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Einrichtung zur Steuerung der Frequenz, der Lastverteilung und der
synchronen Uhrzeit in einem elektrischen Verbundnetz Die bekannten Einrichtungen
für die Steuerung von Frequenz und Lastverteilung in großen elektrischen Netzen
sind in der Hauptsache die folgenden.: Die einfachste Einrichtung der Frequenz-
und Leitungssteuerung erfolgt mit Hilfe der gewöhnlichen Geschwindigkeitsregler
der Primärmaschinen (Wasser- oder Dampfturbinen). Infolge der Neigung der Regelkennlinien
übernimmt jeder Maschinensatz einen bestimmten Teil der Netzlast, d. h. durch entsprechende
Regelkennlinieneinstellung kann eine gewünschte Lastverteilung erzielt werden. Bei
dieser Einrichtung hat jede Änderung .der Gesamtbelastung eine Frequenzänderung
zur Folge, die unerwünscht ist. Durch eine zusätzliche sekundäre Steuerung wird
daher die Frequenz korrigiert. Diese Korrektur übernehmen die stärksten Kraftwerke
im Verbundnetz, die durch Steuerung der Frequenz damit alle Belastungsschwankungen
auf sich ziehen. Der Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, da,ß nur ein. Kraftwerk
oder nur eine Gruppe von Kraftwerken alle Belastungsänderungen übernimmt, während
die übrigen Kraftwerke praktisch konstant belastet sind.
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Eine weitere bekannte Einrichtung beseitigt den vorerwähnten Nachteil,
indem die sekundäre Frequcnzkorrektur durch die Geschwindigkeitsregler der Kraftmaschinen
erfolgt. Die Korrektur erfolgt in Abli:iiigigkeit von der zeitlichen Verspätung
der rotierende» Systeme der Generatoren gegenüber der genauen Zeit. Diese Art der
Regelung erfordert genaue Uhren, gestattet aber, alle Kraftwerke des Verbundnetzes
ai; der Steuerung der Frequenz zu beteiligen. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht
darin, daß sich jede Laständerung im Netzgebiet eines Kraftwerkes auch auf die Kraftwerke
in anderen auswirkt, wodurch unnötigerweise elektrische Energie einem Netzgebiet
zum anderen Netzgebiet transportiert wird.
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Es ist schon vorgeschlagen worden. die Lastverteilung zwischen den
Maschinen oder zwischen den geregelten Systemen in Abhängigkeit von der Frequenzänderung
vorzunehmen. Eine Erweiterung dieses Verfahrens besteht darin. die Netzkennlinien
gleichzeitig anzuheben oder zu senken, um einen synchronen Lauf des Netzes mit genauen
Uhren zu erhalten.
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Zur Beschleunigung der normalen Netzkennlinienregelung hat man auch
schon vorgesehen, den normalen sekundären Regler durch die erste Ableitung der Geschwindigkeit
nach der Zeit zu beeinflussen. Da. die Resultierende der Einflußgrößen aber auf
einen Verstellmotor einwirkt, beeinflußt die erste Ableitung der Frequenz nach der
Zeit nicht direkt die Geschwindigkeit der Regelung, sondern hat im wesentlichen
eine Stabilisierung des Regelkreises zur Folge. Treten Belastungsänderungen auf,
so setzen sich bei dieser Regelart alle Geschwindigkeitsregler in Bewegung oder
öffnen die Regelventile. Die Lastverteilung erfolgt in der nachträglichen Sekundärregelung.
Demgegenüber wirken bei der neuen Einrichtung die Einflußgrößen direkt auf das Steuerventil,
wodurch erreicht wird, daß schon bei den ersten Bewegungen des Reglers die Lastverteilung
berücksichtigt wird. Die Belastungsänderungen werden sofort und allein durch das
Kraftwerk aufgenommen, in dessen Netzgebiet die Belastungsänderung aufgetreten ist,
d. h. die Belastung wird selbsttätig auf diejenäge Maschine gegeben, die die Leistung
aufnehmen soll ohne irgendwelche Eingriffe eines Lastverteilers. Die Regelung nach
der Kennliniensteuerung erfordert, daß zunächst eire Frequenzänderung vorhanden
ist und ebenso eine unerwünschte Lastverteilung, damit festgestellt werden kann,
in welcher Richtung geregelt werden muß, um die richtige Lastverteilung zu erhalten.
