Устройство автоматического регулирования перетоков активной мощности в энергосистеме

 

Изобретение относится к области электроэнергетики. Цель изобретения - упрощение устройства и повьшение точности регулирования. Устройство со-, держит блоки телеизмерений генерируемых мощностей, задатчиков уставок по перетокам мощности и генерируемым мощностям, которые подключены к входам блока формирования управляюгдих воздействий. В состав блока формирования управляющих воздействий входят имитаторы узлов энергосистемы и имитаторы линий злектропередачи. Первые управляющие входы всех имитаторов узлов энергосистемы образуют первьй . вход блока .формирования управляющих воздействий. Первые функциональные (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) 26 А1 (51)4 Н 02 д 3/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3996964/24-07 (22) 29.12.85 (46) 07.05.88. Бюл. № 17 (71) Всесоюзный государственный проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт энергетических систем и электрических сетей "Энергосетьпроект" (72) С. И. Хмельник (53) 621.316.728(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1089698, кл. Н 02 Т 3/06, 1984.

Авторское свидетельство СССР № 1197004, кл. Н 02 Т 3/06, 1984.

Авторское свидетельство СССР № 1164822, кл. Н 02 д 3/06, 1985.

Авторское свидетельство СССР № 1354335, кл. H 02 Х 3/06, 1984.

Авторское свидетельство СССР № - 1257744, кл. Н 02 Х 3/06, 1985. (54) УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПЕРЕТОКОВ АКТИВНОЙ МОЩ

НОСТИ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ (57) Изобретение относится к области электроэнергетики. Цель изобретения— упрощение устройства и повышение точности регулирования. Устройство со-.. держит блоки телеизмерений генерируемых мощностей, задатчиков уставок по перетокам мощности и генерируемым мощностям, которые подключены к входам блока формирования управляющих воздействий. В состав блока формирования управляющих воздействий входят имитаторы узлов энергосистемы и имитаторы линий электропередачи. Первые управляющие входы всех имитаторов узлов энергосистемы образуют первый вход блока .формирования управляющих воздействий. Первые функциональные

13 входы всех имитаторов узлов объединены. Вторые функциональные входы имитаторов, узлов энергосистемы и вторые функциональные входы имитаторов линий электропередачи соединены между собой аналогично соединению концов линий электропередач с узлами энергосистемы. Каждый имитатор линии электропередач выполнен в виде включенного между его функциональными входами ограничителя .тока с двумя управляющими входами, годключенными к задатчикам уставок по перетокам мощности. Каждый имитатор б узла энергосистемы содер94326 жит включенные последовательно между

его функциональными входами ограничитель тока 8 с двумя управляющими входами, подключенными к задатчикам уставок по генерируемым мощностям, управляемый источник тока 9, усилитель

10 и индуктивность 11. Управляющий вход источника тока 9 подключен к блоку телеизмерений генерируемых мощностей. Благодаря введению индуктивностей в имитаторы узлов энергосистемы моделируется динамика изменения мощности энергосистемы при воздействии на нее регуляторов. 5 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике.

Цель изобретения — упрощение устройства и повышение точности регулирова.ния.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство; на фнг. 2 — блок формирования управляющих воздействий; на фиг. 3 — имитатор узла энергосистемы; на фиг. 4 — имитатор линии электропередачи; на фиг. 5 — ограничитель тока, Устройство (фиг, 1) содержит соединенньй с энергосистемой 1 блок 2 телеизмерений регулируемьж параметров и блок 3 задатчиков уставок. С энергосистемой 1 каналом 4 управления мощностью регулирующих объектов связан своим выходом блок 5 формирования управляющих воздействий, Входы этого блока присоединены к выходам блока 2 телеизмерений регулируемых параметров и блока 3 задатчиков уставок.

Блок 2 телеизмерений состоит из отдельных датчиков 2-1, 2-2,... генерируешьm мощностей. Блок 3 задатчиков уставок состоит из задатчиков

3-1-1, 3-1-2. .. уставок по перетокам мощности и задатчиков 3-2-1, 3-2-2,... уставок по генерируемым мощностям.

