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Verfahren zum Erzeugen einer Stellgrösse in Abhängigkeit von den Abweichungen von Frequenz und Leistung im Wechselstromnetz von ihren Sollwerten Beim Verbundbetrieb mehrerer Elektrizitätswerke in einem Stromversorgungsnetz stellt sich oft die Aufgabe, zwecks Steuerung der Leistung gewisser Turbinen eine Stellgrösse zu bilden, welche von der Netzfrequenz und von der an einem bestimmten Punkt im Netz gemessenen Leistung (z. B. einer übergabeleistung) abhängig ist. Dabei sind meist die Abweichungen dieser Grössen von bestimmten Sollwerten massgebend.
Je nach dem geforderten Betriebsverhalten des Netzes bestehen für den Zusammenhang zwischen der Stehgrösse und den genannten Abweichungen verschiedene Möglichkeiten, nämlich die sogenannte Leistungs-Frequenz-Regulierung , die Energie- Phasen-Regulierung und die Leistungs-Phasen-Re- gulierung . Eine Einrichtung zur Erzeugung einer Stellgrösse in Abhängigkeit von den Abweichungen von Frequenz und Leistung von ihren Sollwerten ist dann universell verwendbar, das heisst, sie gestattet eine Regelung nach irgendeiner der aufgezählten Möglichkeiten,
wenn die Stellgrösse proportional zum Ausdruck cl'df +cz.dp+c3- @ (cl -4f +c.,-dp)dt ist. Dabei bedeuten d f die Abweichung der Netzfrequenz von ihrem Sollwert, d p die Abweichung der Leistung von ihrem Sollwert und cl, c2, c. einstellbare Proportionalitätsfaktoren.
Es sind bereits Einrichtungen bekannt, welche diese Bedingungen erfüllen. Dabei erfolgt die Bestimmung der Abweichung der Netzfrequenz von ihrem Sollwert durch Vergleich der Netzfrequenz mit der Eigenfrequenz eines Schwingkreises. Die Messgenauig- keit ist daher wegen der beschränkten Stabilität der Bauelemente, insbesondere unter dem Einfluss wechselnder Temperaturen nicht sehr hoch. Die zu erwar- tenden Fehler betragen bei den für den praktischen Betrieb brauchbaren Einrichtungen mindestens einige Promille. Für die Bestimmung der Abweichung der Leistung von ihrem Sollwert sind verschiedene Verfahren bekannt. Es kann zum Beispiel der Messwert durch die Frequenz einer Hilfswechselspannung charakterisiert werden.
Liegt diese im Tonfrequenzbereich, so lässt sie sich durch leitungsgerichtete Hochfrequenz-Fernmeldung vom Messpunkt an die Reguliereinrichtung übertragen.
Es lässt sich nun zeigen, dass die beschränkte Genauigkeit bei der Bestimmung der Frequenzabwei- chung zu Unzukömmlichkeiten führen kann, wenn mehreren Elektrizitätswerken je eine Reguliereinrichtung zugeordnet ist, welche. ein und dieselbe übergabeleistung auf einem Sollwert halten sollen. Normalerweise wird dabei beabsichtigt, dass jedes der Werke proportional Anteil an Schwankungen der Übergabeleistung übernehmen soll.
