Измерение несимметрии напряжений в трехфазных электрических сетях

В настоящее время все более пристальное внимание уделяется проблеме электромагнитной совместимости (ЭМС) в электроэнергетических системах, которая трактуется как комплексная организационно-техническая задача обеспечения качества электроэнергии в электрических сетях общего назначения [35, 91, 103.106]. В действующих международных и национальных стандартах [2.4, 11, 40.64] уровни электромагнитной совместимости регламентируют значения кондуктивных электромагнитных помех для координации требований по допустимым уровням помех, вносимым техническими средствами электроснабжающей организации и потребителями электрической энергии, и уровням помех, воспринимаемым чувствительными к воздействию помех техническими средствами (с целью обеспечения их нормального функционирования). Кондуктивные помехи проявляются в виде отклонений кривой напряжения сети от синусоидальной, несимметрии напряжений в трехфазных сетях и т. п. [3 6] и измеряются непосредственно в точках общего присоединения .

В связи с переходом России на рыночные отношения требования к средствам учета и передачи электроэнергии ужесточились. Электроэнергия становится важнейшим товаром во внутренних и межгосударственных экономических отношениях. Поэтому в решении проблемы стандартизации в области электромагнитной совместимости принимают участие как международные организации: ИСОМеждународная организация по стандартизации (1г^егпаtional Organization for Standardization — ISO) — МЭКМеждународная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission — IEC) — международные групповые объединения: CEN — Европейский комитет по стандартизацииCENELEC — Европейский комитет по стандартизации в области электротехникипрофессиональные организации: IEEE — Институт инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers — IEEE) — IEA — Ассоциация электронной промышленности (США), так и национальные органы по стандартизации: ANSI (США), JISC (Япония), AFNOR (Франция), BSI (Великобритания), DIN (ФРГ), Госстандарт (Россия) и др.

Указанные проблемы решаются совместными усилиями таких субъектов как: энергоснабжающие организации, потребители — виновники в ухудшении качества энергии и потребители, применяющие устройства и системы, чувствительные к отклонениям от нормированных показателей качества энергии. Эффективное решение задач по обеспечению качества электроэнергии позволяет в комплексе упростить и смягчить технические и, в конечном итоге, юридические противоречия между субъектами. В соответствии с Федеральным Законом № 18 4-ФЗ все расчеты за электроэнергию входят в сферу государственного метрологического контроля и надзора.

Энергосбытовые организации заинтересованы как в более точном учете и контроле качества электроэнергии, так и в оперативной и достоверной информации о ее потреблении, что обуславливает потребность в современных высокоточных способах и средствах измерений.

СИ) параметров электроэнергии, определяющих ее качество .

В настоящей диссертационной работе основное внимание уделяется вопросам совершенствования систем для измерения и контроля показателей качества электроэнергии в трехфазных сетях, которые по современной концепции представляют собой важные подсистемы автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) и автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ).

Состояние проблемы обуславливается двумя обстоятельствами: во-первых, электрическая энергия является одним из основных современных и перспективных энергоносителей, и, во-вторых, в соответствии со статьей 7 Закона Российской Федерации от 13 августа 1997 г. № 1013 утвержден «Перечень товаров, подлежащих обязательной сертификации», в который занесена и электрическая энергия. Таким образом, «качество», как важный параметр торговой продукции, стал для электроэнергии определяющим, поскольку круг потребителей данного товара очень широк: от физических лиц до крупнейших промышленных предприятий и целых отраслей. От качества электроэнергии зависит жизнь и здоровье потребителей, функционирование высококачественного офисного, медицинского, измерительного, производственного оборудования .

Выход показателей качества электроэнергии (ПКЭ) за допустимые пределы приводит к нарушению работоспособности оборудования и отключению ответственных нагрузок, что приводит к материальному и моральному ущербу. В других случаях выход ПКЭ за пределы нарушает экономичные оптимальные режимы работы оборудования, что приводит к увеличению потребления электроэнергии и является скрытым повышением стоимости электроэнергии .

За нарушение ПКЭ введена ответственность в виде штрафных санкций в объеме до 25% от тарифа на электроэнергию как к некачественному товару, нанесшему ущерб потребителюможно выставить требования о материальном и моральном возмещении.

Отсутствие действенного контроля за значениями ПКЭ не дает возможности пострадавшим потребителям получить материальную компенсацию от энергоснабжающей организации, транспортирующей и продающей произведенную электроэнергию.

Статьи 542 и 543 (часть вторая) Гражданского Кодекса Российской Федерации возлагают ответственность за поддержание качества электроэнергии как на энерго-снабжающие организации, так и на потребителя электроэнергии. С одной стороны, качество электроэнергии, подаваемой энергоснабжающей организацией, должно соответствовать требованиям, установленным государственными стандартами и иными обязательными правилами, предусмотренным договором энергоснабжения. С другой стороны, потребитель обязан обеспечивать надлежащее техническое состояние эксплуатируемых электрических сетей, приборов и оборудования для обеспечения ЭМС с сетями внешнего электроснабжения.

