способ согласования симметричной четырехпроводной линии электропередачи с электрической нагрузкой

Формула изобретения

Способ согласования симметричной четырехпроводной линии электропередачи, входящей в состав симметричной электроэнергетической системы с электрической нагрузкой, заключающийся в том, что исходная информация о напряжениях и токах в линии через устройства сопряжения поступают в процессор, отличающийся тем, что в процессоре проверяются условия согласования четырехпроводной линии электропередачи с электрической нагрузкой для каждого провода линии, в результате сравнения действительного и эталонного значений сопротивлений нагрузки, напряжений в конце линии или токов, поступающих в нагрузку, и формируются управляющие сигналы для корректирующих органов, в качестве которых могут быть использованы устройства РПН силовых трансформаторов, фильтры высших гармонических составляющих токов и напряжений различной модификации или симметричное трехфазное устройство, генерирующее ток и напряжение на частоте основной гармоники.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании, монтаже, наладке и эксплуатации четырехпроводных линий электропередачи (ЛЭП) при передаче электрической энергии к потребителю.

Передача электрической энергии по протяженным ЛЭП, а также электрическая энергии повышенной частоты по сравнительно непротяженным ЛЭП обеспечивается: по одно- и двухпроводным ЛЭП одной парой волн электромагнитного поля (падающей и отраженной); по трехпроводным - тремя парами; по четырехпроводной - четырьмя и т.д. [1]. В результате согласования ЛЭП с электрической нагрузкой пропускная способность линий электропередачи повышается из-за исключения отраженной волны. Кроме того, уменьшается степень искажения кривых напряжения и тока, увеличивается надежность функционирования электрического оборудования, нормализуется работа релейной защиты, автоматики и связи, улучшается экологическая обстановка в районе эксплуатации ЛЭП.

Известно условие согласованного режима работы однопроводной ЛЭП [2], на основании которого работает устройство [патент RU 2390924], где реализован согласованный режим работы однопроводной протяженной ЛЭП. Однако четырехпроводная ЛЭП не может быть согласована одним лишь условием согласованного режима [2] из-за специфичности распространения напряжений и токов по четырехпроводным ЛЭП [3].

Известны способы согласования линий связи с нагрузкой [4, патент RU 2381627]. Однако применяемые здесь технические элементы, такие как дифференциальный усилитель, не предназначены для работы на высоком напряжении, к примеру 1 кВ, а это значит, что специфика реализации способов [4, патент RU 2381627] достаточно своеобразна и неприменима в протяженных линиях электропередачи высокого напряжения.

Задача изобретения - формирование способа согласования четырехпроводной ЛЭП с электрической нагрузкой.

Технический результат заключается в обеспечении условий согласования четырехпроводной высоковольтной линии электропередачи с электрической нагрузкой, выполнение которых повлечет за собой уменьшение потерь электрической энергии, повышение пропускной способности линии, уменьшение степени искажения кривых напряжения и тока.

Технический результат достигается тем, что способ согласования симметричной четырехпроводной линии электропередачи, входящей в состав симметричной электроэнергетической системы с электрической нагрузкой, заключающийся в том, что исходная информация о напряжениях и токах в линии через устройства сопряжения поступает в процессор, согласно изобретению в процессоре проверяются условия согласования четырехпроводной линии электропередачи с электрической нагрузкой для каждого провода линии в результате сравнения действительного и эталонного значений сопротивлений нагрузки, напряжений в конце линии или токов, поступающих в нагрузку, и формируются управляющие сигналы для корректирующих органов, в качестве которых могут быть использованы устройства РПН силовых трансформаторов, фильтры высших гармонических составляющих токов и напряжений различной модификации или симметричное трехфазное устройство, генерирующее ток и напряжение на частоте основной гармоники.

Условия реализации однородного симметричного участка для линейных проводов условно А, В и С [1]:

где R_0An, R_0Bn, R _0Cn - погонные активные сопротивления, соответственно линейных проводов А, В, С на частоте n-й гармонической составляющей, Ом/км; L_0An, L_0Bn, L_0Cn - погонные индуктивности, соответственно линейных проводов А, В, С на частоте n -й гармонической составляющей, Гн/км; C_0An, C _0Bn, C_0Cn - погонные емкости, соответственно линейных проводов А, В, С на частоте n-й гармонической составляющей, Ф/км; G_0ABn, G_0BCn, G_0CAn - погонные активные проводимости между линейными проводами соответственно А и В, В и С, С и А на частоте n-й гармонической составляющей, См/км; M_0ABn, M_0BCn, M_0CAn - погонные взаимные индуктивности между линейными проводами соответственно А и В, В и С, С и А на частоте n-й гармонической составляющей, Гн/км; C_0ABn, C_0BCn, C_0CAn - погонные емкости между линейными проводами соответственно А и В, В и С, С и А на частоте n-й гармонической составляющей, Ф/км; G_0A0n, G_0B0n, G_0C0n - погонные проводимости, соответственно между линейным проводом А и поверхностью земли, В и поверхностью земли, С и поверхностью земли на частоте n-й гармонической составляющей, См/км; C_0A0n, C _0B0n, C_0C0n - погонные емкости соответственно между линейным проводом А и поверхностью земли, В и поверхностью земли, С и поверхностью земли на частоте n-й гармонической составляющей, Ф/км.

