способ формирования подводимых к схеме сопоставления электрических величин в односистемном устройстве идентификации изменения модулей междуфазных напряжений трехфазной системы переменного тока

Формула изобретения

1. Способ формирования сопоставляемых электрических величин в устройстве идентификации изменения модулей междуфазных напряжений в трехфазной системе переменного тока, включающий схему сопоставления двух электрических величин с двумя входами и одним выходом, на первый вход которой подана первая электрическая величина постоянного тока, а на второй вход подана однополярная с первой вторая электрическая величина постоянного тока, причем напряжение на выходе схемы сопоставления либо определяют через разность первой электрической величины и второй электрической величины, либо определяют через деление первой электрической величины на вторую электрическую величину, при этом первый, второй и третий модули, трех соответствующих междуфазных напряжений, получают в результате выпрямления и сглаживания соответствующих им мгновенных междуфазных напряжений трехфазной системы переменного тока, при этом по напряжению на выходе схемы сопоставления двух электрических величин идентифицируют изменение модулей междуфазных напряжений, отличающийся тем, что первую электрическую величину постоянного тока получают перемножением четырех сомножителей, являющихся электрическими напряжениями, причем первый сомножитель определяют как половина суммы трех модулей соответствующих трех междуфазных напряжений, второй сомножитель определяют через разность первого сомножителя и первого модуля соответствующего междуфазного напряжения, третий сомножитель определяют через разность первого сомножителя и второго модуля соответствующего междуфазного напряжения, четвертый сомножитель определяют через разность первого сомножителя и третьего модуля соответствующего междуфазного напряжения, при этом вторую электрическую величину постоянного тока, неизменную во времени, получают от источника опорного напряжения постоянного тока с напряжением, численно равным произведению постоянного коэффициента, равного 0,1875, и возведенного в четвертую положительную степень модуля междуфазного напряжения, соответствующего расчетному симметричному режиму по напряжению трехфазной системы переменного тока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую электрическую величину получают перемножением трех сомножителей, являющихся электрическими напряжениями, причем первый сомножитель определяют через разность половины суммы трех модулей соответствующих трех междуфазных напряжений и первого модуля соответствующего междуфазного напряжения, второй сомножитель определяют через разность половины суммы модулей соответствующих трех междуфазных напряжений и второго модуля соответствующего междуфазного напряжения, третий сомножитель определяют через разность половины суммы модулей соответствующих трех междуфазных напряжений и третьего модуля соответствующего междуфазного напряжения, при этом вторую электрическую величину постоянного тока, неизменную во времени, получают от источника опорного напряжения постоянного тока с напряжением, численно равным произведению постоянного коэффициента 0,125, и возведенного в третью положительную степень модуля междуфазного напряжения, соответствующего расчетному симметричному режиму по напряжению трехфазной системы переменного тока.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую электрическую величину получают перемножением трех сомножителей, являющихся электрическими напряжениями, причем первый сомножитель равен первому модулю соответствующего междуфазного напряжения, второй сомножитель равен второму модулю соответствующего междуфазного напряжения, третий сомножитель равен третьему модулю соответствующего междуфазного напряжения, при этом вторую электрическую величину постоянного тока, неизменную во времени, получают от источника опорного напряжения постоянного тока с напряжением, численно равным значению, полученному от возведения в третью положительную степень модуля междуфазного напряжения, соответствующего расчетному симметричному режиму по напряжению трехфазной системы переменного тока.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую электрическую величину получают перемножением двух сомножителей, являющихся электрическими напряжениями, причем первый сомножитель равен первому модулю соответствующего междуфазного напряжения, второй сомножитель равен второму модулю соответствующего междуфазного напряжения, при этом вторую электрическую величину постоянного тока, неизменную во времени, получают от источника опорного напряжения постоянного тока с напряжением, численно равным значению, получаемому от возведения во вторую положительную степень модуля междуфазного напряжения, соответствующего расчетному симметричному режиму по напряжению трехфазной системы переменного тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству, определяющему алгоритм функционирования релейной защиты и противоаварийной автоматики и используемому в системе электроснабжения трехфазного переменного тока промышленной частоты f=f_пр, которую характеризуют мгновенными значениями синусоидальных междуфазных напряжений u_AB(t), u _BC(t) и u_CA(t) и соответствующими им векторами и междуфазных напряжений, при этом, при отклонении любого из междуфазных напряжений, подводимых к входу устройства, от некоторого расчетного напряжения U_рас, оно на своем выходе формирует либо логический сигнал, либо непрерывный сигнал.

