Анализ влияния колебаний частоты вращения ротора на значения частоты режимных параметров в различных точках сети

Page 1
background image

Page 2
background image

96

РЕЛЕЙНАЯ  ЗАЩИТА 

И   АВТОМАТИКА

Анализ влияния колебаний частоты 
вращения ротора на значения 
частоты режимных параметров 
в различных точках сети

УДК 621.311:621.316.925

При

 

создании

 

комплексов

 

релейной

 

защиты

 

и

 

автоматики

 

в

 

генерирующих

 

и

 

сетевых

 

компаниях

реализующих

 

функции

 

измерения

 

частоты

 

и

/

или

 

учитывающих

 

значения

 

частоты

 

в

 

алгоритмах

 

контроля

 

других

 

режимных

 

параметров

необходимо

 

учитывать

 

явления

 

колебаний

 

частоты

 

режимных

 

параметров

обусловленных

 

колебаниями

 

скорости

 

вращения

 

роторов

 

синхронных

 

генераторов

 

и

 

колебаниями

 

скорости

 

вращения

 

векторов

 

электрических

 

величин

 

при

 

разнообразных

 

событиях

 

и

 

явлениях

 

в

 

электрических

 

сетях

Целью

 

настоящей

 

статьи

 

является

 

анализ

 

и

 

количественная

 

оценка

 

влияния

 

колебаний

 

скорости

 

вращения

 

ротора

 

на

 

значения

 

частоты

 

режимных

 

параметров

 

в

 

различных

 

точках

 

сети

 

при

 

различных

 

возмущениях

.

Климова

 

Т

.

Г

., 

к.т.н., доцент кафедры 

РЗиА ФГБОУ ВО

«НИУ «МЭИ»

Сафронов

 

Б

.

А

.,

старший препода-

ватель кафедры РЗиА 

ФГБОУ ВО «НИУ 

«МЭИ»

Ключевые

 

слова

:

скорость вращения 

ротора синхронного 

генератора, колебания 

частоты режимных 

параметров, «сетевая» 

составляющая частоты 

режимных параметров

Рис

. 1. 

Тестовая

 

схема

 

для

 

изучения

 

влияния

 

колебаний

 

ротора

 

на

 

частоту

 

режимных

 

параметров

 

в

 

разных

 

точках

 

электрической

 

сети

УСЛОВИЯ

 

ПРОВЕДЕНИЯ

 

ИЗМЕРЕНИЙ

ЧАСТОТ

 

РЕЖИМНЫХ

 

ПАРАМЕТРОВ

Изменение структуры сети приводит к по-

явлению колебаний ротора и возникнове-

нию «сетевой» составляющей колебаний 

частоты напряжения и тока, измеряемой 

в разных точках сети. Термин «сетевая» 

составляющая  колебаний  частоты  вве-

ден  для  обозначения  колебаний  часто-

ты, вызванных изменением соотношения 

активных  и  реактивных  сопротивлений 

в  сети,  которые  приводят  к  изменению 

фаз  колебаний  режимных  параметров. 

Поскольку  частота  —  это  производная 

фазы,  происходит  изменение  частоты 

режимных параметров, то есть возникает 

«сетевая» составляющая частоты. 

Рассмотрение колебаний ротора и ча-

стоты  различных  режимных  параметров 

ЭЭС  проводится  в  разных  точках  элек-

трической  сети,  собранной  в  MatLab 

и представленной на рисунке 1.

На схеме представлены: синхронный 

генератор (СГ) с автоматическими регу-

ляторами возбуждения (АРВ) и частоты 

вращения  (АРЧВ),  блочный  трансфор-

матор,  две  параллельные  линии  элек-

тропередачи и шины бесконечной мощ-

ности (ШБН). Частота измеряется в двух 

точках сети: точке 

1

 на шинах статора 

СГ, и точке 

2

 на шинах станции после 

блочного трансформатора. 

