PL205018B1

PL205018B1 - Sposób realizacji warunku fazowego podczas automatycznej synchronizacji obiektów elektroenergetycznych

Info

Publication number: PL205018B1
Application number: PL368796A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Grono; Piotr Niklas; Grzegorz Redlarski
Original assignee: Politechnika Gdanska
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2010-03-31
Also published as: PL368796A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób realizacji warunku fazowego podczas automatycznej synchronizacji obiektów elektroenergetycznych. Znajduje on zastosowanie podczas łączenia do pracy równoległej obiektów elektroenergetycznych, w szczególności prądnic synchronicznych lub wydzielonych części systemu elektroenergetycznego, zwłaszcza w stanach nieustalonych spowodowanych zakłóceniami w pracy systemu elektroenergetycznego.

Jednym z bardziej istotnych urządzeń automatyki elektroenergetycznej jest automatyczny synchronizator. Najważniejszym jego zadaniem jest realizacja predykcji związana z wyznaczaniem chwili podania sygnału załączającego wyłącznik główny obiektu elektroenergetycznego, którym zwykle jest stykowy aparat łączeniowy o własnym czasie załączania równym od 20 ms do 250 ms i więcej, zależnie od jego rodzaju. Zgodnie z fazowym warunkiem synchronizacji, styki wyłącznika powinny zamknąć się wówczas, gdy kąt niezgodności fazowej napięć obiektów synchronizowanych jest równy zeru. Aby spełnić ten warunek, sygnał załączający wyłącznik główny należy podać z wyprzedzeniem równym czasowi załączania tego wyłącznika. Realizacja stałości czasu wyprzedzenia należy do głównych zadań automatycznego synchronizatora i wiąże się z realizacją predykcji chwili zamknięcia styków wyłącznika głównego na podstawie chwilowych wartości wybranych parametrów systemu elektroenergetycznego oraz ewentualnie tendencji ich zmian. Od prawidłowości realizacji tego zadania zależy bezpośrednio dokładność i niezawodność prowadzenia procesu synchronizacji.

Nieprawidłowe załączenie obiektu synchronizowanego do pracy równoległej może być powodem, mimo licznych zabezpieczeń, bardzo poważnych zakłóceń, a nawet awarii systemu elektroenergetycznego. Na przykład załączenie synchronizowanych obiektów elektroenergetycznych w przeciwfazie ich napięć odpowiada stanowi zwarcia przy podwójnej wartości napięcia znamionowego. Przyczynia się do tego także charakter procesu przejściowego podczas synchronizacji, w którym biorą udział reaktancje nadprzejściowe, a których wartości są znacznie mniejsze od wartości pozostałych reaktancji. Omawiana operacja jest szczególnie trudna do realizacji w stanach zakłóceniowych systemu elektroenergetycznego. Dotychczasowe automatyczne synchronizatory realizują predykcję chwili zgodności fazowej napięć na podstawie liniowej ekstrapolacji przebiegu kąta niezgodności fazowej napięć synchronizowanych obiektów elektroenergetycznych. W warunkach normalnych takie przybliżenie jest dopuszczalne i nie wnosi istotnych błędów predykcji. Natomiast, aby nie dopuścić do znacznych perturbacji wywołanych synchronizacją w systemie elektroenergetycznym w stanach zakłóceniowych, wprowadza się znaczne ograniczenia na dopuszczalne tolerancje w niespełnieniu warunków synchronizacji. To z kolei często powoduje niemożność wprowadzenia do ruchu kolejnego bloku elektroenergetycznego, czyli uzyskania - zwykle niezbędnej w takich przypadkach - mocy w systemie. Bywa to powodem licznych i rozległych awarii, łącznie z brakiem zasilania energią elektryczną na znacznych obszarach. Wydarzenia ostatnich lat są tego znakomitym dowodem.

