Система автоматичного керування трансформаторами з поздовжньо-поперечним регулюванням напруги під навантаженням

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.314.222

СИСТЕМА АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ ТРАНСФОРМАТОРАМИ З ПОЗДОВЖНЬО-ПОПЕРЕЧНИМ РЕГУЛЮВАННЯМ НАПРУГИ ПІД НАВАНТАЖЕННЯМ

Спеціальність: 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Левицький Сергій Михайлович

Вінниця - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Грабко Володимир Віталійович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри електромеханічних систем автоматизації в промисловості і на транспорті

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Рогальський Броніслав Станіславович, Вінницький національний технічний університет, професор кафедри електротехнічних систем електроспоживання та енергетичного менеджменту

доктор технічних наук, професор Сінчук Олег Миколайович, Кременчуцький державний політехнічний університет ім. Михайла Остроградського, завідувач кафедри систем електроспоживання та енергетичного менеджменту.

Захист відбудеться “_10_” ___04_______ 2009 р. о _9³⁰__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.05 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21000, м. Вінниця, вул. Хмельницьке шосе, 95, ауд. 210 ГУК.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21000, м. Вінниця, вул. Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий “ _05_ ” ____03____ 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В. Ц. Зелінський

АНОТАЦІЯ

Левицький С. М. Система автоматичного керування трансформаторами з поздовжньо-поперечним регулюванням напруги під навантаженням. - Рукопис. навантаження трансформатор електропостачання напруга

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи. - Вінницький національний технічний університет, Вінниця, 2009.

Дисертацію присвячено питанню підвищення надійності та якості електропостачання в умовах підтримання потрібного режиму мереж за потужністю за рахунок системи поздовжньо-поперечного регулювання напруги з використанням трансформаторів, оснащених пристроями регулювання під навантаженням. Розроблено закон керування трансформаторним комплексом для поздовжньо-поперечного регулювання напруги з врахуванням активної та реактивної потужностей та похідної за реактивною потужністю. Для синтезу структурної схеми регулюючого пристрою в системах регулювання напруги за допомогою силових і вольтододаткових трансформаторів використана методика на основі математичного апарату секвенцій. Створено комп'ютерну модель системи регулювання напруги відповідно до її елементного складу та проведено дослідження її роботи.

Запропоновано мікропроцесорну реалізацію регулятора в системі регулювання напруги, розроблено програму керування ним. Проведено оцінку помилок першого та другого роду регулятора напруги.

Розроблена комп'ютерна модель системи поздовжньо-поперечного регулювання напруги та програма керування мікропроцесорним контролером в якості регулятора системи автоматичного керування пройшли промислову апробацію і впроваджені на підприємстві ВАТ АК “Вінницяобленерго».

Ключові слова: трансформатор, система керування, пристрій для регулювання під навантаженням, регулятор, мікроконтролер, відхилення напруги.

АННОТАЦИЯ

Левицкий С. М. Система автоматического управления трансформаторами с продольно-поперечным регулированием напряжения под нагрузкой. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. - Винницкий национальный технический университет, Винница, 2009.

Диссертация посвящена вопросу повышения надёжности и качества электроснабжения в условиях поддержания заданного режима сети по активной и реактивной мощности за счет системы продольно-поперечного регулирования напряжения с использованием трансформаторов, оборудованных устройствами регулирования под нагрузкой.

Обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность работы; представлены сведения об апробации, публикациях и реализации работы.

Уделено внимание обзору и анализу существующих систем автоматического регулирования напряжения с использованием силовых и вольтодобавочных трансформаторов. Анализ вариантов систем регулирования напряжения в частности и с учетом режима линии по мощности с помощью трансформаторов показал, что они или не имеют обратных связей по мощности сети, или имеют существенные ограничения в способах управления перетоком мощности, что ограничивает регулирование напряжения с целью поддержки необходимого качества электроэнергии.

Проведено исследование математической модели силового понижающего трансформатора с введённой в первичную обмотку поперечной вольтдобавкой. Исследована зависимость активной и реактивной мощности, которой загружена линия электропередач от величины поперечной вольтодобавки в системе электроснабжения. Исходя из определенной зависимости разработан закон продольно-поперечного регулирования напряжения для электротехнического комплекса из силового трансформатора и вольтодобавочного трансформатора, включенного по схеме поперечного регулирования. Предложенный закон регулирования имеет в составе в качестве измеряемых величин абсолютное значение активной и реактивной мощности сети, производную реактивной мощности, напряжение и ток нагрузки. Использование такого закона регулирования позволит создать условия для увеличения надежности и качества электроснабжения, оптимизировать продольно-поперечное регулирование напряжения по мощности нагрузки.

