автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система для АСУ ТП гидроэлектростанции

Самарский государственный технический университет \ 1З ^ 1 • На правах рукописи

1 з

РОМАНОВ Алексей Александрович

УДК 621.317:681.335 ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ АСУ ТП ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Специальность 05.11.16-информационно- измерительные системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада

На правах рукописи

РОМАНОВ Алексей Александрович

УДК 621.317:681.335

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ АСУ ТП ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Специальность 05.11.16 -информационно-измерительные системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада

Работа выполнена на кафедре "Информационно - измерительная техника" Самарского ордена Трудового Красного Знамени государственного технического университета имени В.В.Куйбышева.

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Р.Т.Сайфуллин.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Семенов Владимир Семенович Кандидат технических наук, профессор Якубович Семен Кузьмич.

Разослана " апреля 1996г.

Ведущая организация: Всероссийский электротехнический институт имени В.ИЛенина.

Защита состоится '¿>0" мая 1996 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Самарского ордена Трудового Красного Знамени государственного технического университета им. В.В.Куйбышева по адресу:

443100, Самара, ул.Гапактионовская, 141, аудитория 23.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063.16.01

В.ГЖиров.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Увеличение единичных мощностей современного энергетического оборудования электростанций сопровождается усложнением задач управления. Растет число точек контроля и количество измеряемых и контролируемых параметров, повышаются требования к качеству ведения технологических процессов. Все это требует создания атоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП) электростанций на основе современных н эффективных средств информационной и вычислительной техники.

Наиболее целесообразной структурой АСУ ТП электростанции должна являться двухуровневая иерархическая структура. На нижнем уровне структурной иерархии должны находиться системы управления технологическими процессами отдельных энергоблоков и подстанций. На верхнем уровне располагается система управления всей станцией в целом.

Основу средств измерения, используемых в АСУ ТП энергоблоков в настоящее время составляют измерительные преобразователи (ИП) электроэнергетических параметров: среднеквадратических значений напряжения и тока, активной и реактивной мощности, а также коэффициенты мощности и частоты.

Можно выделить три существующих направления развития ИП этой группы.

К первому направлению относится разработка аналоговых измерительных преобразователей новых серий, улучшающих технико-эксплуатационные характеристики существующих типов.

Второе направление связано с повышением быстродействия ИП параметров сетей переменного тока, что позволяет создавать измерительные преобразователи, предназначенные для измерений в аварийных режимах работы энергетического оборудования с временем измерения менее периода входного сигнала.

Третье направление связано с созданием измерительных средств, обеспечивающих многоканальное аналого-цифровое преобразование сигналов, а также сбор и предварительную обработку информации.

В связи с этим создание высокоэффективных информационно - измерительных систем (ИИС), комплексно решающих задачу многоканального и многофункционального непрерывного измерения и контроля основных электроэнергетических параметров энергоблоков и подстанций электростанций 9

высокой точностью и быстродействием, обеспечивающих возможность передачи данных на подстанционные и центральные пульты управления, является актуальной проблемой.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является разработка информационно-измерительной системы для АСУ ТП ГЭС, позволяющей повысить точность и быстродействие измерения и контроля основных электроэнергетических параметров.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- разработана структурная схема двухуровневой АСУ ТП гидроэлектростанции;

- разработана структурная схема информационно - измерительной системы, входящей в состав АСУ ТП ГЭС;

- проведен анализ методов и средств измерения основных электроэнергетических параметров и предложена классификация методов по времени функциональной связи с периодом входного сигнала;

- разработан быстродействующий метод определения электроэнергетических параметров по нескольким мгновенным значениям напряжения и тока;

- разработан быстродействующий метод определения электроэнергетических

параметров по двум мгновенным значениям сигналов, сдвинутым по фазе на ^ ;

- проведен анализ погрешности предложенных методов из-за наличия в сигналах высших гармонических составляющих;

- разработана структурная схема информационно-измерительной подсистемы основных электроэнергетических параметров.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В работе использованы методы теории измерений, численного анализа, теории электрических цепей и цифровой обработки сигналов. Для подтверждения результатов теоретического анализа использовались методы экспериментального исследования и моделирования.

Научная новизна

1. Предложена классификация методов и средств измерения основных электроэнергетических параметров по времени функциональной связи с периодом входного сигнала, обеспечивающая наиболее оптимальный анализ и выбор методов с точки зрения быстродействия.

2. Разработан быстродействующий метод определения электроэнергетических параметров по трем мгновенным значениям напряжения и тока, время реализации

которого не зависит от момента начала измерения, периода входного сигнала и угла сдвига фаз между напряжением и током.

3. Разработан быстродействующий метод определения электроэнергетических параметров по двум мгновенным значениям напряжения и тока, сдвинутым по

фазе на ^ < обеспечивающий наименьшее время измерения.