Множество выходов датчиков 2-1, 2-2, ° . ° называют выходом блока 2 телеизмерений. Аналогично, множество выходов задатчиков 3-1 — 1, 3-110

-2,... 3-2-1, 3-2-2,... называют вы.— ходом блока 3 задатчиков уставок.

Блок 5 формирования управляющих воздействий (фиг. 2) выполнен из имитаторов 6-1, 6-2. ..б-k u имитаторов 7-1, 7-2,...7-i линий электропередач, количество которых определяется количеством узлов и линий электропередач энергосистемы.

Каждый имитатор 7 линий электропередач имеет два функциональных и два управляющих входа, а каждый имитатор

6 узла энергосистемы имеет два функциональных входа, три управляющих входа и управляющий выход, причем эти выходы образуют в совокупности выход блока 5 формирования управляющих воздействий в целом. Первые управляющие входы всех имитаторов 6 узлов энергосистемы образуют в совокупности первый вход блока 5 формирования управляющих воздействий, связанный с выходом блока 2 телеизмерений.

Первые функциональные входы всех имитаторов 6 узлов энергосистемы объединены. Вторые функциональные входы этих имитаторов 6 и первый и второй функциональные входы всех имитаторов

7 линий электропередач соединены между собой аналогично соединению концов имитируемых линий электропередач с имитируемыми узлами энергосистемы: каждая линия электропередач имитируется одним из имитаторов 7-i, а каждый узел энергосистемы имитируется одним из HMHTBTopQB 6-К.

)394326 к=i (2) Чк к кл е

,7 Р„; Р„;; (3) 50 (4) к=1

55 (6) 4. р — к (7) Каждый имитатор 6 узла энергоси-. стемы (фиг. 3) содержит включенные последовательно между его функциональными входами ограничитель 3 тока с двумя управляющими входами и управляемый источник 9 тока, параллельно которому включены последовательно соединенные усилитель 10 и индуктивность 11. 10

Каждый имитатор 7 линии электропередачи (фиг. 4) выполнен в виде включенного между его функциональными входами ограничителя тока с двумя управляющими входами. 15

Управляющие входы ограничителей 8 тока во всех имитаторах 6 и 7 образуют в совокупности второй управляющий вход блока 5 формирования управляющих воздействий в целом, соединенный 20 с выходом блока 3 задатчиков уставок.

Ограничитель тока (фиг. 5) содержит два соединенных последовательно управляемых источника 12 и 13 тока, параллельно каждому из которых при- 25 соединены диоды 14 и 15, включенные в противоположных направлениях один относительно другого, причем управляющие входы управляемых источников 12 и 13 тока являются управляющими вхо- 30 дами ограничителя тока. в целом. Источники 9, 12 и 13 тока, используемые в устройстве, вырабатывают ток постоянной величины, не зависящий от напряжения на зажимах этого источника и определяемый сигналом на его управляющем входе.

Задача регулирования перетоков активной мощности в энергосистеме без кольцевых связей имеет следующую ма тематическую формулировку: где V управления, вырабатываемые устройством; — измеренные узловые мощности; узловые мощности, которые установятся после отработки упрявлений1 перетаки мощности, которые установятся после отработки управления; предельные значения (наименьшее и наибольшее соответственно) узловых мощностей P „, задаваемые в блоке задатчиков уставок; то же для перетоков мощностей Р„;, причем P „; — (0,1 — 1) в зависимости от соединения k-ro узла с

i-й линией электропередач и от направления перетока, принятого за положительное.! л р к

В отл ичие от известного здесь и овые мощности обозначаются

Р> для отличия их от. генеощностей Р,„ и мощностей

Pí пр далее узл символом рируемых м нагрузки (8) Рр Ргк Рй.

Кроме того, имеет место уравнение

Р „(С) = р PÄ () (9) к= аналогично уравнению (3), т.е. в любой момент времени t узловая мощность равна сумме перетоков по линиям передач, сходящимся в данном узле.

В дальнейшем полагают, что узлы подразделяются на генерирующие, где

Р„„= Р,„, и нагрузочные, где Р„„ — P«, причем в имитаторах 6 нагрузочных узлов усилители 10, индуктивности ll и ограничители 8 отсутствуют.