Требования к качеству электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения регламентируются ГОСТ 13 109–97 [36], среди которых можно выделить следующие основные показатели качества:

1. установившееся отклонение напряжения;

2. размах изменения напряжения;

3. доза фликера;

4. длительность провала напряжения;

5. коэффициент искажения синусоидальности;

6. коэффициент п-ой гармонической составляющей;

7. коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;

8. коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности;

9. импульсное напряжение;

10. коэффициент временного перенапряжения;

11. отклонение частоты.

При этом обязательной сертификации подлежат только шесть ПКЭ — 1,5,6,7,8,11. Однако по «Временному порядку сертификации электрической энергии» в настоящее время сертификация электроэнергии ведется по двум параметрам: провалам напряжения и частоте. Это объясняется отсутствием средств (СИ) измерения ПКЭ, которые обеспечивали бы требуемые точности измерения [3 6] при простоте использования, наладки и эксплуатации. Имеющиеся же СИ очень дороги, неудобны в транспортировке и поэтому не нашли широкого применения на практике .

В связи с этим не снимается актуальность вопроса построения приборов для измерения и контроля других ПКЭ и, в частности, для измерения таких важных показателей, как коэффициент несимметрии напряжений обратной последовательности и коэффициент несимметрии напряжений нулевой последовательности, которые специфичны для трехфазных электроэнергетических сетей (ЭЭС). Важность измерения и контроля указанных параметров обуславливается широким применением трехфазных ЭЭС для транспортировки электроэнергии из-за их известных достоинств.

По пути построения приборов контроля всех показателей качества электроэнергии, которые предусматриваются ГОСТом, идут практически все разработчики и производители соответствующей аппаратуры: ООО «ВиФТесТ», ОАО «ВНИИЭ», ООО «НПФ «Солис-С», «АББ ВЭИ Метроника» (Москва) — НПП «Энерготехника» (Пенза) — НПП «Марс-Энерго», ООО «Парма» (Санкт-Петербург) — ОАО «Концерн Энергомера» (Ставрополь), Hioki (Япония), НТ Italia (Италия) и др. Вместе с тем, стремление к универсальности пока что, на наш взгляд, является сдерживающим фактором широкого распространения и внедрения так необходимых приборов контроля ПКЭ.

Основание для проведения работы. Работа выполнена в соответствии с планами проведения и реализации инициативных х/д НИР Пензенского государственного университета и Пензенского регионального центра высшей школы (ПРЦВШ) (филиала) Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства (РГУИТП) по заказам предприятий РАО энергетики и электрификации «ЕЭС России» в рамках федеральной целевой программы «Энергосберегающая электротехника» (Постановление Правительства РФ №.341 от 23.03.1996 г.), а также в рамках основных направлений программы «Энергосбережение» Минобразования России до 2005 г.

Актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, диктуется следующими обстоятельствами.

Во-первых, в настоящее время существует настоятельная потребность рынка в средствах сертификации качества электрической энергии в трехфазных ЭЭС как товара по показателям, характеризующим несимметрию напряжений.

Во-вторых, в известных средствах измерений показателей качества трехфазных сетей имеются возможности по их совершенствованию и обеспечению более эффективного измерения требуемых ГОСТом показателей.

В-третьих, при решении проблем электромагнитной совместимости и оценке показателей качества электроэнергии существует целый ряд нерешенных или не нашедших удовлетворительного решения задач измерения коэффициентов несимметрии по математическому, алгоритмическому и программному обеспечению, к решению которых до сих пор не приступали из-за ограничений соответствующего алгоритмического и аппаратного обеспечения.

Предмет исследований.

1. Методы построения приборов и систем для измерения коэффициентов несимметрии на базе персональных компьютеров.

2. Алгоритмы преобразования и математические модели влияния методических и инструментальных погрешностей измерения на результат измерения показателей несимметрии в трехфазных электрических сетях (ЭС).

3. Оценки эффективности методов и алгоритмов обработки информации в средствах измерения электроэнергетических параметров и параметров, характеризующих несимметрию трехфазных систем передачи сетевого напряжения .

Методы исследований включают в себя: методы математического анализа, методы линейной алгебры, методы теории графов, численные методы математики и цифровой фильтрации, методы статистического имитационного моделирования на ЭВМ и методы теории планирования экспериментов и обработки данных. Соответствующие теоретические исследования проводились с использованием сред программирования MathCAD, Simulink и Power System Blockset.

Цель работы — разработка способов и алгоритмов измерения коэффициентов несимметрии трехфазных ЭС по фазовым сдвигам между фазными и междуфазными напряжениями, упрощающих проектирование и построение приборов и систем мониторингового контроля показателей качества электроэнергии.