4. Разработана структурная схема информационно-измерительной подсистемы основных электроэнергетических параметров повышенного быстродействия.

Практическая ценность

Предложенная классификация методов и средств измерения основных электроэнергетических параметров по времени функциональной связи с периодом входного сигнала позволяет оценить методы и средства их реализации с точки зрения быстродействия и произвести выбор наиболее оптимального метода измерения комплекса параметров.

Разработанные методы определения электроэнергетических параметров обеспечивают значительное сокращение времени измерения целого комплекса величин, что дает возможность построения унифицированных каналов систем, которые могут использоваться дня измерений в аварийных режимах работы энергетического оборудования.

Полученные результаты анализа погрешности разработанных методов позволяют определить области их использования в зависимости от предъявляемых требований по быстродействию, точности измерения и частотного спектра сигналов.

Разработанная структурная схема информационно - измерительной подсистемы позволяет повысить точность и быстродействие при измерении основных электроэнергетических параметров.

Результаты работы могут найти применение при разработке информационно -измерительных систем для широкого класса энергообъектов.

Реализация результатов работы

На основании проведенных исследований разработана информационно -измерительная система для АСУ ТП гидроэлектростанции, а также информационно -измерительная подсистема основных электроэнергетических параметров.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано печатных работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Назначение и структура автоматизированной системы управления технологическим процессом гидроэлектростанции Волжская ГЭС имени В.И .Ленина играет важную роль в обеспечении надежной и эффективной работы объединенных энергетических систем Центра, Средней Волги и Урала.

На станции установлено 20 вертикальных однотипных агрегатов. Каждый агрегат состоит из турбин типа ПЛ30-ВБ-930, мощностью 126 МВт и расчетным напором 21 м, и генератора типа СВ (1500/200) - 88, мощностью 128 МВА.

Гидроагрегаты объединяются в группы по 2 или 3 агрегата и в сочетании с повышающими трансформаторами образуют восемь блоков, работающих на шины 500, 220 и 110 кВ.

Мощность ГЭС выдается в Мосэнерго, на Урал и в Самараэнерго по присоединениям ОРУ 500, 220 и 110 кВ.

ОРУ 500 кВ выполнено по схеме двух секционных сборных шин н имеет четыре отходящих линии электропередачи 500 кВ. ОРУ 220 кВ выполнено по схеме секционной системы шин с обходной шиной и имеет шесть отходящих линий электропередач 220 кВ. ОРУ 110 кВ имеет семь отходящих линий электропередачи 110 кВ и выполнено по схеме двойной системы шин с обходной шиной.

Каждое распределительное устройство ОРУ 500, 220 и 110 кВ территориально удалено друг от друга и имеет свой подстанционный пункт управления.

А настоящее время ведется создание автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) Волжской ГЭС имени В.И Ленина.

Наиболее целесообразной структурой АСУ ТП электростанции является двухуровневая иерархическая структура.

На нижнем уровне структурной иерархии находятся системы управления технологическим процессом отдельных агрегатов н подстанций. Задачи управления здесь сводятся к контролю, управлению, регулированию и оптимизации параметров режима работы собственно агрегата и подстанции.

На верхнем уровне располагается система управления всей станцией в целом, решающая задачи контроля и координации работы всех энергоблоков и подстанций, управляется общестанционным оборудованием, оптимального распределения нагрузки и связь с АСУ энергосистемы.

Основным целями функционирования АСУ ТП являются:

- повышение оперативности управления технологическим процессом в нормальных и переходных режимах работы ГЭС за счет своевременного и полного информационного обеспечения дежурного персонала станции о ходе протекания технологического цикла и возникающих нарушениях;

- снижение ущерба от недоотпуска электроэнергии а аварийных и послеаварийных режимах за счет сокращения времени па предварительную обработку информации и принятие решения;

- улучшение условий труда дежурного персонала станции за счет использования современных средств взаимодействия системы "человек-машина".

Указанные цели АСУ ТП достигаются за счет выполнения следующих функций:

- предоставление полной и подробной информации о протекании нормального электрического и водно-энергетического режима электростанция;

- автоматический контроль за отклонениями текущих параметров в ходе протекания технологического процесса;

- своевременная выдача информации обслуживающему персоналу о возникших нарушениях и отключениях режима;

- автоматическая расшифровка, поступающих в АСУ ТП, аварийных и предупредительных сигналов, а также сигналов об изменении состояния коммутационной аппаратуры н технологической автоматики;

- формирование и выдача протокола аварийных и предупредительных сообщений за истекшие и текущие сутки;

- автоматическая регистрация режимных параметров и работы оборудования в лредаварийных и аварийных режимах;

- автоматическое ведение суточной ведомости и другой отчетной и эксплуатационной документации.