Известен трехсистемный способ прямого сопоставления текущих действующих значений междуфазных напряжений U_AB , U_BC и U_CA векторов напряжений _AB, _BC и _CA трехфазной системы электроснабжения переменного тока с заданным расчетным действующим значением U_рас междуфазного напряжения симметричного режима, либо U_AB , U_BC и U_CA междуфазных напряжений, фиксируют комбинированным устройством, в котором симметричные изменения действующих значений U_AB, U_BC и U_CA междуфазных напряжений выявляют прямым сопоставлением текущего значения одного из действующих значений междуфазных напряжений, например U_AB, с заданным расчетным действующим значением U_рас междуфазного напряжения симметричного режима, а несимметричные изменения векторов междуфазных напряжений U _AB, U_BC и U_CA фиксируют по появлению в этом режиме в междуфазных напряжениях напряжения U_обр обратной последовательности [Басс Э.И., Дорогунцев В.Г. Релейная защита электроэнергетичских систем: Учебное пособие/ Под ред. А.Ф. Дьякова. - М.: Издательство МЭИ, 2002, С.75-77].

Известно электромеханическое трехфазное минимальное реле напряжения на индукционной системе, используемое в схеме максимальной токовой защиты в качестве пускового органа минимального напряжения, и конструктивно выполнено таким образом, что реле реагирует на уменьшение площади треугольника междуфазных напряжений. Реле имеет электромеханическую систему, сложно в изготовлении, требует больших трудозатрат при наладке и выполнении периодических профилактических работ в условиях эксплуатации, имеет и другие недостатки, свойственные индукционным реле [Реле защиты. М.: «Энергия», 1976, с.125-126, 138-142, 178-180].

В качестве близкого по технической сущности выбрано односистемное устройство, обеспечивающее получение косвенной информации о несимметричном изменении междуфазных напряжений по напряжению U_обр обратной последовательности, для чего в схеме устройства используют фильтр напряжения обратной последовательности, причем на вход фильтра поданы, например, два вектора междуфазных напряжений а на выходе фильтра при несимметрии векторов и междуфазных напряжений появляется напряжение U_обр обратной последовательности, величину которого сопоставляют с уставкой срабатывания подключенного к выходу фильтра обратной последовательности реагирующего измерительного органа, по срабатыванию которого делают заключение о несоответствии системы междуфазных напряжений условию симметричного режима функционирования трехфазной системы переменного тока [Басс Э.И., Дорогунцев В.Г. Релейная защита электроэнергетичских систем: Учебное пособие / Под ред. А.Ф.Дьякова. - М.: Издательство МЭИ, 2002, С.75-77].

Недостатком прототипа является необходимость исключения ложной работы реагирующего измерительного органа под воздействием напряжения небаланса U_нб на выходе фильтра даже в условиях, когда вектора междуфазных напряжений и симметричны, при этом исключение ложной работы реагирующего измерительного органа обеспечивают соответствующим выбором его уставки срабатывания, однако это снижает чувствительность односистемного устройства с фильтром обратной последовательности к несимметричным изменениям междуфазных напряжений трехфазной системы переменного тока [Чернобровов И.В. Релейная защита. Учебное пособие для электротехникумов. Изд. 4-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1971, С.169-172].