Для синтеза структурной схемы регулятора напряжения, который функционирует в соответствии с предложенным законом, применен метод синтеза на основе математического аппарата секвенций. В соответствии с методом по аналитическому выражению закона регулирования построен граф функционирования канала управления трансформатором поперечного регулирования, разработано и минимизировано секвенционное описание графа. Предложена реализация разработанного в виде структуры регулятора.

Разработана компьютерная модель автоматического управления трансформаторами с продольно-поперечным регулированием напряжения. Произведён анализ отдельных звеньев системы регулирования с помощью их передаточных функций. Компьютерная модель реализована в среде Matlab Simulink в соответствии с элементным составом синтезированного регулятора и позволяет провести определение параметров цепей измерения и формирования сигналов управления.

Обосновано применение микропроцессорного устройства для управления комплексом продольно-поперечного регулирования напряжения. Разработана программа микропроцессорного контроллера в соответствии с предложенным законом регулирования напряжения.

Проведена оценка ошибок первого и второго рода микропроцессорной системы регулирования напряжения в канале управления устройством РПН силового трансформатора.

Разработанная модель системы продольно-поперечного регулирования напряжения и программа микропроцессорного контроллера в качестве регулятора системы автоматического управления прошли промышленную апробацию и внедрены на предприятии ОАО АК “Винницаоблэнерго» (г. Винница).

Ключевые слова: трансформатор, система управления, устройство регулирования под нагрузкой, регулятор, микроконтроллер, отклонение напряжения.

ABSTRACT

Levitskiy S. M. The System of automatic control by transformers with the longitudinal-transversal on-load voltage regulation - А manuscript.

Thesis for obtaining the scientific degree of candidate of technical sciences on the specialty 05.09.03 - Electrotechnical Complexes and Systems. -National Technical University, Vinnytsia, 2009.

Dissertation is devoted to the question of rise of reliability and quality of electric supply in the conditions of support of the necessary mode of networks after power due to the system of the longitudinal-transversal regulation of voltage with the use of the transformers equipped by the devices of on-load regulation. The law of the longitudinal-transversal regulation of voltage is developed taking into account active and reactive powers and derivative after reactive power. The method of synthesis of flow diagrams of the systems of regulation of voltage is improved by means power and linear transformers. The computer model of the system of regulation of voltage is created according to its element composition and research of its work is conducted.

Microprocessor realization of regulator is offered in the system of regulation of voltage, the program of management is developed by it. Estimation of errors of the first and second sort of regulator of voltage is conducted.

Methods and technical equipment were industrially tested on JSC “Vinnitsaoblenergo” (Vinnitsa, Ukraine).

Keywords: transformer, control system, device for on-load regulation, regulator, microcontroller, deviation of voltage.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Впровадження сучасних технологій та новітніх систем автоматизації у вітчизняній промисловості ставить нові вимоги до якості електроенергії та надійності електропостачання підприємств. Електроенергія розглядається як предмет споживання та продажу і повинна відповідати нормам якості. Причому для надання послуг електропостачання слід підтримувати показники (відхилення, несиметрію, несинусоїдність напруги, частоту та ін.) на належному рівні за допомогою спеціальних технічних засобів, оскільки електроенергія є специфічним товаром, що споживається практично миттєво, одночасно з її виробництвом.

Основним збуренням, що викликає відхилення напруги в розподільчих мережах та на вводах споживачів, є зміна режиму вузла навантаження системи електропостачання за потужністю (активною, реактивною, повною), відповідно, для своєчасного регулювання напруги слід вводити регулювальну дію, перш за все, змінюючи режим потокорозподілу потужностей через підстанцію, запобігаючи недопустимому відхиленню напруги в кінці лінії. Такі висновки відносяться в основному до реактивної потужності, транзит якої по лініях електропередачі намагаються довести до економічно доцільного значення, використовуючи компенсаційні пристрої.

