Кластерное устройство синхронизированных измерений параметров электроэнергетической системы

Кластерное устройство синхронизированных измерений параметров электроэнергетической системы может быть использовано в системах мониторинга, управления и защиты электроэнергетических систем в стационарных и переходных режимах. Устройство синхронизированных измерений параметров электроэнергетической системы представляет собой кластер, в который введены К (как минимум 2) блоков синхронизированных измерений сигналов от электрической сети, высокопроизводительный компьютер (хост-компьютер) и объединяющая их коммуникационная сеть. Блоки синхронизированных измерений сигналов от электрической сети установлены в различных точках электрической сети и подключены к датчикам (трансформаторам) тока и напряжения. Синхронизация измерений производится сигналами спутниковой системы позиционирования GPS/ГЛОНАСС. Блоки синхронизированных измерений формируют по определенному протоколу кадры из цифровых мгновенных значений напряжений и токов электроэнергетической системы и временных сигналов спутниковой системы позиционирования (1PPS, t_UTC ) и передают по коммуникационной сети реального времени в хост-компьютер. Хост-компьютер рассчитывает параметры электроэнергетической системы, используя совокупность полученных синхронизированных данных из различных точек электрической сети.

1 н.п. ф-лы, 4 илл.

Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована для синхронизированных измерений параметров в системах мониторинга, управления и защиты электроэнергетических систем.

Из существующего уровня техники известны устройства синхронизированных векторных измерений параметров электроэнергетических систем (Phasor Measurement Unit - PMU), например, по публикациям [1, 2].

Блок-схема устройства синхронизированных векторных измерений (Phasor Measurement Unit - PMU) представлена на фиг.1a. Устройство состоит из антиэлайзингового (защиты от наложения спектров) фильтра (1), аналого-цифрового преобразователя (2), процессора для цифровой обработки сигнала (3), блок-схема которого представлена на фиг.1б, и процессора (4) для формирования по определенному протоколу кадров, состоящих из результатов цифровой обработки сигнала и временных величин, полученных от сигналов спутниковой системы навигации (Global Positioning System - GPS).

Устройства синхронизированных измерений устанавливаются в различных точках электроэнергетической системы, при этом цифровая обработка полученных сигналов и формирование кадров из результатов этой обработки с прикрепленными данными от системы GPS производится непосредственно в этих устройствах. Далее сформированные кадры в соответствии с заданным протоколом отсылаются по коммуникационным сетям в концентратор данных (Phasor Data Concentrator - PDC), а затем в сервер.

Работа известных устройств PMU и их использование поясняется фиг.2. На входы устройств синхронизированных векторных измерений PMU ₁, PMU₂, PMU₃,,PMU_K поступают аналоговые сигналы x(t) (в трехфазной сети переменные x(t) - это напряжения u_A, u_B , u_C, u_N и токи i_A, i_B , i_C, i₀.), которые дискретизируются с некоторой частотой f_s (как правило, с целью применения быстрого преобразования Фурье - БПФ, с частотой дискретизации кратной 2ⁿ на периоде промышленной частоты, например f_s=6400 Гц, т.е. 128 точек отсчета, или f_s =12800 Гц, т.е. 256 точек отсчета на периоде промышленной частоты 50 Гц). Каждое устройство PMU_i полученные мгновенные величины на отрезке времени T_j(T₁=T ₂==T_N, или адаптивно изменяются в соответствии с текущей частотой сети, обычно T_j кратно периоду промышленной частоты) в локальной точке электрической сети также локально перерабатывает в комплексные (векторные в полярной системе координат) величины которые, соответственно, характеризуют эту локальную точку сети. Объединение в совокупную величину производится концентратором данных PDC. Ряд значений характеризует наблюдаемую часть энергосистемы. Данные значения используются при диспетчерском управлении, в системе мониторинга WAMS - World Area Measurement System, в том числе для верификации модели энергосистемы. Поскольку данные об энергосистеме получаются в комплексном (векторном) виде, то и верификация производится для модели электроэнергетической системы (ЭЭС), в основе которой лежат комплексные величины.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство по патенту US 20100072978 [3], на входы которого подаются сигналы из двух точек сети, при этом из одной точки сети - от трансформаторов напряжения и тока, а из другой точки сети - от стандартного устройства синхронизированных векторных измерений PMU, и включает дополнительно к известным по [1, 2] устройствам синхронизированных измерений параметров электроэнергетической системы блок вычисления угла между векторами напряжений, измеренных в двух точках сети.

Недостатками данного технического решения является локальный способ обработки полученной информации о локальных процессах в электроэнергетической системе и получение дополнительного параметра (угла между векторами напряжений) как разницы между двумя локальными величинами. Следствием чего является невозможность получения полных и достоверных данных о параметрах электроэнергетической системы и происходящих в ней общесистемных процессах в стационарных и переходных режимах, в частности, невозможность точного определения частоты вынужденного процесса в переходных режимах при наличии в электроэнергетической системе вынужденных и свободных составляющих [4].

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание устройства для получения более полных и достоверных данных о параметрах электроэнергетической системы и происходящих в ней общесистемных процессах в стационарных и переходных режимах.