Znany jest z opisu patentowego nr 180418 pierwszy sposób automatycznej synchronizacji obiektów elektroenergetycznych polegający na ustalaniu chwili podania sygnału załączającego wyłącznik główny obiektu elektroenergetycznego przy pomocy odwrotnego miernika czasu na podstawie zadanego czasu wyprzedzania równego czasowi załączania tego wyłącznika oraz czasu predykcyjnego, do którego wyznaczania wykorzystuje się pomiar czasu upływającego od chwili przejścia przez wartość zerową w określonym kierunku napięcia jednego z synchronizowanych obiektów elektroenergetycznych do chwili najbliższego przejścia przez wartość zerową w tym samym kierunku napięcia drugiego synchronizowanego obiektu elektroenergetycznego, który charakteryzuje się tym, że od chwili rozpoczęcia synchronizacji przez podanie sygnału startowego, w każdym okresie jednego z napięć obiektów synchronizowanych wyznacza się w bloku obliczającym, na podstawie pomiarów w miernikach okresów i elemencie przerzutnikowym, przewidywany czas do chwili zgodności fazowej tych napięć, równy czasowi predykcyjnemu według zależności

Pi

T·,

T1 - T2 ^tAi gdzie:

T·, T2 - okresy napięć obiektów synchronizowanych,

TAi - czas, jaki upływa od chwili przejścia przez wartość zerową w określonym kierunku napięcia jednego z synchronizowanych obiektów elektroenergetycznych do chwili najbliższego przejścia

PL 205 018 B1 przez wartość zerową w tym samym kierunku napięcia drugiego synchronizowanego obiektu elektroenergetycznego.

Jeżeli obliczenia zakończą się w czasie krótszym od ustalonego dopuszczalnego czasu obliczeń, odmierzanego w elemencie opóźniającym, a wartość czasu predykcyjnego spełnia sprawdzany w bloku porównują cym warunek tv < tpi < tv + T2 gdzie:

tv, - zadany czas wyprzedzania,

T2 - okres napięcia o większej częstotliwości, to wartość tę wykorzystuje się do rozpoczęcia odliczania czasu w odwrotnym mierniku czasu aż do osiągnięcia zadanego czasu wyprzedzania i w tej chwili generuje się sygnał załączenia wyłącznika głównego obiektu elektroenergetycznego. Natomiast, jeśli obliczenia czasu predykcyjnego trwają dłużej niż ustalony dopuszczalny czas obliczeń, przerywa się je, a jeśli obliczona dla tego okresu wartość czasu predykcyjnego nie spełnia warunku tv < tpi < tv + T2, wykorzystuje się i sprawdza kolejną wartość czasu predykcyjnego, wyznaczoną dla następnego okresu.

Znany jest również z opisu patentowego nr 180430 drugi sposób realizacji warunku fazowego podczas automatycznej synchronizacji obiektów elektroenergetycznych, polegający na określaniu chwili podania sygnału załączającego wyłącznik główny obiektu elektroenergetycznego na podstawie zadanego czasu wyprzedzania równego czasowi załączania tego wyłącznika oraz czasu predykcyjnego, do którego wyznaczania wykorzystuje się pomiar czasu upływającego od chwili przejścia przez wartość zerową w określonym kierunku napięcia jednego z synchronizowanych obiektów elektroenergetycznych do chwili najbliższego przejścia przez wartość zerową w tym samym kierunku napięcia drugiego synchronizowanego obiektu elektroenergetycznego. Sposób charakteryzuje się tym, że od chwili podania sygnału startowego synchronizacji rozpoczyna się odliczanie czasu bieżącego i w każdym okresie jednego z napięć obiektów synchronizowanych wyznacza się przewidywany czas do chwili zgodności fazowej tych napięć, równy czasowi predykcyjnemu, według zależności

gdzie:

T1, T2 - okresy napięć obiektów synchronizowanych,

TAi - czas, jaki upływa od chwili przejścia przez wartość zerową w określonym kierunku napięcia jednego z synchronizowanych obiektów elektroenergetycznych do chwili najbliższego przejścia przez wartość zerową w tym samym kierunku napięcia drugiego synchronizowanego obiektu elektroenergetycznego w tym cyklu pomiarowym. Ponadto ustala się wartość czasu rzeczywistego zgodności fazowej napięć obiektów synchronizowanych, jako tZ = ti + TPi gdzie:

ti, - wartość czasu bieżącego odpowiadającego chwili uzyskania danych do obliczeń w tym cyklu pomiarowym.

