DE2906460A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur steuerung der automatischen lastbeschraenkung elektrischer energiesysteme - Google Patents

Description

• Verfahren und Schaltungsanordnung zur Steuerung der automa-
• tischen Lastbeschränkung elektrischer Energiesysteme Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der automatischen Lastbeschränkung elektrischer Energiesysteme. Die Erfindung ermöglicht es, daß bei Eintreten von Leistungsniangel in einem Gebiet des Energiesystems auch die Lastbeschränkung in dem betroffenen Gebiet oder in dessen unmittelbarer Umgebung erfolgt.
• Die automatische Lastbeschränkuna ist ein gewalttätiger Eingriff, durch welchen beim Wahrnehmen eines starken Leistungsmangels eine Last bestimmter Größe von dem Energiesystem abgeschaltet wird. Derartige Lastbeschränkungen werden zwecks Vermeidung größerer Zusammenbrüche in jedem modernen Energiesystem und in jedem internationalen Energiesystem Verbund angewendet.
• Die automatische Lastbescränkung wird im allgemeinen dann eingeleitet, wenn die Netzfrequenz unter einen bestimmten Wert abfällt, weil die Frequenz des Energiesystems im Falle eines Leistungsdefizits absinkt. Da das Infuktiontreten der automatischen Lastbeschrc-.inkung mit beträchtlichen materiellen Verlusten verbunden ist, und da ferner die Instabilität des Energiesystems in erster Linie durch das Abschalten der in der Umgebung bzw. in der Nähe des Leistungsdefizits (z.B.
• Ausfall eines Kraftwerkes) befindlichen Verbraucher beseitigt werden kann, ist es zweckmäßig, die Belastung in eben diesem Gebiet zu beschränken.
• Durch die auf der Grundlage des Frequenz abfalls eingeleitete automatische Lastbeschränkung kann diese Bedingung nicht erfüllt werden, da der Frequenzabfall in dem gesamten System auftritt und die Lastbeschränkung nicht in der Lage ist, ininnerhalb des Systems zwischen dem die Quelle des Fehlers darstellenden Gebiet, den infolge des Umlegens der Last in kritisch er Last- und Stabilitätssituation befindlichen Gebieten und den nicht t betroffenen Gebieten einen Unterschied zu maehen. In vielen Fällen ist es in der Praxis vorgekommen, daß die Funktion der frequenzabhängigen Lastbeschrankung zusätz -liche Betriebsstörungen in dem Energiesystem hervorrief, weil aus den nicht betriffenen Gebieten infolge der gebietsproportionalen Lastbeschränkung bedeutende Aushilfsleistungen in den Systemteil mit der Fehlerquelle abflossen. Diese Aushilfsleistung verursachte durch die Überlastung der verbindenden Netzteile bzw. das überschreiten der Stabilitätsgrenzleistung weitere Gleichgewichtsstörungen. Die Lastbeschränkung wird nach der Wahrnehmung des Frequenzabfalls dann eingeleitet, wenn die Frequenz über eine bestimmte Zeit hinweg andauernd geringer ist als der eingestellte Schwellenwert. Diese Verzögerung ist ftir sich allein nicht ausreichend, die beschriebenen Schwierigkeiten zu beheben, Aufciabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die geeignet sind, die automatische Lastbeschränkung elektrischer Energiesysteme so zu steuern, daß die Beschränkung dasjenige Gebiet betrifft, in dem der Leistungsmangel auftritt.
• Die Erfindung beruht auf der Analyse der sich in dem Energiesystem ei Leistungsdefizit ausbildenden Spannungsverhältnisse.
• Bei andauerndem Leistungsdefizit strömt aus allen Teilen des Energiesystems Energie in Richtung des Gebietes mit dem Quelleiimangel. Auch der Spannungsabfall der aus großen Entfernungen fließenden Energie wird verhältnismäßig groß, insbesondern dann, wenn der zusätzliche Enrgietransport die Nennleistung einzelner Fernleitungsabschnitte übersteigt.