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Die bisher beste Art der Leistungsfrequenzsteuerung beseitigt die
Hauptnachteile der vorerwähnten Einrichtungen. Bei ihr wird an der Verbindungsstelle
zwischen den verschiedenen Netzgebieten neben der Frequenz auch die Übergabeleistung
gemessen. Hierdurch kann festgestellt werden, ob die Leistungsänderung, die eine
Frequenzänderung hervorgerufen hat, inner- oder auerhalb des betrachteten Netzgebietes
aufgetreten ist. Erst nach dieser Feststellung werden Impulse für die endgültige
Lastverteilung g&-geben. Die Belastungsänderung wird dann von den Kraftwerken
desjenigen Netzgebietes übernommen,
in dem die Belastungsänderung
eintrat, bzw. die Kraftwerke der anderen Netzgebiete warten ab, bis die Belastungsänderung
durch das Kraftwerk, in dessen Netzgebiet diese eintrat, übernommen wurde.
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Das zuletzt beschriebene Prinzip der Steuerung von Verbundnetzen ist
für die Verständlichkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung von Bedeutung und wird
deshalb an einem Zahlenbeispiel und an Hand der Fig. 1 der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines aus zwei Kraftwerken bestehenden
Verbundnetzes, Fig. 2 die Diagramme für die Änderung der Einflußgrößen als Funktion
der Zeit (Übergangsfunktionen), Fig@3 eine Verstärkerschaltung zur elektrischen
Nachbildung der Steuergrößen.
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In Fig. 1 sind mit .1 und B zwei Kraftwerke bezeichnet, in deren Zuleitungen
zum eigenen Netzgebiet jeweils die Freque-nzmeßeinrich.tungen fA und f$ angeordnet
sind. Durch die Verbundleitung C sind. die Kraftwerke des Netzgebietes A und des
Netzgebietes B miteinander elektrisch verbunden. An den Leistun.gs-Übergabestellen.
PA und P$ sind Meßeinrichtungen zur Erfassung der Übergabeleistungen, angeordnet.
Mit t sind Zeitmeßeinrichtungen bezeichnet. Wirkpfeile, die von den Meßeinrichungen
fA, PA t
und fB, P$, t ausgehen, deuten die Einwirkung auf die Regleranordnungen
R_4 und RB an.
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Es wird nun angenommen, daß z. B. die Regler des Kraftwerkes A solche
Regelkenn:linien, besitzen, daß beim Sinken der Frequenz um 1 Hz (z. B. von 50 auf
49 Hz) das Kraftwerk B eine zusätzliche Leistung von 100 MW übernimmt. Für das Kraftwerk
B ergebe sich bei den gleichen Bedingungen eine zusätzliche Leistungsübernahme von
200 MW. Die hinsichtlich der Lastübernahme charakteristischen Kennwerte (Konstanten)
sind damit KA = 100 MW/Hz, KB =
200 MW/Hz bzw. für das ganze Verbundnetz K
= 300 MMT/Hz.
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Die Einrichtungen für die Frequenzmessung und die Messung der lYbergabeleistungen
sind. so eingestellt, daß sie- den Konstantem KA und KB entsprechen. Das
bedeutet, daß der von der Belastungsänderung hervorgerufene Einfluß größenmäßig
immer gleich dem Einfluß der Frequenzänderung ist.