Математическая модель (1)-(7) не учитывает динамику процесса регулирования и поэтому в известном устройстве применяются корректирующие фильтры, которые обеспечивают необходимые качества динамического процес— са регулирования — устойчивость, быстродействие, величину перерегулирования. В предлагаемом устройстве эти фильтры отсутствуют, а математи1 ческая формулировка задачи регулпро13943 вания учитывает дополнительно требования по стабилизации частоты в переходный период регулирования и заключается в следующем.

В энергосистеме узловые мощности

Р „(1} и перетоки Р„; (т,) в каждый момент времени 1 связаны соотношением (9). Регулятор в каждый момент времени t вырабатывает производную Р„.(t)10 по времени от генерируемой в k-м узле мощности Р„к(1). Энергосистема реализует эту производную, .т.е.

Р„„() = Р„(} + Р от, (10) 15 о

Регулирование необходимо выполнять таким образом, чтобы при начальном условии

20 (i1) ограничении

11 25

K.P„(t) =0 (12) к= и ограничителях (6), (7) и (9) минимизировался функционал вида

1 30

У = j h,Р,„at, (13) где t — начальный момент врео мени; текущий момент времени;

h„, й„ вЂ” коэффициенты, аналогич- 35

К1 ные коэффициентам в задаче (1)-(7), причем для нагрузочных узлов

1 к

Итак, должна решаться задача ((6), (7) л (9) (11), (12), (13)) 14)

В этой задаче уравнение (1) соответствует уравнению (4), уравнение.

45 (12) отражает требование постоянства частоты в переходный период, а минимизация функционала (13) соответствует минимизации скоростей Р„„ изменения генерируемых мощностей. Ограни-50 чеиия (7) относятся только к генерирующим узлам.

Таким образом, регулирование перетоков является вариационной задачей (i4) минимизации функционала (13) 55 при наличии ограничений в виде равенств и неравенств, где неизвестны

Р,;, Р„,, Р,, а данными являются (15) Z I = 0

K - =t к Т к Тц< т (16) (17) P„ Ië, Последнее соотношение следует из (3) и того, что конфигурация электрической цепи повторяет конфигурацию энергосистемы. Уравнение (15) следует из того, что первые функциональные входы всех имитаторов 6-k объединены. Наконец, уравнение (16) следует из схемы имитатора 6-k (фиг. 3).

Рассмотрим теперь ограничитель тока (фиг. 5), где — ток, протекающий через ограничитель тока в целом; токи, управляемых напряжением источников тока ИТУН, 12 и ИТУН

13 соответственно, й,, d.z — токи, протекающие через диоды D, 14 и

Л 15 соответственно.

Очевидно, (18) 1=i,+а,; (19) 2 2

26 6 енты h и (Ъ„; . Эта задача решается электрической цепью, .являющейся моделью энергосистемы и, одновременно, физической моделью этой задачи. Эта электрическая цепь образуется в блоке 5 формирования управляющих воздействий и имеет следующие компоненты и параметры: I — ток управляемого напряжения источника 9 тока (ИТУН), входящего в состав имитатора

6-k узла энергосистемы; L< — индуктивность 11, входящая в состав имитатора 6-1 генерирующего узла энергосистемы; I; — ток, протекающий через индуктивность LK и усилитель 10, .входящие в состав имитатора 6-k узла энергосистемы; I „ - ток, протекающий через ограничитель 8 тока (ОТк), входящий в состав имитатора 6-k узла энергосистемы; Х„; — ток, протекающий через ограничитель тока (ОТ;), входящий в состав имитатора 7-i линии электропередач.

В этой цепи соблюдается первый закон Кирхгофа, т.е.

1394326 (20) а,= о (21) и 0 (23) 15 (24) (31) 25

1 к к (25) 10 откуда получают (27) V = -scЕ к ь„

Е„() = — I„ (t)

1 (33) е =-LI

"к (34) е = S,.I„, (3S) где (36) (18) — (21 ) следует, что

11 и 1 и 12 . (22) Для ограничителей тока ОТ„8 и

ОТ1 7 обозначают токи i,, i соот10 ветственно через Е„, I, I „ и I„.

l fl к к к А

I„; и I;.

