Спосіб визначення кута зсуву фаз між напругами у двохвузлових точках електричної мережі

Изобретение относится к области электротехнических измерений, в частности к телеизмерениям и телеконтролю с помощью нетрадиционных средств телеуправления объектами электроэнергетических систем. Известные способы кодирования и передачи сообщений, вводимых в электрическую сеть или использующих выделенные проводные каналы связи с различными генераторами сигналов не нашли широкого применения при решении поставленной задачи либо из-за малого радиуса действия (5-10 км), либо из-за большой погрешности дистанционного измерения фазы: ±(10-15)%. В настоящее время контроль и регулирование устойчивости энергосистемы осуществляется чаще без информации о значениях угла между векторами напряжений начала (U1) и конца (U2) линии электропередачи. Это связано с трудностями, возникающими при передаче значений фазы напряжений U2 с противоположного конца линии к питающему центру или началу линии.. Для этих целей по данным [1], [2] используются два способа: фантомный - основанный на принципе прибавления падения напряжения в модели линии к напряжению передающего конца (U1); второй - основанный на телепередаче значений фазы напряжения приемного конца (U2) электросети высокочастотными сигналами. Погрешность таких измерений составляет: ±25%. В обоих способах измерение сдвига фазы между напряжениями в двух точках энергосистемы выполнено на основе датчика разности фаз ДРФ, к первому входу которого подводится либо напряжение от вспомогательного генератора, сидящего на валу одного силового генератора первой части, энергосистемы, либо напряжение U1 + IiZ, где ток І 1 - нагр узка электропередачи с обоих шин этой же энергосистемы. При этом сопротивление Ζ моделирует внутреннее сопротивление генератора и элементов первой части энергосистемы. А фаза входного напряжения соответствуе т фазе напряжению U1 на общих шинах первой части энергосистемы. На второй вход ДРВ подается либо напряжение Ui + I1Zi, либо напряжение ііг другой части энергосистемы с помощью высокочастотной аппаратуры: "передатчик-усилитель - в том числе канал приемник", причем передатчик управляется по фазе отражающих соответственно фазе напряжения U z, усредненные значения которого формируются специальным смесителем, подключенным к шинам U2. На выходе ДРФ подключено реле угла d1,2 - сдвига фаз между U1 и U2 осуществляющее измерение в соответствии с уравнениями: где к - коэффициент инерции энергосистемы в предшествующем режиме kI, в переходном режиме kII; dåC1- предельное значение угла d1,2, соответствующее устойчивому режиму энергосистемы. Используемый в системе способ телепередачи на высоких частотах информации о значении величины угла d1,2 и рассматривается в качестве прототипа [2]. Недостатком такого способа является то, что с его помощью передается на значение величины фазового угла d1,2=d1 — d2, между напряжениями двух точек электросети, а высокочастотные сигналы, способные только отражать информацию о величине угла d2 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 d1,2 как правило меньше его суммарного значения dåC1 , что требует высокой точности измерений. Другим недостатком способа прототипа является низкое быстродействие. Время измерения и суммирование аналоговых значений: U1 + I1Z, поступающи х 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 U1 и U2 для оперативного управления электрической системой в текущи х и переходных режимах. Задачей является повышение точности и быстродействия при телеизмерениях величины угла фазового сдвига между напряжениями U1 и U2 двух узловы х точек электрической сети. Поставленная задача достигается тем, что в способе определения угла сдвига фаз между напряжениями в двух узловых точках электрической сети, основанном на формировании первичного (опорного) сигнала из напряжения сети в близлежащей узловой точке, телеметрической передаче в эту точку угла сдвига фаз вторичного сигнала, сформированного в удаленной узловой точке электрической сети, измерении искомого сдвига