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Bei einer außerhalb des eigenen Netzgebietes auftretenden Lasterhöhung
steigt die Übergabeleistung in das andere Netzgebiet zunächst an, wobei die Einflüsse
der beiden Mcßgrößen gleich groß, jedoch entgegengesetzt gerichtet sind, so daß
die Sekundärregler des eigenen Netzes keinen Befehl zum Eingreifen erhalten. Zum
Beispiel werden. sich bei der zusätzlichen Belastung des Netzgebietes B mit einer
Last QB = 150 MW alle Regleranordnungen in Bewegung setzen, um bei einer
Frequenzänderung von 0,5 Hz einen neuen Gleichgewichtszustand herzustellen. Die
Lastverteilung auf die beiden Kraftwerke A und B entspricht im neuen Zustand ihren
Frequenzkennlinien. Es entfallen beim gewählten Beispiel auf das Kraftwerk A 50
MW und auf das Kraftwerk B 100 MW der zusätzlichen Belastung. Das bedeutet aber,
daß aus dem Netzgebiet des Kraftwerkes A dem Netzgebiet des Kraftwerkes B zusätzlich
50 MW zufließen müssen. Für den sekundären Leistungsfrequenzregler des Netzgebietes
A bedeutet dies weiterhin einen Gleichgewichtszustand, da, sich die Auswirkungen
der Frequenzänd,erung und der Übergabeleistungsänderun:g aufheben. Die Sekundärregler
des Netzgebietes A greifen daher nicht ein,, sie geben weder Befehle zur Lastübernahme
noch zur La.streduzierung. Bei den sekundären Reglern des Netzgebietes B dagegen
wirken die von der Frequenz- und Belastungsänderung ausgehenden Einflüsse im gleichen
Sinne, so daß für das Kraftwerk des Netzgebietes B der Befehl zur Übernahme der
Belastungsänderung gegeben wird. Endgültig wird also erst dann eine Gleichgewichtslage
hergestellt, wenn das Kraftwerk des Netzgebietes B die gesamte zusätzliche' Last
Q$ = 150 MW übernommen hat. In dieser neuen: Gleichgewichtslage stellt sich
die gleiche Frequenz wie vor der Belastungsänderung ein.
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Für den Fall, da.ß sich in dem Netzgebiet A die Last um den gleichen
Betrag (150 MW) ändert, ergeben sich in diesem Netzgebiet ähnliche Verhältnisse,
jedoch mit dem Unterschied, d.aß vor Eingreifen der sekundären Regler eine zusätzliche
Leistung von 100 MW vom Netzgebiet B zum Netzgebiet A fließt. Die sekundären Leistungsfrequenzregler
des Netzgebietes A greifen ein, und der endgültige Gleichgewichtszustand wird erst
dann wieder erreicht, wenn das Kraftwerk des Netzgebietes A die angefallener 150,
MW übernommen hat.
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Der Nachteil dieser Einrichtung zur Steuerung der Frequenz und der
Lastverteilung in Verbundnetzen ist seine langsame Arbeitsweise. Nach dem Entstehen.
der Belastungsänderung, die sich entsprechend den. Regelkennlinien der Regleranordnungen
auf alle Kraftwerke verteilt, folgt eine langsame und träge Steuerung auf die gewünschte
Lastverteilung zwischen den Kraftwerken der Netzgebiete A und B. Der
Vorteil dieser Steuereinrichtung gegenüber dein vorher beschriebenen Einrichtungen
besteht darin, daß beliebig viele Kraftwerke an der Konstanthaltung der Frequenz
beteiligt werden können, Es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, d,aß die sekundären
Regleranordnungen die neue Lastverteilu,ng bis zum Eintritt einer erneuten Belastungsänderung
infolge ihrer trägen Arbeitsweise noch nicht eingestellt haben. Die sekundären Regleranordnungen
sind daher praktisch dauernd in Tätigkeit.
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Die neue Einrichtung zur Steuerung der Frequenz, der Lastverteilung
und der synchronen Uhrzeit in einem elektrischen Verbundnetz beseitigt die vorher
beschriebenen Nachteile und unterscheidet sich wesentlich von den bekannten Steuereinrichtungen.
Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Regleranordnungen. jedes Kraftwerkes des
Verbundnetzes in Abhängigkeit von je zwei Gruppen von Steuergrößen stehen, nämlich
von einer ersten Gruppe, die zwei oder mehrere der folgenden Größen umfaßt: a) die
Generatorgeschwindigkeit, h) die erste Ableitung der Generatorgeschwindigkeit nach
der Zeit, c) die zweite Ableitung der Generatorgeschwind.igkeit nach der Zeit, d)
das Zeitintegral der Abweichung der Generatorgeschwindigkeit vom Sollwert, e) die
Übergabeleistung des Kraftwerkes, f) die erste Ableitung dieser Übergabeleistung
nach der Zeit, g) das Zeitintegral der Übergabeleistung.