Тогда из (22) получают

Устройство фу-нкционирует следующим образом.

Из блока 2 телеизмерений на управляющие входы источников 9-k тока поступают величины Р„„, устанавливая величину тока этих источников где о — данный коэффициент.

Из блока 3 задатчиков уставок на управляющие входы источников 12 и

13 тока, входящих в состав ограничителей 8 тока, поступают величины уставок Р „, Р„„, Р„;, Р„; соответственно. 1ти величины устанавливают токи 35 и 1

Ек, Р к Ек P ê1

Е„: =-„Рм 1 Е„; = Р„;. (.26)

1 л 1 g . C. 40

Сигналы с выхода усилителей (УС„) поступают на выход блока 5 формиро45 вания управляющих воздействий, откуда через канал 4 направляется в энергосистему 1 для изменения мощности

Р„„ регулирующих объектов. Эти мощности за время (период телеизмерения и выдачи управляющих воздействий) изменяются на величину V Кроме того, за это же время мощности нагрузки

Р„„ также изменяются. Новые значения узловьж генерирующих мощностей принимают значение

Р (С+ ) = Р „(t) + V„(t) . (28) В зависимости от этого изменяются также текущие значения регулируемых перетоков Р„; (формула 9). После следующего цикла измерения соответствующие телесигналы вновь подаются на входы ИТУН 9, в результате чего образуется замкнутый контур системы регулирования.

Сравнивая (25), (27) и (28), замечают, что для имитаторов генерирующих узлов

I „(1+6) = I к(1) — -ü,„(t) (29)

Из (16) следует, что

I,(t+Ñ) Е„() = I,„(t+".)—, (t) + I "(,+Ä) I„ (t) (30) Совмещая (29) и (30) находят что в имитаторах генерирующих узлов

Е „(1+ (, ) — I „(t ) = I „(t+ Ã)-2 I „(t) .

При малых Г можно считать, что

Е (+") I„(t) ". I ()

I„ (t+Ñ) — I„ (t) = i„ (t), Учитывая, эти соотношения, из (31) находят (1) — с IÄÄ(t) - IÄ (t) Ток в индуктивности изменяется медленно, поэтому можно принять допущение (ТЕ„(С) «(Е (t)((32) Напряжение на индуктивности 11 и на ИТУН 9 (входным сопротивлением

УС„ 10 пренебрегают) Из (33) и (34) следует, что на

ИТУН„ 9 присутствует напряжение

1О

1394326

i >, (t) = < i„(t) ) . (41) I„ (,) = о (42) i„(.) = i)„(t.). (43) Следовательно, т„И.) = о (44) К«1 (45) i„(t.) = о, l4 «1 (46) I„(t) = — Р„„()7

Т„; () = — р,; (t), (47) 1

Р„(С) = =, V,(t) (39) L„= — (., h„

50 (48) (40) Р (t) = Ы Т„(), Тогда (49) S „= h„/ос

Таким образом, часть имитатора

6-k генерирующего узла, состоящая из элементов 9 — 11, соединенных с k-м узлом энергосистемы 1 цепями прямой

5 и обратной связей, описывается уравнением (35). Для кратности дальнейшего изложения эту часть называют супериндуктивностью Sк.

Имитатор генерирующего узла 6 k 10 можно считать состоящим из последовательно соединенных- супериндуктивности S и ОТ„ 8-k. Электрическая цепь блока 5 формирования управляющих воздействий В целом также сорер жит только сунериндуктивности Бк, источники 9-k тока в имитаторах 6-k нагрузочных узлов, ограничители 8-k тока. Ограничители состоят из диодов и источников постоянного тока. Следовательно, электрическая цепь устройства содержит только супериндуктивности, диоды и источники тока.