В качестве возмущения используются: 

 

– изменение  уставки  регулятора  воз-

буждения СГ, 

 

– однофазное  и  трехфазное  отключе-

ния линии Л1, 

 

– короткие  замыкания  (КЗ)  разного 

вида на линии Л2+Л3.

Разбиение линии на две части позво-

ляет  моделировать  КЗ  в  разных  точках 

линии.


Page 3
background image

97

Частота  колебаний  ротора 

определяется при моделировании 

СГ  по  уравнениям  Парка-Горева, 

она  контролируется  в  точке 

1

.

Частота режимных параметров из-

меряется  схемами  фазовой  авто-

подстройки частоты (ФАПЧ), ском-

понованными в блок «Вычисление 

частоты».  В  этот  блок  подаются 

три  фазных  напряжения 

2

,  три 

фазных тока 

3

 и три линейных на-

пряжения 

4

.  При  необходимости 

подаются три фазных напряжения 

из точки 

2

. Измерительные шины 

5

 обеспечивают доступ к требуе-

мым  моделируемым  параметрам 

СГ, это возможно при математиче-

ском моделировании.

АНАЛИЗ

 

РЕЖИМОВ

 

РАБОТЫ

 

СГ

 

ПРИ

 

«

ВНУТРЕННИХ

» 

ВОЗМУЩЕНИЯХ

В  первом  опыте  проверяется  ре-

акция СГ на тестовый сигнал (Т1) 

в виде изменения уставки АРВ на 

10%  (внутреннее  возмущение) 

в  течение  0,05  с  при  двух  вклю-

ченных параллельных линиях (Л1 

и  Л2+Л3)  и  при  отключенной  ли-

нии  Л1.  Это  обеспечивает  режим 

работы СГ разной тяжести и, сле-

довательно,  разные  траектории 

частоты колебаний ротора. В про-

цессе  опыта  структура  сети  не 

менялась,  «сетевое»  изменение 

частоты сети отсутствовало. 

На рисунке 2 показаны харак-

теристики  колебаний  частоты 

ротора и частот режимных пара-

метров  сети  при  двух  включен-

ных  параллельных  линиях  (Л1 

и Л2+Л3). На рисунке 2а показано 

отклонение  частот  измеряемых 

параметров dF, подробно обозна-

ченных в описании кривых спра-

ва. Показываются колебания ча-

стот  фазных  напряжений  (dFua, 

dFub,  dFuc),  колебания  частот 

фазных  токов  (dFia,  dFib,  dFic) 

и колебания частот линейных на-

пряжений  (dFuab,  dFubс,  dFuca). 

Здесь  и  далее  частота  колеба-

ний  ротора  (dFr1)  изображается 

синей кривой, частоты режимных 

параметров  также  имеют  посто-

янное  цветовое  представление 

(указано  на  рисунках).  При  сим-

метричных режимах частоты од-

нотипных  режимных  параметров 

совпадают. 

На рисунках 2б и 2в изменения 

частот показано подробней. Мож-

но отметить, что: 

1.  Начальное  отклонение  часто-

ты колебания ротора противо-

положно  отклонениям  частот 

фазных  и  линейных  напряже-

ний  и  однонаправленно  с  из-

менением  частот  фазных  то-

ков.  Такие  движения  частот 

возникают при внутренних воз-

мущениях. 

2.  При  используемом  тестовом 

возмущении возникает некото-

Рис

. 2. 

Характеристики

 

колебаний

 

частоты

 

ротора

 

и

 

частот

 

режимных

 

параметров

 

сети

 

при

 

тестовом

 

сигнале

 

Т

при

 

двух

 

включенных

 

параллельных

 

линиях

 (

Л

и

 

Л

2+

Л

3), 

симметричный

 

режим

а)

б)

г)

в)

 1 (58) 2020


Page 4
background image

98

рое  запаздывание 

t

r

  начала 

колебаний  частоты  ротора  по 

отношению  к  частотам  в  па-

раметрах  сети, 

t

t

g

  (

t

g

  — 

запаздывание  реакции  частот 

фазных напряжений и токов на 

шинах генератора).