Основными факторами появления напряжения небаланса U_нб на выходе фильтра обратной последовательности являются:

- изменение сопротивлений реактивных элементов, в частности сопротивлений переменному току входящих в структуру фильтра емкостей, и обусловленное отклонением частоты f от промышленной частоты f_пр в некоторых режимах функционирования трехфазной системы переменного тока, так как параметры элементов, которые входят в структуру фильтра обратной последовательности, рассчитывают для промышленной частоты f _пр, что обуславливает появление напряжения небаланса с частотой f даже при симметрии междуфазных напряжений;

- присутствие в подводимых к фильтру обратной последовательности междуфазных напряжениях u_AB(t), u_BC(t) и u_CA(t) гармоник, частоты которых отличаются от частоты f_пр, что приводит к увеличению действующего значения напряжения небаланса U_нб, обусловленного составляющими от гармоник с частотами, отличными от f_пр.

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого способа формирования подводимых к схеме сопоставления электрических напряжений односистемного устройства идентификации изменения модулей междуфазных напряжений трехфазной системы переменного тока состоит в повышении технического уровня реализованного на основе предлагаемого изобретения односистемного устройства, заключается в повышении его чувствительности к изменениям модулей междуфазных напряжений при их сопоставлении с междуфазным напряжением U _рас расчетного симметричного режима трехфазной системы переменного тока, т.е. напряжение U_рас определяет уставку срабатывания односистемного устройства идентификации изменения модулей междуфазных напряжений со способом формирования подводимых к схеме сравнения электрических величин по предлагаемому изобретению, и достигают:

- исключением влияния отклонения частоты f от промышленной f_пр, а также высших гармоник в междуфазных напряжениях системы электроснабжения за счет того, что в предлагаемом способе сопоставляют две электрические величины, например два напряжения, из которых первую электрическую величину U1, например напряжение постоянного тока, определяют через абсолютные значения векторов и междуфазных напряжений и принимаемых численно равными их модулям U_AB , U_BC и U_CA, причем модули получают путем выпрямления и сглаживания мгновенных значений междуфазных напряжений u_AB(t), u_BC(t) и u_CA(t) трехфазной системы переменного тока, при этом вторую электрическую величину U2, например напряжение постоянного тока, получают от источника опорного напряжения постоянного тока с неизменным напряжением;

- использованием при формировании структуры первой электрической величины операции перемножение соответствующим образом сформированных из модулей U_AB, U_BC и U_CA междуфазных напряжений электрических напряжений постоянного тока, что обуславливает у устройства по предлагаемому способу нелинейную проходную характеристику, которая обеспечивает повышение чувствительности устройства по предлагаемому способу к малым изменениям модулей междуфазных напряжений.

Путем использования разных вариантов способа формирования первой электрической величины U1 из модулей междуфазных напряжений U _AB, U_BC и U_CA возможна техническая реализация односистемного устройства идентификации изменения модулей междуфазных напряжений трехфазной системы переменного тока с разной чувствительностью к изменению модулей междуфазных напряжений, при этом с уменьшением требования к чувствительности устройства алгоритм формирования первой электрический величины U1 упрощается.

Способ формирования сопоставляемых электрических величин U1 и U2 по изобретению в односистемном устройстве обеспечивает косвенный контроль изменений текущих значений модулей U_AB, U_BC и U_CA соответствующих векторов междуфазных напряжений и трехфазной системы переменного тока и предполагает в односистемном устройстве идентификации изменения модулей междуфазных напряжений трехфазной системы переменного тока наличие схемы сопоставления электрических напряжений с двумя входами и одним выходом, причем на ее первый вход подают первую электрическую величину U1, а на ее второй вход подают вторую электрическую величину U2, а на ее выходе получают выходное аналоговое электрическое напряжение U_вых, отображающее результат сопоставления электрических величин U1 и U2 либо на основе их разности, т.е.:

где k₁ - коэффициент передачи соответствующей схемы сопоставления; либо на основе их деления, т.е.:

где k₂ - коэффициент передачи соответствующей схемы сопоставления, при этом разделяют четыре варианта способа формирования первой электрической величины U1 с использованием модулей междуфазных напряжений U_AB , U_BC и U_CA, при этом первый вариант можно рассматривать как базовый, обеспечивающий получение наибольшей чувствительности к изменению модулей междуфазных напряжений, как при симметричном, так и при несимметричном их изменении модулей междуфазных напряжений, а три остальные, решающие аналогичную задачу по повышению чувствительности устройства, что и базовый вариант, следует рассматривать как модификации базового варианта, при этом при всех вариантах на основе значения выходного электрического напряжения U_вых односистемное устройство вырабатывает либо логический сигнал, либо аналоговое выходное электрическое напряжения, которое может быть использовано для воздействия на характеристику функционирования релейной защиты и противоаварийной автоматики.

