CC BY
17
УДК 621.316.761
АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ДАТЧИКА ТОКА ДЛЯ АСУЭ С ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ РЕГУЛЯТОРАМИ ПЕРЕМЕННОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
В.Н. Крысанов, Ю.В. Шарапов
В статье рассматриваются методы микроконтроллерной реализации датчика сдвига фаз для высоковольтных регуляторов напряжения с применением различных способов определения сдвига фазы. Рассмотрены два варианта реализации датчика как системы вычисления значения сдвига фаз: на основе нуль органов (система вычисляет время между переходами через ноль преобразованного сигнала напряжения сети и преобразованного сигнала тока сети) и на основе метода обратного косинусного и синусного преобразования с оценкой значения сдвига фазы в период между переходами через ноль преобразованного сигнала напряжения и тока сети. Показано преимущество такого метода в получении мгновенного значения сдвига фазы, что позволяет добиться высокой скорости отработки АСУЭ заданий по регулированию перетоков мощности в сетях и быстрого отклика на возможные аварийные возмущения. В статье проведено имитационное моделирование датчика, получены график переходного процесса при набросе активно-индуктивной нагрузки в сети и график выходного значения смоделированного датчика
Ключевые слова: компенсация реактивной мощности, датчик тока, тиристорный регулятор
В высоковольтных сетях с распределенными параметрами из-за присутствия реактивных составляющих в питаемой нагрузке существует сдвиг фаз напряжения относительно тока, ведущее к дополнительным потерям, свойственным всем сетям переменного тока. Для компенсации данных потерь (потерь от реактивной мощности) используются специально разработанные компенсационные устройства, как управляемые, так и неуправляемые. Для эффективной работы подобных устройств, а также функционирования автоматизированных систем управления энергоснабжением АСУЭ вышеупомянутых сетей требуется определение времени сдвига фазы между напряжением и током, то есть время между переходом тока и напряжения через ноль.
Также необходимость применения подобной системы возникает при работе тиристорного регулятора напряжения(рис.З).
На рисунке показана электрическая схема одной фазы силового автотрансформатора (АТ), где обмотка среднего напряжения обозначена W2, высокого напряжения - W1, а низкого напряжения -W3. Включенный в нейтраль АТ вольтодобавочный трансформатор (ВДТ) имеет две обмотки W4 и W5, запитан от третичной обмотки АТ через две группы силовых ключей V! и V2, осуществляющих регулирование напряжения на W1. Такой способ управления, благодаря высокому быстродействию и плавности регулирования напряжения, позволяет обеспечить снижение кратности перенапряжений и увеличение пропускной способности ЛЭП. [1,2]
---------01
Рис. 1. Тиристорный регулятор напряжения на основе автотрансформатора
Для управления вентилями требуется точное определение фазы сигнала, угла между током и
Крысанов Валерий Николаевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8-920-228-56-06, e-mail: [email protected] Шарапов Юрий Викторович - ВГТУ, аспирант, тел. 8-920-434-85-50, e-mail: [email protected]
напряжением, мгновенных значений токов и напряжений и т.д.
Для комплексного решения проблемы детерминирования данных параметров и вычисления управляющих воздействий на вентили в соответствии с требуемым оптимумом обычно используют вычислительные комплексы, основанные на логических элементах или промышленные контроллерах.
В качестве первичных преобразователей тока и напряжения в высоковольтных сетях, перспективными к применению являются оптоволоконные преобразователи тока и напряжения, а также (в основном используемые в настоящее время) трансформаторные датчики. Основные моменты в работе с подобными преобразователями описаны в [3]. Выходом подобных преобразователей как правило является сигнал напряжения, который можно уже напрямую приводить к входу цифровых и аналоговых схем. В данной статье будут рассмотрены методы преобразования данных сигналов для получения цифрового кода пропорционального сдвигу фаз, а также дискретных сигналов, соответствующих критическому повышению напряжения или тока, требуемых для организации системы управления трансформаторно-тиристорным регулятором
напряжения.
Для определения сдвига фазы как правило применяют два основных метода: первый -определение времени между переходом через ноль сетевого напряжения и тока, и определение разности фаз после преобразования Фурье напряжения и тока [4].
При первом методе после сигналов напряжения и тока ставятся соответствующие нуль органы (подающие логическую единицу на выход при переходе через ноль сигнала на входе) и сбрасываемый счетчик (аналоговый или цифровой). Счетчик стартует преобразования при переходе через ноль одного сигнала и завершает преобразование при переходе через ноль другого сигнала. Полученный на выходе результат пропорционален сдвигу между током и напряжением.
Рис. 2. Формирование кода сдвига фаз методом подсчета времени перехода через ноль
Данный метод подходит также для реализации в микроконтроллерной системе управления, для этого используется специализированный модуль InputCapture входящий в состав современных прогрессивных микросхем таких мировых лидеров как STmicroelectronics, Atmel,Texas Instruments [5].
При втором методе сигналы
преобразовываются в ряд Фурье, и соответственно можно определить амплитудные значения каждого из сигналов и их фазы. Разность фаз при этом определяется прямым вычитанием, однако стоит отметить, что для преобразования Фурье требуется
большое количество аналогово-цифровых преобразований в выборке как минимум периода от синусоиды. Таким образом, можно сказать, что не один из них не имеет большого быстродействия в пределах полупериода. То есть нельзя увидеть мгновенное значение фазового запаздывания.
Для решения данной проблемы можно воспользоваться свойством линейности
синусоидального сигнала на периоде. Общая структура системы определения мгновенного значения сдвига фаз приведена на рисунке 3.