Спектральный  анализ  (рису-

нок  2г)  осциллограмм  показыва-

ет, что в отклике на тестовое воз-

мущение  содержится  две  моды 

низкочастотных  колебаний  (НЧК) 

с час тотами f1 и f2. Видно, что мода 

с частотой f2 существенна во всех 

режимных  параметрах,  а  мода 

с частотой f1 в колебаниях частот 

и фазных, и линейных напряжений 

почти незаметна. Мод с более вы-

сокими частотами в данных откли-

ках не наблюдается. 

При  отключении  линии  Л1 

в  схеме  рисунка  1  режим  син-

хронного  генератора  несколько 

утяжеляется, что сказывается на 

характеристиках  колебаний  при 

переходном режиме после тесто-

вого  возмущения  Т1.  Длитель-

ность тестового возмущения вы-

брана  согласно  рекомендациям 

[5].  Кратковременное  изменение 

уставки  позволяет  определить 

частотные характеристики СГ по 

разным  режимным  параметрам, 

наблюдаемым в заданном режи-

ме, поскольку режим не успевает 

измениться.

На рисунке 3 показаны характе-

ристики частоты колебаний ротора 

и частот колебаний режимных па-

раметров  сети  при  отключенной 

линии Л1. При сравнении рисунков 

2 и 3 видно, что в обеих ситуациях 

характеристики  подобны  и  имеют 

только  различия  в  числовых  зна-

чениях характеристик.

Целесообразно  сопоставить 

спектральные 

представления 

частоты  колебаний  ротора  и  ча-

стот  колебаний  режимных  пара-

метров  сети  в  обоих  режимных 

ситуациях  (рисунок  4).  Более 

толстыми  линиями  обозначены 

кривые, относящиеся к ситуации 

с  одной  включенной  линией  (f1-

1  и  f2-1),  соответственно  тонкие 

кривые относятся к более легко-

му режиму с двумя включенными 

параллельными  линиями  (f1-2 

и f2-2).

Из рисунка 4 видно:

1)  при  «внутренних»  возмуще-

ниях все колебания частот ре-

жимных параметров и частота 

колебания  ротора  содержат 

в данной схеме две моды низ-

кочастотных колебаний;

2)  мода с более низкой частотой 

f1  имеет  минимальную  интен-

сивность при данных настрой-

ках регуляторов и практически 

незаметна  в  частотах  фазных 

и линейных напряжений;

Рис

. 3. 

Характеристики

 

колебаний

 

частоты

 

ротора

 

и

 

частот

 

режимных

 

параметров

 

сети

 

при

 

тестовом

 

сигнале

 

Т

1, 

при

 

отключенной

 

линии

 

Л

1, 

симметричный

 

режим

а)

б)

г)

в)

РЕЛЕЙНАЯ  ЗАЩИТА 

И   АВТОМАТИКА


Page 5
background image

99

3)  мода  с  частотой  f2  для  всех 

режимных  параметров  более 

мощная  и  более  длительная, 

что  видно  в  спектральном 

представлении,  при  утяжеле-

нии  режима  значение  частоты 

f2 уменьшается;

4)  мод  колебаний  более  высоких 

частот  в  спектральном  разло-

жении не наблюдается.

ХАРАКТЕРИСТИКИ

 

ИССЛЕДУЕМЫХ

 

ЧАСТОТ

 

ПРИ

 «

ВНЕШНИХ

» 

ВОЗМУЩЕНИЯХ

При  «внешних»  возмущениях  из-

меняется  структура  сети,  при  из-

менении  соотношения  активных 

и  реактивных  сопротивлений 

в  сети  изменяются  фазовые  со-

отношения  колебаний  режимных 

параметров,  что  приводит  к  воз-

никновению  «сетевой»  составля-

ющей частоты. 

Рис

. 5. 

