А.В. ЖУКОВ1, A.T. ДЕМЧУК1, M.A. ЭДЛИН2, T.A. ГУЩИНА2
ОАО «СО ЕЭС»1, ОАО «НИИПТ»2
Россия m edlin@mail.ru
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Электродинамическая модель, эксперимент, установившийся режим переходный режим, относительный угол измерения, напряжение, ток, частота
- ВВЕДЕНИЕ
Новые образцы новых устройств, использующихся для автоматического управления, регулирования и защиты, до установки на энергообъектах ЕЭС России проходят проверку на функционирование в условиях, максимально приближенных к реальным условиям будущей эксплуатации. В большинстве случаев для такой проверки используется электродинамическая модель ОАО «НИИПТ» (ЭДМ НИИПТ) [1].
Основными элементами ЭДМ НИИПТ являются физические модели основных силовых элементов электроэнергетических систем (синхронные машины малой мощности, трансформаторы, физические модели линии электропередачи, реакторы, шунты и асинхронные двигатели, моделирующие нагрузки в энергосистемах, полупроводниковые преобразовательные устройства, моделирующие преобразовательные подстанции постоянного тока и устройства FACTS и т.д.). Кроме того, в ее состав входят аналоговые и цифровые модели устройств регулирования управления, защиты и автоматики энергообъектов, средства измерения и регистрации режимных параметров в установившихся режимах и переходных процессов.
Несмотря на то, что регистраторы СМПР являются, прежде всего, измерительными устройствами, они также испытывались на ЭДМ НИИПТ. Проведение этих испытаний необходимо, потому что результаты измерений СМПР предполагается использовать для автоматического управления режимом и автоматического противоаварийного управления. Для реализации этих задач необходимо чтобы во всех возможных режимах работы энергосистемы результаты измерений СМПР адекватно отражали характер изменения измеряемых режимных параметров.
В 2005 - 2007 годах на ЭДМ НИИПТ проводились испытания на функционирование регистраторов фирм ABB, GE и РТСофт, реализующих функцию векторных измерений токов и напряжений с синхронизацией по времени с помощью системы GPS. В феврале 2008 г. были проведены сравнительные испытания регистраторов фирм РТСофт (устройство Smart-Wams модели 02) и Arbiter Systems (устройство Power Sentinel модели 1133 А). Ниже представлены некоторые результаты этих испытаний.
2. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ
В качестве испытательного стенда использовалась физическая модель транзита Сургут - Тюмень - Рефтинская ГРЭС (рис. 1). Модель содержит два генератора, моделирующих Сургутскую ГРЭС-1 (группы генераторов 220 кВ и 500 кВ), один генератор, моделирующий Сургутскую ГРЭС-2, эквивалентный генератор Нижневартовской ГРЭС, эквивалентный генератор, моделирующий Тюменскую ЭС, и эквивалентный генератор, моделирующий ОЭС Урала, включенный на шинах 500 кВ Рефтинской ГРЭС. В экспериментах, не связанных с изменением частоты в энергосистеме, эквивалентный генератор ОЭС Урала замещался шинами бесконечной мощности, в качестве которых на физической модели служат шины трансформаторной ПС, подключающей физическую модель к шинам Ленэнерго.
Рис. 1: Схема физической модели транзита Сургут - Тюмень - Рефтинская ГРЭС
Регистрация параметров электрического режима осуществлялась двумя парами устройств установленных на шинах 500 кВ Рефтинской ГРЭС и Сургутской ГРЭС-2. В качестве измеряемых перетоков мощности задавались: суммарный переток по двум цепям ВЛ 500 кВ Рефта - Тюмень и переток по ВЛ 500 кВ Сургут-2 - Сомкино (на рис.1 места установки устройств обозначены символом «W»). Кроме регистрации режимных параметров с помощью исследуемых приборов в процессе проведения экспериментов также осуществлялась регистрация режимных параметров с помощью регистратора ЭДМ НИИПТ.
На все испытуемые приборы подавались сигналы трехфазных токов и напряжений от измерительных трансформаторов тока (номинальный ток - 1 А) и напряжения (номинальное напряжение - 57,735 В). Результаты измерений получались во вторичных единицах.
В качестве результатов измерений от каждого из устройств получались следующие режимные параметры:
- действующее значение напряжения прямой последовательности,
- фазовый угол напряжения прямой последовательности,
- частота,
- действующее значение тока прямой последовательности,
- трехфазная активная мощность,
- трехфазная реактивная мощность.
Относительный угол по электропередаче формировался при обработке результатов измерений, как разность фазовых углов напряжений прямой последовательности измеряемых на Сургутской ГРЭС-2 и Рефтинской ГРЭС однотипными устройствами.