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derart, daß die Einflußgrößen sich in ihrer Wirkung auf die Regleranordnungen
desjenigen Kraftwerkes verstärken, in dessen Netzgebiet eine Belastungsänderung
auftritt, sich aber in ihrer Wirkung auf die Regleranordnunge-n der übrigen Kraftwerke
aufheben, so daß die: Belastungsänderung sofort und allein durch das Kraftwerk des
vorgenannten Netzgebietes aufgenommen wird, ferner von einer zweiten Gruppe, die
h)
die bei einer Belastungsänderung hervorgerufene zeitliche Differenz des Generatorsystems
gegenüber der genauen: Zeit und i) die Übergabeleistung umfaßt und auf die Kennlinienverstellglieder
der Regleranordnungen im Sinne einer Korrektur der Restfehler bezüglich der Lastverteilung
des Verbundnetzes und, des Netzbetriebes einwirkt, die als Folge der Stoßwirkung
bei einer Belastungsänderung durch, den Eingriff der ersten Gruppe nicht erfaßt
werden.
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Die neue Einrichtung arbeitet in zwei zeitlich aufeinanderfolgenden
Schritten. Dabei ist es nicht notwendig, daß alle der genannten. Größen für die
Steuerung benutzt werden. Während des ersten schnellen Schrittes kann z. B. nur
ein: Vergleich der Änderung der Schwungmassengeschwindiglceit mit der Änderung der
Übergabeleistung vorgenommen und. nachher während des zweiten Schrittes eine langsamere
Korrektur der Restfehler durch Vergleich der zeitlichen Verspätung der mit dem Generatorsystem
synchronisierten Uhren gegenüber der genauen Zeit durchgeführt werden.
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Zur näheren Erläuterung betrachten wir wieder die schematische Darstellung
eines aus zwei Kraftwerken bestehenden Verbundnetzes nach Fig. 1 und die Diagramme
der Fig.2, aber vorläufig nur den Übergangszustand kurz nach dem Auftreffen einer
Belastungsänderung in einem Netzgebiet.
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Gegenüber der zuletzt beschriebenen Einrichtung werden die Konstanten
für die Lastaufnahme im Beharrungszustand mit LA und L8 bzw. für das ganze Verbundnetz
mit L bezeichnet. Die für die Lastverteilung maßgebenden Größen, werden nicht mehr
in MW/Hz, sondern in MW/s für den Beharrungszustand. und in MW/s2 für den. Übergangszustand
ausgedrückt. Für den Beharrungszustand bedeutet dies. daß das Wechselstromnetzsystem
um so. mehr Sekunden gegenüber der genauen Zeit nacheilt, je stärker das Netz belastet
wird. Weiter werden die Konstanten für die Lastaufnahme im Übergangszustand eingeführt.
Sie gehen die Leistungen an, die sich hei einer Geschwindigkeitsänderung- der Schwungmassen
ergeben, und sind mit 117A und MB bzw. für das ganze Verbundnetz mit llT
(Dimension MW/s22) bezeichnet. Die Konstanten MA undMB sind nur von den rotierenden
Massen abhängig, dagegen können die Konstanten LA und L8 durch entsprechende
Einstellung der Regleranordnungen beliebig gewählt werden.
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Bei einer plötzlichen Laständerung im Netzgebiet h um die Last Q8
(MW) wird zunächst aus den rotierenden Schwungmassen Energie entnommen, wodurch
die Geschwindigkeit sinkt, da infolge der Trägheit der Regler die treibenden Momente
der Kraftmaschinen nicht plötzlich dem Belastungsmoment a,ngepaßt werden können.
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In Fig.2, die die Diagramme der Änderung der Einflußgrößen als Funktion
der Zeit zeigt, sind die Übergangsfunktionen idealisiert dargestellt, d. h. sie
ergehen sich unter der Voraussetzung, daß eine starre Verbindung zwischen den Schwungmassen
der Kraftwerke bzw. der Generatoren vorhanden ist. Diese Voraussetzung vereinfacht
die Betrachtungsweise und entspricht allen Anforderungen mit genügender Genauigkeit.
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Durch eine zusätzliche Belastung sinke die Frequenz bzw. die Geschwindigkeit
der Kraftmaschinen gleichmäßig ab, wie die Diagramme 1 a und 1 b der Fig. 2 zeigen.