Сущность изобретения поясняется схемами: на (рис.1) показан алгоритм обеспечения и поддержания согласования четырехпроводной неизолированной ЛЭП с электрической нагрузкой, на (рис.2) представлена схема алгоритма работы процессора, на (рис.3) выполнения логических операций в блоке А.

Условия согласования симметричной четырехпроводной линии электропередачи с электрической нагрузкой [5-7]:

; ; ;

; ; ,

где , , - комплексные значения действующих величин фазных напряжений в начале ЛЭП, В; _1n - постоянная распространения одной из пар волн электромагнитного поля по проводам ЛЭП; l - протяженность рассматриваемой четырехпроводной ЛЭП, км; _1An, _1Bn, _1Cn - комплексные значения действующих величин линейных токов в начале ЛЭП, А; 2_Н.А, 2_Н.В, 2_Н.С - комплексные значения действующих величин линейных токов в конце ЛЭП, A; , , - комплексные значения действующих величин фазных напряжений в конце ЛЭП, В.

На рисунках показаны:

1 - корректирующий орган (KO1), такой как РПН трансформатора;

2 - трансформатор (Т1), питающий ЛЭП напряжением 35кВ или меньше;

3 - устройства сопряжения , каковыми являются датчики напряжения и тока, спектроанализаторы, установленные вначале ЛЭП напряжением 35 кВ или меньше;

4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

5 - процессор (П);

6 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);

7 - показывающий или самопишущий прибор (РО);

8 - ЛЭП напряжением 35 кВ или меньше (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ);

9 - понижающий трансформатор, напряжением 10 кВ/0,4 кВ (Т2);

10 - устройства сопряжения , каковыми являются датчики напряжения и тока, спектроанализаторы, установленные в конце ЛЭП напряжением 35 кВ или меньше;

11 (Т3), 26 (Т4), 25 (Т5) - понижающие трансформаторы, напряжением 220 В/12 В;

12 - корректирующий орган, такой как РПН понижающего трансформатора напряжением 10 кВ/0,4 кВ (KO2);

13 (VD1), 28 (VD2), 27 (VD3) - блоки преобразователей, фаза А;

14 - блок фильтров высших гармонических составляющих токов и напряжений (Ф);

15 - обобщенная электрическая нагрузка (Z_НАГР.);

16 - корректирующий орган (КО3), такой как симметричное трехфазное устройство, генерирующее ток и напряжение на частоте основной гармоники;

17 - обобщенное сопротивление нагрузки ;

18 - обобщенное сопротивление нагрузки с учетом реализации согласования ЛЭП напряжением 35 кВ или меньше 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ),

19 - амплитудные значения напряжения нагрузки ;

20 - амплитудные значения тока нагрузки ( 2_.А);

21 - специализированная программа для прогнозирования величины основных характеристик электрической энергии в линии электропередачи трехпроводного исполнения (LEP3 v.1.00);

22 - величины токов, какими должна характеризоваться электрическая энергия, передаваемая по ЛЭП, согласованной с электрической нагрузкой ( 2_Н.А);

23 - величины напряжений, какими должна характеризоваться электрическая энергия, передаваемая по ЛЭП, согласованной с электрической нагрузкой ;

24 - логический блок (А).

Суть предлагаемой разработки заключается в реализации при помощи технических средств условий согласования четырехпроводной высоковольтной линии электропередачи с электрической нагрузкой [5-7], в формировании алгоритма обеспечения и поддержания согласованного режима работы протяженной четырехпроводной ЛЭП.

Пусть будет необходимо выполнить согласование фазы А с электрической нагрузкой. Для фаз В и С алгоритм согласования с электрической нагрузкой будет аналогичным.