На сучасному етапі у вітчизняних електротехнічних комплексах систем електропостачання планується проведення реконструкції обладнання, що спричинено значним рівнем зношення та наростанням споживання електроенергії. Потребує перегляду, відповідно, реалізація технічних засобів регулювання напруги систем електропостачання та впровадження більш досконалих законів регулювання напруги. Для дотримання належної якості електроенергії та підвищення терміну експлуатації засобів регулювання напруги їх потрібно розвантажити від проведення зайвих перемикань, викликаних відхиленнями регульованого параметру внаслідок змінного навантаження та втрат активної і реактивної потужностей, змінами режиму мережі за реактивною потужністю (як переважаючого чинника встановленого рівня напруги), використовуючи додаткові шляхи введення регулювального впливу.

Отже, питання розробки електротехнічних комплексів з мікропроцесорними системами керування для регулювання напруги та одночасного створення допустимого режиму системи електропостачання за потужністю, є актуальним як з технічної точки зору, що забезпечить гнучкість у вирішенні поставлених завдань, так і з економічного боку, оскільки присутнє спрямування на зменшення втрат електроенергії та покращення її якості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень, що проводились на кафедрі електромеханічних систем автоматизації в промисловості і на транспорті Вінницького національного технічного університету протягом 2006-2008 років. Науково-дослідна робота проводилась відповідно до наукового напрямку кафедри “Розробка математичних методів та моделей процесів, що протікають в енергетичних та електромеханічних системах, синтез інформаційно-вимірювальних систем автоматичного і автоматизованого керування цими процесами”, у ролі виконавця, за держбюджетною темою № 2905 “Розробка математичних моделей і засобів підвищення надійності та енергозбереження в транспортних системах”, номер державної реєстрації № 0107U002089.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення якості та надійності електропостачання за рахунок вдосконалення системи автоматичного керування трансформаторами з поздовжньо-поперечним регулюванням напруги під навантаженням.

Об'єктом дослідження в дисертаційній роботі є процес регулювання напруги та перетоків потужностей за допомогою комплексу з трансформатора поперечного регулювання (ТПР) та силового трансформатора з пристроями РПН.

Предметом дослідження є система автоматичного керування трансформаторами з поздовжньо-поперечним регулюванням напруги під навантаженням.

Задачі дослідження:

провести аналіз існуючих методів і засобів регулювання напруги з використанням силових та вольтододаткових трансформаторів;

розробити закон керування трансформаторним комплексом для поздовжньо-поперечного регулювання напруги;

синтезувати за розробленим законом керування структурну схему регулюючого пристрою в системі автоматичного керування трансформаторами з поздовжньо-поперечним регулюванням напруги;

привести математичну модель системи автоматичного керування трансформаторним комплексом для поздовжньо-поперечного регулювання напруги у відповідність до синтезованої структури регулюючого пристрою;

шляхом моделювання дослідити роботу розробленої системи автоматичного керування;

розробити програму функціонування та структурну схему мікропроцесорного регулюючого пристрою в системі автоматичного керування трансформаторами для поздовжньо-поперечного регулювання напруги;

оцінити імовірність помилкових рішень про проведення перемикання регулювальних відгалужень в розробленій системі автоматичного керування.

Для вирішення поставлених задач і аналізу прийнятих схемотехнічних та алгоритмічних рішень використані такі методи дослідження: методи теорії автоматичного керування для аналізу та вдосконалення математичної моделі системи поздовжньо-поперечного регулювання напруги, теорії кінцевих автоматів для синтезу структури регулюючого пристрою та створення програми керування мікропроцесорним контролером, алгебри логіки для мінімізації секвенційних виразів, теорії ймовірностей, а також чисельні методи розв'язання задач.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше розроблено закон керування трансформаторним комплексом для поздовжньо-поперечного регулювання напруги, що відрізняється від відомих врахуванням значень реактивної потужності та похідної по реактивній потужності, з використанням якого створюються умови для покращення якості регулювання напруги.

2. Вдосконалено математичну модель системи автоматичного керування трансформаторами для поздовжньо-поперечного регулювання напруги із застосуванням передаточних функцій ланок системи, що дозволяє оптимізувати систему автоматичного керування за напругою на вводах споживачів і режимом за потужністю та дослідити її динамічні характеристики.