Согласно предлагаемому способу в базовом варианте сопоставляют две однополярные электрические величины U1 и U2 постоянного тока, при этом первую электрическую величину U1 получают перемножением четырех сомножителей в виде однополярных электрических напряжений, из которых первый сомножитель численно равен половине суммы трех текущих модулей U_AB, U _BC и U_CA текущих векторов и междуфазных напряжений трехфазной системы электроснабжения; второй множитель численно равен разности первого сомножителя и первого модуля U_AB из трех текущих модулей векторов междуфазных напряжений; третий сомножитель численно равен разности первого сомножителя и второго модуля U_BC из трех текущих модулей векторов междуфазных напряжений; четвертый сомножитель численно равен разности первого сомножителя и третьего модуля U_CA из трех текущих модулей векторов междуфазных напряжений. В результате перемножения четырех сомножителей первая электрическая величина U1 численно равна возведенной во вторую положительную степень площади треугольника S_ABC, стороны которого численно равны соответствующим текущим модулям U_AB , U_BC и U_CA междуфазных векторов напряжений т.е. U1=k₃·(S_ABC)² , при этом вторую электрическую величину U2 постоянного тока, с которой сопоставляют первую электрическую величину U1, считают опорной и численно равной значению, получаемому от возведения во вторую положительную степень площади равностороннего треугольника, стороны которого численно равны модулю междуфазного расчетного напряжения U_рас , соответствующего расчетному симметричному режиму трехфазной системы переменного тока, т.е. U2=k₄·(S_{ABC рас})², т.е. по первому варианту между собой сопоставляются две электрические величины U1 и U2 постоянного тока, которые определяют согласно выражениям (3) и (5):

где в (3) половина суммы модулей векторов междуфазных напряжений определяют по выражению:

при этом неизменную во времени вторую электрическую величину U2 постоянного тока задают источником опорного напряжения постоянного тока с напряжением, численно равным произведению коэффициента 0,1875 и возведенным в четвертую положительную степень расчетного модуля U_рас междуфазного напряжения симметричного расчетного режима трехфазной системы переменного тока, т.е.:

где в выражениях (3) и (5) S_ABC и S_{ABC рас} - площади треугольников, соответственно характеризующие текущий режим работы системы электроснабжения и расчетный режим; k₃, k₄ - постоянные коэффициенты соответствующих схем формирования сопоставляемых электрических величин U1 и U2; причем эти коэффициенты должны быть такими, чтобы при расчетном междуфазном напряжении U _рас соблюдалось условие U1=U2; согласно второму модифицированному варианту сопоставляют две однополярные электрические величины U1 и U2 постоянного тока, при этом первую электрическую величину U1 получают перемножением трех сомножителей в виде однополярных электрических напряжений, из которых первый сомножитель численно равен разности половины суммы текущих модулей U_AB, U_BC, U_CA трех соответствующих текущих векторов междуфазных напряжений трехфазной системы электроснабжения и первого модуля из трех текущих модулей векторов междуфазных напряжений, второй сомножитель численно равен разности половины суммы текущих модулей U_AB, U_BC, U_CA трех соответствующих текущих векторов междуфазных напряжений трехфазной системы электроснабжения и второго модуля из трех текущих модулей векторов междуфазных напряжений, третий сомножитель численно равен разности половины суммы текущих модулей U_AB, U_BC, U_CA трех соответствующих текущих векторов междуфазных напряжений трехфазной системы электроснабжения и третьего модуля из трех текущих модулей векторов между фазных напряжений:

где половину суммы модулей U_AB , U_BC, U_CA трех соответствующих текущих векторов междуфазных напряжений трехфазной системы электроснабжения определяют по выражению (4), при этом неизменную во времени вторую электрическую величину U2 постоянного тока задают источником опорного напряжения постоянного тока с напряжением, численно равным произведению коэффициента 0,125 и возведенного в третью положительную степень расчетного модуля U_рас междуфазного напряжения симметричного расчетного режима трехфазной системы переменного тока, т.е.:

где в выражениях (6) и (7) k₅ , k₆ - постоянные коэффициенты соответствующих схем формирования сопоставляемых электрических величин U1 и U2; причем эти коэффициенты должны быть такими, чтобы при расчетном междуфазном напряжении U_рас соблюдалось условие U1=U2; согласно третьему модифицированному варианту сопоставляют две однополярные электрические величины U1 и U2 постоянного тока, при этом первая электрическая величина U1 численно равна произведению трех модулей U_AB, U_BC, U_CA соответствующих текущих междуфазных векторов напряжений трехфазной системы напряжений переменного тока:

при этом неизменную во времени вторую электрическую величину U2 постоянного тока задают опорным напряжением источника постоянного напряжения с напряжением, численно равным значению, полученному от возведения в третью положительную степень модуля U_pac междуфазного напряжения симметричного расчетного режима трехфазной системы переменного тока:

где в выражениях (8) и (9) k₇ , k₈ - постоянные коэффициенты соответствующих схем формирования сопоставляемых электрических величин U1 и U2; причем эти коэффициенты должны быть такими, чтобы при расчетном междуфазном напряжении U_рас соблюдалось условие U1=U2; согласно четвертому модифицированному варианту сопоставляют две однополярные электрические величины U1 и U2 постоянного тока, при этом первая электрическая величина U1 численно равно произведению двух модулей, например и соответствующих текущих междуфазных векторов напряжений трехфазной системы напряжений переменного тока:

при этом неизменную во времени вторую электрическую величину U2 постоянного тока задают опорным напряжением источника постоянного напряжения с напряжением, численно равным значению, полученному от возведения во вторую положительную степень модуля U_рас междуфазного напряжения симметричного расчетного режима трехфазной системы переменного тока:

где в выражениях (10) и (11) k₉ , k₁₀ - постоянные коэффициенты соответствующих схем формирования сопоставляемых электрических величин U1 и U2 постоянного тока; причем эти коэффициенты должны быть такими, чтобы при расчетном междуфазном напряжении U_рас соблюдалось условие U1=U2, и для любого из четырех вариантов формирования двух однополярных электрических величин выполняют действие, либо связанного с получением аналогового электрического выходного электрического напряжения U_вых, определяемого разностью электрических величин U1 и U2 согласно выражению (1), либо связанного с получением аналогового электрического выходного электрического напряжения U_вых, определяемого отношением электрических величин U1 и U2 согласно выражению (2) и по величине выходного электрического напряжения U_вых на выходе схемы сопоставления двух электрических величин U1 и U2 идентифицируют изменение модулей U_AB, U_BC, U_CA междуфазных текущих напряжений трехфазной системы переменного тока в сравнении с расчетным междуфазным напряжением U_pac симметричного расчетного режима трехфазной системы переменного тока.

На фиг.1 приведены возможные варианты структурных схем формирования подводимых к схеме сопоставления электрических величин в односистемном устройстве идентификации изменения модулей междуфазных напряжений трехфазной системы переменного тока, при этом формирование электрических величин U1 и U2, подводимых к схеме их сопоставления, по первому базовому варианту способа поясняется фиг.1а, второму модифицированному варианту способа поясняется фиг.1б, по третьему модифицированному варианту способа поясняется фиг.1в и по четвертому модифицированному варианту способа поясняется фиг.1г.