Характеристики

 

колебаний

 

частоты

 

ротора

 

и

 

частот

 

режимных

 

параметров

 

сети

 

при

 

полном

 

отключении

 

линии

 

Л

1, 

симметричный

 

режим

Рис

. 4. 

Сопоставление

 

спектральных

 

характеристик

 

колебаний

 

частоты

 

ротора

 

и

 

частот

 

режимных

 

параметров

 

сети

а)

б)

г)

в)

Для  иллюстрации  возникно-

вения  «сетевой»  составляющей 

частоты в зависимости от «внеш-

них» возмущений рассматривают-

ся  отключения  линии  Л1и  КЗ  на 

линии Л2+Л3.

Варианты

 

отключения

 

линии

 

Л

1

На рисунке 5 показаны характери-

стики  частоты  колебаний  ротора 

и частот колебаний режимных па-

раметров сети при полном отклю-

чении линии Л1. 

 1 (58) 2020


Page 6
background image

100

В начальный момент отключе-

ния появляется высокочастотная 

составляющая  частоты  в  коле-

баниях  частот  режимных  пара-

метров,  она  отсутствует  в  коле-

баниях ротора. Это отмечено на 

рисунках  5а,  5б,  5в.  Эта  мода 

колебаний может быть обозначе-

на f3. Она зависит от изменения 

конфигурации схемы сети, пред-

ставляет  собой  «сетевую»  со-

ставляющую  колебаний  частоты 

режимных  параметров.  Эта  ча-

стота  максимально  проявляется 

в частоте, измеряемой в фазных 

токах. Это хорошо видно в спек-

тральном представлении наблю-

даемых  процессов.  Минималь-

ная  частота  f1  практически  не 

видна.

На рисунке 6 показаны харак-

теристики  частоты  колебаний 

ротора и частот режимных пара-

метров  сети  в  процессе  отклю-

чения одной фазы линии Л1. При 

сравнении рисунков 5 и 6 видно, 

что  в  обеих  ситуациях  характе-

ристики подобны и имеют только 

различия  в  числовых  значени-

ях  характеристик.  Значения  ча-

стоты  «сетевой»  составляющей 

f3  несколько  различаются,  по-

скольку различается и структура 

схемы.

Поведение

 

измеряемых

 

частот

 

в

 

зависимости

 

от

 

точки

 

приложения

 

возмущения

Для изучения этого вопроса моде-

лировалось однофазное КЗ в двух 

точках  линии  Л2+Л3  на  расстоя-

нии 10 и 200 км от шин Ш1, изме-

рения производились в точке 

1

Проходящее  короткое  замыкание 

(в данных измерениях длительно-

стью 0,05 с) можно рассматривать 

как  кратковременное  изменение 

структуры схемы.

В  момент  короткого  замыка-

ния  появляется  высокочастот-

ная  «сетевая»  составляющая 

f3  в  колебаниях  частот  режим-

ных  параметров,  которая  от-

сутствует  в  колебаниях  ротора. 

Это отмечено на рисунке 7. Для 

оценки  влияния  точки  приложе-

ния  возмущения  на  измерение 

частот  режимных  параметров 

проводится сопоставление спек-

трального  состава  колебаний 

измеряемых  частот  режимных 

параметров,  результаты  пред-

ставлены на рисунке 8.

На  рисунке  видно,  что  интен-

сивность  колебаний  основной 

частоты  f2  существенно  умень-

Рис

. 6. 

Характеристики

 

колебаний

 

частоты

 

ротора

 

и

 

частот

 

режимных

 

параметров

 

сети

 

при

 

отключении

 

в

 

линии

 

Л

одной

 

фазы

несимметричный

 

режим

а)

б)

г)

в)

РЕЛЕЙНАЯ  ЗАЩИТА 

И   АВТОМАТИКА


Page 7
background image

101

Рис

. 7. 

Характе

-

ристики

 

коле

-

баний

 

частоты

 

ротора

 

и

 

частот

 

режимных

 

пара

-

метров

 

сети

 

при

 

однофазном

 

КЗ

 

в

 

линии

 

Л

2+

Л

3, 

10 

км

 

от

 

шин

 

станции

не

-

симметричный

 

режим

Рис

. 8. 

