Введение

Особенности развития электроэнергетики, а именно: рост единичных мощностей энергоустановок, большая протяженность электросетей, наличие слабых межсистемных связей, повышение неравномерности графиков нагрузки обусловливают необходимость совершенствования систем автоматического управления (САУ) энергетическими объектами. Опыт эксплуатации микропроцессорных САУ электроэнергетическими объектами показал их преимущества по сравнению с устройствами, выполненными на дискретных компонентах, в отношении как сервисных функций, так и надежности работы.

Автоматические устройства управления с встроенными микроЭВМ дают возможность реализовать более сложные алгоритмы управления. Запись программ в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) позволяет осуществлять изменение алгоритмов в процессе эксплуатации при развитии энергосистем и адаптировать алгоритмы к индивидуальным характеристикам конкретных электрических схем. Применение встраиваемых микроЭВМ в устройствах автоматического управления электроэнергетическими объектами дает возможность снизить ущерб от повреждения электротехнического и электроэнергетического оборудования и повысить качество вырабатываемой электроэнергии.

Разработана, изготовлена и испытана микропроцессорная система управления углом открытия тиристоров для управляемых реакторов (УР), электромагнитные схемы которых рассмотрены и исследованы в [1]. Одно из назначений управляемого реактора - выполнение функций регулирующего элемента статического компенсатора реактивной мощности (СКРМ), который предназначен для работы в распределительных сетях (рис. 1а,б). Так как при компенсации реактивной мощности потери напряжения в сети уменьшаются, то при определенных условиях СКРМ используется не только для обеспечения баланса реактивной мощности, но и в качестве средства регулирования и стабилизации напряжения в сети в месте его установки. Это достигается регулированием потребления и выдачи реактивной мощности компенсатором посредством выработки управляющего воздействия, подаваемого на тиристоры в соответствии с измеряемыми переменными системы. Одновременно со стабилизацией напряжения снижаются потери мощности в электроэнергетической системе и улучшается режим работы электропотребителей.

Микропроцессорная система управления реализована на основе однокристальной микроЭВМ КР1816ВЕ51 [2]. Разработан алгоритм и в соответствии с ним составлена управляющая ассемблер-программа. Управление реакторами, предназначенными для работы в распределительных сетях, осуществляется автоматически путем сравнения номинального напряжения сети с измеряемым напряжением в месте установки реактора [3, 4]. Управление реакторами, предназначенными для дальних высоковольтных ЛЭП, осуществляется автоматически путем сравнения натурального тока линии с протекающим по линии током в месте установки реактора [5]. Целью автоматического регулирования в первом случае является поддержание напряжения в сети на заданном уровне. Во втором случае целью автоматического регулирования является компенсация избыточной реактивной мощности линии.

1. Структура и принцип действия САУ

Целью действия САУ является автоматическая стабилизация напряжения распределительной электросети в месте установки реактора на уровне соответствующем номинальному напряжению с заданной точностью приблизительно ±1%. Это реализуется за счет изменения тока подмагничивания совмещенных управляемых реакторов и реакторов-трансформаторов. При уменьшении напряжения сети необходимо уменьшать ток подмагничивания до тех пор, пока напряжение сети не увеличится до нормируемого уровня, а при увеличении напряжения - необходимо соответственно увеличить ток подмагничивания. САУ состоит из блока управления, силового блока и источника постоянного стабилизированного напряжения +5 В, +15 В и -15 В. На рис. 2 показана функциональная схема САУ .

Габаритные размеры блока управления 260х180х40 мм, его масса составляет не более 1 кг. Фотографии блока управления приведены на Web странице автора, URL-адрес http://zabudsky.ru.

Посредством оптотиристоров, которые включены в два плеча мостового управляемого выпрямителя питающего обмотку управления (ОУ) реактора, осуществляется воздействие блока управления на силовой блок; с другой стороны, посредством оптотиристоров осуществляется гальваническая развязка этих блоков, т.е. слаботочной и сильноточной цепей.