Die erste Ableitung der Geschwindigkeit ist konstant mit negativem Vorzeichen. wie
die: in der zweiten Zeile der Übergangsfunktionen in den Diagrammen 2a und
2 b dargestellt ist. Die zweite Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit
ist theoretisch unendlich groß; in der dritten Zeile der Fig. 2 sind die Diagramme
3 a. und 3 b der entsprechenden Übergangsfunktionen dargestellt, wie sie sich bei
der Messung praktisch ergeben. In Wirklichkeit wäre dies nämlich ein unendlich kurzer,
aber hinsichtlich der Amplitude unendlich großer Impuls. Auch die zweite Ableitung
der Geschwindigkeit ist in den beiden Kraftwerken gleich. Die nächste Zeile der
Übergangsfunktionen mit dem Diagramm 4 b stellt die Belastungsänderung dar, und
zwar die Belastungsänderung Q8 im Netzgebiet B, die das Absinken, der Geschwindigkeit
hervorgerufen hat. Diese Belastungsänderung wird sofort auf leide Kraftwerke übertragen,
und zwar im Verhältnis ihrer Konstanten. MA und .,1ß für den Übergangszustand.
Dies bedeutet, wie aus der fünften Zeile der Übergangsfunktionen mit den Diagrammen
5 a und 5 b hervorgeht, eine Zunahme der aus dem Netzgebiet des Kraftwerkes A in
das Netzgebiet des Kraftwerkes B fließenden übergabeleistung. An den Meßstellen.
wird also für das Kraftwerk A eine Zunahme der vom Netzgebiet A
zum
Netzgebiet B fließenden Übergabeleistung und für das Kraftwerk B eine Abnahme der
vom Netzgebiet B zum Netzgebiet A fließenden. Übergabeleistung festgestellt. Die
Vorzeichen. der Übergangsfunktionen, wie sie in der fünften Zeile der Fig. 2 in
den Diagrammen: 5 a und 5 b dargestellt sind und auch ihre ersten Ableitungen, dargestellt
in den, Diagrammen 6a und 6b, sind verschieden. Der Unterschied der Vorzeichen der
diesen Übergangsfunktionen entsprechenden Einflußgrößen an den Übergabemeßstellen
wird - bei gleichen Vorzeichen der Geschwindigkeitsänderungen an beiden Stellen
- dazu benutzt, um vom ersten Augenblick an festzustellen, ob die Laständerung im
eigenen Netzgebiet oder außerhalb des eigenen Netzgebietes eingetreten ist. Durch
die Verwendung der zweiten Ableitung der Geschwindigkeit als Einflußgröße wird die
Regelung stark stabilisiert. Die Regleranordnungen führen stark gedämpfte und schnelle
Bewegungen aus. In derselben Weise wirkt auch die erste Ableitung der Leistung an
der Übergabestelle auf die Regleranordnungen ein.
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Beim richtigen Abgleich der Einflußgröße der Leistungsänderung, ihrer
ersten Ableitung sowie der Einflußgröße der Beschleunigung und der Ein.flußgröße
der zweiten Ableitung der Geschwindigkeit kann erreicht «erden, daß sich die Einflußgrößen
beim Kraftwerk A aufheben, wenn die Belastungsänderung außerhalb des Netzgebietes
A liegt. Somit werden die Regleranordnungen des Netzgebietes A überhaupt nicht in
Tätigkeit treten,. Dies entspricht der Forderung, daß das Kraftwerk A die aufgetretene
Belastungsänderung nicht übernehmen soll.
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Im Kraftwerk B sind die Verhältnisse umgekehrt, weil die Vorzeichen
der den Übergangsfunktionen 5a und 5 b entsprechenden Einflußgrößen - bei gleichen
Vorzeichen der Geschwindigkeitsänderungen - entgegengesetzt sind. Deshalb wird die
Einwirkung auf die Regleranordnungen. des Kraftwerkes B verstärkt, so daß dessen
Kraftmaschinen die Last allein schnell übernehmen. Die Verstärkung der Einwirkung
auf die Regleranordnungen ergibt sich daraus, daß die Leistungsänderung in der Verbindungsleitung
C und auch die Geschwindigkeitsänderung mit ihren höheren Ableitungen in gleichem
Sinne auf die Regleranordnungen einwirkt.