3. Отримав подальший розвиток метод синтезу структурних схем систем автоматичного керування силовими трансформаторами з пристроями регулювання під навантаженням на основі математичного апарату секвенцій, що дозволяє за мінімізованими виразами безпосередньо реалізувати структури регулювальних пристроїв та їх елементи, а також сформувати програми функціонування мікропроцесорних контролерів.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблено регулятор системи автоматичного керування трансформаторами з поздовжньо-поперечним регулюванням напруги з врахуванням режиму системи електропостачання за потужністю, який, на відміну від відомих, дозволяє проводити одночасне керування комплексом для поздовжньо-поперечного регулювання напруги в функції напруги, активної та реактивної потужностей.

2. Створено модель системи автоматичного керування трансформаторами з поздовжньо-поперечним регулюванням напруги у середовищі Matlab Simulink, яка дозволяє отримувати параметри налагодження зони нечутливості регулятора та визначати регулювальні відгалуження трансформаторного комплексу для встановлення заданої напруги на вводах споживачів та потрібного режиму системи електропостачання за потужністю.

3. Розроблено структурну схему мікропроцесорного засобу, його програмне забезпечення у середовищі ZelioSoft для реалізації функцій регулятора системи автоматичного керування трансформаторами з поздовжньо-поперечним регулюванням напруги, що дозволяє підвищити гнучкість та спростити налагодження запропонованої системи.

Використання одержаних результатів дало можливість розробити і впровадити метод визначення відгалужень трансформатора поперечного регулювання та зони нечутливості регулятора напруги при умові підтримання потрібного режиму мережі за потужністю, програму мікропроцесорного контролеру для автоматичного керування комплексом поздовжньо-поперечного регулювання напруги. Це дає змогу створити умови для підвищення надійності та якості електропостачання, оптимізувати режим систем електропостачання за напругою та перетоком потужності. Впровадження здійснено на підприємстві ВАТ АК “Вінницяобленерго» та в навчальний процес Вінницького національного технічного університету (ВНТУ). Підтвердженням впровадження результатів дисертаційної роботи є наявність відповідних актів.

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні, розрахункові та екпериментальні результати з формулюванням відповідних висновків отримані автором самостійно. У роботі [1] автором виконано моделювання впливу поперечного регулювання напруги на режим систем електропостачання за потужністю. Роботу [2] присвячено розробці закону поздовжньо-поперечного регулювання напруги, в якій автором створено закон керування пристроєм РПН трансформатора поперечного регулювання (ТПР). Питання розробки вимірювального каналу реактивної потужності регулюючого пристрою системи поздовжньо-поперечного регулювання напруги вирішено автором в роботі [4]. В роботі [7] автором запропоновано реалізацію блоків тракту керування ТПР регулятора системи поздовжньо-поперечного регулювання напруги

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати виконаних у дисертації досліджень доповідались та обговорювались на ІХ Міжнародній науково-технічній конференції «Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації» (Кременчуцький державний політехнічний університет, Кременчук, 17-19 травня 2007 р.), XIV міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія й практика» (АР Крим, смт Ніколаєвка, 2007 р.), Х Міжнародній науково-технічній конференції «Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації» (Кременчуцький державний політехнічний університет, Кременчук, 14-16 травня 2008 р.), щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів університету з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області на базі ВНТУ в 2006-2008 роках.

Публікації. Основний зміст роботи опублікований у 7 друкованих працях, у тому числі 6 статей у наукових фахових журналах, що входять до переліку ВАК України, отримано 1 патент України на корисну модель.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (113 найменувань), шести додатків. Основний зміст викладений на 128 сторінках друкованого тексту, містить 62 рисунки, 4 таблиці. Загальний обсяг роботи 163 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність проблеми, мета та основні завдання досліджень, визначається наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, дається характеристика реалізації та впровадження положень роботи, подається інформація щодо апробації й публікації результатів дисертаційної роботи, особистий вклад у надрукованих працях та обсяг дисертації.

У першому розділі проведено огляд та аналіз існуючих систем регулювання напруги з використанням силових та вольтододаткових трансформаторів (ВДТ). Аналіз існуючих варіантів систем автоматичного керування силовими трансформаторами показав, що вони або не мають зворотних зв'язків по режиму за потужністю, або мають суттєві обмеження в способах керування перетоком потужності. В першому випадку особливо несприятливими є режими із значними відхиленнями напруги, що викликані зміною споживання реактивної енергії, що призводить до тривалого живлення споживачів електроенергією низької якості, а також спричиняє збільшення втрат електроенергії в лініях електропередач.