Принцип действия САУ заключается в следующем. Стабилизируемое напряжение распределительной электросети через трансформатор напряжения Т поступает на АЦП А1 (Ф7077М/2), где преобразуется в цифровой двоичный код, который сравнивается процессором с цифровым двоичным кодом (уставкой) задающимся с помощью переключателей S1, S2, ..., S8, установленных на лицевой панели блока управления (рис. 2). При неравенстве этих кодов определяется знак рассогласования и соответствующим образом изменяется угол открытия оптотиристоров в каждом полупериоде сети, от которой питается силовой блок, что приводит к изменению постоянной составляющей тока протекающего в ОУ реактора и в свою очередь к изменению напряжения стабилизируемой электросети. Система автоматического регулирования, совместно с управляемым реактором, образуют замкнутую систему автоматического поддержания заданного уставкой напряжения распределительной электросети.

2. Основы функционирования САУ

При разработке алгоритма функционирования САУ использован математический аппарат цифровой (дискретной) обработки аналоговых величин, который сводится к следующему.

Среднее квадратичное значение напряжения за половину периода вычисляется согласно формуле:

(1)

где u - мгновенное значение измеряемого напряжения; Т - период изменения стабилизируемого напряжения, при частоте 50 Гц равный 0,02 с.

Для цифровой обработки аналоговой величины осуществляется дискретизация непрерывной временной функции стабилизируемого напряжения распределительной электросети, т.е. интеграл в (1) заменяется суммой:

(2)

где u_n - значение n-ой выборки измеряемого напряжения стабилизируемой электросети, которое подается на вход АЦП А1;
n - текущий номер выборки, т.е. измерения напряжения;
К - количество выборок в течение половины периода.

Примем, что преобразование аналоговой величины в цифровую форму осуществляется через равные промежутки времени Dt=const, тогда (2) записывается в виде:

(3)

Значение количества выборок К принято из соображения укладки его в один байт (K ~ 210) и обеспечения достаточной точности. В этом случае промежуток между двумя выборками определяется как

(4)

Использованный АЦП преобразует мгновенное значение переменного напряжения, поступающего на его вход, в цифровой двоичный код, снимаемый с выхода за 1,5 мкс. Изменение напряжения на входе за это время много меньше веса младшего двоичного разряда АЦП (для данного уровня и частоты входного напряжения), поэтому можно утверждать, что АЦП работает в режиме преобразования постоянного напряжения.

На восходящем участке функции u²(t) преобразование напряжения в цифровой код осуществляется АЦП А1 с недостатком, а на нисходящем - с избытком. Однако при достаточно большом числе выборок за полпериода эти погрешности взаимно компенсируются вследствие симметрии зависимости u²(t).

Достоинством используемого аппарата преобразования аналоговой величины в дискретную является устойчивость по отношению к высокочастотным помехам.

Для оценки рассогласования между измеренным напряжением распределительной электросети и эталонным напряжением U_э, заданным уставкой, и выработки соответствующего управляющего воздействия вычисляется на основе (3) среднее значение квадрата измеренного напряжения за полпериода по формуле:

(5)

Среднее квадратичное значение напряжения распределительной электросети за положительный полупериод составляет:

(6)

Таким образом, необходимо согласно (5) осуществить программно накопление суммы квадратов двоичных кодов К выборок измеренного напряжения, а затем определить среднее значение этой суммы. Далее необходимо программно двоичный код уставки возвести в квадрат. Результат последнего действия соответствует квадрату эталонного напряжения U_э, заданного уставкой. На основе сопоставления вычисленных двоичных кодов величин U_ср и U_э² определятся знак рассогласования и вырабатывается соответствующее управляющее воздействие.

Вышеприведенный математический аппарат реализован в управляющей ассемблер-программе, которая состоит из основной программы и шести подпрограмм: 1) подпрограмма обработки прерываний от таймера; 2) подпрограмма вычисления квадратного корня; 3) подпрограмма сдвига вправо двухбайтового числа; 4) подпрограмма умножения двухбайтовых чисел; 5) подпрограмма деления многобайтовых чисел; 6) подпрограмма сдвига влево многобайтового числа.