• Der in dem kritischen Gebiet eintretende Spannungsabfall wird von dem durch den Transport von Bildleistung hervorgerufenen Spannungsabfall weiter vergrößert. Als Folgewirkung sei erwähnt, daß die Wirksamkeit der phasenverbessernden Kondensatorstationen des Gebietes bei sinkender Spannung quadratisch dazu absinkt. Der Spannungsabfall in dem kritischen Gebiet kann daher bei Quellenausfall in der Größenordnung von 10 20 % liegen.
• Erfindungsgemäß wird die Einführung der Leis-tuncysbeschrtinf;uncJ nicht nur von dem Abfall der Netzfrequenz abhängig gemacht, sondern der Schwellenwert des Eingref fens unter gleichzeitiger Berücksichtigung von Frequenz und Spannung so gewählt, daß zu ansteigendem Spannungsabfall eine ansteigende Schwellenfrequenz gehört.
• Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Erkenntnis wirkt, wenn die zur Leistungsbeschränkung gehörenden Frequenz- und Spannungskriterien bestehen, die Leistungsbeschränkung nur nach einer bestimmten Verzögerungszeit eingeführt, wenn innerhalb dieser Zeit die erwähnten Kriterien unverändert bestehen, und die Größe dieser Verzögerungszeit wid proportional zum Spannungsabfall geringer gewählt, d.h. zu einem größeren Spannungsabfall gehcirt eine kürzere Verzögerungszeit Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung enthält deshalb in den einzelnen Gebieten des elektrischen Energiesystems wenigstens je einen Spannungswandler, eine sich daran anschließende, den Frequenzabfall überwachende Schalteinheit mit spannungsabhängiges Schwellenwert, ein mit der Schalteinheit verbundenes Verzögerungselement sowie eine Steuerschaltuiig.
• Die den Frequenzabfall überwachende Schalteinheit mit spannungs abhängigem Schwellenwert weist eine Spannungs-Frequenz-Kennlinie auf, bei der zu sinkender Spannung eine steigende Schwellenfrequenz gehört. Die Steuerschaltung stellt sicher, daß die Schaltungsanordnung das die Lastbeschränkung auslösende Steuersignal nur dann abgibt, wenn innerhalb der Verzögerungszeit des Verzögerungselementes die den Frequenzabfall überwachende Schalteinheit mit spannungsabhängigem Schwellenwert andauernd in angesprochenem Zustand war.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die Verzögerungszeit des Verzögerungselementes spannungsabhängig und dies gemäß einer Spannungs-Verzögerungszeit-Kennlinie, bei der zu sinkender Spannung eine sinkee Verzögerungszeit gehört.
• Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ermöglicht, daß Belastungsbeschränkungen nur im Falle von tatsächlich bestehendem Leistungsdefizit vorkommen und die Abschaltungen in dem Gebiet des Leistungsdefizits oder in den unmittelbar benachbarten Gebieten vorgenommen werden.
• Die Erfindung ist im folgenden an einem Ausführungsbeispiel und anhand der Zeichnungen näher erläutert.
• Fig. 1 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, Fig. 2 zeigt die Spannrmgs Schwellenfrequenz-Kennlinie der in Fig.. 1 dargestellten, den Frequenzabfall überwachenden Schalteinheit mit spannungsabhängiger Schwellenfrequenz, und Fig. 3 zeigt die Spannungsabhängigkeit der Verzögerungszeit des Verzögerungselementes.
• In Fig. 1 ist ein Teil eines in einem Gebiet des elektrischen Energiesystems befindlichen elektrischen Netzes 5, z.B. ein Teil einer Fernleitung, gezeigt, an den ein Spannungswandler 4 angeschlossen ist. Der Ausgang des Spannungswandlers 4 ist mit einem zwischengesxchalteten Spannungswandler 1 verbunden, der an seinem Ausgang eine von dem elektrischen Netz 5 getrenate, jedoch dessen Spannung proportionale Ausgangsspannung erzeugt. Die Frequenz des Ausgangssignals des zwischengeschalteten Spannungswandlers 1 stimmt mit der Frequenz des elektri schen Netzes 5 überein.
