Исследование и разработка многоканального анализатора качества электроэнергии повышенной точности

На современном этапе технологического развития общества качеству электроэнергии придается огромное значение. Электроэнергия используется для создания практически всех видов продукции, а ее качество оказывает существенное влияние на экономические показатели производства и качество выпускаемых изделий.

Показатели и нормы качества электроэнергии (КЭ) в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц установлены Государственным стандартом ГОСТ 13 109–97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Измерение показателей качества электроэнергии (ГЖЭ) осуществляется устройствами, получившими название анализаторов качества электроэнергии (АКЭ). Эти устройства не только измеряют параметры потребляемой электроэнергии, на основании которых делаются выводы об эффективности её использования, но и являются одними из основных инструментов энергетического менеджмента и аудита.

Используемые на практике АКЭ существенно различаются как по набору измеряемых параметров, так и по частоте их регистрации.

Простейшие анализаторы измеряют количественные параметры — ток, напряжение, мощность, энергию, частоту и мало отличаются от многофункциональных тестеров.

По мере роста класса устройств в список измеряемых параметров добавляются характеристики КЭ, причем анализаторы высокого класса являются сложными и дорогостоящими приборами.

Как правило, для большинства из существующих устройств (даже высокого класса) анализ зарегистрированных значений ПКЭ проводится в режиме off-line, что очень часто является совершенно недостаточным. На современном этапе развития техники и технологий требуются устройства, умеющие производить анализ ПКЭ в режиме реального времени, обладающие значительным объемом памяти, большой точностью и высокой скоростью. Работа над созданием таких устройств активно ведется как в нашей стране, так и за рубежом.

Все это свидетельствует о том, что диссертационная работа является весьма актуальной.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ГОУ ВПО «МГУС» по теме ГБ ФИИС 01.05 — «Исследование и разработка аппаратуры для диагностики качества электроэнергии», ГРНТИ 45.53.00, РК-0120.0 509 261.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка многоканального анализатора качества электроэнергии повышенной точности, основанного на современной микроэлектронной элементной базе, а также алгоритмов цифровой обработки измерительных данных в, режиме реального времени.

В соответствии с этим были поставлены и решены следующие основные задачи работы:

4.5 Выводы.

1. В состав разработанного и созданного многоканального анализатора качества электроэнергии повышенной точности входят следующие структурные элементы:

• блок преобразования входящих сигналов;

• микроконтроллер;

• блок автономного питания;

• дополнительная FLASH-память;

• блок цифровой фильтрации;

• гальваническая развязка;

• внешние интерфейсы.

2. Преобразование входящих сигналов осуществляется с помощью прецизионных делителей напряжения 1776-С67 компании CADDOCK Electronics.

3. В качестве микроконтроллера используется микросхема ADuC841 фирмы ANALOG DEVICES, ориентированная на применение в прецизионных системах съема информации.

4. Гальваническая развязка электрических цепей осуществляется по цифровым линиям.

5. Для подключения оборудования к компьютеру используются интерфейс RS232.

6. В анализаторе реализован рекуррентный алгоритм фильтрации измерительных данных, разработанный во второй главе диссертации.

7. Анализатор обладает возможностью измерения всех показателей качества электроэнергии, требуемых ГОСТом 13 109−97:

6Uy, 8Ut, Ки, Кщп) для п — 2,3,., 51, тт, Кпт, А /, А?, (7, j^C •.

2с/' ои7 •> 1 п имп' пер (У.

8. Анализатор обладает возможностью измерения вспомогательных параметров электроэнергии.

FdU, At.. 5С/, F, At Л, Д t • t 9 г,* + 1' п" п" имп0,5' пер С/'.

9. Анализатор обладает возможностью проведения непрерывного (до нескольких месяцев и более) мониторинга параметров электрической сети.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации решена важная научно-техническая задача, состоящая в исследовании и разработке многоканального анализатора качества электроэнергии повышенной точности, основанного на современной микроэлектронной элементной базе, а также алгоритмов цифровой обработки измерительных данных в режиме реального времени.

При этом получены следующие основные результаты:

1. Осуществлен сравнительный анализ электротехнических характеристик и функциональных возможностей наиболее распространенного в России оборудования для диагностики качества электроэнергии. Показано, что электротехнические характеристики и функциональные возможности обследованного оборудования не позволяют измерять все показатели качества электрической энергии, требуемые ГОСТом 13 109−97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

2. Рассмотрены и проанализированы причины ухудшения качества электроэнергии. Показано, что процесс производства, транспортировки, распределения и потребления электрической энергии существенно влияет на качество электроэнергии. Показано, что в результате ухудшения качества электроэнергии: сокращается срок службы электрооборудованиявозникают дополнительные материальные и финансовые потерипроисходит разрушение рабочих проводников, изоляции и сокращается срок их службыухудшаются технические характеристики электрооборудованияпроисходит необоснованное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей, возникают помехи в сетях телекоммуникаций.

3. Осуществлен синтез рекуррентного алгоритма цифровой фильтрации измерительных данных на основе разработанного для анализа качества электроэнергии варианта алгоритма фильтрации Калмана-Бьюси. Показано, что последовательность отфильтрованных данных, полученная в результате работы алгоритма цифровой фильтрации измерительных данных, отражает процесс, наблюдаемый в электрической сети, значительно точнее. Доказано, что разработанный алгоритм цифровой фильтрации является сходящимся. Разработана структурная схема аппаратной реализации алгоритма цифровой фильтрации измерительных данных.

4. Разработана и реализована методика расчета показателей качества электроэнергии в режиме реального времени, использующая алгоритм интерполяции функций квадратичными сплайнами и алгоритм быстрого преобразования Фурье.

5. Осуществлена реализация в режиме реального времени расчетных схем и формул, регламентированных ГОСТом 13 109−97: расчет отклонений напряжениярасчет колебаний напряжениярасчет коэффициентов искажения синусоидальности напряжениярасчет коэффициентов несимметрии напряженийрасчет отклонений частотырасчет провалов напряжениярасчет импульсов напряжениярасчет коэффициентов временного перенапряжения. Расчет осуществляется, как для основной гармонической составляющей, так и для высших частотных составляющих.

6. Создан действующий образец многоканального анализатора качества электроэнергии повышенной точности. Полученные результаты тестовых измерений показывают, что разработанный и реализованный рекуррентный алгоритм фильтрации измерительных данных не только существенно повышает точность измерений, но и значительно сокращает время выхода процесса измерений к исследуемому значению показателя качества электроэнергии.

7. Показано, что разработанный анализатор качества электроэнергии обладает не только более высокими характеристиками по точности измеряемых параметров, но и более широкими функциональными возможностями, по сравнению с АКЭ, существующими на отечественном рынке. Основное содержание диссертации опубликовано в работах: [47], [48], [60], [61], [62], [63], [71], [72], [74], [78], [98].