Подпрограмма обработки прерываний от таймера работает в двух режимах: режим "0" или режим "1", которые определяются признаком, т.е. значением бита #08₁₆ в памяти данных. Если бит установлен в "0", то имеет место режим "0" подпрограммы, а если - в "1", то - режим "1". Режим "0" характеризуется тем, что в нем начинается импульс запуска оптотиристоров, длительность этого импульса установлена программно в 200 мкс, а режим "1" характеризуется тем, что в нем импульс запуска оптотиристоров прекращает-ся. Исходный текст программ составлен в мнемокодах ассемблера микроЭВМ и посредством кросс-ассемблера оттранслирован в шестнадцатеричный код. Машинный код про-грамм помещен в ППЗУ 573РФ2.

3. Алгоритм работы САУ

Система автоматического управления работает следующим образом: 1) переключатель S9 "Сброс-работа" устанавливается в положение "Сброс"; 2) на блок управления подается питание +5 В, +15 В и -15 В; 3) силовой блок подключается к сети переменного тока; 4) на переключателях S1, S2, ..., S8 набирается двоичный код уставки; 5) микроЭВМ (D1) переходит из состояния сброса к работе по управляющей программе. В результате в регулируемой электросети в месте расположения УР устанавливается в соответствии с ВАХ реактора заданное значение напряжения, отображаемое на вольтметре PV (рис. 2).

Последовательность работы управляющей программы, а следовательно и всей системы управления, рассмотрим на основе блок-схемы взаимодействия основной программы с таймером и подпрограммой обработки прерываний, инициируемых по переполнению таймера (рис. 3).

Управляющая программа составлена так, что в течение каждого положительного полупериода напряжения U_ВХ , подаваемого на вход АЦП А1, осуществляется цикл измерений, т.е. накопление суммы квадратов кодов мгновенных значений измеряемого напряжения (5) и подсчет количества циклов измерений, а в течение каждого отрицательного полупериода осуществляется обработка результатов этих измерений (5 и 6), их анализ и коррекция текущего значения кода задержки включения оптотиристоров.

В начале работы программы выполняются начальные установки адреса стека, номера банка памяти данных, подготовка прерывания от таймера Т/СО, который входит в состав микроЭВМ D1. Затем программа анализирует состояние выхода компаратора DA1 (554САЗ). Если на выходе компаратора логическая "1", то на входе АЦП А1 действует отрицательная полуволна напряжения U_ВХ (рис. 4а,б). После подготовки в этом полупериоде цикла измерений, ожидается начало положительного полупериода.

3.1. Работа САУ в положительном полупериоде

1) В начале положительного полупериода производится загрузка таймера Т/СО кодом задержки включения оптотиристоров и пуск таймера. Код задержки включения оп-тотиристоров устанавливается программно в заданном диапазоне от 38₁₆ = 56₁₀ до ЕС₁₆ = 236₁₀ , причем с увеличением кода сама задержка, т.е. угол открытия оптотиристоров, уменьшается, т.к. сигнал (импульс) включения оптотиристоров передается по переполнению таймера. Диапазон задержек включения составляет от 1 мс до 9 мс от начала полупериода изменения напряжения U_ВХ на входе АЦП А1. Таймер, после своего включения, работает в режиме "0", согласно которому через каждые 48 мкс (при частоте кварцевого резонатора 8 МГц) к его содержимому добавляется 1. Таким образом всему диапазону задержек соответствует примерно 180 единиц;

2) после запуска таймера согласно управляющей программе начинается накопление суммы квадратов двоичных кодов мгновенных значений измеряемого напряжения (5);

3) по истечении заданного в таймере времени задержки, происходит первое прерывание работы управляющей программы в положительном полупериоде и переход к подпрограмме обработки прерывания от таймера, которая в начале анализирует признак режима своей работы;