• Der zwischengescllaltete Spannungswandler 1 ist einesteils mit dem Signaleingang einer den Frequenzabfall überwachenden Schalteinheit 2 mit spannungsabhängigem Schwellenwert, zum anderen mit dem Spannungssignal-Ein«ana 31 eines Verzögerungselementes 3 verbunden. Der Schaltsignal-Ausgang der den Frequenzabfall überwachenden Schalteinheit 2 mit spannungsabhäng igem Schwellenwert ist an den Eingang der Steuerschaltung 6 angeschlossen, deren Ausgänge mit dem Anregungseingang 32 und den Abstelleingängen 33 des Verzögerungselementes 3 verbunden sind.
• In Fig. 2 ist die Spannungs-Frequenzschwellenwert-Kennlinie der den Frequenzabfall überwachenden Schalteinheit 2 mit spannungsabhängigem Schwellenwert für drei als Beispiel gewählte Fälle dargestellt. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß bei 100 % Spannung die Schaltschwellenfrequenz in allen drei Fällen 49 Hz beträgt. Wird der Schaltschwellenwert erreicht, so erscheint am Ausgang der Schalteinheit 2 ein Schaltsignal, welches anzeigt, daß die vorgeschriebenen Bedingungen der Leistungsbeschränkung eingetreten sind. Aus Kurve a in Fig. 2 ist zu erkennen, daß die zu dem Schaltschwellenwert gehörende Frequenz mit dem Absinken der Netzspannung steil ansteigt, und daß bei 20 % Spannungsabfall der Schaltschwellenwert 49,6 Hz beträgt. Dies bedeutet, daß bei einem Netzspannungsabfall von 20 % ein Frequenzabfall von 0,4 Hz unter den Nennwert von 50 Hz bereits ausreichend ist, daß die Schalteinheit 2 anspricht.
• Die Kurve b ist weniger steil, hier gehört zu einem Spannungsabfall von 20 % ein Frequenzabfall von 0,65 Hz. Bei-der Kurve c ist die Änderungssteilheit des Frequenz schwellenwertes noch geringer. Aus Fig. 2 ist ferner ersichtlich, daR die zu über der Nennspannung liegenden Spannungswerten gehörenden Ansprechschwellenfrequenzen unter 49 Hz liegen.
• Die Spannunys-Frequenz-ennlinie kann natürlich auch von den genannten Werten abweichend gewählt werden, die Diayraru-lte dienen lediglich dazu, den Charakter der Spannungsabhängigkeit des Frequenzschwellenwertes zu veranschaulichen. Die konkreten Werte können in Kenntnis der konkreten Verhältnisse, der speziellen Parameter des elektrischen Energiesystems, z.B. die Anzahl der Kraftwerke und ihre Verteilung auf die Gebiete, Chav rakter der Belastung, Leistung der abschaltbaren Verbraucher usw. bestimmt werden.
• Wenn die Kennlinie der den Frequenz abfall überwachenden Schalteinheit 2 in einem bestimmten Gebiet einmal eingestellt ist, so erscheint an ihrem Ausgang ein Schaltsignal, wenn Spannung und Frequenz des Netzes die eingestellte Kennlinie überschreiten. In diesem Augenblick E teuert die Steuerschaltung 6 den Anregungseingang 32 des Verzögerungselementes 3 an, und am Aus gang 34 des Verzögerungselementes 3 erscheint nach Ablauf der eingestellten Verzögerungszeit ein Steuersignal, welches die in Fig. 1 nicht dargestellte leistungsbeschränkende Schaltung in Funktion setzt. Wenn sich die Parameter des elektrischen Netzes 5 innerhalb der Verzögerungszeit ändern und die Bedingung der Beschränkung nicht mehr besteht, so tritt am Ausgang der den Frequenzabfall überwachenden Schalteinheit 2 mit spannungsabhängigem Schwellenwert eine Zustandsänderung ein; die Steuerschaltung 6 nimmt diese Zustandsänderung wahr und steuert den Abstelleingang 33 des Verzögerungselementes 3.
• Dieses gelangt durch die Steuerung des Abstelleinganges 33 in seinen Grundzustand zurück, und am Ausgang 34 erscheint kein Steuersignal. Die Bedingung des Entstehens des die Lastbeschränkung steuernden Signals. wird daher am Ausgang 34 von dem (iiber die Verzögerungszeit hinweg) anhaltenden Überschreiten der in Fig. 2 dargestellten Kennlinie gebildet.