фаз в близлежащей узловой точке между первичным и вторичным сигналами, согласно изобретению, вторичный сигнал формируют путем кратковременных "посадок" напряжения сети в удаленной узловой точке дважды за период напряжения сети в моменты, когда угол сдвига фаз по отношению к переходу вторичного напряжения через нуль принимает заданные значения a и p+a, выделяют в распространяющемся по данной электрической сети сигнале упомянутые "посадки" напряжения в близлежащей узловой точке в виде вторичных импульсных сигналов, первичные импульсные сигналы формируют со сдвигом по фазе относительно перехода напряжения сети в близлежащей точке через нуль, равным заданным выше значениям a и p+a, с помощью упомянутых первичного и вторичного импульсных сигналов формируют два импульса длительностью в течение одного периода напряжения сети, период Τ и длительности t1 и t1 измеряют, а искомый фазовый сдвиг определяют по формуле где Τ - период сетевого напряжения: t - временной сдвиг, пропорциональный искомому сдвигу фаз. Сущность изобретения состоит в том, что в электрической сети формируют кратковременные (импульсные) посадки синусоиды напряжения, что обеспечивает таким импульсным сигналам синхронизацию с основной частотой ее напряжения и, соответственно, возможность передачи временных параметров распространения этого напряжения. В случае формирования таких импульсных сигналов в отдаленной точке электрической сети, со стороны нагрузки, последние по линии электропередачи поступают в ее начало, где производят определение временного положения импульсов относительно полупериодов синусоиды напряжения, в которых они переданы. По временному сдвигу -г, в положении этих импульсов, относительно их прежнего, фиксированного углом a, положения на синусоиде напряжения производят "непосредственное" определение величины фазового угла d1,2 , между напряжениями U1 и U2 в контролируемых узловых точках электрической сети, соответствующи х противоположным сторонам линии электропередачи. Определение угла d1,2 фазового сдвига, по фиксированному значению временного сдвига - t, между положением мгновенных значений синусоиды напряжения U1 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°-0,9°), относительно периода синусоиды напряжения электрической сети, при быстродействии системы, реализующей данный способ - 0,2 С. На фиг. 1 представлены диаграммы, поясняющие вывод формулы. Для достижения поставленной цели, например, в конце одной из линий электросети, начиная с момента времени t1, соответствующего угла a, а на каждом полупериоде синусоиды напряжения U2 формируют информационные импульсы сигнала в виде кратковременных посадок синусоиды напряжения ΔU, синхронизированных частотой 50 Гц (фиг. 1а). Эти импульсы распространяясь по всей электрической сети поступают и в начало линии, где их выявляют из спектра вторичного напряжения в виде импульса ΔUj (фиг. 16д). Одновременно в начале линии, в момент Т/2, Т, 3/2Т, 2Т и т.д., т.е. при переходе синусоиды напряжения U1, через нулевое значение формируют опорные импульсы ΔUο (фиг. 1 в), сдвигают и х на временной интервал соответствующий углу a 1 — a , и получают соответственно импульсы Ua (фиг. 1г). С помощью импульсов временной сдвиг между которыми составляет t, формируют суммарно-разностные вспомогательные импульсы I1, І2 с длительностью (фиг. 1е, ж) вычитают вспомогательные импульсы и находят по формуле а искомый сдвиг фаз d1,2 определяют где Т - период сетевого напряжения. На фиг. 2 представлена система для реализации предложенного 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. Система, реализующая предлагаемый способ содержит передающее устройство (П), установленное в 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 подключены к входам триггеров 61, 6', вы ходы которых соединены с входами измерителя интервалов 71устройства. Система работает следующим образом. Передающее устройство (П) формирует в. электрической сети импульсные сигналы при подаче управляющих сигналов с блока 2 на вентили 9 (фиг. 2). Вентили отпираются с