2. Синтез структурной схемы информационно - измерительной системы.

Большое число измеряемых и контролируемых параметров агрегатов и подстанций ГЭС, а также необходимость обеспечения функционирования АСУ ТП в реальном масштабе времени требует включения в состав автоматизированной системы ИИС современных средств вычислительной техники.

Структурная схема ИИС иерархического типа представлена на рис.1.

ЛВС ПК

ЦПУ | Директор) Главный инженер ПТО Аппарат. АСУ Служба РЗиА

4

ь

I

КСИ I

I.--

ИИП1

ППУ110

хх:

ИИП2

иипз

ППУ220 I

ЕГЗ-

ИИП4

ИИП5

ИЗ

I ЦПУ500 I

пгг.

ИИП6

ИИП7

1- \

ОБЪЕКТ

Рис.1. Структурная схема ИИС.

Нижний уровень включает в себя подсистемы ОРУ 110, ОРУ 220, ОРУ 500 кВ, а также подсистему агрегатов и других объектов ГЭС.

Верхний уровень содержит подсистему представления информации персоналу станции.

Подсистемы нижнего уровня располагаются в непосредственной близости от источников информации, т.е. на пультах управления подстанций 500, 220 и 110 кВ и на центральном пульте управления (ЦПУ).

Подсистема представления информации персоналу станции строится на базе локальной вычислительной сети персональных компьютеров (ЛВС ПК). На базе рабочих станций ЛВС ПК организованы отдельные рабочие места по взаимодействию системы с оперативным и административно - техническим персоналом станции (дежурный персонал ЦПУ, директор и главный инженер, персонал ПТО, обслуживающий персонал АСУ ТП, эксплуатационный персонал службы релейной защиты и автоматики).

Информация г потокмгм нижнего уровня передастся в по юмотгму представления ннФормпцни по концентрированным линиям спят с .'1RC ПК" коннентрятора с»оря информации (КСMl

Ннфпрчяпионпо-нзмсрительнчя подсистема ИНП|, расположенная на ЦПУ. предназначена ия измерения, первичной о5ряб»тки. контроля значений режимных параметра» н дисскрегных сигналов агрегатов н устройств собственных нужд станций, водотиергетичеекцх сооружений и вык лючателей присоединений ОРУ 500, 220 и 110 kR и передачи информации в КТИ.

Основными измеряемыми параметрами НИ' П являются активная и реактивная мощности генераторов (40 значений), ЛЭП 220 и 110 ь'Н (25 значений), суммарная активная и реактивная мощности групп генераторов и т.д. Входной тиекретной информацией являются положения выключателей генераторов (2Я значений), ОРУ 50П, 220 и ПО н-R (50 значений) и другие сигналы.

Информационно-измерительные полсистемы ИМП2, ИИП4н ИНГ! ft претнязпячены для измерения, первичной обработки, контроля значений режимных параметров н дискретных сигналов оборудования и присоединений соответственно ОРУ 1Ш, 220 и >00 кВ н передачи информации в КС И.

Основными измеряемыми няряметрями ИИП2, ИИП4 и ИИПб являются активная и реактивная мощности, среднеквадратическне значения напряжения и тока, я также частота. Количество параметров лля соответствующих OPV различно п приведено в тябл.1,

Тчблнна I

Измеряемые параметры информационно - измерительных подсистем

ИИП2, ИИГ14 и ИИП6

! Измеряемый параметр 1' 1 Число параметров J

1 ОРУ ПОкВ 1 1 ОРУ 220 кВ 1 ОРУ 500 kR 1 " 1..... 12 1 " 78 i

1 Активная мощность

J Реактивная .мощность ! и 1 12 ; is i

' Среднеквадратичное значение ! 39 ; з. ; 54 ;

I тока 1 ! i l i i 1

1 Среднеквадратичное значение 1 4 i 4 ,4 i

.напряжении 1 ! 1 1

' "асюта ! 4 1 1 4 1 Л ' 1 ! 1

1 Итого 1 73 .1 . ........ 68 ОД ! i i i

Каждая из чанных ИИП должно выполнять следующие функции по первичной обработки информации:

- контроль достоверности измеренных значений по предельным значениям:

- контроль достоверности измеренных значений для дублированных датчиков:

- (Нормирование сигналов неисправности при обнаружении ошибок в измерениях;

- формирование массивов измерительной информации для передачи ее в КСИ.

Дискретные сигналы характеризуют состояния средств релейной защиты и

автоматики и коммутационных аппаратов. Общее число контролируемых дискретных сигналов составляет: для ОРУ 110 кВ - 155; для ОРУ 220 Кв - 206; для ОРУ 500 кВ - 202.

