Общие сведения об объекте регулирования

Электрической сетью называют совокупность линии электропередачи и подстанций, работающих на определенной территории.

Сети электроэнергетических систем делятся на системообразующие и распределительные. Подстанции системообразующей сети являются цен­трами питания распределительных сетей.

При наличии в центрах питания регулируемых под нагрузкой транс­фор­маторов (трансформаторов и автотрансформаторов с РПН) поддержа­ние на­пряжения у потребителя на нормальном уровне обеспечивается ком­плексом средств, установленных в распределительных сетях. Задачи же ре­гулирования напряжения в системообразующих сетях: оптимизация пере­токов реактивной мощности по условию минимума потерь активной мощ­ности, стабилизация напряжений узлов сети в заданном диапазоне, повы­шение пределов переда­ваемой мощности. Эти задачи решаются, в основ­ном, путем оперативно-дис­петчерского управления.

При отсутствии в центрах питания достаточного количества транс­форма­торов с РПН или их неиспользовании в автоматическом режиме для регулиро­вания напряжения в распределительных сетях могут привлекаться в опреде­ленных пределах средства регулирования системообразующих се­тей.

К средствам регулирования напряжения (объектам регулирования) отно­сятся:

· системы возбуждения синхронных генераторов электростанции (см. темы 2 и 3);

· системы возбуждения синхронных компенсаторов и синхронных двига­телей;

· управляемые (гибкие) электропередачи (FACTS);

· трансформаторы и автотрансформаторы с РПН, вольтодобавоч­ные аг­регаты;

· конденсаторные установки;

· управляемые шунтирующие реакторы;

· статические тиристорные компенсаторы;

· сверхпроводниковые индукционные накопители.

С точки зрения автоматического регулирования все эти электроуста­новки делятся на две группы: непрерывного (н) и дискретного (д) дейст­вия. Соответ­ственно их устройства автоматического регулирования имеют принципиаль­ные отличия.

Необходимость регулирования напряжения вызвана невозможностью его стабилизации в требуемом диапазоне без использования регулируемых элек­троустановок. Важность задачи обусловлена тем, что от значения на­пряжения зависят:

· показатели качества вторичной энергии, в которую преобразу­ется электроэнергия (механической, тепловой, световой, химиче­ской);

· производительность труда на промышленных предприятиях (в связи с зависимостью от напряжения вращающегося момента двига­телей, светоотдачи ламп накаливания и пр.);

· срок службы изоляции электрооборудования и особенно ламп на­кали­вания (при повышении напряжения срок службы сокраща­ется);

· расход электроэнергии (из-за установки электроприборов боль­шей мощности).

Показатели и нормы качества электроэнергии определены в ГОСТ 13109-97. В частности, отклонения напряжения

не должны превышать, как правило, (в послеаварийных режимах в тече­ние ограниченного времени ).

Регулирование напряжений связано с регулированием реактивных мощ­ностей, которые влияют на потери активной мощности и энергии.

Таким образом, регулирование напряжения и реактивной мощности явля­ется важной технико-экономической задачей.

Автоматическое регулирование напряжения

Трансформаторами с РПН

Устройство регулирования напряжения трансформатора (автотранс-фор­матора) под нагрузкой (РПН) осуществляет переключение без разрыва цепи тока ответвлений регулировочной обмотки, размещенной, как пра­вило, у трансформаторов на стороне ВН, а у автотрансформаторов – на стороне СН в линии или в общей части гальванически связанных обмоток. При переключе­нии ответвлений изменяется ступенчато (дискретно) коэф­фициент трансфор­мации и регулируемое напряжение. Ступень регулиро­вания у отечественных Т и АТ

пределы регулирования

Если использовать в устройствах РПН с токоограничивающими реак­то­рами положение «мост» в качестве рабочего, то ступень регулирования снижается вдвое и удваивается число ступеней.

Существуют устройства плавного (непрерывного) регулирования на­пря­жения трансформатора подмагничиванием магнитопровода, имеющего специ­альную конструкцию, а также устройства бесконтактного регулиро­вания с использованием силовых полупроводниковых приборов. Эти уст­ройства при­меняются в трансформаторах небольшой мощности специаль­ного назначения и в управляемых шунтирующих реакторах.