Der Einfluß der zweiten
Alleitung der Geschwindigkeit und der ersten Ableitung der Leistung an der Übergabestelle
bewirkt, daß die Regleranordnungen immer stabil arbeiten.
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Nachdem der Vorgang der schnellen Lastübernahme beendet ist, nehmen
die Kraftmaschinenregler schon annähernd ihre endgültige Lage ein. Die Last wird
im weiteren Verlauf entsprechend den Konstanten LA und L8 aufgeteilt. Zu
diesem Zweck wird das Integral der Geschwindigkeitsänderung bzw. die zeitliche Verspätung
des Wechselstromzeitsystems gegenüber der genauen Zeit gemessen. Falls eine integrale
Leistungsregelung auf der Verbindungsleitung gewünscht wird, muß noch das Integral
der Leistungsänderung (der Energieaustausch) gemessen werden.
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Diese nachträgliche Steuerung der Lastverteilung entspricht der üblichen
Steuerung, jedoch mit dein Unterschied, daß bei der Beendigung des ersten Steuervorganges
schon die richtige Lastverteilung erreicht wurde mit Ausnahme kleiner, durch die
Belastungsänderung hervorgerufener Restfehler bezüglich der Lastverteilung des Verbundnetzes
und des Netzbetriebes.
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Diese Korrektur der Restfehler erfolgt mit Hilfe einer Verschiebung
der statischen Kennlinien, (proportionalisierten Kennlinien) der Regleranordnungen,
nachdem der Übergangszustand beendet ist. Es wird hierfür die zeitliche Differenz
zwischen dem Generatorsystem und der genauen Zeit benutzt, ähnlich wie bei bekannten
Einrichtungen, jedoch mit dem Unterschied, daß nicht mehr die Frequenzunterschiede,
sondern die zeitlichen Abweichungen der Generatorsysteine von der genauen Zeit mit
eventuell noch vorhandenen Leistungsdifferenzen an der Übergabestelle verglichen
werden.
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Nachdem die Regleranordnungen ihre Ruhestellung eingenommen haben,
bestehen bei einer integralen Leistungsregelung der Übergabeleistung keine zeitlichen.
Unterschiede zwischen der dem Generatorsystein entsprechenden und der genauen Zeit.
Somit kann man mit Hilfe der Lage der Korrektionseinrichtung für die zeitliche Verspätung
und der Gesamtbelastung der Kraftwerksmaschinen in jedem Augenblick die mit dein
Generatorsystem synchronisierten Uhren nachprüfen, ohne genaue Zeitsignale benutzen
zu müssen. Dabei reicht es aus, wenn nur in einem einzigen Netzgebiet die Uhrgenauigkeit
in gewissen Zeitabständen nachgeprüft wird.
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Als Grundelement für die neue Steuereinrichtung dient ein elektrischer
oder magnetischer Verstärker nach Fig. 3 mit großem Verstärkungsfaktor, der am Eingang
einen Kondensator und in einem Rückführungskreis eine Drosselspule und einen ohmschen
Widerstand aufweist. Durch Änderung des ohinschen NViderstandes und der Drosselspule
im Kreise der negativen Rückführung kann man die Einflüsse der ersten und zweiten
Ableitung der Geschwindigkeit der Größe nach einstellen, und damit die Regleranordnungen
den vorher angegebenen Bedingungen anpassen. Die Messung der Leistung und ihre ersten
Ableitungen nach der Zeit kann mit der gleichen Schaltung erfolgen, wobei die eigentliche
Messung durch Fernmessung erfolgt, die nicht verzögerungsfrei ist. Der zeitliche
Ablauf der Verzögerung entspricht angenähert einem exponentiellen Verlauf. Damit
wird eine zweifache Differenzierung in Wirklichkeit nur die Leistung und ihre Ableitung
nachbilden. Die Messung des Zeitintegrals erfolgt durch den Vergleich einer mit
dem Gen,eratorsystem synchronisierten Uhr und einer Präzisionsuhr, da, die ganze
Steuerung eine Steuerung auf Gleichlauf mit der genauen Zeit ist.