Необходимо отметить, что устройство фирмы Arbiter Systems имело требуемый набор режимных параметров в качестве своих выходных сигналов, в то время как для получения этого набора от устройств фирмы РТСофт при обработке результатов измерений проводились дополнительные вычисления (на момент проведения испытаний устройства фирмы РТСофт в качестве результатов измерений формировали данные по каждой измеряемой фазе напряжения и тока отдельно).
В процессе испытаний оценивалась работа регистраторов в различных установившихся и переходных режимах работы испытательного стенда. Рассматривались: установившиеся режимы работы испытательного стенда при различной частоте сети, переходные режимы, связанные с изменением частоты сети в диапазоне от 45 до 55 ГЦ, переходные режимы, приводящие к нарушению статической устойчивости транзита и возникновению асинхронного режима, аварийные режимы, вызванные однофазными короткими замыканиями (КЗ) с ОАПВ, аварийные режимы, вызванные двухфазными и трехфазными КЗ с ТАПВ и т.д.
Оценка результатов проводилась экспертно, путем сопоставления данных полученных от испытуемых регистраторов и регистратора ЭДМ НИИПТ, а также исходя из физической сущности проводимых экспериментов.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
Испытания показали, что в установившихся режимах работы в диапазоне частот от 48 до 52 Гц регистраторы обоих типов работают с высокой точностью и быстродействием. В качестве иллюстрации этого на рис. 2 представлены графики изменения относительного угла между напряжениями шин 500 кВ Сургутской ГРЭС-2 и Рефтинской ГРЭС при работе испытательного стенда в установившемся режиме на частоте 51 Гц. На этом и последующих графиках зеленым цветом представлены результаты измерений регистратора ЭДМ НИИПТ, коричневым цветом - регистраторов фирмы РТСофт и красным цветом - регистраторов фирмы Arbiter Systems.
Рис. 2: Измерения относительного угла между напряжениями шин 500 кВ Сургутской ГРЭС-2 и Рефтинской ГРЭС в установившемся режиме на частоте 51 Гц
Как видно из рисунка 2, результаты измерений всех регистраторов практически совпадают. Заметно меньшая амплитуда высокочастотных пульсаций в результатах измерений регистраторов фирмы Arbiter Systems объясняется выбранными настройками этих устройств, которые предусматривают некоторую фильтрацию результатов измерений на интервале 100 мс (о характеристиках фильтра Arbiter Systems в эксплуатационной документации информации не дает).
В переходных режимах эксперименты выявили ситуации, в которых результаты измерений устройств обоих испытываемых типов получались с существенными отклонениями от истинных значений.
Рис. 4: Измерения реактивной мощности при изменении частоты сети от 55 до 45 Гц
Рис. 3: Измерения действующего значения напряжения прямой последовательности на шинах 500 кВ Рефтинской ГРЭС при изменении частоты сети от 55 до 45 Гц
На рис. 3 представлены графики измерений действующего значения напряжения прямой последовательности на шинах 500 кВ Рефтинской ГРЭС и частоты в эксперименте изменения частоты сети от 55 до 45 Гц. Измерения частоты в этом эксперименте у всех регистраторов получились одинаковыми. Они представлены на рис. 3 одной кривой черного цвета. На рис. 4 представлены графики измерений перетока реактивной мощности по двухцепной ВЛ 500 кВ Рефтинская ГРЭС - Тюмень, полученные в этом же эксперименте.
Из рисунков видно, что в результатах измерений напряжения и реактивной мощности, сформированных устройством фирмы Arbiter Systems, присутствуют существенные искажения. Сигналы дрейфуют, плавно уменьшаясь, и с периодичностью в 2 с скачком восстанавливают точные значения. Подобные искажения в этом эксперименте присутствовали во всех сигналах формируемых приборами фирмы Arbiter Systems за исключением измерений частоты и угла напряжения прямой последовательности. Дальнейшие исследования показали, что, что эти искажения вызываются внутренним фильтром устройства, о котором говорилось выше. Эксперименты показали, что вывод этого фильтра из работы приводит к появлению в измерениях всех режимных параметров, за исключением фазового угла напряжения, помехи, изменяющейся с частотой, равной разности между текущей и номинальной частотой сети. Зафиксированная в процессе испытаний амплитуда этой помехи существенно превышает заявленные производителем допустимые погрешности измерений режимных параметров. Помимо упомянутого фильтра устройства фирмы Arbiter Systems имеют еще большое количество дополнительных фильтров, подобрав один из которых, вероятно, можно будет существенно уменьшить амплитуду этой помехи. Однако ее наличие в нефильтрованных сигналах свидетельствует о некорректной первичной обработке цифровых измерений в устройстве.
Как видно из рис. 3 регистратор фирмы РТСофт также измеряет действующее значение напряжения прямой последовательности с ошибкой. Однако эта ошибка возникает только в том случае, когда частота сети находится за пределами диапазона 48 - 52 Гц. Характерно, что появление этой ошибки зафиксировано только в результатах измерения напряжения. В измерениях всех остальных режимных параметров эта ошибка отсутствует (рис.4).