Wenn nun aber die Frequenzmessung mit merklichem Fehler behaftet ist, besteht die Gefahr, dass nach kurzer Zeit beträchtliche Leistungsverschiebungen auftreten, wobei beispielsweise ein Werk unter Entlastung von andern Werken zuviel Leistung übernimmt. Wenn nun beispielsweise verlangt wird, dass die in einer Stunde auftretende Leistungsverschiebung nicht mehr als 5 0lo des eingestellten Sollwertes beträgt, wobei die Reguliereinrichtung so beschaffen sein möge, dass sie bei einer Frequenzabweichung von 1% die Turbinen- leistung um 2 "/o pro Sekunde erhöht, dann ergibt sich,
dass die Frequenzmessung mit einem Fehler von höchstens 0,007 0/Q0 geschehen muss. Für Leistungsmessung genügt die bei bekannten Reguliereinrichtungen realisierte Genauigkeit von beispielsweise 1 %; es muss aber gefordert werden, dass die Eigen- schaften der einzelnen Reguliereinrichtungen hinsieht-
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lieh der Auswertung der Leistungsmessung nicht voneinander abweichen.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein Verfahren zum Erzeugen einer Stellgrösse in Abhängigkeit von den Abweichungen von Frequenz und Leistung im Wechselstromnetz von ihren Sollwerten, nach welchen es möglich ist, erstens die geforderte Genauigkeit der Frequenzmessung zu erzielen und zweitens die geforderte Gleichartigkeit der Auswertung der Leistungsmessung bei allen in einem Netz arbeitenden Reguliereinrichtungen sicherzustellen.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass als Mass für die Leistung eine Hilfswechselspannung gewonnen wird, deren Frequenz für die Leistung charakteristisch ist, dass sowohl die Netzfrequenz wie auch die Frequenz der Hilfswechselspannung durch Zählung der Schwingungen während periodisch aufeinanderfolgender Zeitintervalle bestimmt werden, dass die Differenzen zwischen der Anzahl der in jedem Zeitintervall gezählten Schwingungen und Sollzahlen ermittelt werden, welche für die Sollwerte der Netzfrequenz und der Leistung charakteristisch sind, und dass die Stellgrösse in Abhängigkeit von diesen Differenzen gebildet wird.
Gemäss der Erfindung wird also erstens die bekannte Messung der Netzfrequenz nach dem Analo- gie-Prinzip (Vergleich der Netzfrequenz mit der Eigenfrequenz eines Schwingkreises) durch eine Zählung der Schwingungen während einer bestimmten Zeit ersetzt. Auf diese Weise lässt sich jede praktisch wünschbare Genauigkeit der Frequenzmessung erzielen. Diese Genauigkeit hängt von derjenigen des Zeit- normals und von der Anzahl der in dem zur Zählung benützten Zeitintervall eintreffenden Schwingungen ab.
Es wird zweitens durch die Anwendung der an sich bekannten Charakterisierung der Leistung mittels der Frequenz einer Hilfswechselspannung ermöglicht, dass auch bei der Auswertung der Leistungsmessung das Analogieprinzip verlassen und durch das Zählprinzip ersetzt werden kann. Es stimmen also auch die Eigenschaften der einzelnen Reguliereinrichtungen hinsichtlich der Auswertung der Leistungsmessung mit jeder praktisch wünschbaren Genauigkeit miteinander überein.
Da eine Zählung mit den hier in Frage kommenden elektrisch oder elektronisch arbeitenden Mitteln nicht Bruchteile einer Einheit erfassen kann, muss entweder die Länge des zur Zählung benützten Intervalls der geforderten Genauigkeit angepasst werden, oder es ist eine Vervielfachung der zu messenden Frequenz im Hinblick auf eine praktisch brauchbare Länge des Intervalls vorzunehmen. Im vorliegenden Fall sollte die Länge der Intervalle mit Vorteil wenige Sekunden nicht überschreiten, damit die Messung von Netzfrequenz und Leistung möglichst kontinuierlich erfolgt. Es ist also vorteilhaft, die Netzfrequenz zum Beispiel mit dem Faktor 1000 zu vervielfachen.
Beträgt dabei die Netzfrequenz 50 Hz und die Länge der Zeitintervalle für die Zählung der Schwingungen jeweils eine Sekunde, so ist, unter Voraussetzung eines fehlerlosen Zeitnormals eine Frequenzmessung mit einem Fehler von höchstens 0,02 '0o möglich. Ähnliche Überlegungen gelten für die Leistungsmessung. Auch hier ist im Interesse verhältnismässig kurzer Zeitintervalle eine Vervielfachung der Frequenz der Hilfswechselspannung vorteilhaft, derart, dass die Frequenz der zu zählenden Schwingungen in derselben Grössenordnung liegt wie die vervielfachte Netzfrequenz.