Далее показано, что такая электрическая цепь решает вариационную за- 25 дачу минимизации функционала

7= J Ã8,7,84 (37)

I4«! о при ограничениях, накладываемых на . токи Х „ супериндуктивностей первым законом Кирхгофа и требованием поло-. жительности диодных токов. В нашем случае эти ограничения имеют вид (15), (17), (23) и (24). Следователь- 35 но, электрическая цепь устройства решает задачу ((13), (17), (23), (24),.(37)) (38)

Покажем, что эта задача эквивалентна задаче (14), которую должно решать предлагаемое устройство.

Полагая, что управляющие воздействия Vk реализуются равномерно за время с,, находят или, учитывая (27) и (33), Для нагрузочных узлов аналогичное (но строгое) равенство следует из (25), так как в соответствующих имитаторах 6-k индуктивности ll и усилителя 10 отсутствуют. Таким образом, Функционирование устройства начинается с того, что в момент времени

1„ измеряются Р„„(1,) и в соответствии с (25) устайавливаются I (t ). фк,о

Величины Р) к(1,) удовлетворяют условию (11). Токи через индуктивность в момент включения равны нулю, т.е.

Из (15) и (44) следует, что

Из (11) и (15) следует (44) и (45). . Для нагрузочных узлов I„ = I и, как следует из (25), Для генерирующих узлов равенство . (46) следует приближенно из (25), (43) и (40). Из (9), (1 6) и (46) следует, что

Таким образом, токи I, I; I

Ц I fl к

Х„, Х, I, I; отличаются от б 8 мощностей Р к, Р„,, Р к 3 Рy14 3 Р11к

1 ll

Р„;, Р„; только множителем 1/Ы.

Положим еще

При этом формулы (6), (7), (9), (11) — (13) отличаются от формул (24), (23), (17), (44), (45) .и (37) только

94326 12

Уравнение (52) может быть исключено, так как вектор е, не входит в другие соотношения. Поэтому наша элек5 электрическая цепь описывается системой уравнений — т „S т„а (60) (50) N„I + N Е + N I 0; при ограничениях (50) и (55).

В соответствии с методом множите20 леи Лагранжа эта задача эквивалентна минимизации функционала (51) 11н Ч т

Nc

N q ен» (52) ес» (53) 25

-ед» (61 ) (54) Т е =0 (5S) ЗО тп«О» (56) . е » О, я У = О, (62) где (50) является уравнением первого закона Кирхгофа» а

I, I, I - векторы токов источ- 35 ников напряжения, источников тока и диодов соответственно; е„, ес, ед — векторы напряжений на этих ае элементах; с — вектор потенциалов в узлах электрической цепи;

Nz, N, И вЂ” матрицы из элементов

0 1-1; их конфигурация определяется конфигурацией электрической цепи;

Т вЂ” знак транспортирования матрицы.

В нашей электрической цепи роль исисточника напряжения играет супериндуктивность» для которой имеет место соотношение (35). Следовательно, (57) (64) где S — диагональная матрица с компонентами S„или, как следует из 55 и фУнкцию ВейеРштРасса (51) и (57) 11„ =S т„ (58) !

1 13 множителем 1/оа. Следовательно, задачи (14) и (38) совпадают. Единственным требованием для этого является выполнение условия (11), при котором (как показано) уравнение (15) в задаче (38) может быть заменено на уравнения (44) и (45).

Остается доказать принятое ранее предложение о том, что электрическая цепь с супериндуктивностями, источниками тока и диодами решает вариационную задачу.

Электрическая цепь, содержащая источники напряжения и тока и диоды, описывается системой уравнений вида, ((50), (53) — (56), (58)) (59) Необходимо доказать, что решение этой системы эквивалентно решению вариационной задачи вида: минимизировать функционал по функциям I(t) и (1) при ограничении (55) и условии дополняющей нежесткости вида где I — вектор всех токов I„, IÄ I „ векторы множителей Лагранжа. а выражение в скобках при множителе совпадает с левой частью условия (50). Условие (62) определяет, что множители Ъ „ = 0 при строгом соблюдении ограничения (55), когда I „ > О.

Обозначим подинтегральную функцию через

f(I, I, g, g ) = i„ S „ +

+ 2 (N„Iq + N I + N I ) +% I

Для решения этой задачи рассмотрим функцию Эйлера-Лагранжа!