Варіанти систем поздовжньо-поперечного регулювання напруги з контролем технічного та економічного ефекту взагалі, та в замкнених схемах електропостачання зокрема, забезпечують автоматичне керування пристроями перемикання регулювальних відгалужень ТПР в функції струму та напруги навантаження або перетоку потужності (активної або реактивної). Розглянуті системи характерні розрізненим підходом до регулювання або перетоку потужності або напруги, ускладненою технічною реалізацією пристроїв перемикання регулювальних відгалужень.

На підставі проведеного аналізу сучасного стану проблеми сформульовано мету і задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі проведено дослідження режиму замкненої системи електропостачання для визначення залежності перетоків потужностей від коефіцієнта трансформації ТПР з секціоно-ваною регулювальною обмоткою.

Конструкція пристроїв перемикання регулювальних відгалужень ТПР тотожна за будовою до пристроїв РПН силових трансформаторів, а послідовність перемикання відгалужень ТПР є близькою до послідовності перемикання пристрою РПН. Для поздовжньо-поперечного регулювання напруги, що поєднує задачі керування режимом системи електропостачання за потужністю та зустрічного регулювання напруги розроблено закон регулювання,

де k_i ? коефіцієнт трансформації на і-у відгалуженні обмотки ВН, U_у - задане значення напруги на виводах споживачів, U_нав(t) ? дійсне значення напруги на виводах споживачів, U_і - ЕРС, що індукується в обмотці ВН на і-у відгалуженні, k₁ ? коефіцієнт, що характеризує чутливість регулятора напруги, k₂ ? коефіцієнт, що визначає нахил характеристики зустрічного регулювання напруги, k₂ = 0,05•U_ном / (I_mах ? I_min), I_min ? струм навантаження в режимі мінімуму, І_нав(t) ? фактичне значення струму навантаження, - похідна огинаючої контрольованої напруги, u_вз.у, u_нз.у, u_вз.х, u_нз.х - верхня та нижня границі зон нечутливості, що задаються, виходячи з умов надійності та точності підтримання регульованого параметру відповідно по поздовжній та поперечній складовим, u_у(t) - напруга на виході силового трансформатора, u_х(t) ? напруга на виході ТПР, U_j - ЕРС, що індукується в живильній обмотці ТПР на j-у відгалуженні, k_j ? коефіцієнт трансформації на j-у відгалуженні ТПР, Q_зад ? задане значення реактивної потужності, що визначає стійкий режим мережі з мінімальними відхиленнями напруги у вузлах електропостачання, k₃ ? коефіцієнт, що враховує чутливість пристрою автоматичного керування положенням РПН ТПР, k₄ - коефіцієнт, що визначає вагу активної потужності в формуванні регулюючого впливу за допомогою ТПР, - похідна огинаючої реактивної потужності, яка перетікає через трансформаторну підстанцію з ТПР.

Обґрунтовано вибір математичного апарату секвенцій для синтезу цифрових компонент структурної схеми пристрою керування трансформаторним комплексом поздовжньо-поперечного регулювання напруги. Оскільки канали керування пристроями РПН силового трансформатора та ТПР мають однакову будову, то синтез проведено для одного з каналів. На рис. 3 наведено граф функціонування цифрової частини каналу керування ТПР у відповідності з законом регулювання (1).

Входам регулятора відповідають змінні: L (low) - сигнал напруги на вимірювальному вході тракту поперечного регулювання менше встановленої зони нечутливості, (u_x(t) < u_нз.х); Н (high) - сигнал напруги на вимірювальному вході тракту поперечного регулювання більше встановленої зони нечутливості, (u_x(t) > u_вз.х); DN (derivative negative) - похідна регульованого параметру менше 0, (dQ/dt < 0); DР (derivative positive) - похідна регульованого параметру більше 0, dQ/dt > 0; DZ (derivative zero) - похідна регульованого параметру рівна 0, dQ/dt = 0; В (blocking) - сигнал блокування і зупинки регулятора (формується під дією команди на перемикання у відповідному напрямку, коли РПН знаходиться в крайньому положенні або в ручному режимі при виникненні аварійної ситуації); R (reset) - сигнал, що відповідає увімкненому стану регулятора і працюючому ГТІ; у₁ та у₂ - вихідні змінні регулятора, які відповідають сигналам на перемикання, що поступають від регулятора на пристрій РПН ВДТ відповідно «збільшити» та «зменшити».