Sygnał załączający wyłącznik główny synchronizowanego obiektu elektroenergetycznego generuje się w chwili, w której czas bieżący osiąga wartość ts * tz - t gdzie:

tv - zadany czas wyprzedzania równy czasowi własnemu załączania wyłącznika głównego. Znany jest także z opisu patentowego nr 158719 trzeci sposób ekstrapolacji parabolicznej w mikroprocesorowym synchronizatorze obiektów elektroenergetycznych prądu przemiennego, który charakteryzuje się tym, że w komparatorach fazy porównuje się napięcia przemienne obydwu synchronizowanych obiektów elektroenergetycznych z sygnałem odpowiadającym ustalonej, określonej fazie i otrzymane w ten sposób przebiegi impulsowe wprowadza się do licznika z rejestrami, w którym wyznacza się wartości czasów osiągania ustalonej, określonej fazy przez napięcia przemienne obydwu synchronizowanych obiektów elektroenergetycznych, a następnie te wartości czasów wprowadza się do systemu mikroprocesorowego, gdzie wyznacza się różnice czasów pomiędzy chwilami osiągania ustalonej określonej fazy przez obydwa napięcia przemienne synchronizowanych obiektów elektroenergetycz4

PL 205 018 B1 nych. Z kolei skończony ciąg tych różnic aproksymuje się parabolą wyznaczając współczynniki jej równania metodą minimalizacji odchylenia kwadratowego, a następnie przyjmując zerową wartość różnic czasów pomiędzy chwilami osiągania ustalonej, określonej fazy przez napięcia przemienne obydwu synchronizowanych obiektów elektroenergetycznych, wyznacza się czas predykcyjny, czyli czas, w którym napięcia obydwu synchronizowanych obiektów elektroenergetycznych osiągną zgodność fazową.

Niedogodnością znanych pierwszych dwóch sposobów automatycznej synchronizacji obiektów elektroenergetycznych jest łączenie tych obiektów do pracy równoległej ze znacznym błędem kątowym w warunkach zmieniającej się różnicy częstotliwości ich napięć, zazwyczaj spowodowanej zakłóceniami. W tych sposobach ta niedogodność wynika z liniowego charakteru predykcji chwili zgodności fazowej tych napięć. Natomiast niedogodnością trzeciego sposobu jest powstawanie istotnych błędów łącznia obiektów elektroenergetycznych do pracy równoległej podczas znacznych zakłóceń w systemie elektroenergetycznym spowodowanych zmianami częstotliwości.

Sposób realizacji warunku fazowego podczas automatycznej synchronizacji obiektów elektroenergetycznych polegający na wyznaczaniu chwili zgodności fazowej dwóch napięć przemiennych o różnych lecz zbliżonych, ale niestałych częstotliwościach i wyznaczaniu na tej podstawie chwili podania sygnału załączającego wyłącznik główny z czasem wyprzedzenia równym czasowi własnemu załączania wyłącznika głównego, a po podaniu sygnału startowego synchronizacji, w każdym okresie jednego z napięć, braniu pod uwagę różnicy czasów pomiędzy sąsiednimi chwilami przejścia przez zero w tym samym kierunku napięć synchronizowanych obiektów elektroenergetycznych i tworzeniu cyfrowego przebiegu różnic czasów charakteryzuje się według wynalazku tym, że w pierwszym elemencie arytmetycznym z dwóch zbiorów

Z1 = (t1,t2,...,tk),

Z2 = (τ1, τ2,...,Tk) gdzie:

Z1 - zbiór dla pierwszego obiektu elektroenergetycznego,

Z2 - zbiór dla drugiego obiektu elektroenergetycznego, t1,t2,...,tk - kolejne chwile przejścia napięć przez wartość zerową dla pierwszego obiektu elektroenergetycznego, τι,τ₂,...,τκ - kolejne chwile przejścia napięć przez wartość zerową dla drugiego obiektu elektroenergetycznego, z odpowiadających sobie par kolejnych chwil przejść napięć przez wartość zerową uzyskuje się dyskretne wartości kąta niezgodności fazowej z zależności

δ. (τ )= ^τ ~ ^ł 360°

T ^-T-1 gdzie:

5j(Tj) - kąt niezgodności fazowej w chwili τ wyrażony w stopniach, t_i,T_i - para odpowiadających sobie chwil przejścia napięć przez wartość zerową.