Автоматическое управление устройствами РПН осуществляют автома­тиче­ские регуляторы АР. Их называют АРНТ или АРКТ (напряже­ния или коэффициента трансформации). Они подают команды на устрой­ство РПН – «выше», «ниже». Кроме того, регуляторы имеют другие отли­чия от регуля­торов непрерывно управляемых объектов, например АРВ:

· зону нечувствительности – ∆U_неч,

· выдержку времени – .

Зона нечувствительности выбирается такой, чтобы после переклю­чения ответвлений трансформатора по команде регулятора на одну сту­пень по ко­манде регулятора регулируемое напряжение не вышло за проти­воположную границу зоны нечувствительности (рис. 4.1,а):

практически

Рис. 4.1. Изменение напряжения трансформатора с РПН при различных

зонах нечувствительности регулятора:

а – ; б –

При нарушении этого условия, т.е. при выборе (рис. 4.1,б), на­пряжение после переключения может выйти за противоположную границу зоны нечувствительности и произойдет излишнее действие регу­лятора в об­ратном направлении.

Выдержка времени необходима для предотвращения излишних пере­ключений при кратковременных выходах напряжения из зоны нечувстви­тель­ности регулятора, т.е. для уменьшения количества переключений и из­носа устройства РПН. Значение устанавливается обычно в диапазоне 1-3 мин. Существуют регуляторы с зависимой временной характеристикой от отклоне­ния напряжения и от знака производной огибающей напряжения по времени.

Среди разнообразных конструкций АРНТ наиболее совершенными явля­ются полупроводниковые и микропроцессорные. Бесконтактные регу­ляторы не изнашиваются от многократных запусков при кратковременных колебаниях напряжения и имеют существенно меньшее потребление по сравнению с элек­тромеханическими АРНТ.

Функциональная схема простейшего регулятора напряжения двухоб­мо­точного трансформатора с РПН приведена на рис. 4.2. Регулятор под­ключается к измерительным трансформаторам ТН и ТТ через промежу­точные трансфор­маторы ПТН и ПТТ. При отклонениях

Рис. 4.2. Функциональная схема регулятора напряжения трансформатора с РПН

напряжения на входе измерительного органа за пределы зоны не­чувствительности выходные реле регулятора KL1 или KL2 посылают в электроприводной механизм ЭПМ устройства РПН команду «выше» или «ниже» с выдержкой времени, создаваемой органом вы­держки времени ОВВ. При аварийных снижениях напряжения, больших пре­делов регули­рования трансформатора, т.е. на 20-30%, сигнал «выше» блокиру­ется.

Рассмотрим принцип действия основных элементов регулятора.

Измерительный орган ИО состоит из:

ДОН – датчик отклонения напряжения за пределы зоны не­чувствитель­ности;

У1, У2 – усилители с релейной характеристикой, подключенные через диоды к двум выходам ДОН;

РУ – регулятор уставок ( , ∆U_неч).

На вход ИО может подаваться напряжение , пропорциональное на­пряже­нию в центре питания ЦП – (при выведенном УТК), или . Напряжение в электрическом центре нагрузок моделиру­ется с помощью устройства токовой компенсации УТК и трансформатора тока ТТ1, напряже­ние на шинах наиболее ответственного потребителя моделируется с помо­щью УТК и ТТ2.

Измерительный орган имеет зону нечувствительности и два выхода (по числу трактов регулятора).

Принцип действия датчика отклонения напряжения ДОН тот же, что у измерительного органа АРВ – сравнение сигналов линейного и нелиней­ного элементов. Один из вариантов схемы ДОН, с использованием стаби­литрона VD, резисторов R1, R2 и потенциометра R3, показан на рис. 4.3,а. На рис. 4.3,б построены характеристики измерительного органа: зависимо­сти и от входного напряжения .