Рис. 3. Структура системы определения мгновенного значения сдвига фаз
41
На рисунке показана схема преобразователя сдвига фазы, в системе высоковольтной сети. Сигнал с преобразователя напряжения (или тока) приходит на блок acos преобразования, после чего на выходе получается угол (мгновенный относительный входного сигнала) далее этот сигнал идет в блок коррекции, где преобразуется в
( 1 )Э|дг1а1
нарастающий (пилообразный) сигнал с наклоном пропорциональным изменению угла входного сигнала (синусоидального). Выходы блоков коррекции взаимно вычитаются в результате чего получается сигнал (или код) сдвига фаз между током и напряжением. Блок а^ преобразования приведен на рис. 4.
Рис. 4. Блок а^ преобразования.
Блок преобразует входной синусоидальный сигнал произвольной амплитуды в арккосинус от угла данного сигнала. Для преобразования сигнал приводится к единичной амплитуде делением на максимальное значение амплитуды на периоде. После чего производится преобразование асов. Для
деления используется значение максимальной амплитуды на прошлом периоде функции. Такое построение преобразователя не сказывается на быстродействии системы, так как при большой постоянной времени амплитуда входного сигнала не может сильно измениться на периоде.
Asin
В>
►CD
Ramp
Constant
Рис. 5. Блок коррекции
Блок коррекции преобразует треугольный сигнал арккосинуса в пилообразный. Определения направления счета происходит по знаку производной от входного сигнала.
Результат работы датчика приведен на рис. 6. Видно, что после подключения дополнительной
активно-индуктивной нагрузки сразу же происходит рост выходного сигнала датчика. Так как рост выходного сигнала происходит сразу после наброса нагрузки, в отличии от других способов, это позволяет добиться большего быстродействия и реакции системы на аварийные ситуации, чем при использовании стандартных датчиков.
1 ■
Рис. 6. Результат работы датчика
Литература
1. Крысанов В.Н. Тиристорный регулятор напряжения как средство повышения пропускной способности и снижения перенапряжения в ЛЭП / В.Н Крысанов // Энергетические комплексы и системы управления. - 2009. - №1. - С. 12-15.
2. Крысанов В.Н Быстродействующее регулирование напряжения при коротком замыкании в высоковольтных сетях / В.Н. Крысанов, С.В. Астафьев // Энергетические комплексы и системы управления. - 2010. - №1. - С. 56-60.
Воронежский государственный технический университет
3. Абраменкова И. Оптические преобразователи тока и напряжения / И. Абраменкова, И. Корнеев, Ю. Троицкий // Компоненты и технологии. - 2010. - №8. - С. 60-63
4. Крюков А.В. Моделирование систем электроснабжения: учеб. пособие / А.В. Крюков. -Иркутск: ИрГУПС, 2014. - 142 с.
5. Крысанов В.Н Использование современных микроконтроллерных средств вычисления для управления устройствами «Гибких» систем передачи переменного тока «FACTS» / В.Н. Крысанов, Ю.В. Шарапов // Электротехнические комплексы и системы управления. -2014. - №3. - С. 62-66.
HARDWARE SOLUITON FOR A QUICK-SENSING CURRENT SENSOR FOR AUTOMATED CONTROL SYSTEM OF POWER CONSUMBTION WITH HIGH VOLTAGE AC
REGULATORS
V.N. Krysanov1, Y.V. Sharapov2
'Ph.D., Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation
e-mail: [email protected] 2Postgraduate Student, Voronezh State Technical University,Voronezh, Russian Federation
e-mail: [email protected]
The article reviews the methods of microcontroller installation of the phase shift sensor for high voltage regulators using various methods of determining the phase shift. Two types of the sensor implementation as a system for calculating the phase shift value are estimated: based on zero bodies (the system calculates the time between zero transformations of the transformed network voltage signal and the converted network current signal) and on the basis of the inverse cosine and sine transformation method with an estimate of the phase shift value in the period between the transitions through zero of the converted voltage signal and the current signal of the network.
The advantage of this method in obtaining the instantaneous phase shift value is shown, which makes it possible to achieve a high speed for regulating power flows in the networks and a rapid response to possible emergency disturbances. The simulation of the sensor is introduced in the article. The transient process graph was obtained in the case of an active-inductive load
Key words: compensating reactive power, current sensor, thyristor regulator
References
1. Krysanov V.N., "Thyristor voltage regulator as a tool for increasing of carrying capacity and decline of overvoltage in power transmission line " ("Tyristornyj regulator napryazhenya kak sredstvo povysheniya propusknoy sposobnosty i snizheniya v LEP"), Voronezh, Energeticheskie komplecsy I sistemy upravlenia, 1 (2009): 12-15.
2. Krysanov V.N., Astafev S.V., "Fast-acting regulation of voltage in the time of short current in high-voltages lines" ("Bystrodeystvuyuschee regulirovanie napryazheniapri korotkom zamykanyy v vysokovoltnykh lyniyakh"), Energeticheskie komplecsy I sistemy upravlenia; 1 (2010): 56-60.
3. Abramenkova I., I. Kornev I., Troickyj Y., "Optical current and voltage convertors" ("Opticheskie preobrazovateli toka I napryazheniya"), Komponenty I tehnologii," 8 (2010): 60-63.
4. Krjukov A.V., "Simulation systems of power supply: tutorial" ("Modelirovanie sistem jelektrosnabzhenija: uchebnoeposobie"), Irkutsk: IrGUPS, (2014): 142.
5. Krysanov V.N., Sharapov Y.V., "Using modern microcontroller devices of computing for control FACTS system devices" ("Ispolzovanie sovremennykh microcontrollernykh sredstv vychislenij dlya uprovleniya ustroystvamy gibhikh system peredachiperemennogo toka"), Voronezh, Energeticheskie komplecsy I sistemy upravlenia 3 (2014): 62-66.