• Mit der erläuterten Lösung werden die Bedingungen für den Einsatz der Leistungsbeschränkung in Einklang mit den Anforderungen der Praxis sichergestellt, und die Wirksamkeit der Leistungsheschrankung kann noch erhöht werden, wenn man die Verzögerungszeit des Verzögerungselementes 3 in Abhängigkeit von dem augenblicklichen Spannungswert des elektrischen Netzes 5 wählt. Es ist leicht einzusehen, daß nach der Wahrnehmung eines bedeutenden Spannungsabfalls und des dazu gehörenden Frequenzabfalls die Leistungsbeschränkung verhältnismäßig schnell eingeschaltet werden muß. Bei Vorliegen der Nennspannung oder bei Spannungsanstieg ist jedoch ein Leistungsdefizit in dem Gebiet nicht wahrscheinlich, und eine Leistungsbeschränkung sollte nur dann vorgenommen werden, wenn der Frequenzabfall über verhältnismäßig lange Zeit hinweg bestehen bleibt. Ist nämlich der Frequenzabfall durch das Leistungsdefizit eines anderen Gebietes hervorgerufen worden, so muß die Belastung zuerst von der Schutzautomatik dieses Gebietes beschränkt werden; erst, nachdem dies geschehen ist, ist es zweckmäßig, die Leistung auch in dem in Rede stehenden Gebiet zu beschränken.
• Die zwei in Fig. 3 dargestellten Kurven sind zwei Beispiele für die Verzögerungszeit-Spannungs-Kennlinie des Verzögerungselementes 3. Das Verzögerungselement 3 erhält die Information über die augenblickliche Spannung des elektrischen Netzes 5 durch den Spannungssignal-Eingang 31

Claims (4)

1. Verfahren und Schaltungsanordnung zur Steuerung der autonnatischen Lastbeschränkung elektrischer Energiesysteme P a t e n t a n s p r ü c h e : 1. Verfahren zur Steuerung der automatischen Lastbeschränkung elektrischer Energiesysteme, bei dem im gegebenen Cebiet des elektrischen Energiesystems der Wert der Netzfrequenz geines sen und ein die Lastbeschränkung steuerndes Signal erzeugt wird, wenn das auf ein Leistungsdefizit des Gebietes hinweisende Frequenzdefizit einen Schwellenwert überschreitet und diese Überschreitung innerhalb einer vorgegebenen Verzögerungszeit kontinuierlich besteht, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Spannung des elektrischen Netze gemessen wlrd und der auf ein Leistungsdefizit hinweisende Schwellenwert auf der Grundlage einer Netzfrequenz-Netzspannungs-Kennlinie bestimmt wird, bei der zu sinkender Spannung größere Schwellenwerte gehören.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k c n n z e i c h -n e t , daJD die Verzögerungszeit in Abhängigkeit von der au(jenblicklichen Spannung des elektrischen Netzes derart gewalt wird7 daß zu geringeren Spannungswerten geringere Verzögerungszeiten gehören.
3. 3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der an das elektrische Netz über einen Spannungswandler ein zwischengeschalteter Spannungswandler angeschlossen ist, der mit einer den Frequenzabfall überwachenden Schalteinheit verbunden ist, und die Schaltungsanordnung ein Verzögerungselement enthält, dessen Anregungseingang unmittelbar oder über eine Steuer schaltung mit dem Ausgang der den Frequenzabfall überwachenden SChalteinheit verbunden ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine den Frequenzabfall überwachende Schalteinheit (2) mit spannungsabhängigem Schwellenwert vorgesehen ist und diese eine Spannungs-Frequenz-Kennlinie aufweist, bei der die Schwellenfrequenz mit sinkender Spannung ansteigt.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Spannungssignal-Eingang (31) des Verzögerungselementes (3) mit dem Ausgang des zwischengeschalteten Spannungswandlers (1) verbunden ist und die Verzögerungszeit des Verzögerungselementes (3) in der Weise spannungsabhängig ist, daß zu geringeren Spannungswerten geringere Verzögerungszeiten gehören.