Способ определения угла сдвига фаз между напряжениями в двух узловых точках электрической сети

 

Использование: в области электроизмерений , в частности, для телеуправления путем фазовых измзрений в эпектроэнергетических сетях. Сущность изобретения: для повышения точности и быстродействия при измерении угла сдвига фаз между напряжениями в двух точках электрической сети, удаленных друг от друга на десятки километров , используют сформированные в удаленной узловой точке и распространяющиеся по электрической сети кратковременные посадки синусоидального напряжения . Синхронные с частотой сети импульсные посадки выделяются в близлежащей узловой точке и их временное положение сравнивается с опорными импульсами, сформированными из синусоидального напряжения сети в близлежащей точке. Сравнение производят дважды за период и определяют по временному сдвигу импульсов фазовый сдвиг в электрической сети 2 ил. СП С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5:)5 С 01 R 25/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ IATEHTHOE

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ CCCP) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСК0МУ ВИДЕТЕЛЬС В

1 (21) 4824219/21 (22) 08.05.90 (46) 23.12.92. Бюл, N- 4! (71) Институт проблем энергосбереженйя

АН УССР (72) Е.А.Ленчевский, В.К,Туваржиев, В,E,Toíêàëü и Д.B.Õîëìñêèé (56) А.с. СССР М 1275320, кл, G 01 R 25/00, 1986.

Иофьев В.И. Автоматическое аварийное управление мощностью энергосистем. — M.:

Энергия, 1974. С. 211-214 . (54) СПОСОБ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ УГЛА ФАЗОВОГО СДВИГА МЕЖДУ НАПРЯЖЕНИЯМИ ДВУХ УЗЛОВЫХ ТОЧЕК

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ (57),Использование: в области электройзмерений, в частности, для телеуправления путем фазовых измерений в электроэнерге. ..Изобретение с тносится к области электротехнических измерений, в частности к телеизмерениям и телеконтролю с помощью нетрадиционных средств телеуправления объектами электроэнергетических систем.

Известны способы определения сдвига фаз между двумя армоническими колебаниями одинаковой частоты, среди которых близкими являются предложенные в работе (2,3). Однако для их использования при измерении фазы требуется передача информации о временном либо фазовом сдвиге синусоиды напряжения на противоположном относительно базового источника гармонического напря кения (тока}.

„,5U„„1783452 А1 тических сетях. Сущность изобретения: для повышения точности и быстродействия при измерении угла сдвига фаз между напряжениями в двух точках электрическои сети, удаленных друг от друга на десятки километров, используют сформированные в удаленной узловой точке и распространяющиеся по электрической сети кратковременные "посадки" синусоидального напряжения. Синхронные с частотой сети импульсные "посадки" выделяются в близлежащей узловой точке и их временное положение сравнивается с опорными импульсами, сформированными из синусоидального напряжения сети в близлежащей точке, Сравнение производят дважды за период и определяют по временному сдвигу импульсов фазовый сдвиг в электрической сети, 2 ил.

Известные способы кодирования и пе- 4 редачи сообщений, вводимых в элек1риче- СО скую сеть или использующих выделенные (А) проводные каналы связи с различными ге- ф„ нераторами сигналов, не нашли широкого (я применения при решении поставленной задачи либо из-за малого радиуса действия (5 — 10 км), либо из-за большой погрешности дистанционного измерения фазы; " (1015) О/

В настоящее вреия контроль и регулирование устойчивости энергосистемы осуществляется чаще без информации о значениях угла между векторами напряже- ний начала (U<) и конца (02) линии электропередачи. Это связано с трудностями возникающими при передаче значений фа1783452 зы напряжения 0 с противоположного конца линии к питающему центру или началу линии. Для этих целей по данным (1) используются два способа: фантомный — основанный на принципе 5 прибавления падения напряжения в модели линии к напряжению передающего конца (01); второй — основанный на телепередаче значений фазы напряжения приемного кон- 10 ца (Uz) электросети высокочастотными сигналами.

Погрешность таких измерений составляет: ч- 25 .