Für die Erzeugung der Stehgrösse sind nun die Grössen d f und .J p, das heisst die Abweichungen der Netzfrequenz bzw. der Leistung von ihren Sollwerten nach Betrag und Vorzeichen zu erfassen. Im Sinne der Erfindung geschieht dies durch Ermittlung der Differenzen zwischen der Anzahl der in jedem Zeitintervall gezählten Schwingungen und Sollzahlen, welche für die genannten Sollwerte charakteristisch sind. Dazu kann ein Register mit einem der Sollzahl entsprechenden Fassungsvermögen verwendet werden.
Unter Benützung der schematischen Fig. 1 sei anhand eines Beispiels beschrieben, wie ein solches Register zweckmässig verwendet werden kann. Dem Beispiel liegen Zahlwerte zugrunde, welche sich ergeben, wenn die Netzfrequenz f.,z von 50 Hz mit dem Faktor m - 1000 vervielfacht wird, und wenn die Länge des zur Zählung benützten Zeitintervalls eine Sekunde beträgt. Es ist aber nach dem weiter oben Gesagten ohne weiteres klar, dass nach demselben Verfahren auch der Vergleich der Frequenz der Hilfswechselspannung mit ihrem Sollwert geschehen kann.
Die Netzfrequenz f .,z wird im Vervielfacher V um den Faktor in vervielfacht. Die entstehende Schwingung mit der Sollfrequenz 50 000 Hz gelangt zum Register R. Dieses Register ist so eingerichtet, dass es 50 000 Einheiten zählen kann und dass es über die Leitung i einen Impuls abgibt, wenn diese Zahl erreicht ist.
Die aus den Teilen N und T bestehende Einrichtung ist so beschaffen, dass sie eine Sekunde nach Beginn der Zählung einen Impuls über die Leitung s abgibt. Es handelt sich bei N um eine mit der erforderlichen Genauigkeit arbeitende Normalfrequenzquelle, welche mit einem Kristall- oder Magneto- striktionsschwinger für beispielsweise 100 kHz versehen sein kann, und bei T um einen Frequenzteiler.
Entspricht die Netzfrequenz dem Sollwert, so treten gleichzeitig Impulse in den Leitungen i und s auf. Ist die Netzfrequenz zu tief, so trifft der Impuls in der Leitung s vor demjenigen der Leitung i ein und umgekehrt. Es wird nun ein Diskriminator D verwendet, welcher die Reihenfolge des Eintreffens der beiden Impulse feststellt und welche je nach dieser Reihenfolge eine der beiden Torschaltungen W + oder W- für eine Zeitdauer öffnet, welche gleich dem zeitlichen Abstand zwischen den beiden Impulsen ist. Das Vorzeichen der Grösse -ff wird also dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Torschaltung W + oder die Torschaltung W - geöffnet ist,
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und der Betrag der Grösse J f wird durch die Dauer charakterisiert, während welcher die betreffende Torschaltung geöffnet ist.
Beiden Torschaltungen wird nun über die Leitung z eine Folge von Impulsen mit einer Wiederholungsfrequenz von beispielsweise 50 kHz zugeführt. Diese Impulsfolge wird durch den Frequenzwandler K in starrer Relation aus der Normalfrequenz der Quelle N gewonnen. Während der Zeiten, in denen die Torschaltungen W + oder W - offen stehen, gelangen die Impulse in die Leitungen z + bzw. z-. Die Anzahl der in einer dieser Leitungen auftretenden Impulse ist also ein Mass für den Betrag der Grösse J f.
Durch in der Figur nicht angedeutete Massnahmen wird erreicht, dass periodisch, z. B. alle zwei Sekunden, derartige Frequenzmessungen stattfinden.