4) в режиме "0" работы подпрограммы обработки прерываний устанавливается в "0" выход "TXD - выход передатчика" микроЭВМ D1 (рис. 4г), что соответствует началу импульса тока через светодиод оптотиристора, т.е. включению последнего. В таймер загружается код длительности импульса запуска (~200 мкс), устанавливается в "1" признак режима работы подпрограммы и пускается таймер;

5) происходит возврат в основную программу (т.е. первое прерывание ее работы закончено), где продолжается накопление суммы квадратов двоичных кодов мгновенных значений измеряемого напряжения (5), (рис. 4в);

6) по истечении ~200 мкс, т.е. после переполнения таймера, происходит второе прерывание работы основной программы в течение положительного полупериода и передача управления подпрограмме обработки прерывания от таймера;

7) подпрограмма обработки прерываний останавливает таймер и анализирует бит режима, который установлен в "1". Находясь в режиме "1" подпрограмма устанавливает в "1" выход "TXD - выход передатчика" микроЭВМ D1 (рис. 4г), что приводит к окончанию импульса тока через светодиод оптотиристора. После установки бита режима работы подпрограммы в "0" осуществляется возврат в основную программу (т.е. завершено второе прерывание ее работы);

8) согласно работе основной программы продолжается накопление суммы квадратов двоичных кодов мгновенных значений измеряемого напряжения (5), и подсчет количества циклов, т.е. количества выборок мгновенных значений измеряемого напряжения в течение положительного полупериода его.

3.2. Работа САУ в отрицательном полупериоде

1) В начале отрицательного полупериода также производится загрузка таймера Т/СО кодом задержки включения оптотиристора и пуск таймера. Работа таймера и подпрограммы обработки прерываний от таймера происходит также, как и в положительный полупериод;

2) при работе основной программы в отрицательный полупериод изменения напряжения U_ВХ , подаваемого на вход АЦП А1, осуществляется, кроме обработки прерываний от таймера, следующее:

а) вычисляется двоичный код, соответствующий напряжению U_cр (5);

б) вычисляется двоичный код, соответствующий напряжению U_д (6), который отображается на светодиодах VD1, VD2, ..., VD8, расположенных на лицевой панели блока управления (рис. 2)

в) вычисляется квадрат двоичного кода уставки, т.е. эталонного напряжения U_э;

г) на основе сравнения кодов соответствующих U_ср и U_э² формируется управляющее воздействие, т.е. корректируется (декрементируется или инкрементируется) код задержки включения оптотиристоров.

Если U_ср > U_э², то для восстановления равенства между ними, необходимо увеличить ток подмагничивания, поэтому программно увеличивается значение текущего кода задержки включения оптотиристора на 1, а сама задержка, т.е. угол открытия оптотиристоров, при этом уменьшается.

Если U_ср < U_э², то для восстановления равенства между ними, необходимо уменьшить ток подмагничивания, поэтому программно уменьшается значение текущего кода задержки включения оптотиристора на 1, а сама задержка, т.е. угол открытия оптотиристоров, при этом увеличивается.

Если U_ср ~ U_э², то значение кода задержки и самой задержки колеблются возле некоторого среднего значения, обеспечивая выполнение равенства с точностью до единицы младшего разряда. При выполнении равенства U_ср ~ U_э² на светодиодах VD1, VD2, ..., VD8 высвечивается двоичный код среднего квадратичного напряжения распределитель-ной электросети U (6), который соответствует коду U_э , зафиксированному переключателями S1, S2, ..., S8 (рис. 2);

д) после каждой коррекции кода задержки его значение сравнивается с максимальным ЕС₁₆ и минимальным 38₁₆ значениями и при выходе кода задержки за эти пределы, ему присваивается соответственно максимальное или минимальное значение, а коду, высвечиваемому на светодиодах, - значение FF₁₆ или 01₁₆. Коды FF₁₆ или 01₁₆ индицируются на светодиодах VD1, VD2, ..., VD8 для указания на то, что система управления вышла из режима (зоны) стабилизации.