Następnie z otrzymanych k par liczb τ oraz 5, metodą nieliniowej ekstrapolacji funkcjami wymiernymi w drugim elemencie arytmetycznym poszukuje się chwili zgodności fazowej tz, dla której jest spełniona zależność

5j(Tj) = 0° ± 5_max gdzie:

5_max - maksymalna wartość błędu fazowego w chwili łączenia.

Po czym w elemencie sumująco-porównującym, do chwili bieżącej tb, którą wyznacza się w pierwszym elemencie arytmetycznym, dodaje się zadany czas wyprzedzenia tv i kontroluje się spełnienie warunku tb + tv < tz

Po spełnieniu tego warunku w rewersyjnym liczniku czasu wyznacza się czas oczekiwania ti z zależności t1 = tz - (tv + tb), a po osiągnięciu wartości zerowej tego czasu z rewersyjnego licznika czasu generuje się sygnał załączający wyłącznik główny.

PL 205 018 B1

Rozwiązanie według wynalazku ułatwia automatyczną synchronizację obiektów elektroenergetycznych w stanach nieustalonych spowodowanych zakłóceniami w pracy systemu elektroenergetycznego.

Wynalazek jest bliżej objaśniony na przykładzie zilustrowanym rysunkiem, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie przebiegi napięć synchronizowanych obiektów elektroenergetycznych oraz mierzone, zadane i wyznaczane wartości czasów, a fig. 2 przedstawia schemat blokowy układu, w którym jest realizowany sposób według wynalazku.

Warunek zgodności fazowej w automatycznej synchronizacji jest realizowany dla dwóch obiektów elektroenergetycznych: pierwszego obiektu elektroenergetycznego S1 i drugiego obiektu elektroenergetycznego S2. Warunek ten realizuje się na podstawie predykcji chwili zgodności fazowej dwóch napięć przemiennych tych obiektów odpowiednio u1 oraz u2.

W układzie przedstawionym na fig. 2 do wejść WE1 oraz WE2 elementów wejściowych odpowiednio 1 oraz 2 podaje się napięcia u oraz u₂ odpowiednio pierwszego obiektu elektroenergetycznego S1 oraz drugiego obiektu elektroenergetycznego S2.

W chwili t₀ rozpoczęcia procesu synchronizacji, po podaniu sygnału startowego synchronizacji, w pierwszym elemencie wejściowym 1 oraz w drugim elemencie wejściowym 2, w każdym okresie napięcia odpowiednio pierwszego obiektu elektroenergetycznego S1 oraz drugiego obiektu elektroenergetycznego S2 wyznacza się chwile przejścia tych napięć przez wartość zerową, otrzymując zbiór Zj i zbiór Z2:

^Z1 = (tl,t2,-.., t^k)

Z2 = (T1,T2,...,Tk) gdzie:

Z₁ - zbiór dla pierwszego obiektu elektroenergetycznego S1.

Z₂ - zbiór dla drugiego obiektu elektroenergetycznego S2 t₁,t₂,...,t_k - kolejne chwile przejścia napięć przez wartość zerową dla pierwszego obiektu elektroenergetycznego S1, τι,τ₂,...,τκ - kolejne chwile przejścia napięć przez wartość zerową dla drugiego obiektu elektroenergetycznego S2.

W powyższych zbiorach czasy o tych samych indeksach odnoszą się do sąsiednich chwil przejść przez zero napięć w tym samym kierunku, na przykład narastającym.

W pierwszym elemencie arytmetycznym 3, na podstawie odpowiadających sobie par liczb, w każdym okresie jednego z napięć wyznacza się dyskretne wartości kąta niezgodności fazowej tych napięć. Tak więc dla każdej pary t, oraz t otrzymuje się wartość kąta niezgodność i fazowej w chwili t na podstawie zależności δ_ί (τ, )= ^τ ~ ^łi 360° ^Ti ^{- T}i-1 gdzie 5ί(τί) jest kątem niezgodności fazowej w chwili t, wyrażonym w stopniach.

W ten sposób otrzymuje się k par liczb tj, oraz δι, które stanowią informację o przebiegu kąta niezgodności fazowej, który zmienia się w zakresie od 0 do 360°.