Der eingangs erwähnte Proportionalitätsfaktor cl kann auf einfache Weise berücksichtigt werden, indem der Frequenzwandler K so ausgebildet wird, dass das Frequenzverhältnis einstellbar ist. Es ist leicht ersichtlich, dass dieses Verhältnis als Proportionalitäts- faktor in die Wiederholungsfrequenz der Impulsfolge und damit in die Anzahl der auf einer der Leitungen z + und z- auftretenden Impulse eingeht.
Es kann in gewissen Fällen vorkommen, dass zeitweise der Sollwert der Netzfrequenz um geringe Beträge verändert werden muss. In Anbetracht der besonderen Eigenschaften der in der Normalfrequenz- quelle N verwendeten hochkonstanten Schwinger ist es nicht angängig, in diesen Fällen die Frequenz der Quelle N um einen proportionalen Betrag zu verändern. Ein zweckmässiges Verfahren zum Arbeiten mit verschiedenen Netzfrequenzen besteht aber darin, das Fassungsvermögen des Registers R einstellbar zu gestalten. Soll beispielsweise der Sollwert der Netzfrequenz 49,8 Hz betragen, so wird das Fassungsvermögen des Registers auf 49 800 Einheiten eingestellt. Es treten dann Impulse in der Leitung z + oder in der Leitung z- auf, je nachdem, ob die Netzfrequenz grösser oder kleiner als 49,8 Hz ist.
Nach demselben Verfahren lässt sich auch J p nach Betrag und Vorzeichen bestimmen. Dem Ver- vielfacher V ist dabei die Hilfswechselspannung zuzuführen, deren Frequenz für die Leistung charakteristisch ist. Die Einstellbarkeit des Fassungsvermögens des Registers R ermöglicht dabei die Charakterisierung des Sollwertes der Leistung.
Es sei nun noch unter Benützung der Fig. 2 anhand eines Beispiels erläutert, wie in Abhängigkeit von den Differenzen , f und J p die Stehgrösse gebildet werden kann. Zur Verfügung stehen nach dem weiter oben Gesagten die in periodischen Zeitabständen eintreffenden Impulsgruppen, welche mit den Leitungen z + oder z- beziehungsweise y + oder y- auftreten, je nachdem, ob die Netzfrequenz be- ziehunsgweise die Leistung höher oder niedriger als der betreffende Sollwert ist. Die Anzahl der Impulse jeder Gruppe ist dabei ein Mass für den Betrag der im Zeitpunkt der Messung herrschenden Abweichung.
Nach der eingangs aufgestellten Forderung an eine universell verwendbare Einrichtung ist die Summe aus den Summanden cl - A t, c2 d p -und c.. J (cl - d f + c2 d p) dt zu bilden. Demgemäss werden in Teilen Sf und Sf" welche Impulsformer, Verstärker und Tiefpassfilter enthalten können, Gleichströme gebildet, deren Grö- ssen proportional sind zur Anzahl der den Teilen pro Zählintervall zugeführten Impulse und deren Polarität davon abhängt, ob die Impulse in den Leitungen z + bzw. y + oder in den Leitungen z- bzw.
y- auftreten. Diese Gleichströme werden als die beiden ersten Summanden der Stellgrösse an den Punkt C geführt, wobei die als Widerstände Wf und W1, dargestellten Regler vorgesehen sind, mit welchen die gewünschten Proportionalitätsfaktoren eingestellt werden können.
Es wäre nun naheliegend, den dritten Summanden durch getrennte Integration der Grössen cl - d f und c2 - J p zu bilden. Die Durchführung dieser Massnahme würde jedoch einen grossen technischen Aufwand bedingen, weil es oft vorkommen wird, dass die Grössen während sehr langer Zeit von Null abweichen. Die Integrale würden dann sehr hohe Werte annehmen. Da sie durch Impulszählung ermittelt werden, müsste ein Zähler von entsprechend grossem Fassunsgvermögen vorgesehen sein. Nun weisen aber bei dem gebräuchlichen Regulierverfahren die Grösse d f und d p stets entgegengesetzte Vorzeichen auf.