Каждая из рассматриваемых ИИП должно выполнять следующие функции по первичной обработки дискретных сигналов:

- фиксирование времени появления дискретного сигнала с разрешающей способностью не менее 10 мс:

- контроль достоверности сигналов для дублированных датчиков;

- формирование массива информации, отражающей состояние всех входных дискретных сигналов, для передачи его в КСИ:

- формирование массива информации об изменении состояний входных дискретных сигналов за предшествующий диксированный интервал времени с отметкой времени изменения каждого сигнала для передачи его в КСИ.

Информационно-измерительные подсистемы ИИП?, ИИП5 и ИИП7 предназначены дпя измерения и записи текущих значеннй тока и напряжения и положения контактов реле защит в предаварийных, аварийных и послеаварийных режимах в территориально распределенных электрических сетях 110, 220 и 500 кВ, представления осциллограмм процессов и протоколов аварий на экране компьютеров и (или) принтера в удобной для анализа форме, а также измерения параметров нормального режима сети.

3. Информационно-измерительная подсистема регистрации аварийных режимов.

Информационно-измерительные подсистемы регистрации аварийных режимов (ИИПРАР) позволяют заменить, используемые в настоящее время, аварийные осциллографы для записи предаварийного и аварийного процессов.

К'яжтая Щ1ПРЛР может работать в двух режимах: режиме измерений при отсутствии сигнала запуска регистрации и режиме регистрации при наличии сигнала запуска.

К режиме измерений выполняются следующие функции:

- заполнение и обновление массива входной информации на интервале не менее 20 периодов частоты 50 гЦ с возможностью увеличения интервала до 50 периодов и дискретностью 5 периодов;

- измерение параметров сигналов по требованию оператора:

- формирование внутреннего сигнала запуска регистрации:

- формирование запуска регистрации по внешним сигналам.

Сигнал запуска регистрации может формироваться по внутреннему алгоритму выявления аварийной ситуации и внешнему контактному сигналу. Внутренний сигнал запуска (Ьормируется при отклонении текущего усредненного значения параметра .V, ; от заданного для него порога X) (уставка запуска). Усредненное значение параметра .V . , определяется согласно выражению

Вычисление усредненного значения .V ;у выполняется так, что при каждом I -м считывании наиболее устаревшее слагаемое в (1) заменяется на считанное.

Внутренний сигнал запуска регистрации может формироваться по любому сигналу тока и напряжения, задаваему программно либо оператором. Возможно изменение уставок* запуска с дискретностью 0,1 от их диапазона.

В режиме регистрации в момент формирования сигнала запуска прекращается обновление массива входной информации, производится измерение и запись всех входных аварийных сигналов. При этом осуществляется передача на пульт управления массивов записанной информации, как предшествующих появлению сигнала запуска (20 периодов), так и самого процесса регистрации.

1

(1)

где п - число считываний за один период

Л' ,,. - мгновенное значение параметра на ! - ч считывании.

MI

Характеристики основных контролируемых сигналов ИН1 п>др приведши в таблЛ.

Таблица 1.

Характеристики основных контролируемых сигналов.

Паи.чен&виние ■Средмекиадрашммос jna'iiimv cmua.ia сигналя I

1 Номинальное i i Максимальное ¡ Уставка | jan)ска ¡Диапазон i i í ,уставки j

ЛиНСЙНЫС 1UK11, Л ; .,о i i 20 ! i i ¡ 0,5... 0,o j i l i i

i Ток нулевой ,нослс- 1 доватсльиостп, Л . 0,03 1,0 1 0,1 1 1 1 1 i 0,05... 0,5 i i i i i t f i i

i . пшенные i напряжении,!} ! 100/ 1 /Ь 300/ 7V* 1 8и i i 1 70... 9|J ! i 1 1 i

' • 'аирнженне п).ii-1 вон послсдоватсль-1 ности, В 1 2,0 ¡00/,. 4,0 ! 1 ' 2... 10 1 i i i i

¡Напряжение 1 обрат-ной i последователь- ,1100 41, В | 2,0 i0ü/. / -v'3 1 8,0 i i i i i ', 2... 20 | j f i i ! 1 1 1 1 l

Для ОРУ 110 кВ производится измерение 39 сигналов тока и Я сигналов напряжения. Для О^У 721) кВ измеряют 39 сигналов тока и 8 напряжения. -Для ОРУ 500 к? число этих параметров соответственно равно 33 и 16.

И нормальном режиме среднеквадратическое значение напряжения и тока должны измеряться с погрешностью не хуже 1,5%.

Анализ режимов работы рассматриваемой ИИС показал, что для ее реализации должны использоваться быстродействующие методы измерения основных

электроэнергетических параметров, обеспечивающие время измерения менее периода входного сигнала.

4. Анализ методов и средств измерения основных электроэнергетических параметров.