Przebieg kąta niezgodności fazowej stanowi podstawę do wyznaczenia chwili zgodności fazowej 1 metodą nieliniowej ekstrapolacji funkcjami wymiernymi, której realizacja odbywa się w drugim elemencie arytmetycznym 4. Poszukuje się chwili (, dla której jest spełniona następująca zależność δϊ(τϊ) = 0° ± 5_max gdzie 5_max - maksymalna wartość błędu fazowego w chwili łączenia.

W elemencie sumująco-porównującym 5, do chwili bieżącej t^, którą wyznacza się w pierwszym elemencie arytmetycznym 3, jest dodawany zadany czas wyprzedzenia t_v i jest kontrolowany warunek czy suma ta jest mniejsza od ekstrapolowanej chwili Ę. Spełnienie tego warunku powoduje przejście do rewersyjnego licznika czasu 6, w którym jest obliczany czas oczekiwania tj z zależności tl = tz - (tv+t_b) gdzie:

tv - czas wyprzedzenia, tb - czas bieżący liczony od chwili rozpoczęcia synchronizacji.

PL 205 018 B1

Uzyskana wartość czasu oczekiwania ti jest wprowadzana do rewersyjnego licznika czasu 6, a po osiągnięciu wartości zerowej w rewersyjnym liczniku czasu 6 jest generowany sygnał ZAL załączający wyłącznik główny.

Synchronizacja pierwszego obiektu elektroenergetycznego S1 i drugiego obiektu elektroenergetycznego S2 została zrealizowana.

Claims

Sposób realizacji warunku fazowego podczas automatycznej synchronizacji obiektów elektroenergetycznych polegający na wyznaczaniu chwili zgodności fazowej dwóch napięć przemiennych o różnych lecz zbliżonych, ale niestałych częstotliwościach i wyznaczaniu na tej podstawie chwili podania sygnału załączającego wyłącznik główny z czasem wyprzedzenia równym czasowi własnemu załączania wyłącznika głównego, a po podaniu sygnału startowego synchronizacji, w każdym okresie jednego z napięć, braniu pod uwagę różnic czasów pomiędzy sąsiednimi chwilami przejścia przez zero w tym samym kierunku napięć synchronizowanych obiektów elektroenergetycznych i tworzeniu cyfrowego przebiegu różnic czasów, znamienny tym, że w pierwszym elemencie arytmetycznym (3) z dwóch zbiorów

Z1 = (t1,t2,...,tk),

Z₂ = (T1,T2,...,Tk) gdzie:

Z₁ - zbiór dla pierwszego obiektu elektroenergetycznego (S1)

Z₂ - zbiór dla drugiego obiektu elektroenergetycznego (S2) t₁,t₂,...,t_k - kolejne chwile przejścia napięć przez wartość zerową dla pierwszego obiektu elektroenergetycznego (S1).

T₁,T₂,...,T_k - kolejne chwile przejścia napięć przez wartość zerową dla drugiego obiektu elektroenergetycznego (S2), z odpowiadających sobie par kolejnych chwil przejść napięć przez wartość zerową uzyskuje się dyskretne wartości kąta niezgodności fazowej z zależności

5_i )= ^τ ~ ^ł 360° ^Ti ^{- T}i-1 gdzie:

5|(τί) - kąt niezgodności fazowej w chwili τ wyrażony w stopniach t_i,T_i - para odpowiadających sobie chwil przejścia napięć przez wartość zerową, po czym z otrzymanych k par liczb τ oraz 5, metodą nieliniowej ekstrapolacji funkcjami wymiernymi w drugim elemencie arytmetycznym (4) poszukuje się chwili zgodności fazowej (,, dla której spełniona jest zależność

5i(Ti) = 0° ± 5_max gdzie:

5_max - maksymalna wartość błędu fazowego w chwili łączenia, a następnie w elemencie sumująco-porównującym (5) do chwili bieżącej tb, którą wyznacza się w pierwszym elemencie arytmetycznym (3), dodaje się zadany czas wyprzedzenia t_v i kontroluje się spełnienie warunku tb + tv < tz, po czym po spełnieniu tego warunku w rewersyjnym liczniku czasu (6) wyznacza się czas oczekiwania ti z zależności t1 = tz - (tv + tb), a po osiągnięciu wartości zerowej czasu oczekiwania t_i z rewersyjnego licznika czasu (6) generuje się sygnał załączający (ZAL) wyłącznik główny.