В обоих способах измерение сдвига фа- 15 зы между напряжениями в двух точках энергосистемы выполнено на основе датчика разности фаз ДРФ; к первому входу котороto подводится либо напряжение от вспомогательного генератора, сидящего на валу 20 одного силового генератора первой части энергоситсемы, либо напряжение U> + tке энергосистемы. При этом сопротивление Z моделирует внутреннее 25

conðáòè8ëåíèå генераторов и элементов первой части энергосистемы. А фа3а входного напряжения соответствует фазе напряжению U> на общих шинах первой части энергосистемы, На второй вход 30

ДРВ подается либо напряжение U< + hZ<, либо напряжение Uã другой части энергосистемы с помощью высокочастотной аппаратуры: "передатчик — усилитель — в том числе канал — приемник", причем передатчик уп- 35 равляется по фазе отражающих соответственно фазе напряжения Uz усредненные значения которого формируется специальным смесителем, подключенным к шинам

02. 40

На выходе ДРФ подключено реле угла д,2 — сдвига фаз между 01 и Uz, бсуществляющее измерение в соответствии с уравненйями: " 1 4 =о1,2 = k о + k оп 6cl где k — коэффициент инерции энергосистемы в предшествующем режиме k, в переходном режиме k ; д. с — предельное значение угла д1,2, соответствующее устойчивому режиму энергосистемы, Используемый в системе способ телепередачи на высоких частотах информации о значении величины угла д и рассматри- 55 вается в качестве прототипа. Недостатком такого способа является то, что с его помощью передается, не значения величины фазового угла д1,z =-д1 — 8z, между напря жениями двух точек электросети, а высокочастотные сигналы, способные только отражать информацию о величине угла д2 с погрешностью, достигающей более 25 /.

Кроме того, сложность исполнения самой высокочастотной аппаратуры (передатчик; приемник, усилители, подключаемые к высоковольтной ЛЭП) и устройства преобразования сигнала в тракте приема, а также необходимость установки дополнительного генератора на валу силового генератора основной частоты электросети, от стабильной работы элементов которой зависит точность измерений, ставит под вопрос возможность эксплуатации самой системы, Следует отметить, что на практике значения относительного угла д12 как правило меньше его суммарного значения Act, что требует высокой точности измерений.

Другим недостатком способа прототипа является низкое быстродействие, Время измерения и суммирование аналоговых значений: U + I Z поступающих на соответствующие датчики от трансформатора напряжения и трансформатора тока, составляет: (80-90) мс. Сумматор, установленный на передающей стороне системы, производит операцию сложения за время: (1500 — 1600) мс, Время передачи — приема в высокочастотном канале составляет; (0,5—

1,0) с, поскольку требуется время на коммутацию и выбор конкретной частоты либо полосы частот для телеизмерения. Общее время отработки сигнала телеизмерения на приемной части системы, с помощью ДРФ и реле угла составляет (600-900) мс, а полное время цикла телеизмерения при данном способе составляет: (3,7-2,6) с, При таком низком быстродействии практически невозможно использовать данный способ определения фазового сдвига между напряжениями U> и Uz для оперативного управления электрической системой в текуц;их и переходных режимах.

Целью изобретения является повышение точности и быстродействия при телеизмерениях величийы угла фазового сдвига ме>кду напряжениями 0< и 02 двух узловых точек электрической сети, Поставленная цель достигается тем, что в конце линии электропередачи, в момент t> соответствующий заданному углу сх относительно "нуля" cèíóeoèäû, s каждый полупериод напряжения 02, формируют информационные импульсы сигнала, в виде кратковременных посадок напря>кения сети

Л U, .которые выявляют из спектра вторичного напряжения сети 0>, в начале этой линии, в виде импульсов сигнала Л Uq, создают опорные импульсы Л Uo, сдвигак>т их

17S3452 относительно "нулей" синусоиды напряжения U1, на заданную величину угла h U c помощью импульсов Ь0 и ЛЦ,, временной сдви между которыми равей — х, формируют суммарно-разностные вспомогательные импульсы с длительностью;

Т Т

Х1 = — +ХИХ2 = Х °

2 2 определяют значение временного сдвига% между напряжениями U1 и U2. 10 х= х1 — хг

2 а искомый фазовый сдвиг д1,2 определяют по формуле:

2к 15 д1,2 = Х Жо = Х вЂ”, Т где Т вЂ” период сетевого напряжения, Сущность изобретения состоит в том, что в электрической сети формируют кратковременные(импульсные) посадки синусо- 20 иды напряжения, что обеспечивает таким импульсным сигналам синхронизацию с основной частотой ее напряжения и, соответственно, возможность передачи временнйх параметров распространения этого напря- 25 жения.