В настоящее время имеется большое количество работ, посвященных анализу методов и средств измерения среднеквадратнческнх значений напряжение и тока (СКЧ), активной н реактивной мощности, а также коэффициента мощности.

К основным методам измерения СК"{ сигналов можно отнести:

- выпрямление входного сигнала с последующей градуировкой по СКЗН и СКТГ;

- нелинейное преобразование с квадратичной функцией преобразования (с использованием элементов с естественными нелинейностями вольтамперных характеристик и синтезированных квадратов);

- мечпды, использующие аналоговые и ан&лого-дискрегные вычислительные алгоритмы преобразования;

- методы, использующие цифровые вычислительные алгоритмы преобразования, в том числе вероятностные:

- типовые методы прямого преобразования и с коррекцией погрешности.

При измерении активной и реактивной мощности чаше всего используют

следующие методы:

- прямого перемножения аналоговых сигналов или их цифровых эквивалентов;

- аналогового или аналого-дискретного преобразования с многократной модуляцией;

- аналогового или цифрового функционального преобразования, использующего различные алгебраичные или тригонометрические зависимости для получения произведения;

- стохастическо - эргодический метод, основанный на применении двух вспомогательных источников опорного напряжения с постоянной в заданном диапазоне изменения напряжения функцией плотности вероятности.

Основные методы измерения коэффициента мощности основаны на определении этого параметра через отношение активной мощности к полной, вычисление косинуса угла между моментами перехода через поле кривых тока и напряжения по измеренным значениям в амплитудной площади импульсов напряжения, ограниченных во времени моментами достижения напряжением и током исследуемой цепи определенных фаз.

Существующие классификации методов и средств измерения перечисленных выше параметров не позволяют оценить их с точки зрения быстродействия и выбрать методы, которые могут быть использованы для измерения комплекса электроэнергетических величин.

В работе предлагается классифицировать все методы по времени функциональной связи с периодом входного сигнала. Минимальный интервал времени, в течении которого осуществляется функциональная связь, назовем интервалом связи Тс.

В соответствии с этим все методы могут быть разделены на четыре группы:

- с мгновенным временем связи (Тс =0);

- с интервалом связи, значительно меньшим периода входного сигнала (Тс«/«);

- с интервалом связи, соизмеримым с периодом входного сигнала (Тс= t^. );

- с интервалом связи, значительно превышающим период вход ного сигнала (Тс » tgx ).

Такая классификация позволяет в соответствии сс требуемым быстродействием отобрать методы измерения каждого отдельного параметра, сопоставить их между собой и выбрать возможный метод измерения комплекса величин.

В соответствии с требованиями к разработанной ИИС для ее реализации могут быть использованы методы первой, второй и, частично, третьей групп.

Методы измерения основных электроэнергетических параметров первой и второй групп основаны, в основном, на определении искомых величин по мгновенным значениям сигналов, взятым в моменты достижения током и напряжением определенных фаз. Однако, время измерения здесь непостоянно и зависит от момента начала измерения и угла сдвига фаз между сигналами напряжения и тока (при определении активной и реактивной мощности, а также коэффициента мощности).

При измерении нескольких электроэнергетических параметров наибольшее распространение получил метод, основанный на определении соответствующего параметра по мгновенным значениям напряжения и (или) тока, равномернораспределенным по периоду входного сигнала. При этом выражения для определения СКВ напряжения, активной и реактивной мощности соответственно принимают вид

(=1

где и,, /, - мгновенные значения напряжения и тока;

п - число выборок мгновенных значений за период входного сигнала.

В известных работах указано, что при наличии в сигналах напряжения и тока высших гармоник рассматриваемые параметры будут определяться без методической погрешности, если выполняется условие п>2р (где р - номер наивысшей гармоники в сигнале). Однако, проведенный анализ указывает на несостоятельность данного утверждения в отношении реактивной мощности (РМ).

В большинстве определений выражение для РМ может быть представлено в следующем виде:

г

<2 = Е(Л45'п<Рд.

(2)

где ик, 1к - СКЗ к-ых гармоник напряжения и тока;

Фа - угол сдвига фаз между к-ми гармониками напряжения и тока. Для рассматриваемого метода

1 "

С*-1!

пгХ

г

IX™ 51ПА-С0Л+Л

г

(3)

где иЬп, - амплитудные значения к-ых гармоник напряжения и тока.

Учитывая, что (О = ^/'у-. и считая, что п>2р, выражение (3) после

преобразований примет вид

(4)

Анализ выражения (4) показывает, что оно соответствует (2) в случае, если

со5(а^-<р*) = 5'пФ*<

т.е. при

Л'^ = 2 71/+^,

где 1=0; 1; 2:...