Der genannte Nachteil kann daher vermieden werden, wenn eine Zähleinrichtung verwendet wird, welche sowohl vorwärts wie auch rückwärts zu laufen vermag, wobei sie durch die Impulse aus den Leitungen z + und y + vorwärts, durch die Impulse aus den Leitungen z- und y- aber rückwärts geschaltet wird. Durch diese Verwendung eines gemeinsamen Integrators wird es also möglich, sein Fassungsvermögen verhältnismässig klein zu halten. Eine gegenseitige Störung der vorwärts- und der rückwärtsschal- tenden Impulse kann vermieden werden, indem die die Netzfrequenz betreffenden Zählungen nicht gleichzeitig mit den die Leistung betreffenden Zählungen vorgenommen werden, sondern indem die beiden Zählungen abwechslungsweise stattfinden.
Zur Bildung des dritten Summanden wird daher ein zur gemeinsamen Integration von d f und d p nach der Zeit geeigneter Integrator Z mit den beschriebenen Eigenschaften verwendet. Er erzeugt einen Gleichstrom, welcher dem Integral proportional ist. Dieser Gleichstrom gelangt über den Regler Wi, welcher entsprechend dem gewünschten Proportio- nalitätsfaktor c3 eingestellt werden kann, ebenfalls an den Punkt C.
Am Punkt C kann also ein Gleichstrom entnommen werden, welcher, gegebenenfalls nach Verstärkung, als Stellgrösse zur Steuerung der Turbinenleistung geeignet ist.
Das notwendige Fassungsvermögen des zur gemeinsamen Integrierung verwendeten Zählers kann
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noch weiter vermindert werden, wenn die Impulse, welche den Zähler vorwärts bzw. rückwärts zu schalten haben, zunächst je einem Untersetzer zugeführt werden, welcher die Anzahl der zu zählenden Impulse auf einen konstanten Bruchteil, beispielsweise auf 1/1s, der Zahl der ankommenden Impulse verringert.
Diese Massnahme rechtfertigt sich aus folgendem Grunde: Ein Integrator mit einem für den Gebrauch ohne Untersetzer zweckmässigen Fassungsvermögen von beispielsweise 100 000 Einheiten würde eine Stehgrösse liefern, die sich in Stufen von je einem Hunderttausendstel ihres Maximalwertes verändert. Eine derartige feinstufige Struktur der Stellgrösse ist aber praktisch gar nicht auswertbar und daher nicht notwendig. Die genannte Massnahme beeinflusst nicht die Genauigkeit der Integration, denn bei der Untersetzung bleibt kein einziger der ankommenden Impulse unberücksichtigt.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht es, alle in der Praxis wünschbaren Reguliergesetze für die Bildung der Stellgrösse zu realisieren, wobei die erreichbare Genauigkeit diejenige der bekannten Verfahren wesentlich übertrifft und wobei vor allem die Integration fehlerlos erfolgt.
Eine nach diesem Verfahren arbeitende Einrichtung lässt sich beispielsweise durch Verwendung von Ferritkörpern mit geeigneten magnetischen Eigenschaften (sogenannte memory cores ) für die Register, Kaltkathoden-Gasentladungsröhren für den In- tegrator sowie durch möglichst weitgehende Verwendung von Transistoren und Kristalldioden so aufbauen, dass sie nur sehr wenige der Abnützung unterworfene Teile (wie Elektronenröhren und mechanisch bewegliche Organe) aufweist. Sie entspricht damit den Wünschen, welche hinsichtlich Lebensdauer und Wartungsfreiheit beim Betrieb in Elektrizitätswerken an derartige Einrichtungen gestellt werden.