В случае формирования таких импульсных сигналов в отдаленной точке электрической сети, cо-стороны нагрузки, последние по линии электропередачи поступают и ее 30 начало, где производят определение временного положения импульсов относительно полупериодов синусоиды напряжения, в которых они переданы.

По временному сдвигу — х, в положении этих импульсов, относительно их прежнего, фиксированного углом а, положения на синусоиде напряжения производят "непосредственное" определение величины фазового угла д1,2, между напряжениями

U1 и U2, в контролируемых узловых точках электрической сети, соответствующих противоположным сторонам линии электропеачи. ред

Определение угла ä1,2 фазового сдвига, по фиксированному значению временного сдвига — 7:, между положением мгновенных значений синусоиды напряжения 01 и U2, обеспечивает более высокие показатели точности измерений и скорости передачи данных по сравнению с прототипом, что дает новый положительный эффект, Способ позволяет производить определение фазового сдвига с точностью: (0,6 - 55

0,9 }, относительно периода синусоиды напряжения электрической сети, при быстродействии системы, реализующей данный способ — 0,2 С, На фиг,1 представлены диаграммы, поясняю цие вывод формулы, Для достижения поставленной цели, например, в конце одной из линий электросети, начиная с момента времени соответствующего угла с, на каждом полупериоде синусоиды напряжения U2 формируют информационные импульсы сигнала в виде кратковременных посадок синусоиды напряжения Л О, синхронизированных частотой 50 Гц (фиг,1а), Эти импульсы распространяясь по всей электрической сети поступают и в начало линии, где их выявляют из пек ра вторичного напряжения в виде импульса Л U (фиг.1б,д). Одновременно в начале линии, в момент Т/2, Т, 3/2Т, 2Т и т,д., т,е. при переходе сийусойды напряжения U1, через нулевое значение формируют опорные импульсы Л U< (фиг.1в), сдвигают их на временной интервал соответствующий углу а = а, и получают соответственно импульсы U. (фиг.1г).

С помощью импульсов Ь О, и Л U,g, временной сдвиг между которыми составляет х, формируют суммарно-разностные вспомогательные импульсы 11; 12 с длительностью х1 = — + х; хг =- — t . (фиг, 1е, ж), Т, Т

2 2 вычитают вспомогательнйе имйульсы и наХ1 Х2 ходят, х = —, а искомый сдвиг фаз д1,2

2 определяют по формуле;

2л 1 2 = Х о = =, Т где Т вЂ” период сетевого напряжения, Йа фиг.2 представлена система для реализации предположенного способа. Она состоит из двух полукомплексов: передатчика (П) и приемного устройства (ПУ), в качестве канала связи используется непосредственно участок 1, линии электропередачи. Обработанная ВЧ-заградителями линия может также использоваться в качестве канала связи, при этом учитывается несколько большее затухание сигнала при прохождении от передатчика к приемному устройству.

Итак, система реализующая предлагаемый способ содержит передающее устройство (П), установленное s конце линии электропередачи, состоящее из двух противовключенных управляемых вентилей — 1, подключенный к напряжению U2 с помощью сОпротивления — 2, а также из формирователя 5 импульсов управления и нуль-органа—

4, подключенных к вторичной обмотке трансформатора 3 напряжения, выход нульоргана 4 подключен к второму входу формирователя 5, выходы которого подключсны к

1783452 цепям управления тиристоров 1 передающего устройства, а на приемной стороне (ПУ) в начале линий электропередачи к напряжению UI подключен трансформатор напряжения — 3, к вторичной обмотке кото-! рого подключен вход (второго) формирователя импульсов — 5 и нуль-органа — 4, а