На рис. 4 приведена временная диаграмма работы САУ, а на рис. 5 - характеристика стабилизации ее.

В диапазоне UВ_Х.min Ј U_ВХ. Ј U_ВХ.max имеет место стабилизация, т.е. САУ поддерживает равенство U_{расп.сети} = U_стаб, т.к. в этой зоне, в соответствии с ВАХ реактора, изменение напряжения UВХ на входе АЦП А1 полностью компенсируется соответствующим током подмагничивания I₂ протекающим по обмотке управления реактора. Этот ток регулируется системой за счет коррекции кода задержки включения оптотиристоров.

Процесс стабилизации возможен в допустимом "окне" задержек включения оптотиристоров, составляющем 1...9 мс.

Для того, чтобы войти в зону стабилизации необходимо, например, изменить с помощью делителя R14 напряжение на входе АЦП А1 или же изменить код уставки с помощью переключателей S1, S2, ..., S8. При этом импульс запуска оптотиристоров перемещается в разрешенный диапазон задержек. Примерно через 1...2 секунды система входит в режим стабилизации, о чем свидетельствует высвечивание на индикаторах кода, равного коду уставки.

Максимально возможное амплитудное напряжение на входе АЦП А1 должно быть не более напряжения его насыщения, которое для использованного АЦП составляет 1 В.

Максимально возможный код уставки определяется из выражения [255/(2)^1/2]·0,9 ~ 160₁₀ = 1010000₂, где 0,9 - коэффициент запаса. При большем коде уставки амплитуда стабилизируемого напряжения на входе АЦП А1 становится больше напряжения насыщения АЦП, что приводит к большой погрешности.

4. Результаты экспериментальных исследований

Блок управления и силовой блок САУ изготовлены в соответствии с принципиальными электрическими схемами рис. 6а,б.Опытный образец совмещенного управляемого реактора изготовлен согласно электромагнитной схеме рис. 7 [6]. Активная часть реактора состоит из трех одинаковых модулей и характеризуется следующими основными данными: количество планарных магнитонесвязанных сердечников - 3; количество стержней в одном сердечнике - 4; длина стержня - 10.10^-2 м; поперечное сечение стержня - 10.10^-4 м²; материал магнитопровода - сталь 3413, 0,35.10^-3 м; сочленение стержней и ярм - шихтованное внахлест; число витков в катушках трехфазной рабочей обмотки - W_б = 142, W_м = 82; число витков в катушке обмотки управления - W_о = 197; число эффективных витков в катушках обмоток - 2; диаметр провода - 1,32.10^-6 м².

Испытания проводились при отсутствии и наличии перемычки, соединяющей зажимы a, b, c обмотки управления ОУ. При разомкнутых зажимах a, b, c эта обмотка содержит три параллельные ветви, а при замкнутых зажимах - шесть параллельных ветвей. Кроме того, в процессе исследования катушки обмотки управления соединялись встречно-последовательно, при этом в ОУ отсутствуют параллельные ветви. При разомкнутых зажимах a, b, c реализуется режим свободного намагничивания по 4-й и 8-й гармоникам магнитного поля (СН_4_8), а при замкнутых зажимах - режим свободного намагничивания по 2-й, 4-й, 8-й и 10-й гармоникам магнитного поля (СН_2_4_8_10). При встречнопоследовательном соединении катушек ОУ (без параллельных ветвей) реализуется режим вынужденного намагничивания (ВН) по всем высшим гармоникам поля.

На рис. 8 представлены ВАХ реактора U_1Л = f(I_1Л, I₂) для режимов ВН, СН_4_8 и СН_2_4_8_10. Как следует из экспериментальных зависимостей при U_1Л = 380 В и токе подмагничивания I2 = 6 A диапазон регулирования реактора в режиме СН_2_4_8_10 ~ на 35 % больше, чем в режиме ВН и ~ на 21 % больше, чем в режиме СН_4_8. Режим СН_2_4_8_10 выгодно отличается не только увеличенным диапазоном регулирования тока I_1Л, но и улучшенной формой кривой его.