На фиг.1 обозначены: 1 - схемы выпрямления и сглаживания соответствующих текущих мгновенных междуфазных переменных напряжений u_AB(t), u_BC (t) и u_CA(t) системы трехфазного электроснабжения и обеспечивающих получение на своих выходах однополярных электрических напряжений постоянного тока, равных текущим модулям U_AB , U_BC, U_CA соответствующих векторов междуфазных напряжений; 2 - трехвходовый сумматор, обеспечивающий получение на своем выходе электрического напряжения постоянного тока согласно выражению (4); 3 - инвертор с единичным коэффициентом усиления; 4, 5, 6 - двухвходовые сумматоры, обеспечивающие получение на своих выходах электрических напряжений, определяемых разностью электрических величин по (4) и соответствующего текущего модуля междуфазного напряжения; 7 - схема перемножения двух электрических напряжений; 8 - схема сопоставления двух электрических напряжений с двумя входами Вх1 и Вх2, на которые подают сопоставляемые электрические величины U1 и U2, и одним выходом Вых, на котором получают выходное напряжение U_вых; которое в зависимости от варианта реализации схемы сопоставления определяется либо выражением (1), либо выражением (2); 9, 10, 11, 12, 13 - источники опорных постоянных напряжений соответственно U_оп1, U_оп2, U _оп3, U_оп4, U_оп5, при этом параметры первых трех определяются соответственно выражениями (5), (7) и (9), а напряжение U_оп5 численно равно постоянному множителю 0,1875, входящего в структуру выражения (5).

На фиг.2 приведены рисунки, поясняющие сущность функционирования способа формирования сопоставляемых электрических величин в устройстве идентификации изменения модулей междуфазных напряжений в трехфазной системе переменного тока; при этом на фиг.2а приведена схема трехфазного электроснабжения с источником питания с внутренними эдс и комплексным сопротивлением и шины с междуфазным напряжением U_ш, к которым присоединены отходящая от шин линия W и трансформатор напряжения TV, являющийся источником информации о мгновенных значениях междуфазных напряжений u_AB(t), u_BC (t) и u_CA(t) на шинах. Место условного металлического двухфазного короткого замыкания между фазами B и C на линии W обозначено точкой - комплексное сопротивление линии до места короткого замыкания, причем аргументы комплексных сопротивлений и приняты равными, т.е. _с= _кз. На фиг.2б приведены треугольники ABC и Abc, сторонами которых являются модули трех междуфазных напряжений на шинах, соответствующие расчетному режиму (треугольник ABC с площадью S_ABCрас) и некоторому аварийному режиму (треугольник Abc с площадью S_ABC) при двухфазном коротком замыкании при удалении места короткого замыкания, равном сопротивлению при этом S_ABCрас>S_Abc.

На фиг.2в применительно к условию по рис.2б в качестве иллюстрации в относительных единицах приведены графики 1, 2 и 3 изменения отношения сопоставляемых электрических величин, т.е. U*=U1/U2, при измерении междуфазных напряжений на шинах (фиг.2а) и перемещениях точки металлического двухфазного короткого замыкания вдоль линии W, причем зависимость 1 соответствует реализации способа по первому варианту (фиг.1а), зависимость 2 - по второму варианту (фиг.1б), зависимость 3 - по третьему варианту (фиг.1в), при этом зависимости построены в функции коэффициента несимметрии k_нес трехфазной системы напряжений, определяемом через отношение напряжения обратной U_обр последовательности к напряжению прямой последовательностей U_прям, т.е, k_нec=U _обр/U_прям. График 4 отражает линейную зависимость k_нес (k_нес) по прототипу.

Представленные на фиг.2в графики показывают, что нелинейность зависимостей графиков 1, 2 и 3 в сравнении с графиком 4 обеспечивает большую чувствительность к появлению несимметрии в системе междуфазных напряжений, что обуславливает получение большей чувствительности у устройства по предлагаемому способу, чем у прототипа, при одновременном исключении недостатков, свойственных прототипу. Так, коэффициенту несимметрии, равному k_нес=0,05, изменение напряжения U* в относительных единицах по первому варианту реализации предлагаемого способа составляет U*=0,187 (зависимость 1 на фиг.2в), а по третьему варианту реализации составляет U*=0,136 (зависимость 3 на фиг.2в).

Предлагаемое изобретение может быть реализовано на основе известных в технике построения измерительных органов защиты и противоаварийной автоматики схемотехнических решений, используемых при аналоговой обработке электрических сигналов, например, выполнение математической операций перемножения решают перемножителем двух аналоговых электрических сигналов. Способ может быть реализован с использованием методов и технических средств цифровой обработки электрических сигналов.