Приведеному графу відповідає секвенційний опис, який після мінімізації приймає вигляд (2), в якому на тригері T₁ реалізовано генератор тактових імпульсів з часовими затримками ф₁ і ф₂. Генератор на тригері Т₂ формує тактові імпульси з тривалістю ф₁ і проміжком між ними 3·ф₂ в режимі перемикання, оскільки для проведення перемикання з одного положення пристрою РПН в нове (наприклад з k_j в k_j-1) необхідний час, який обумовлений інерційністю механічних ланок системи регулювання та послідовністю проведення самого перемикання. Для запам'ятовування знаку похідної регульованого параметру при виході його за зону нечутливості протягом часу затримки сигналу перемикання (що рівний ф₂) введено відповідно тригери Т₄ та Т₅.

Зазначимо, що S_i, стани, якими характеризується робота каналу керування ТПР регулятора системи поздовжньо-поперечного регулювання напруги під дією зовнішніх сигналів.

Елементи з 32 по 56 формують тракт поздовжнього регулювання напруги, яке здійснюється за відхиленням напруги на споживачах з врахуванням струмової компенсації за допомогою пристрою РПН силового трансформатора. За допомогою елементів 29 та 30 задаються тактові імпульси, що встановлюють режим роботи регулятора, а блоки 28, 31, 57 та 58 діагностують виконання команди регулятора та несправності в ньому.

У третьому розділі структуровано передаточні функції ланок системи керування ТПР з уточненням вимірювального каналу активної і реактивної потужності. Проведено комп'ютерне моделювання системи поздовжньо-поперечного регулювання напруги. Проведено аналіз ланок системи автоматичного регулювання напруги у відповідності до їх передаточних функцій, а оскільки регулюючий пристрій, пристрої РПН мають суттєво нелінійний характер, то модель системи створювалась за допомогою об'єктно-орієнтованого пакету прикладних програм MatLab Simulink.

Результати моделювання у вигляді часових діаграм напруги мережі, напруги на навантаженні, реактивної потужності та вольтодобавки наведені на рис. 6 та 7. На діаграмах: U_мер - напруга мережі, кВ; U_нав - напруга на навантаженні, кВ; U_доб - напруга на виході ТПР, кВ; Q - споживана реактивна потужність з мережі вузлом електропостачання, квар, U_ВН - результуюча напруга на обмотці ВН силового трансформатора, кВ. У процесі моделювання системи регулювання напруги встановлено межі зони нечутливості та формування уставки регулятора напруги, які відповідають введеним параметрам мережі та трансформаторного комплексу, крім того має місце зменшення кількості перемикань механічного пристрою РПН силового трансформатора при одночасному зниженні транзиту реактивної потужності по мережі за рахунок часткової компенсації відхилень напруги на вводах споживачів поперечною складовою. При цьому середнє значення напруги на навантаженні знаходиться в допустимих межах.

У четвертому розділі запропоновано мікропроцесорну реалізацію регулюючого пристрою для системи поздовжньо-поперечного регулювання напруги. Виходячи з синтезованої структури регулятора розроблено програмне забезпечення для вказаного пристрою. Для функціонування згідно з схемою контролер повинен мати 12 дискретних входів, 3 аналогових входи та 4 дискретні виходи. Промисловий мікропроцесорний контролер Zelio SR3B261BD відповідає поставленим вимогам.

Програму функціонування вибраним контролером розроблено за допомогою мови діаграм функціональних блоків FBD. В програмі за допомогою блоків таймерів В63, В64, В65 та В66 задається затримка вироблення сигналу на проведення перемикан-ня. В блоках порівняння Compare B05 - B07 та В55 - В58 відбувається визначення знаку похідної в даний момент часу шляхом порівняння сигналів від входів ID та ІВ з константою 5 В, що задається блоком В06. Інформація про знак похідної на момент формування сигналу перемикання записується в тригери В70, В84 (по реактивній потужності) та В90, В96 (по напрузі на споживачах), які скидаються після проведення перемикання і поступання на входи IG та IH контролера дискретних сигналів від датчиків перемикання електроприводів РПН. За допомогою цього сигналу проводиться також скид таймерів затримки вироблення сигналу на перемикання, що встановлює програму у вихідне положення. При цьому програма контролера встановлюється у вихідне положення незалежно від того, яким пристроєм було проведено перемикання і який саме канал регулювання спрацював, тому сигнали від датчиків перемикання поєднуються в логічному блоці АБО В50.