Рассмотрим остальные случаи:

= -соэф* при ку^ = л(2/+1) ,т.е. дляк=2(21+10; = -з1пфк при = Ы+^у^ 'т,е-для ^=41+3

~ Ф/) = соэф^ при = ,т.е. для к=41.

Из проведенного анализа выражения (4) видно, что РМ будет измерена без методической погрешности от наличия высших гармоник ■ сигналах напряжения и тока в том случае, если эти сигналы содержат гармоники с номерами к=41+1, т.е. первую и (или) пятую и (или) девятую и т.д. Во всех остальных случаях РМ будет измерена с методической погрешностью.

Данный метод соответствует третьей группе в принятой классификации.

Результаты анализа методов и средств измерения основных электроэнергетических параметров указывают на необходимость разработки быстродействующих методов, время измерения в которых значительно меньше периода входного сигнала и не зависит от момента начала измерения и угла сдвига фаз между сигналами напряжения и тока.

5. Быстродействующие методы измерения основных электроэнергетических параметров

Разработанный метод измерения основных электроэнергетических параметров синусоидальных сигналов основан на определении среднеквадратических значений

1.1

напряжения и тока, активной и реактивной мощности, коэффициента мощности и частоты по трем мгновенным значениям напряжения и тока, взятым в равноотстоящие друг от друга моменты времени, первые из которых взяты в произвольный момент времени.

Согласно данному методу выражения для определении искомых параметров сигналов имеют следующий вид:

- для среднеквадратическнх значении напряжения и тока

Гг

N 2

| | 124*-и.,и.-и? ■

12.1-1 -- : I

I I >- I

(?)

I

1 1 1

-М ■ ' ...... ; (6)

I

- для активной мощности

Л • > м

11 ^ -ч

р.. ы;? -т 211 '.л ч ,. (7)

Ф1 (<', 1 ' (/з - Г )2 2

■ .тля реактивной мощности

1\{21:г-1А-1*) 1,(2^-Ь\и, -и;)

И- —Г--——»"-7 " —7--------------'< (®)

- для коэффициента мощности

, 2 Г- £•';(', Г/ 2/-' /7 ^

- ' . ' !_I- . — ___ +

У'.^С:-С П.

-Т"! Г '---------']

; '' 1 1 21' I I, I'

—---I 1 + /1--* , » '-!-: [Г

■ \ як^ч-и.и. I ! | v2/Л/^•-^/• I !

С)

- для частоты

С + Г,

агссоь'

/ , . (Ю)

2гг 1 /

пе С . (Л, ?- мгновенные значения напряжения, взятые п моменты времени I.. /_. и л соответственно:

С, -С„ япа,; С- -1'т $?п(а. • м.1 /); (•', мп(а, - 2о-1.'):

! . /,. /, - мгновенные значения тока, взятые в моменты времени Л . г/ /. соответственно: /, - - вш а ^ :/, /,„ 5ш(а,, I ск!/): /, /„ ¿т(сл 2о1 .'); С!,. г? - начальные фазы сигналов напряжения и тока: \ I - г_ - I ■<,■■!_ - интервал времени между двумя соседними выборками.

Анализ (5)Ч9) показывает, что знаменатели выражений обращаются в ноль, если

Г, О'Ф. : г>1;) 0:

I - I, ?!п(а_ -м 1 I) - 0

Для устранения возможности деления на ноль, производят анализ мгновенных значений 111 и /, и если хотя бы одно из них равно нулю, измеряют четвертые мгновенные значения через временной интервал А I1 = 2Л г = (4 -

Если иг = 0, 1г ф 0, то активная мощность, например, определяется согласно выражению

Данный метод соответствует второй группе в соответствии с принятой классификацией. Время измерения здесь не зависит от момента начала измерения, укла сдвига фаз между током н напряжением и периода сигнала, а определяются, в основном, длительностью временного интервала Л 1.

Интервал времени А 1 ограничен временем измерения мгновенных значений сигналов.

Следующий разработанный метод относится к первой группе методов. Он основан на определении искомых параметров по двум мгновенным значениям напряжения и тока, одновременно измеренным в произвольный момент времени, причем вторые значения напряжения и тока сдвинуты относительно первых на угол у-. в сторону опережения.

Если сигналы напряжения и тока в исследуемой цепи содержат только первые гармоники, то их мгновенные значения соотвестствешю имеют вид:

Р

[/, = ия вша,; иг=ия зЦа, + ;

Тогда выражения для определения перечисленных выше параметров имеют вид:

- для среднеквадратических значений напряжения и тока

иг

\~~2~ '

- для активной мощности

Р = (13)

- для реактивном мощности

и,12-и21, .

