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

Page 1

Page 2

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

автоматики

генерирующих

сетевых

компаниях

реализующих

функции

измерения

частоты

или

учитывающих

значения

частоты

алгоритмах

контроля

других

режимных

параметров

необходимо

учитывать

явления

колебаний

частоты

режимных

параметров

обусловленных

колебаниями

скорости

вращения

роторов

синхронных

генераторов

колебаниями

скорости

вращения

векторов

электрических

величин

при

разнообразных

событиях

явлениях

электрических

сетях

Целью

настоящей

статьи

является

анализ

количественная

оценка

влияния

колебаний

скорости

вращения

ротора

на

значения

частоты

режимных

параметров

различных

точках

сети

при

различных

возмущениях

Климова

к.т.н., доцент кафедры

РЗиА ФГБОУ ВО

«НИУ «МЭИ»

Сафронов

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

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

на шинах статора

СГ, и точке

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

Частота колебаний ротора

определяется при моделировании

СГ по уравнениям Парка-Горева,

она контролируется в точке

Частота режимных параметров из-

меряется схемами фазовой авто-

подстройки частоты (ФАПЧ), ском-

понованными в блок «Вычисление

частоты». В этот блок подаются

три фазных напряжения

, три

фазных тока

и три линейных на-

пряжения

. При необходимости

подаются три фазных напряжения

из точки

. Измерительные шины

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

частот

режимных

параметров

сети

при

тестовом

сигнале

при

двух

включенных

параллельных

линиях

(

3),

симметричный

режим

а)

б)

г)

в)

№

1 (58) 2020

Page 4

рое запаздывание



начала

колебаний частоты ротора по

отношению к частотам в па-

раметрах сети,



(



—

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

частот

режимных

параметров

сети

при

тестовом

сигнале

при

отключенной

линии

симметричный

режим

а)

б)

г)

в)

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

И АВТОМАТИКА

Page 5

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

частот

режимных

параметров

сети

при

полном

отключении

линии

симметричный

режим

Рис

. 4.

Сопоставление

спектральных

характеристик

колебаний

частоты

ротора

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

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

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

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

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

частот

режимных

параметров

сети

при

отключении

линии

одной

фазы

несимметричный

режим

а)

б)

г)

в)

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

И АВТОМАТИКА

Page 7

101

Рис

. 7.

Характе

ристики

коле

баний

частоты

ротора

частот

режимных

пара

метров

сети

при

однофазном

КЗ

линии

км

от

шин

станции

не

симметричный

режим

Рис

. 8.

Характеристики

колебаний

частоты

ротора

частот

режимных

параметров

сети

при

однофазном

КЗ

линии

3, 10

км

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

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

(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

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

частот

режимных

параметров

сети

при

трехфазном

КЗ

линии

3, 10

км

от

шин

станции

симметричный

режим

наблюдение

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)

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

Ключевые слова: скорость вращения ротора синхронного генератора, колебания частоты режимных параметров, «сетевая» составляющая частоты режимных параметров

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.