Данная задача решается заявляемым в качестве полезной модели Кластерным устройством синхронизированных измерений параметров электроэнергетических систем, включающее блок синхронизированных измерений сигналов от электрической сети, состоящий из антиэлайзингового фильтра, выход которого связан с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с входом блока для формирования кадров из цифровых значений сигналов от электрической сети и временных сигналов спутниковой системы позиционирования GPS/ГЛОНАСС для передачи по коммуникационной сети реального времени, благодаря тому, что, согласно полезной модели, устройство представляет собой кластер, в который введены К (как минимум 2) блоков синхронизированных измерений сигналов от электрической сети, высокопроизводительный компьютер (хост-компьютер) и объединяющая их коммуникационная сеть, при этом блоки синхронизированных измерений сигналов от электрической сети установлены в различных точках электрической сети и подключены к датчикам (трансформаторам) тока и напряжения и формируют по определенному протоколу кадры из цифровых мгновенных значений напряжений и токов электроэнергетической системы и временных сигналов спутниковой системы позиционирования (1PPS, t_UTC) и затем передают по коммуникационной сети реального времени в хост-компьютер, который рассчитывает параметры электроэнергетической системы, используя совокупность полученных синхронизированных данных из различных точек электрической сети.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной новой совокупностью признаков, является получение более полных и достоверных данных о параметрах электроэнергетической системы и происходящих в ней процессах в стационарных и переходных режимах.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:

- на фиг.3 - блок-схема кластерного устройства синхронизированных измерений параметров электроэнергетической системы;

- на фиг.4 - схема, поясняющая работу кластерного устройства и использование синхронизированных измерений параметров электроэнергетических систем.

Работает кластерное устройство синхронизированных измерений параметров электроэнергетической системы следующим образом. С выходов датчиков (трансформаторов) тока и напряжения вторичных сетей электроэнергетической системы на входы антиэлайзинговых фильтров (1) блоков синхронизированных измерений мгновенных значений напряжений и токов электроэнергетической системы PMU-1₁, PMU-1₂, PMU-1₃ ,, PMU-1_K поступают переменные сигналы u _A, u_B, u_C, u_N и i _A, i_B, i_C, i₀, которые дискретизируются в аналогово-цифровых преобразователях (2) с некоторой частотой (как правило, с частотой дискретизации кратной 2ⁿ на периоде промышленной частоты).

В блоках (3) производится формирование по определенному протоколу кадров из цифровых на каждом шаге дискретизации мгновенных значений сигнала и временных сигналов (1PPS, t_UTC) и передача по коммуникационным сетям реального времени (например, Ethernet RT). Дискретные величины мгновенных значений (соответственно, напряжения и токи) от каждого блока синхронизированных измерений мгновенных значений напряжений и токов электроэнергетической системы PMU-1_i поступают на входы высокопроизводительного компьютера (хост-компьютера) (4). В буфере (4-1) этого компьютера накапливаются цифровые сигналы от К блоков PMU-1 кластерного устройства на промежутке времени T_j, затем процессором (4-2) эта матрица обрабатывается по специальному алгоритму (например, в соответствии с [5]). На каждом отрезке T_j будет получаться совокупность величин которая в частности может быть использована:

- (4-2) - для расчета векторных величин токов и напряжений в полярной системе координат (модуль и угол),

- (4-3) - частоты, полных, активных и реактивных мощностей.

Величина |x|t от кластерного устройства синхронизированных измерений параметров электроэнергетической системы будет являться срезом мгновенных значений для электродинамической модели электроэнергетической системы, представленной в алгебродифференциальном виде - вектор параметров, и поэтому может быть использована для идентификации представленной модели электроэнергетической системы, а также управления (WACS - World Area Control System) и защиты (WACS - World Area Protection System) электроэнергетических систем в стационарных и переходных режимах.

Литература

1. Phadke A.G., Thorp J.S. Computer relaying for power systems. John Wiley & Sons, Inc. New York, NY, USA. 1988.

2. Phadke A.G., Thorp J.S. Synchronized Phasor Measurements and Their Applications. Springer Science+Business Media, LLC 2008.

3. Patent US 20100072978. Seki; Kempei. Snchrophasor Measuring Device and Inter-bus-line Phase Angle Difference Measurement Unit Using the Same. International Class: G01R 23/02. Publication Date: 25/03/2010.

4. Максимов Б.К., Арцишевский Я.Л., Климова Т.Г., Журавлев Д.М. Мониторинг частоты в переходных режимах работы электрической сети / Электричество, 4, 2010, стр.13-16.

5. Джумик Д.В. Определение параметров схем замещения линий электропередачи, силовых конденсаторов и резисторов, реакторов по массивам мгновенных значений токов и напряжений в рабочих режимах. / Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Томск. 2008.

Кластерное устройство синхронизированных измерений параметров электроэнергетических систем, включающее блок синхронизированных измерений сигналов от электрической сети, состоящий из антиэлайзингового фильтра, выход которого связан с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с входом блока для формирования кадров из цифровых значений сигналов от электрической сети и временных сигналов спутниковой системы позиционирования GPS/ГЛОНАСС для передачи по коммуникационной сети реального времени, отличающееся тем, что устройство представляет собой кластер, в который введены К (как минимум 2) блоков синхронизированных измерений сигналов от электрической сети, высокопроизводительный компьютер (хост-компьютер) и объединяющая их коммуникационная сеть, при этом блоки синхронизированных измерений сигналов от электрической сети установлены в различных точках электрической сети и подключены к датчикам (трансформаторам) тока и напряжения и формируют по определенному протоколу кадры из цифровых мгновенных значений напряжений и токов электроэнергетической системы и временных сигналов спутниковой системы позиционирования (1PPS, t_UTC), и затем передают по коммуникационной сети реального времени в хост-компьютер, который рассчитывает параметры электроэнергетической системы, используя совокупность полученных синхронизированных данных из различных точек электрической сети.