На (рис.1) показан алгоритм обеспечения и поддержания согласования четырехпроводной ЛЭП с электрической нагрузкой. Здесь в качестве объекта согласования использована ЛЭП напряжением 35 кВ или меньше 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ). Кроме того, реализовано использование следующего электротехнического оборудования: трансформатора 2 (T1) -трансформатора с симметрирующим устройством [8], питающего ЛЭП напряжением 35 кВ или меньше 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ); трансформатора с симметрирующим устройством 9 (Т2) и трансформатора 11 (Т3), 26 (Т4), 25 (Т5) - это две различные группы понижающих трансформаторов, имеющие отличные друг от друга номинальные характеристики; блоков преобразователей 13 (VD1), 28 (VD2), 27 (VD3) - преобразователи тока и напряжения компьютеров, фаза А, представляющих в данном случае обобщенную электрическую нагрузку 15 (Z_НАГР.). Блоки 9 (Т2), 11 (Т3), 26 (Т4), 25 (Т5), 13 (VD1), 28 (VD2), 27 (VD3) и 15 (Z _НАГР.) образуют общий блок, полное сопротивление которого при достижении согласованного режима работы ЛЭП 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ) определяется величиной 18 , а в иных случаях - 17 . В данном случае полное сопротивление 18 является эталонной величиной, к которой должно стремиться значение 17 в процессе исполнения предлагаемого алгоритма.

Основным блоком работы алгоритма способа согласования четырехпроводной ЛЭП 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ) с электрической нагрузкой является процессор 5 (П) (рис.1), где выполняется анализ сведений о состоянии обобщенного сопротивления нагрузки 17 или 18 . Эти сведения в процессор поступают от устройств сопряжения, каковыми являются датчики тока и напряжения 3 и 10 , где анализируемые характеристики электрической энергии доводятся до величин, воспринимаемых компьютерной техникой. Датчики 3 устанавливаются и используются для сбора сведений о напряжениях и токах в начале исследуемой протяженной четырехпроводной ЛЭП 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ), а датчики 10 - в конце этой линии электропередачи 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ). В качестве датчиков 3 и 10 могут быть использованы трансформаторы напряжения и тока, спектроанализаторы, а также делители напряжения и шунты переменного тока.

Аналого-цифровой преобразователь 4 (АЦП) (рис.1) позволяет сформированные в датчиках 3 и 10 аналоговые сигналы преобразовать в дискретные. Цифроаналоговый преобразователь 6 (ЦАП) позволяет сформированные в виде дискретных сигналов в процессоре 5 (П) команды корректирующим органам 1 (KO1), 12 (KO2), 14 (Ф) и 16 (КО3) преобразовать в аналоговые. В данном случае в качестве корректирующих органов 1 (KO1) и 12 (KO2) использованы устройства РПН силовых трансформаторов, в качестве блока корректирующего органа 14 (Ф) выступают различной модификации фильтрующие устройства высших гармонических составляющих токов и напряжений, а в качестве корректирующего органа 16 (КО3) - симметричное трехфазное устройство, генерирующее ток и напряжение на частоте основной гармоники, позволяющее изменять величину полного сопротивления обобщенной нагрузки 17 путем воздействия на технологический процесс. На (рис.1) это сопротивление обозначено символом 15 (Z_НАГР. ). Результаты действия описываемого алгоритма выводятся на показывающий или самопишущий прибор 7 (РО).

Схема алгоритма работы процессора 5 (П) представлена на (рис.2). Она достаточно проста: из 4 (АЦП) в процессор 5 (П) поступают амплитудные значения тока 20 ( 2_.А) и напряжения 19 нагрузки, затем определяется величина 17 . Определенные таким образом величины 20 ( 2_.А), 19 , 17 подаются в следующий блок 24 (А).

Блок 21 (LEP3 v.1.00) на (рис.2) иллюстрирует использование в предлагаемом способе согласование четырехпроводной ЛЭП с электрической нагрузкой специализированной программы для прогнозирования величины основных характеристик электрической энергии в линии электропередачи четырехпроводного исполнения [9], которая входит в состав симметричной электроэнергетической системы. При помощи программы определяются действующие значения комплексных величин токов и напряжений, постоянные распространения волн электромагнитного поля по проводам ЛЭП, величины собственных и взаимных волновых сопротивлений. В блоках 22 ( 2_Н.А) и 23 формируются величины токов и напряжений в конце линии, какими должна характеризоваться электрическая энергия, передаваемая по ЛЭП 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ), согласованной с электрической нагрузкой. Эти токи и напряжения определяются следующим образом [5-7]:

; ; ;

; ; ,

где , , - комплексные значения действующих величин фазных напряжений в начале ЛЭП, В; _1n - постоянная распространения одной из пар волн электромагнитного поля по проводам ЛЭП; l - протяженность рассматриваемой четырехпроводной ЛЭП, км; _1An, _1Bn, _1Cn -комплексные значения действующих величин линейных токов в начале ЛЭП, А.

Приведенные выше условия согласования симметричной четырехпроводной линии электропередачи 8 (ЛЭП 35кВ ИЛИ МЕНЬШЕ) с электрической нагрузкой предполагают равенства (частный случай, l= 100 км):

;

,

и

;

.