-I 1 также входы селектора импульсов сигналов—

6 устройства приема, выход нуль-органа—

I

4, подключен к управляющему входу формирователя импульсов — 3, выход которого

I вместе с выходами селектора импульсов—

6, через распределитель — 7, подключены к

I входам триггеров — 8, 8, выходы которых

) и соединены с входами измерителя интервалов — 9 устройства, Система работает следующим образом, Передающее устройство 1 формирует в электрической сети импульсные сигналы при подаче управляющих сигналов с блока

5 на вентили 1 (фиг,2). Вентили отпираются с заданными углами а Nа+к, в которые и формируются импульсные сигналы в виде кратковременных посадок напряжения сети, Айалогичным образом импульсные сигналы управления формируют и на приемной стороне системы, на выходе формирователя

5 (фиг.2), которые затем подают на первый вход распределителя — 7 . При этом, I поступающие из электрической сети сигналы от передающего устройства выявляют с помощью импульсного селектора — 6 и подI ают на второй вход распределителя — 7, с

I помощью которого на выходах триггеров—

8 и 8 формируются импульсы суммарной и

Разностной Длительности — 71 и р2 (фиг.1е к ж), по которым в блоке измерителя интервалов — 9, реализуется функция определения величины искомого угла д1,2, в соответствии с выражением т1 т2 2z д, и

1,2 2 о

На основе метода симметричнь1х составляющих мощности сигнала формированного вентильным передатчиком (П) — фиг.2, на шинах U2 опреДеляется в соответствии с (2) формулами:

g = Uf2 Угс

Umc, Ck fluff (.-т Ls)

1 впе Uf — — напряжение

RB + Ъ в .в) вв4

1 и сигнала, Yfc = Yfc + Yfc + Yfc — РезУльтИРУющая проводимость электросети прямой, обратной, нулевой последовательностей, La; Вв — токоограничивающее сопротивление передатчика (вентилей); LT — индуктивность сетевых трансформаторов, Ск удельный коэффициент гармоники в спектре сигнала, во, вг — круговая частота напряжения сети и гармоники сигнала, соответственно.

Каждое значение Ск зависит от угла отпирания вентилей (а1;а2). Так как наибольшее практическое значение Uf определяется первым десятком гармоник в расчетах принимались значения k от 1 до 10 и в (3) получены адекватные упрощенные формулы расчета уровня сигнала прямой по5

Быстродействие ty блоков управления (3, 4) на основе цифрового фазоимпульсного устройства также составляет (0,02 — 0,04) с, поэтому время срабатывания передатчика не превысит 0,06 с, что значительно меньше времени срабатывания передатчика ПРОТОТИПА (2,3 — 2,5) с.

Точность (погрешность) отработки углов включения а вентильного передатчика ollределяется стабильностью работы фазоимпульсного узла 3; 3 . В случае использования

1 генератора пилообразного напряжения (ГПН) угол включения определяется выражением фазы выходного импульса блока 3;

Lj 0о !о Г +

Un + Uy Бзк ip t

+ arcsin — — .

ЛО, где RC — времязадающая цепочка;

55 следовательности с учетом эквивалентных сопротивлений сети Zc и передатчика Упер..

Uf= hU=Umc " е " sino,, пер + -с где a — угол включения вентилей передатчика.

Полученный сигнал распространяется по электросетям вправо к шинам U1 и влево к шинам 03 от точки несимметрии (шины U2)

20 с затуханием, определяющимся коэффициентами распределения ( с И К 3 с тЕ ф с! +7. 3 Z 1+Z 3 соотношениями сопротивлений левой и правой части электрической сети бтносительно шин U2. В соответствии с данными (2) затухайие напряжения сигнала составляет (25 — 50) Д и может быть выявлено прием30 никами с чуствительностью — - — . Для

h,U

2 электросети напряжением 110 кВ, мощностью (250-1 000) мВА такие уровни сигналов можно обеспечить передатчиком при

35 Вв =1000 Ом; 1 в+ Ly 0,006 Гн. Быстродействие t силовой схемы передатчика (фиг,2) определится из выражения; а 47(Ь, +f f

1783452

U; U — напряжение питания, управления;

Uo, lo — напряжение, ток нуль-органа;

U K — напряжение транзисторного ключа синхронизации;

Ос. Л0с — напряжение синхронизации

50 Гц (его отклонение).