Функціональні блоки таймерів В72, В73, В75, В76, логічні елементи АБО В77 та НІ В78, а також RS-тригер В103 реалізують генератор тактових імпульсів, який може працювати в режимі очікування (задіяні блоки таймерів В72 та В73) та в режимі перемикання (блоки таймерів В75 та В76).

Період між тактовими імпульсами в режимі перемикання більші ніж в режимі очікування. Такий час необхідний для завершення циклу перемикання і залежить від габаритів та конструкції пристрою РПН.

За допомогою архіваторів В105, В106 та В110, В111 реалізовано диференціатори каналів вимірювання напруги та реактивної потужності. Робота диференціатора каналу вимірювання напруги пояснюється наступним. На архіватор В105 з переднім фронтом тактового імпульсу ГТІ записується значення напруги на навантаженні в момент часу t₁. Із затримкою часу Дt (встановлюється таймером В107) передній фронт тактового імпульсу поступає і на вхід latching (запис) архіватора В106. В нього записується значення напруги на навантаженні в момент часу t₂ = t₁ + Дt. В суматорі В108 визначається різниця між двома записаними в архіваторах значеннями, знак якої і відповідає знаку похідної огинаючої напруги на навантаженні. Обчислення знаку похідної огинаючої реактивної потужності здійснюється аналогічно.

При виході регульованого параметру за допустимі межі повинен формуватися сигнал на відповідне перемикання пристрою РПН. Для надходження його безпосередньо на вихід контролеру потрібно, щоб відхилення параметру поза допустимі межі мало місце навіть через встановлений час затримки сигналу в таймерах В63, В64, В65 та В66 і при цьому параметр не мав тенденції до повернення в зону нечутливості (похідна регульованого параметру через час затримки рівна 0 або має знак, що співпадає з напрямком виходу параметру за допустимі межі). Ця умова перевіряється логічними блоками І В68, В82, В88 та В94.

На прикладі каналу регулювання напруги системи автоматичного керування проведено оцінку помилок першого та другого роду регулятора.

Функціональна схема каналів вимірювання мікропроцесорного регулятора в системі поздовжньо-поперечного регулювання напруги приведена на рис. 10. На схемі ТН - вимірювальний трансформатор напруги; ТС - вимірювальний трансформатор струму; ПН - вимірювальний перетворювач напруги; ПС - вимірювальний перетворювач струму; ПП - вимірювальний перетворювач потужності; БГР - блоки гальванічної розв'язки контролера; ІВ, ІС, ID - аналогові входи контролера.

Сумісний закон розподілу вимірюваної напруги та похибки її вимірювання має вигляд

де Т - діапазон зміни вимірюваного значення напруги, Р - діапазон зміни похибки вимірювання напруги трансформатором. Q - діапазон зміни похибки вимірювання напруги перетворювачем, Мu - математичне сподівання вимірюваної напруги, _U - середнє квадратичне відхилення (СКВ) вимірюваної напруги, _вим - СКВ похибки вимірювання напруги. Аналітичний вираз сумісного закону розподілу (3) визначено, виходячи з аналізу законів розподілу похибок пристроїв.

У роботі отримано розрахункові імовірності помилок першого і другого роду мікропроцесорного регулюючого пристрою.

У додатках наведено розрахунок впливу поперечної вольтдобавки на режим системи електропостачання за активною та реактивною потужністю в залежності від характеру навантаження; результати розрахунку в пакеті програм AutoCAD перетоків потужностей та напруг в замкненій системі електропостачання в залежності від коефіцієнту трансформації ТПР; прикладну документацію програми керування мікропроцесорним контролером пакету Zelio Soft 2; прикладну програму у середовищі MathCad 7 Pro для визначення імовірностей помилок першого і другого роду регулятора напруги; акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі наведене теоретичне узагальнення та нове вирішення наукової задачі розробки системи автоматичного керування трансформаторами з поздовжньо-поперечним регулюванням напруги, що відрізняється від відомих законом регулювання, який містить напругу, активну та реактивну потужності в якості регульованих параметрів, похідні за напругою та реактивною потужністю в якості додаткових критеріїв формування регулюючого впливу, та його технічною реалізацією, що дозволяє створити умови для підвищення надійності та якості електропостачання.

Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи є такими.