б- 1 г2 г'; (14)

- для коэффициента мощности

х=_М±М==. (15)

При определении частоты сигнала производят дополнительное измерение мгновенных значений напряжения в исследуемой цепи и сдвинутого по отношению

к нему на угол ^ через образцовый интервал времени ¿11.

Частота определяется в соответствии с выражением

агсБт —1—-¡р-2-

ги1;и1 . аб)

2кА I

где Иъ = и„ 51п(а, + аЛ ¡); = (/„ Бт^а, + ^ + о г|.

1У

Время измерения в данном методе также не зависит от момента начала измерения, угла сдвига фаз между током и напряжением и периода сигнала.

6. Анализ погрешности быстродействующих методов измерения основных электроэнергетических параметров.

Исследуем методические погрешности рассмотренных выше методов из-за искажения формы сигналов напряжения и тока. Предположим, что сигналы в исследуемой цепи определяются выражениями:

где кУик . - начальные фазы гармоник напряжения и тока Ъ-го порядка;

СО

(17)

(18)

- для активной мощности

Л-2

- для реактивном мощности

„^¡пф, +^1ки11кц, (20)

- для коэффициента мощности

= , / . ■ <21>

V к=2 V а=2

где к1к- коэффициенты гармоник напряжения и тока Ь-го

порядка.

Согласно выражениям (5)-(21) были определены предельные приведенные погрешности измерения активной и реактивной мощности н коэффициента мощности, а также предельные относительные погрешности измерения среднеквадратических значений сигналов и частоты. Вычисление производились с помощью моделирования сигналов на вычислительной машине для различных значений коэффициентов гармоник и их начальных фаз, а также интервалов дискретизации А 1.

На рис.2 и 3 приведены графики зависимостей предельных приведенных погрешностей первого н второго методов соответственно при измерении активной и реактивной мощности, а также коэффициента мощности от угла сдвига фаз между первыми гармониками напряжения и тока при наличии в сигналах первой и третьей гармоник для

Кг = *„ = 0,03.

Анализ графиков показывает, что в диапазоне изменения <р, от 00 до 90 0 предельные значения погрешностей для обоих методов приблизительно равны и могут достигать 6% при коэффициентах третьих гармоник напряжения и тока У/о.

рис.2. Графики зависимостей предельных приведенных погрешностей первого

метода от угла сдвига фаз между первыми гармониками напряжения и тока

^ "Ч для = кп = 0,03.

метода от угла сдвига фаз между первыми гармониками напряжения и тока для кл = кп = 0,03.

На рис.4 приведены графики зависимостей предельных приведенных погрешностей первого и второго метода при измерении активной мощности от угла сдвига фаз между первыми гармониками напряжения и тока для малых значений <р, при А'„, = к„ = 0,03.

Анализ графиков показывает, что в диапазоне изменения ф, от 0° до 9° предельные значения погрешностей значительно снижаются и не превышают 1% для = А',з = 0,03.

л %

рис. 4. Графики зависимостей предельных приведенных погрешностей первого и второго методов при измерении активной мощности от угла сдвига фаз между первыми гармониками напряжения н тока для = кп = 0,03.

По результатам проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

- при наличии в сигналах напражения и тока высших гармоник возникает методическая погрешность, значение которой зависит от спектра сигнала и величины коэффициентов гармоник;

- разработанные методы целесообразно использовать при измерении в цепах с незначительными искажениями сигналов (менее 3%) и малым значениям угла сдвига фаз между напряжением и током при измерении активной мощности и коэффициента мощности;

- указанным условиям соответствуют контролируемые цепи агрегатов ГЭС и подстанций;

- в разработанной ИИ С целесообразно использование второго метода, обеспечивающего большее быстродействие.

7. Разработка структурной схемы информационно - измерительной подсистемы.

Возможны несколько вариантов реализации разработанного метода. Наибольшее быстродействие обеспечивает структурная схема, представленная на рис.5.

u,(t)

u„(t)

ППН.

ппн„

i.(t)

ППТ!

i»(t)

ппт„

Рис.5 Структурная схема ИИП

Структурная схема содержит первичные преобразователи напряжения ППН1-ППНп и тока ППТ1 - ППТш , осуществляющая гальваническое разделение и преобразование входных высоковольтных и сильноточных сигналов в нормированные сигналы напряжения. Эти сигналы поступают соответственно на входы аналоговых коммутаторов АК2 и АК4 через фазосдвигающне блоки ФСБи1

- ФСБиа н ФСБЦ - ФСБип , производящее сдвиг сигналов на ^ , на входы

аналоговых коммутаторов АК1 и АКЗ. Аналога - цифровые преобразователи АЦП1 - АЦП4 осуществляют одновременное преобразование выходных сигналов коммутаторов в код. Управление блоками ИИП и обработка кодов производятся с помощью персонального компьютера ПК.