Рассмотренный реактор испытан совместно с разработанной и изготовленной микропроцессорной САУ стабилизацией напряжения электросети (рис. 2). В опыте на обмотку управления подавалось выпрямленное напряжение, которое снималось с управляемого выпрямительного моста. Величина выпрямленного напряжения регулировалась автоматически за счет изменения угла открытия оптотиристоров ТО325-12,5, включенных в мост. На рис. 9 показаны осциллограммы тока I_1Л, протекающего в рабочей обмотке РО реактора, и, выпрямленного напряжения U₂, подаваемого на обмотку управления ОУ при значении стабилизируемого напряжения U_1Л = 220 В. При этом ток в РО составлял 4 А, ток подмагничивания в ОУ - 8,3 А, а угол открытия оптотиристоров - ~ 120°. На рис. 10 показаны осциллограммы этих же величин, но при токе в РО 5,9 А, токе подмагничивания 12,2 А и при неизменном значении (220 В) стабилизируемого напряжения, но при меньшем значении угла открытия оптотиристоров - ~ 111°. Испытания показали устойчивость стабилизации напряжения.

Выводы

1. Разработана микропроцессорная САУ, которая совместно со статическим компенсатором реактивной мощности предназначена для поддержания напряжения в электроэнергетической системе в месте его установки на заданном уровне. Одновременно со стабилизацией напряжения снижаются потери мощности в электроэнергетической системе и улучшается режим работы электропотребителей.

2. Эффективность разработанного программно-аппаратного комплекса определяется устойчивостью стабилизации напряжения в точке установки СКРМ, быстротой отзывчивости его, универсальностью САУ и др.

3. САУ может быть использована при соответствующей коррекции для управления режимами дальних высоковольтных ЛЭП с реализацией регулирования по отклонению от передаваемой мощности, а также для автоматического управления другими объектами электроэнергетики и электромеханики.

Список литературы

1. Забудский Е.И. Совмещенные регулируемые электромагнитные устройства для улучшения качества электроэнергии // Энергосбережение. 1998. Вып. №3. С.37-42.

2. Сташин В.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых уст-ройств на однокристальных микроконтроллерах. М: Энергоатомиздат, 1990.

3. Забудский Е.И., Амброзевич А.С. Микропроцессорная система управления совмещенным реактором-трансформатором. Тезисы докладов научно-техн. конференции "Создание комплексов электротехнического оборудования, высоковольтной, преобразовательной, сильноточной и полупроводниковой техники". Москва, ВЭИ, 1994. С. 284-287.

4. Zabudsky E. Three-phase mathed reactors transformers for electric power engineering / 9th International Power System Conference / Proceeding, volum 2, p.618-629, 4-7 July 1994. St.-Peterburg.

5. Александров Г.Н. Система передач из бассейна Амазонки в промышленно развитые районы Бразилии // Изв. РАН. Энергетика и транспорт. 1993. №5 С.63-72.

6. А.с. 1292051 СССР МКИ4 Н 01 F 29/14. Трехфазный управляемый реактор / Е.И.Забудский, Ю.В.Ермураки (СССР). - №3957356/24-07; Заявл. 24.09.85; Опубл. 23.02.87, Бюл. №7.

7. Забудский Е.И. Совмещенные регулируемые электромагнитные реакторы. - Москва: Энергоатомиздат, МГАУ, 2003. - 436 с.



Доктор техн. наук, профессор Забудский Евгений Иванович. Московский государственный агроинженерный университет, профессор кафедры Электроснабжение и Электрические машины. Россия, 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 58.
Phone: (095) 407 3740, fax: 976 4396, e-mail: zei@inbox.ru. Web page: http://zabudsky.ru.

Вернуться назад
Возврат на начальную страницу