У галузі теоретичних та експериментальних досліджень:

1. Проаналізовано існуючі методи і засоби поздовжнього та поздовжньо-поперечного регулювання напруги. Визначено, що вони спрямовані окремо на регулювання напруги чи перетоку потужностей через лінії електропередачі, мають обмеження в способах введення регулюючого впливу на режим системи електропостачання за потужністю і тому не здатні вирішувати задачу одночасного регулювання цих параметрів.

2. Розроблено закон керування трансформаторним комплексом для поздовжньо-поперечного регулювання напруги з врахуванням значень активної та реактивної потужностей, з використанням якого поздовжнє регулювання напруги проводиться у функції напруги та струму на вводах споживачів, а поперечне регулювання здійснюється у функції перетоків активної та реактивної потужностей.

3. Вдосконалено математичну модель системи автоматичного керування трансформаторами для поздовжньо-поперечного регулювання напруги у відповідності до розробленого закону та структури регулюючого пристрою з застосуванням передаточних функцій, що дозволяє провести комп'ютерне моделювання системи та оцінити її динамічні характеристики.

4. Дістав подальший розвиток метод синтезу систем автоматичного керування трансформаторами з регулюванням напруги під навантаженням шляхом використання математичного апарату секвенцій, що дозволяє автоматизувати процес проектування структури та алгоритму роботи відповідного мікропроцесорного засобу.

5. Дістав подальший розвиток метод оцінки точності синтезованого засобу за імовірністю помилок першого та другого роду з обчисленням СКВ похибок складових вимірювального каналу напруги та законів розподілу похибок цих складових.

У галузі практичного використання:

1. За розробленим законом керування комплексом для поздовжньо-поперечного регулювання напруги синтезовано структурну схему регулюючого пристрою системи керування з використанням промислової елементної бази.

2. Згідно вдосконаленої математичної моделі системи автоматичного керування побудовано модель автоматичного регулятора напруги у середовищі Matlab Simulink, яка дозволяє отримувати параметри налагодження регулятора.

3. Створено програмне забезпечення мікропроцесорного контролера у середовищі ZelioSoft для виконання функцій регулятора системи автоматичного керування.

Комп'ютерна модель та програмне забезпечення мікропроцесорного регулятора системи автоматичного керування трансформаторами для поздовжньо-поперечного регулювання напруги розроблені відповідно до умов ВАТ АК Вінницяобленерго, де вони впроваджені, але можуть бути адаптовані до умов інших електропостачальних підприємств та організацій.

1. Грабко В. В. Аналіз та моделювання впливу поперечного регулювання напруги на споживання реактивної потужності в розподільчих мережах / В. В. Грабко, С. М. Левицький // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. -- 2007. --№3/(44). -- Ч.2. -- С. 122 -- 125.

2. Грабко В. В. Синтез закону регулювання напруги в електричній мережі в умовах оптимального споживання реактивної потужності / В. В. Грабко, С. М. Левицький, М. П. Свиридов // Вісник Вінницького політехнічного інституту. -- 2007. -- № 2. -- С. 34 -- 37.

3. Левицький С. М. Синтез структури регулятора напруги в системах з обмеженим споживанням реактивної потужності / C. М. Левицький // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. -- 2008. -- № 4 (51). -- Частина 2. -- с. 53 -- 56.

4. Грабко В. В. Система регулювання напруги електричної мережі за умови обмеженого споживання реактивної енергії / В. В. Грабко, С. М. Левицький. // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету (технічні науки). Тематичний випуск «Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія й практика». -- 2007. -- С. 536 -- 538.

5. Левицький С. М. Комп'ютерне моделювання системи регулювання напруги в умовах дефіциту реактивної потужності / С. М. Левицький // Вісник Вінницького політехнічного інституту. -- 2007. -- № 6. -- С. 80 -- 83.

6. Левицький С. М. Мікропроцесорний двоканальний регулятор напруги на базі контролера Zelio Logic / С. М. Левицький // Інформаційні технології та комп'ютерна інженерія. -- 2008. -- № 1 (11). -- С. 150 -- 153.

7. Пат. 32171 Україна. Регулятор напруги в умовах обмеженого споживання реактивної енергії: Пат. 32171 Україна, МПК (2006) Н 02 J 3/12 / В. В. Грабко, C. М. Левицький; заявник та патентоутримувач Вінницький національний технічний університет. -- № u 2007 13798; Заявл.10.12.2007; Опубл. 12.05.2008, Бюл. № 9.

Размещено на Allbest.ru