Характеристики

 

колебаний

 

частоты

 

ротора

 

и

 

частот

 

режимных

 

параметров

 

сети

 

при

 

однофазном

 

КЗ

 

в

 

линии

 

Л

2+

Л

3, 10 

км

 

и

 200 

км

 

от

 

шин

 

станции

несимметричный

 

режим

а)

б)

шается  при  удалении  точки  воз-

мущения от точки измерения. В то 

же  время  мощность  «сетевой» 

составляющей  в  этом  случае  не-

сколько  увеличивается,  а  значе-

ние f3 уменьшается.

Поведение

 

измеряемых

 

частот

 

в

 

зависимости

 

от

 

точки

 

измерения

 

На  рисунке  9  представлены  ха-

рактеристики  колебаний  часто-

ты  ротора  и  частот  режимных 

параметров  сети  в  зависимости 

от точки измерения. В этом слу-

чае  при  трехфазном  КЗ  в  линии 

Л2+Л3  на  расстоянии  10  км  от 

шин  Ш1  измерения  производи-

лись в точках 

1

 и 

2

 (рисунок 1). 

В соответствии с этим у измеря-

емых  параметров  на  рисунке  9 

проставлены индексы 1 или 2.

Видно,  что  интенсивность  ос-

новной  моды  колебаний  частот 

режимных  параметров  f2  суще-

ственно уменьшается при удале-

нии  точки  наблюдения  от  СГ,  но 

ее значение не изменяется ввиду 

кратковременности  возмущения 

(длительность  при  трехфазном 

КЗ — 0,05 с) и возврата к исход-

ной схеме сети. Параметры «се-

тевой»  моды  колебания  зависят 

от  точки  измерения  параметров 

и  момента  включения  возмуще-

ния,  поскольку  длительность  ее 

существования  близка  к  дли-

тельности возмущения, и от рас-

стояния зависит соотношение ак-

тивных и реактивных параметров 

сети,  определяющих  фазовые 

сдвиги. 

 1 (58) 2020


Page 8
background image

102

ВЫВОДЫ

1.  В  электрической  сети  изме-

нения  структуры  в  процессе  ее 

функционирования 

определяют 

«сетевую» составляющую частоту. 

По  окончании  времени  существо-

вания  «сетевой»  составляющей 

частоты  все  устройства  функцио-

нируют в условиях новой схемы. 

2.  При  определении  характери-

стик  частоты  колебаний  ротора 

и  частот  режимных  параметров, 

а также при определении частот-

ных характеристик СГ, необходи-

мо  отстраиваться  от  «сетевой» 

составляющей  частоты.  В  дан-

ной  схеме  время  отстройки  при-

мерно равно 0,25 с. 

3.  Хотя  во  всех  испытаниях  при 

внешних  воздействиях  колеба-

ния частот режимных параметров 

и колебания частоты ротора вызы-

ваются одним и тем же возмуще-

нием,  «сетевая»  составляющая 

частоты  режимных  параметров 

не  влияет  на  колебания  ротора, 

вследствие  кратковременности 

ее  существования.  Справедливо 

и обратное утверждение: колеба-

ния ротора не влияют на моды ко-

лебаний f3 и выше.

4.  По  окончании  существования 

«сетевой» составляющей частоты 

значения  частот  режимных  пара-

метров  полностью  коррелирова-

ны с колебаниями ротора.  

Рис

. 9. 

Характеристики

 

колебаний

 

частоты

 

ротора

 

и

 

частот

 

режимных

 

параметров

 

сети

 

при

 

трехфазном

 

КЗ

 

в

 

линии

 

Л

2+

Л

3, 10 

км

 

от

 

шин

 

станции

симметричный

 

режим

наблюдение

 

в

 

двух

 

точках

РЕЛЕЙНАЯ  ЗАЩИТА 

И   АВТОМАТИКА

ЛИТЕРАТУРА
1.  Арцишевский  Я.Л.,  Журавлев  Д.М.  Мониторинг  ча-

стоты при измерении электрических параметров ре-

жима энергосистемы в векторной форме // Известия 

высших учебных заведений. Электромеханика, 2010, 

№ 2. С. 63–67.