заданными углами -аи а + л, в которые и формируются импульсные сигналы в виде кратковременных посадок напряжения сети. Аналогичным образом импульсные сигналы управления формируют и на приемной стороне системы, на выходе формирователя 2 (фиг. 2), которые затем подают на первый вход распределителя 5. При этом поступающие из электрической сети сигналы от передающего устройства выявляют с помощью импульсного селектора 1 и подают на второй вход распределителя 5, с помощью которого на выходах триггеров 6 и б" формируются импульсы суммарной и разностной длительности T1 и Т2 (фиг. 1е и ж), по которым в блоке измерителя интервалов 7 і, реализуется функция определения величины искомого угла d1,2 в соответствии с выражением: На основе метода симметричных составляющи х мощности сигнала, формированного вентильным передатчиком (П) - фиг. 2, на шинах U2 определяется в соответствии с (2) формулами напряжение сигнала, - результирующая проводимость электросети прямой, обратной, нулевой последовательностей, LB; RB -токоограничивающее сопротивление передатчика (вентилей); LT индуктивность сетевых трансформаторов; Ск - удельный коэффициент гармоники в спектре сигнала, w0; wf круговая частота напряжения сети и гармоники сигнала, соответственно. Каждое значение Ск зависит от угла отпирания вентилей (a 1; a 2). Так как наибольшее практическое значение Uf определяется первым десятком гармоник в расчетах принимались значения (к) от 1 до 10 и в (3) получены адекватные упрощенные формулы расчета уровня сигнала прямой последовательности с учетом эквивалентных сопротивлений сети Zc и передатчика Ζпер.: где α- угол включения вентилей передатчика. Полученный сигнал распространяется по электросетям вправо к шинам U1 и влево к шинам из от точки несимметрии (шины U2) с затуханием, определяющимся коэффициентами распределения т.е. соотношениями сопротивлений левой и правой части электрической сети относительно шин U2. В соответствии с данными (2) затухание напряжения сигнала составляет 25-50% и может быть выявлено приемниками с чувствительностью ΔU/2. Для электросети напряжением 110 кВ, мощностью (250-1000) мВа такие уровни сигналов можно обеспечить передатчиком при R B »1000 Ом; LB + LT = 0,006 Гн. Быстродействие tn силовой схемы передатчика (фиг. 2) определится из выражения: 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 определяется стабильностью работы фазоимпульсного узла 2 (2і). В случае использования генератора пилообразного напряжения (ГПН) угол включения определяется выражением фазы выходного импульса блока 2 где RC - времязадающая цепочка; Un; Uy - напряжение питания, управления; Uo,Uο - напряжение, ток нуль-органа; Uкэ - напряжение транзисторного ключа синхронизации; Uc; DUC - напряжение синхронизации 50 Гц (его отклонение). Нестабильность уставки Da определится с помощью частных производных и формулы Приняв средние значения отклонений параметров для общепромышленных элементов температуре среды 20°С и узлов при получим суммарную относительную погрешность: что на порядок лучше погрешности рассмотренного прототипа, составляющего ±(20-25)%. Время tc прохождения импульсов ΔU сигнала по участкам I1 и I2 линии 110 кВ практически не превышает трех периодов частоты 50 Гц. Переходные процессы, при включении передатчика П, протекают на питающих центрах сравнительно быстро заканчиваются через 2-3 периода частоты 50 Гц. Таким образом полное время формирования ипередачи информативного сигнала tu в данном способе определится суммой tu = t n + tc ≤ 0,02 с + 0,06 с - 0,08 с, что значительно меньше времени прохождения сигналов в ВЧ канале прототипа (0,5-1) с. Время приема и обработки информационного канала в точке 1 складывается из суммы времен срабатывания функциональных элементов приемника: 5-4-6-7-8-9-10. Наибольшее из которых у 5 и 4, а также у измерителя интервалов 10, составляющее 0,02 с 0,04 с. Остальные элементы имеют быстродействие 2-3 мкc, т.е. Таким образом, время полного цикла Тцс с работы устройств предложенного способа значительно меньше нежели у прототипа Тци