Рис. 4.3. Измерительный орган АРНТ:

а – схема; б – характеристики

Усилитель с релейной характеристикой У1 реагирует на при ; У2 – на при . В пределах ∆U_вх, определяю­щего зону нечувствительности регулятора, У1 и У2 не действуют.

Устройство токовой компенсации УТК моделирует падение на­пряже­ния в распределительной сети от центра питания, где установлен ре­гулятор, до точки, в которой нужно поддерживать напряжение (ЭЦН или П на рис. 4.2). Активное и индуктивное сопротивление ( или ) могут моделиро­ваться различными по характеру сопротивлениями, напри­мер, только актив­ными, а необходимые фазы составляющих падения на­пряжения (реактивной и активной) получают выбором токов соответст­вующих фаз.

На рис. 4.4 показана схема УТК с использованием токов трех фаз.

Рис. 4.4. Устройство токовой компенсации с использованием

токов трех фаз

По второму закону Кирхгофа

где

– междуфазное напряжение на шинах ЦП (см. рис. 4.2);

– коэффициенты трансформации ТН и ПТН;

– разность первичных токов ТТ фаз В и С (см. рис. 4.2);

– коэффициенты трансформации ТТ и ПТТ;

– первичный ток фазы А в симметричном режиме,

.

Подставив эти выражения в исходную формулу, получим

Это уравнение модели, оно соответствует уравнению оригинала

,

если установить сопротивления УТК равными

Сопротивления могут моделировать , если УТК подклю­чить к ТТ2 с первичным током .

В первом случае напряжение на входе ИО

во втором –

т.е. УТК компенсирует падение напряжения в распределительной сети, а регу­лятор стабилизирует напряжение в точке сети, удаленной от центра питания, в котором регулируется напряжение с отрицательным статизмом.

Применяется и приближенная компенсация током одной – «отстаю­щей» фазы с одним переменным резистором R в УТК. Например, если ре­гулятор включен на , то используется ток независимо от соотноше­ния . Векторная диаграмма УТК для этого случая пока­зана на рис.4.5.

Рис. 4.5. Векторная диаграмма УТК с использованием тока отстающей фазы

Промышленные полупроводниковые регуляторы обладают большими возможностями, чем рассмотренный простейший регулятор. К ним отно­сятся: БАУ РПН-2, АРТ-1Н, разработанные в Латвэнерго в 70-е годы и вы­пускав­шиеся Рижским опытным заводом Всесоюзного треста «Союзэнер­гоавтома­тика»; регуляторы, разработанные в МЭИ (УАРТ-2М). Мос­энерго, ВЭИ.

Современные микропроцессорные устройства управления трансфор­мато­рами под нагрузкой обладают значительно большими функциональ­ными воз­можностями, чем полупроводниковые, обеспечивают лучшие точностные и надежностные показатели, позволяют интегрировать их в ав­томатизированные системы диспетчерского управления (АСДУ), управле­ния технологическими процессами (АСУТП), в иерархическую систему регулирования U и Q.

В настоящее время на Российском рынке доступны современные им­порт­ные микропроцессорные устройства для автоматического управления коэффи­циентом трансформации, обладающие необходимыми характери­стиками (фирмы АВВ, Siemens, Alstom–Areva и др.), но эти устройства имеют высокую стоимость, а их обслуживание требует контакта с фирмой изготовителем. По­этому в России разработаны и выпускаются свои уст­ройства, не уступающие зарубежным аналогам, но имеющие более низкую стоимость. К ним относятся:

РНМ-1 (регулятор напряжения микропроцессорный), разработанный ЗАО «Радиус-Автоматика»,

МАРТ-1, МАРТ-2 (микропроцессорное устройство автоматического регу­лирования трансформаторов под нагрузкой), разработанное совместно Тю­меньэнерго и ОАО «Росавтоматизация».

В качестве примера рассмотрим основные функциональные задачи, обес­печиваемые регулятором МАРТ, состоящим из блока МАРТ, датчика положе­ния электропривода РПН (логометрического или сельсинного типа), датчика температуры наружного воздуха:

· Стабилизация контролируемого напряжения или его встречное ре­гули­рование по току нагрузки одной или двух линий.