Выполненные условия реализации однородного симметричного участка для линейных проводов условно А, В и С [1], приведенные ранее в совокупности с вышеприведенными условиями, при помощи которых можно констатировать факт равенства величин фазных и линейных напряжений и токов между собой, но различающихся друг от друга на треть периода, то есть на угол 120º, позволят обеспечить равенство между собой коэффициентов распространения. Это подтверждает факт обеспечения передачи электрической энергии по линии электропередачи 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ), входящей в состав симметричной электроэнергетической системы, одной парой волн электромагнитного поля.

Далее определяется полное сопротивление нагрузки 18 , какое оно должно быть при согласовании четырехпроводной ЛЭП 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ), входящей в состав симметричной электроэнергетической системы с этой нагрузкой. Полученные результаты отправляются в блок 24 (А).

В блоке 24 (А) (рис.3) выполняются логические операции. Здесь выполняется сравнение эталонных значений 18 , 23 с сопротивлением нагрузки 17 и напряжением в конце линии 19 . Здесь же из сопоставления этих величин определяются ошибки по сопротивлению Z1, Z2, Z3 и по напряжению U1, U2, U3. Затем определяются ошибки по току I01 - 05, I07, I08. При нулевых значениях ошибок по напряжению, ошибки по току I06 и I09 отсутствуют, поэтому в их определении нет необходимости. Информация о величинах Z1, Z2, Z3 и U1, U2, U3 поступает в один из девяти блоков с приоритетом 2. Последующее действие описываемого алгоритма заключается в определении ошибок либо по сопротивлению Z04p, Z06p, Z07p, Z08p, Z09p, либо по напряжению U01p, U02p, U03Kp, U05p. Полученные таким образом значения ошибок по напряжению поступают в блок суммы ошибок по напряжению , а величины ошибок по сопротивлению попадают в блок суммы ошибок по сопротивлению . Сведения о результатах расчета ошибок поступают в один или несколько блоков корректирующих органов 1, 12, 16, 14 (KO1-3, Ф) (рис.1).

Здесь в качестве критерия функционирования корректирующих органов избрано несоответствие напряжения в конце линии или сопротивления нагрузки. В принципе, в качестве такого критерия можно избрать и несоответствие тока в конце линии. Для этого в блоке следует собирать ошибки по току, а затем в результате сопоставления эталонного и действительного значений токов в конце линии сформировать сигнал для корректирующих органов 1, 12, 16, 14 (КО1-3, Ф) (рис.1).

В процессе реализации предлагаемого способа согласования четырехпроводной ЛЭП с электрической нагрузкой выяснено, что при и ошибка по току не определяется. В этом случае предусмотрено определение дополнительной ошибки по напряжению U_O в виде произведения разницы между 23 и 19 и коэффициента состояния Most. Затем сведения об этой дополнительной ошибке отправляются в блок .

Блок 24 (А) (рис.3) реализован в среде National Instruments Lab VIEW 2009.

Источники информации

1. Большанин Г.А. Распределение электрической энергии пониженного качества по участкам электроэнергетических систем. В 2 кн. Кн.1 / Г.А. Большанин. - Братск: БрГУ, 2006. - 807с.

2. Большанин Г.А. Коррекция качества электрической энергии / Г.А. Большанин. - Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2007 - 120с.

3. Большанин Г.А. Распределение электрической энергии пониженного качества по однородному участку линии электропередачи четырехпроводного исполнения / Г.А. Большанин, Л.Ю. Большанина // Системы. Методы. Технологии. - 2009. № 3. - С.65-69.

4. Кэрки Д. Согласование выходного импеданса при помощи полностью дифференциальных операционных усилителей / Д. Кэрки// Компоненты и технологии. - 2010. - № 5. - С.150-154.

5. Козлов В.А. Условия согласования однородной трехпроводной высоковольтной линии электропередачи 10 кВ и выше с нагрузкой / В.А. Козлов, Г.А. Большанин // Материалы VII международной научно-практической конференции. - Прага: Печатный дом «Образование и Наука», 2011. - С.86-90.

6. Козлов В.А. Согласованный режим работы однородной трехпроводной линии электропередачи / В.А. Козлов, Г.А. Большанин // Системы. Методы. Технологии. - 2011. - № 4. - С.70-76.

7. Козлов В.А. Согласованный режим работы однородной трехпроводной ЛЭП 220 кВ и выше как средство улучшения электромагнитной обстановки / Большанин Г.А. // Наука сегодня: теоретические аспекты и практика применения. 4.2: Сб. науч. трудов. - Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2011. - С.63-66.

8. Сердешнов А. Симметрирующее устройство для трансформаторов. Средство стабилизации напряжения и снижения потерь в сетях 0,4 кВ. / А. Сердешнов, И. Протосовицкий, Ю. Леус, П. Шумра // Новости электротехники. - 2005. - № 1. - С.14-15.

9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010611988 "Расчет параметров трехфазной трехпроводной неизолированной линии электропередачи (LEP3 v. 1.00)".