При моделировании аварийных процессов, вызванных коммутациями в сети, также выявлена ошибочная работы испытуемых устройств.
На рис. 5 представлены графики изменения напряжения на шинах 500 кВ Рефтинской ГРЭС, а на рис. 6 - графики изменения тока прямой последовательности по ВЛ Рефтинская ГРЭС - Тюмень при однофазном КЗ на ВЛ вблизи шин Рефтинской ГРЭС с успешным ОАПВ поврежденной фазы. Для наглядности длительность однофазного КЗ в эксперименте была задана в десять раз большей нормативной длительности КЗ.
Рис. 5: Измерения напряжения прямой последовательности на шинах 500 кВ Рефтинской ГРЭС при однофазном КЗ на ВЛ Рефтинская ГРЭС - Тюмень с успешным ОАПВ
Рис. 6: Измерения тока прямой последовательности ВЛ 500 кВ Рефтинская ГРЭС - Тюмень при однофазном КЗ на этой ВЛ с успешным ОАПВ
Как следует из рис. 5, при измерениях напряжения все регистраторы показали одинаковые результаты. Вместе с тем измерения тока прямой последовательности в этом эксперименте (рис. 6) устройство фирмы РТСофт во время КЗ производило с явно выраженной ошибкой. Появление этой ошибки обусловлено тем, что регистраторы РТСофт фазовый угол каждой фазы тока измеряют относительно соответствующей фазы напряжения. При пропадании фазы напряжения во время КЗ становится неопределенным фазовый угол соответствующей фазы тока, что и приводит к ошибке при вычислении тока прямой последовательности.
На рис. 7 и 8 представлены графики изменения напряжения прямой последовательности и частоты напряжения шин 500 кВ Рефтинской ГРЭС при трехфазном КЗ на ВЛ Рефтинская ГРЭС - Тюмень вблизи шин Рефтинской ГРЭС. Как видно из графиков, снижение практически до нулевых значений измеряемого напряжения заблокировало работу устройства фирмы РТСофт примерно на 0,5 с. В течение этого промежутка времени устройство формировало недостоверные значения для всех измеряемых режимных параметров.
Из рис. 8 следует, что устройство фирмы Arbiter Systems при снижении напряжения во время КЗ до значений, близких к 0, сформировало выходной сигнал частоты, изменяющийся в течение времени короткого замыкания от 40 до 60 Гц. Эти измерения - недостоверны. Формирование на выходе измерительного устройства недостоверной информации может привести к неправильной работе автоматики, использующей эти измерения.
Известно, что частота в электроэнергетических системах является одним из наиболее медленно изменяющихся режимных параметров. Скорость ее изменения ограничивается инерцией вращающихся масс роторов генераторов энергосистемы и, как правило, не превышает долей герца в секунду. Разработчики измерительных устройств, как правило, для измерения частоты используют сигналы напряжения. Вместе с тем информация о частоте содержится и в сигналах токов, которые в рассматриваемом эксперименте были достаточно велики.
Рис. 7: Измерения напряжения прямой последовательности на шинах 500 кВ Рефтинской ГРЭС при трехфазном КЗ на ВЛ Рефтинская ГРЭС - Тюмень вблизи шин ГРЭС
Рис. 8: Измерения частоты на шинах 500 кВ Рефтинской ГРЭС при трехфазном КЗ на ВЛ Рефтинская
ГРЭС - Тюмень вблизи шин ГРЭС
Необходимо отметить, что во всех рассмотренных экспериментах измерения сформированные регистратором ЭДМ НИИПТ были достоверны. Это объясняется тем, что алгоритм обработки измерений этого регистратора разрабатывался с учетом физической природы измеряемых режимных параметров.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Испытания показали, что как устройство Smart-Wams модели 02 фирмы РТСофт, так и устройство Power Sentinel модели 1133 А фирмы Arbiter Systems, могут быть использованы для мониторинга установившихся режимов электроэнергетических систем.
В переходных режимах оба устройства могут формировать не точные или не достоверные данные. В представленном на испытания виде ни одно из устройств не рекомендуется использовать в системах автоматического управления энергообъектами.
Представляется целесообразным проведение доработки программного обеспечения устройств с целью учета физической природы измеряемых режимных параметров
Проведенные испытания подтвердили эффективность и целесообразность испытаний головных образцов регистраторов СМПР на электродинамической модели ОАО «НИИПТ».
ЛИТЕРАТУРА
- Гущина Т.А., Герасимов А.С., Есипович А.Х. и др. Опыт использования цифро-аналого- физического комплекса для обеспечения системной надежности ЕЭС России // Электрические станции. 2005. № 12. C. 1-12.