В начальный момент времени коммутатора АК1 - АК4 подключают выходные сигналы ППН1, ФСБи1 , ППТ1 и ФСБП к входам АЦП1 - АЦП4. По команде с ПК производится одновременный запуск аналоге - цифровых преобразователей и коды, пропорциональные мгновенным значениям сигналов поступают в компьютер, где производится обработка и вычисление соответствующих параметров.

После этого АК1 - АК4 подключают выходные сигналы ППН2 , ФСБи2 , ППТ2 и ФСБ12 к входам АЦП 1 -АЦП4, производится аналого-цифровое преобразование их мгновенных значений и определение искомых параметров.

Цикл заканчивается, когда будут измерены мгновенные значения и определены параметры для всех входных сигналов. Максимальное число цепей, которые могут быть проконтролированы за время, соответствующее периоду входного сигнала Т определяется выражением

Т

лг=---,

где 1ЛЦП - время аналого-цифрового преобразования; ¡¡к - время вводов кодов с АЦП в ПК;

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Разработана структурная схема двухуровневой АСУ ТП Волжской ГЭС имени В.ИЛеннна, обеспечивающая контроль, управление, регулирование и оптимизацию режима работы агрегатов и подстанций, а также станции в целом.

2. Разработана структурная схема информационно - изменрителыюй системы, входящей в состав АСУ ТП ГЭС.

3. Анализ методов н средств измерения основных электроэнергетических параметров позволил провести их классификацию по времени функциональной связи с периодом входного сигнала, обеспечивающую наиболее оптимальный выбор методов с точки зрения быстродействия.

4. Разработаны быстродействующие методы определения основных электроэнергетических параметров по мгновенным значениям напряжения и тока, время реализации которых не зависит от момента начала измерения, периода входного сигнала и угла сдвига фаз между напряжением и током.

5. Анализ погрешности разработанных методов позволил определить область их применения в зависимости от предъявляемых требований по быстродействию, точности измерения и частотного спектра сигналов.

6. Разработана структурная схема информационно - измерительной подсистемы, позволяющая повысить быстродействие измерения и контроля основных электроэнергетических параметров.

Разработанные в диссертационной работе методы и информационно -измерительная подсистема основных электроэнергетических параметров внедрены на Волжской ГЭС имени В.И Ленина.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Мелеитьев B.C., Романов A.A. Быстродействующий метод измерения интегральных характеристик сигналов в цепях переменноготока с установившимся синусоидальным режимом //Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении: Тез. докл. респ. науч. - техн. конф. -Самара, 1995.-с. 39-42.

2. Мельников Б.В., Романов A.A. Прибор для измерения температуры гидрогенератора II Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении: Тез. докл. респ. науч. - техн. конф. -Самара, 1995. - с. 42, 43.

3. Романов АЛ. Принципы построения измерительных преобразователей коэффициента мощности. Самарский государ. техн. ун-т. - СамараД996. - 9с. - Деп. в ВИНИТИ 06.02.94 И-&S6

4. Мелентьев B.C., Романов АЛ. Метод измерения действующих значений периодических сигналов сложной формы. Самарский государ. техн. ун-т. -Самара,1996. - 18с. - Деп. в ВИНИТИ О ¿.Ol. Л/

5. Романов АЛ. Анализ погрешности метода измерения действующих значений периодических сигналов сложной формы. Самарский государ. техн. ун-т. -Самара,1996. - 8с. - Деп. в ВИНИТИ 06.02.. А/ ^

6. Романов АЛ., Мелентьев B.C. Особенности измерения реактивной мощности в цепях с несинусоидальными токами и напряжениями. Самарский государ. техн. ун-т. - Самара,1996. - 8с. - Деп. в ВИНИТИ 23.01.96 г. N°256-B96.

7. Романов АЛ. Быстродействующий метод измерения интегральных характеристик синусоидальных сигналов. Самарский государ. техн. ун-т. -Самара,1996. - 8с. - Деп. в ВИНИТИ 23.01.96 г. №254-В96.

8. Мелентьев B.C., Романов A.A. Использование метода измерения интегральных характеристик сигналов по отдельным мгновенным значениям в несинусоидальных цепях. Самарский государ. техн. ун-т. - Самара,1996. • 12с. - Деп. в ВИНИТИ 23.01.96 г. №255-В96.

9. Ковалев ВД., Орлов В.Н., Романов АЛ., Титов АЛ. Интегрированная микропроцессорная АСУ ТП Волжской ГЭС имени ВЛЛенина. Труды научно-технической конференции Государственного научного Центра по силовой Электротехнике (ВЭИ). • Москва,1994.

10. Романов АЛ., Семенов ВЛ., Ковалев ВД. Создание иерархической автоматизированной системы управления Волжской ГЭС имени В.ИЛенина. "Энергетик", в печати.