943 26 т

N„)-2S I„ (66)Формула изобретения

° т

Тн н н Б н

2(I,— z„)Sz

20 (67) 25 (68) (I„ z„). (71}

S О (72) О.

2е, =2

13 13 где z - вектор, подставляемый в указанных случаях вместо вектора I.

После дифференцирования f по векторам Х„, I, ID из (64) находят

Здесь вторая строка обращается в ноль, так как ток Х является постоRHHbIM (по определению). Дифференциро- 15 ванне f по вектору приводит к уравнению (50).

Функция (65) после подстановки. и дифференцирования принимает вид

Отсюда следует, что функционал (61) при ограничениях (55) и {62) минимизируется, если соблюдаются условия (50) и

И . — 2S I„=O; (69) и - = o;

D (70)

35 так как при этом Р, = О, Р = 0 и

E ъ 0,Из ТОГО g чтО Оптимум функци 40 окала является минимумом (a не максимумом), следует, что

Супериндуктивность S по.определе45 нию удовлетворяет соотношению (71}.

Следовательно, задача минимизации (60) при ограничениях (50) и (55) эквивалентна решению системы уравнений и неравенств ((50), (55), (62), (69), (70), (72)) (73) Легко заметить, что при обознач - 55 нин задачи (59) и (73) совпадают. Таким образом, электрическая цепь с супериндуктивностями решает вариационную задачу подобно тому, как обычная электрическая цепь решает задачу .

I квадратичного программирования.

Устройство автоматического регулирования перетоков активной мощности в энергосистеме, содержащее блок телеизмерения регулируемых параметров, состоящий из датчиков узловых мощностей, вход которого соединен с энергосистемой, а выход объединяет выходы датчиков узловых мощностей, блок задатчиков уставок, выход которого объединяет выходы задатчиков уставок, и блок формирования управляющих воздействий, выполненный из имитаторов узлов энергосистемы и имитаторов линий электропередач, количество которых определяется количеством узлов и линий электропередач энергосистемы, каждый имитатор линии электропередач имеет два функциональных входа, а каждый имитатор узла энергосистемы имеет два функциональны входа, первый управляющий вход и управляющий выход, причем эти выходы образуют в совокупно сти выход блок а формиров ания управляющих воздействий в целом, первые управляющие входы всех имитаторов узлов энергосистемы образуют в совокупности первый вход блока формирования управляющих воздействий, связанный с выходом блока телеизмерений, первые функциональные входы всех имитаторов узлов энергосистемы объединены, вторые функциональные входы этих имитаторов и первый и второй функциональные входы всех имитаторов линий электропередач соединены между собой аналогично соединению концов имитируемых линий электропередач с имитируемыми узлами энергосистемы, каждый имитатор линии электропередачи выполнен в виде включенного между его функциональными входами ограничителя тока с двумя управляющими входами, каждый имитатор узла энергосистемы содержит усилитель, управляес мыи источник тока и ограничитель тока с двумя управляющими входами, причем этот ограничитель включен последовательно с управляемым источником тока между функциональными входами этого

1394326

16 имитатора, управляющие входы ограни-. чителей тока во всех имитаторах образуют в совокупности второй управляющий вход блока формирования управляющих воздействий в целом, соединенный с выходом блока задатчиков уставок, причем управляющие входы ограничителей тока имитатора линий электропередачи подключены к выходам задатчиков уставок по перетокам мощности, а управляющие входы ограничителей тока имитатора узла энергосистемы подключены к выходам задатчиков уставок по узловым мощностям, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью упрощения устройства и повышения точности регулирования, в нем выход блока формирования управляющих воздействий связан через канал управления мощностью регулируемых объектов с энергосистемой, а в каждый имитатор узла энергосистемы дополнительно включена индуктивность, причем усилитель и индуктивность соединены в последовательную цепь, которая включена параллельно с управляемым источником тока.

13 943 26

1394326

Составитель К. Фотина

Редактор Н. Бобкова Texpep M.Дидык Корректор М. Пожо

Заказ 2230/5I Тираж 650 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-.полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4