравнение с эталоном невозможно, тем не менее в ряде различных опытов, проведенных с одной машиной, вычисленные значения близки друг к другу.
Таким образом, представленные результаты эксперимента подтверждают корректность определения предлагаемой системой инерционной постоянной СМ.
В качестве цифровых регистраторов параметров электрического режима могут быть использованы штатные многофункциональные измерительные преобразователи систем WAMS или СМПР, обеспечивающие оцифровку сигналов в соответствии с требованиями применяемого метода. В качестве выходного регистратора, содержащего человеко-машинный интерфейс, может быть использован терминал АС СИ СМПР (Автоматизированной системы сбора информации СМПР). Таким образом, система определения инерционной постоянной СМ может быть интегрирована в СМПР.
Источники информации
1. Бердин А.С., Близнюк Д.И., Коваленко П.Ю., Егоров А.О., Черепов А.С. Оценка мгновенных значений параметров электрического режима в сети переменного тока // Электрические станции. - 2015. - №8. - С. 36-39.
2. Бердин А.С., Близнюк Д.И., Герасимов А.С. Определение эквивалентной инерционной постоянной по данным измерений электромеханического переходного процесса // Известия НТЦ Единой энергетической системы. - 2016. - №1(74). - С. 60-68.
3. Berdin A.S., Zakharov Y.P., Kovalenko P.Y. Estimation of synchronous generator participation in low-frequency oscillations damping based on synchronized phasor measurements // WIT Transactions on Ecology and the Environment vol. 190: Energy Production and Management in the 21st Century. - 2014. - Т. 1. - C. 319-325.