Команда на изменение коэффициента трансформации формируется по следующему закону:

где – регулируемый параметр;

– момент выхода регулируемого параметра за границу зоны нечувстви­тель­ности;

– нижняя и верхняя границы зоны нечувствительности;

– текущее значение регулируемого напряжения;

– производная его огибающей;

– уставка регулятора;

– коэффициент, определяющий наклон характеристики встречного ре­гулиро­вания;

– временная задержка на выдачу команды регулирования;

– текущее и минимальное значения тока нагрузки;

– номинальные напряжения i-го ответвления на стороне ВН и об­мотки НН трансформатора.

Использование производной в законе изменения коэффициента транс­формации позволяет не производить переключе­ние ответвлений транс­форматора, если регулируемый параметр находится вне зоны не­чувствитель­ности регулятора, но под влиянием внешних факторов сам дви­жется в зону нечувствительности;

· Блокировка регулятора при снижении напряжения ниже минималь­ного уровня и при увеличении тока выше максимального уровня. Эти уровни задаются дистанционно или с панели регуля­тора в цифровой форме, как и другие уставки.

· Изменение набора уставок с одного, заранее выбранного набора значе­ний, на другой внешним релейным сигналом.

· Контроль исправности, сигнализация и блокировка регулятора при воз­никновении неисправности, в том числе электроприводов РПН.

· Групповое управление электроприводами РПН параллельно рабо­таю­щих однотипных трансформаторов.

· Интегрирование в АСДУ и АСУ ТП по последовательному интер­фейсу типа RS232 или RS485.

Регулятор имеет два режима функционирования: «Работа» и «Про­грам­мирование». В режиме «Программирование» процесс регулирования не пре­рывается и осуществляется с текущим набором уставок.

Разрабатываются адаптивные регуляторы на других принципах.

4.3. Автоматическое регулирование напряжения конденсаторными уста­новками

Конденсаторная установка (КУ) состоит из одной или нескольких трех­фазных конденсаторных батарей (секции), коммутационных аппаратов и уст­ройств РЗАИ.

Присоединяются КУ параллельно к приемникам электроэнергии, предна­значаются для повышения коэффициента мощности (снижения tgφ) и исполь­зуются для местного регулирования напряжения, в том числе ав­томатическими устройствами.

Автоматическое регулирование может быть одноступенчатым, когда ав­томатически включается – отключается вся конденсаторная установка, или многоступенчатым, когда включаются – отключаются отдельные сек­ции или переключается схема соединения.

Как объект регулирования трехфазная конденсаторная батарея емко­стью «С» в фазе является источником реактивной мощности .

При соединении конденсаторов в звезду

;

при переключении в треугольник –

.

В схеме рис.4.6 после замыкания контактов К мощность КУ изменяется

до значения

т.е. увеличивается в раза.

При изменении мощности КУ изменяются и потеря напряжения в рас­пре­де­лительной сети, и напряжение на шинах потребителя .

Для простейшей схемы рис. 4.7,а приближенно – с учетом только про­дольной составляющей падения напряжения в линии (векторная диаграмма рис. 4.7,б) напряжение на шинах потребителя

изменение напряжения из-за изменения мощности КУ

.

В общем случае вместо следует использовать эквивалентное сопро­тив­ление распределительной сети .

Рис. 4.7. Схема и векторная диаграмма режима радиальной сети

Активный и реактивный токи можно выразить через соответствующие мощности:

Автоматический регулятор может использовать для формирования ко­манд следующие параметры:

· время суток (программное управление с помощью контактных электри­ческих часов);

· напряжение ;

· ток или мощность нагрузки;

· знак реактивной мощности питающей линии.

Регулирование в функции напряжения (рис. 4.8) осуществляется АРН с зоной нечувствительности, большей ступени регулирования напряжения

Рис. 4.8. Зависимость напряжения на шинах потребителя

от реактивной нагрузки

При увеличении реактивной нагрузки напряжение снижается до , и АРН включает 1-ю секцию КУ мощностью ∆Q=∆Q_ст. Напряже­ние уве­личивается на и т.д. При уменьшении АРН срабатывает при , отключает очередную секцию КУ, что приводит к сниже­нию напря­жения на (штриховая линия на рис. 4.8).