2.  Рабинович М.А. Статические характеристики часто-

ты  узкополосного  случайного  процесса  //  Электри-

чество, 2016, № 5. С. 13–27.

3.  Арцишевский  Я.Л.,  Максимов  Б.К.,  Сафронов  Б.А. 

Мгновенное и усредненное значение частоты элек-

трических величин в переходных режимах электро-

энергетической системы // Известия вузов. Электро-

механика, 2012, № 2. С. 90–93.

4.  Максимов Б.К., Арцишевкий Я.Л., Климова Т.Г., Жу-

равлев Д.М. Мониторинг частоты в переходных ре-

жимах работы электрической сети // Электричество, 

2010, № 4. С. 13–16.

5.  Литкенс И.В., Пуго В.И. Колебательные свойства элек-

трических систем. М.: Энергоатомиздат, 1988. 216 с.

REFERENCES
1.  Artsishevskiy  Ya.L.,  Zhuravlev  D.M.  Frequency  monitoring  in 

conditions  of  power  system  operating  parameter  vector  form 

change // Izvestiya vysshykh uchebnykh zavedeniy. Elektrome-

khanika  [News  of  universities.  Electrical  engineering],  2010, 

no.2, pp. 63–67. (in Russian)

2.  Rabinovich M.A. Static characteristics of random narrow-band 

process  frequency  //  Elektrichestvo  [Elecricity],  2016,  no.  5, 

pp. 13–27. (in Russian)

3.  Artsishevskiy  Ya.L.,  Maksimov  B.K.,  Safronov  B.A.  Instanta-

neous and average frequency value in transient operating con-

ditions  of  the  power  system  //  Izvestiya  vysshykh  uchebnykh 

zavedeniy.  Elektromekhanika  [News  of  universities.  Electrical 

engineering], 2012, no.2, pp. 90–93. (in Russian)

4.  Maksimov  B.K.,  Artsishevskiy  Ya.L.,  Klimova  T.G.,  Zhuravlev 

D.M. Frequency monitoring in transient operating conditions of 

the electrical network // Elektrichestvo [Elecricity], 2010, no.4, 

pp. 13–16. (in Russian)

5.  Litkens I.V., Pugo V.I. Oscillating properties of electrical systems. 

Moscow, Energoatomizdat Publ., 1988. 216 p. (in Russian)


Читать онлайн

При создании комплексов релейной защиты и автоматики в генерирующих и сетевых компаниях, реализующих функции измерения частоты и/или учитывающих значения частоты в алгоритмах контроля других режимных параметров, необходимо учитывать явления колебаний частоты режимных параметров, обусловленных колебаниями скорости вращения роторов синхронных генераторов и колебаниями скорости вращения векторов электрических величин при разнообразных событиях и явлениях в электрических сетях. Целью настоящей статьи является анализ и количественная оценка влияния колебаний скорости вращения ротора на значения частоты режимных параметров в различных точках сети при различных возмущениях.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 1(70), январь-февраль 2022

Превентивное управление нагрузкой в сетях 0,4 кВ в целях предотвращения возникновения аварийных ситуаций

Управление сетями / Развитие сетей Энергоснабжение / Энергоэффективность Релейная защита и автоматика
Удинцев Д.Н. Милованов П.К. Зуев А.И.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 5(68), сентябрь-октябрь 2021

Внедрение цифрового дистанционного управления оборудованием и МП устройствами РЗА на подстанциях 110–220 кВ ПАО «Россети Московский регион»

Релейная защита и автоматика
Гвоздев Д.Б. Грибков М.А. Бороздин А.А. Рыбаков А.К.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»