Нестабильность уставки Лcr определится с помощью частных производных и формулы: а =- d U„-(ВС а в+оС аК+ вас

+в РдС) In

L4

Un + Uy

Приняв средние значения отклонений параметров для общепромышленных элементов и узлов при температуре среды 20 С

=05 %; — = 025 %;

U гО

= 0,2 о/ . = P 4 оУ получим суммарную относительную погрешность:, = 0,005 + 0,0025 + 0,002 + а

+ 0,004 =0,0135 0,02, что на порядок лучше погрешности рассмотренного прототипа, составляющего и (20—

25) /

Время тс прохождения импульсов hU сигнала по участкам I> и 12 линии 110 кВ практически не превышает трех периодов частоты 50 Гц. Переходные процессы, при включении передатчика П, протекают на питающих центрах сравнительно быстро и заканчиваются через 2-3 периода частоты 50

Гц, Таким образом полное время формирования и передачи информативного сигнала

t> в дан ном способе on редели ся суммой ти

= Ь + 4 0,02с + 0,06с 0,08с, что значительно меньше времени прохождения сигналов в ВЧ канале прототипа (0,5 — 1) с, °

Время приема и отработки информационного канала в точке 1 складывается из суммы времен срабатывания функциональных элементов,,приемника: 5 — 4 — 6 — 7 — 8 — 910, Наибольшее из которых у 5 и 4, а также у измерителя интервалов 10, составляющее

0,02 с и 0,04 с. Остальные элементы имеют быстродействие 2 — 3 мкс, т.е.

tпр = 002+ 002 + 004+ 3 (2-3) 10 с 0,1 с, Таким образом время полного цикла Т«. с работы устройств предложенного способа значительно меньше нежели у прототипа

Тци

5 Тцс = ти + тпр = 0,08 с + 0,1 с =

= 0,18 с < Тци =(2,7 — 3,6) с.

Таким образом доказано преимущество нового способа над известным (прототипом) и по точности и быстродействию, 10 Формула изобретения

Способ определения угла сдвига фаз между напряжениями в двух узловых точках электрической сети, основанный на формированйи первичного (опорного) сигнала иэ

15 напряжения сети в близлежащей узловой точке, телеметрической передаче в этуточку угла сдвига фаз вторичного сигнала, сформированного в удаленной узловой точке электрической сети, измерений искомого

20 сдвига фаэ в близлежащей узловой точке между первичным и вторичным сигналами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, вторичный сигнал формируют путем кра ко25 временных посадок напряжения сети в удаленной узловой точке дважды эа период напряжения сети в моменты, когда угол сдвига фаз по отношению к переходу вторичного напряжения через нуль принимает

30 заданные значения аул+а, выделяют в распространяющемся по данной электрической сети сигнале упомянутые посадки напряжения в близлежащей узловой точке в виде вторичных импульсных сигналов, пер35 вичные импульсные сигналы формируют со сдвигом по фазе относительно перехода напряжения сети в близлежащей точке через нуль, равным заданным выше значениям айте+а, с помощью упомянутых первич40 ного и вторичного импульсных сигналов формируют два импульса длительностью

Т Т

71 =- — + Г и т2 + — — 7 В течение одного пе2 2 риода напряжения сети, периодТи длитель45 ности T) и У2 измеряют, а искомый фазовый сдвиг определяют по формуле (1 2) Р

К

Т

50 где Т вЂ” период сетевого напряжения; т — временной сдвиг, пропорциональный искомому сдвигу фаэ.

1783452 с а . Ceca/ юмиэ арьюгм ...

Составитель А.Ленчевский

Техред М.Моргентал Корректор М,Шароши

Редактор

Заказ 4513 Тираж Подписное м и и ГКНТ СССР

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГК

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

П оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101