Схема одноступенчатого управления КУ в функции напряжения по­ка­зана на рис. 4.9.

На рис. 4.9 приняты следующие обозначения: – автоматический вы­клю­чатель; – предохранители; – контактор ( – катушка управ­ления; , , – контакты основные с дугогашением и вспомогательные); – кнопки с самовозвра­том; – макси­маль­ное и минимальное реле напряжения; – реле времени с с.

Для включения КУ в работу необходимо включить при этом опера­тив­ное напряжение подается на схему управления. При пониженном на­пряжении ниже уставки минимального реле KV2 контакт KV2:1 замкнут, и реле KT2 контактом KT2:1 включает KM. Напряжение на шинах повы­сится. При повышении напряжения выше уставки реле KV1, оно срабаты­вает и с вы­держкой времени KT1 контактом KT1:1 отключает KM.

Для ручного включения нужно кратковременно нажать кнопку SB1. Сра­батывает KM, самоудерживается через KM:2 и контактом KM:1 вклю­чает конденсаторную батарею. Для отключения КУ вручную достаточно нажать кнопку SB2.

Рис. 4.9. Схема одноступенчатой КУ:

а– силовая схема, б– схема управления

Многоступенчатое регулирование может осуществляться автомати­че­ским регулятором конденсаторных установок АРКУ.

АРКУ состоит из измерительной части (командного блока) и логиче­ской части с исполнительными элементами в виде так называемых приста­вок.

Измерительная часть аналогична измерительной части АРН транс­форма­тора. Она выявляет только направление воздействия – включить или отклю­чить очередную секцию конденсаторной батареи – путем подачи на­пряжения на шину «В» или «О» логической части на время, достаточное для исполнения команды.

Логическая часть определяет конкретную секцию конденсаторной бата­реи, которая подлежит включению или отключению, в соответствии с логиче­ским алгоритмом приставок.

Алгоритм может быть двух видов:

1) мощности секций равны, тогда приставки и соответствующие сек­ции включаются поочередно и поочередно отключаются в обратном по­рядке;

2) мощности секций соотносятся как 1:2:4…(2⁰:2¹:2²…), тогда при трех сек­циях можно получить восемь (2³) ступеней регулирования с мощно­стями, относящимися как 0:1:2:(1+2):4:(1+4):(2+4):(1+2+4) и ступе­нью регули­рования ∆Q_ку=Q₁ (мощность первой секции).

Структурная схема соединения трех приставок для 3 секций КУ рав­ной мощности показана на рис. 4.10. В состав каждой приставки входят две логиче­ские схемы И; двустабильный триггер с двумя входами (S – сра­батыва­ния, R– возврат), выдержкой времени Т; и двумя выходами: ; исполнитель­ный элемент ИЭ.

Рис. 4.10.Структурная схема логической части (приставок) АРКУ

Работа схемы.

В исходном состоянии (до включения секций): «Q» = 0, « » = 1.

Если контролируемое измерительной частью напряжение находится в зоне нечувствительности, то «В» = 0, «О» = 0, «Q» = 0, « » = 1.

При снижении напряжения командный блок подает импульс команды включения «В» = 1. Срабатывает только И1.1, переключается с выдержкой времени Т триггер Т1 и выдает команду «Q» = 1 на действие исполнитель­ного элемента ИЭ.1, включающего первую секцию. Напряжение повыша­ется и вхо­дит в зону нечувствительности или остается ниже.

Второй импульс команды включения «В» = 1 переключает Т2; дейст­вует ИЭ.2 и включает вторую секцию.

При поступлении сигналов отключения «О» = 1 работа устройства проис­ходит аналогично, но в обратном порядке. Необходимую очеред­ность обрат­ного переключения триггеров (сначала Т3, затем Т2 и Т1) обеспечивают логи­ческие элементы И3.2 – И1.2.