В соответствии с этим решаются следующие основные задачи: исследование по источникам научно-технической информации информационных аспектов и анализ состояния математического, алгоритмического, программного и аппаратного обеспечения приборов и систем для контроля и измерения параметров несинусоидальности сетевого напряженияразработка новых способов и алгоритмов определения несимметрии трехфазных ЭЭСразработка схем измеренияисследование компонент измерительных приборов и систем для мониторингового контроля несимметрии напряжений в трехфазных ЭЭС;

— исследование погрешностей СИ различных типов, синтез математических моделей и разработка алгоритмов обработки измерительной информации, снижающих влияние инструментальных погрешностей;

— исследование эффективности алгоритмов измерения показателей несимметрии трехфазного сетевого напряжения путем статистического имитационного моделирования на ЭВМапробация разработанных методик анализа, рекомендаций и алгоритмов обработки информации и доведение их до практического применения при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ и в учебном процессе.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— обоснована возможность измерения ПКЭ в трехфазных сетях с помощью косвенных измерений, использующих, как минимум, отношения действующих значений напряжений и не требующих определения действующих значений фазных и междуфазных напряжений;

— разработаны новые способы измерения несимметрии напряжений в трехфазных сетях, основанные на прямых измерениях фазовых сдвигов фазных и междуфазных напряжений- - обоснована перспективность применения алгоритмов, основанных на измерениях фазовых сдвигов, существенно упрощающих реализацию СИ ПКЭ при допустимых согласно ГОСТ значениях погрешностей измерений и решающих проблему гальванической развязки измерительных цепей, поскольку требуют выделять только нули функций, описывающих трехфазные напряжения;

— предложены имитационные модели разработанных алгоритмов измерения и исследовано влияние методических погрешностейподтверждена адекватность моделей результатами имитационного статистического моделирования на ЭВМ;

— разработана обобщенная структурная схема СИ для измерения показателей качества электроэнергии в трехфазных электроэнергетических сетяхпредложен и исследован способ реализации СИ на базе универсального модуля иБВЗООО.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Обоснование структурной схемы системы для мониторингового контроля показателей качества электроэнергии в трехфазных сетях на базе ПЭВМ.

2. Способы измерения несимметрии трехфазных ЭЭС на основе отношений действующих значений и фазовых сдвигов фазных и междуфазных напряжений.

3. Алгоритмы оценки коэффициентов несимметрии напряжений в трехфазных сетях по обратной и нулевой последовательностям и методики имитационного статистического моделирования на ЭВМ.

4. Решение задач анализа влияния методических погрешностей измерений и синтеза математических моделей, учитывающих влияние инструментальных погрешностей .

5. Измерительные приборы и устройства контроля параметров несимметрии трехфазных сетей и методы расчета ожидаемых погрешностей измерения на основе имитационного статистического моделирования.

Практическое значение результатов работы заключается в разработке способов, алгоритмов и функциональных схем СИ несимметрии трехфазных напряжений, а также Ма^САЭ-программ имитационного статистического моделирования алгоритмов обработки информации и исследования погрешностей. Представленные в работе результаты информационного поиска, а также методики и программы позволяют решать практически весь комплекс задач по проектированию аппаратной части и алгоритмов приборов и систем на базе ПЭВМ для измерения и контроля показателей качества электроэнергии в трехфазных сетях.

Реализация и внедрение. Диссертация представляет собой обобщение хоздоговорных научно-исследовательских работ, в выполнении которых автор принимал участие в Пензенском госуниверситете и в Пензенском филиале Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства. В данных НИР решались методологические и технические вопросы проектирования приборов и систем на базе персональных компьютеров для измерения и контроля показателей качества электроэнергии по коэффициентам несимметрии трехфазных сетей.

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в виде методик и программ в подразделениях ЗАО «Энергосервис», ООО «Вирон», ООО «ДИО», ООО «Вектор», ООО НПП «Энерготехника», ОАО «Пензаэнерго», макетного образца измерителя, используемого для текущего и оперативного контроля напряжения в передвижных электролабораториях ППУ-3 ЗАО «Горэлектросеть». Разработанные методы исследования ЭЭС также используются на кафедрах Пензенского госуниверситета и подразделениях ПРЦВШ (филиала) РГУИТП при выполнении хоздоговорных НИР и в учебном процессе.

Результаты внедрения подтверждены соответствующими документами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных симпозиумах «Надежность и качество», г. Пенза, 2006;2007 гг., на международных симпозиумах «Новые технологии в образовании, науке и экономике», Тенерифе (Испания), 2007, Порторож (Словения), 2007, а также на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского госуниверситета и Пензенского филиала РГУИТП.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе: 8 статей, 2 тезисов докладов [22. .31] .

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и приложения. Основной текст изложен на 14 4 листах. Библиография -114 наименований.

Выводы по 4-й главе.

1. Получены оценки требований к средствам измерений несимметрии посредством действующих значений междуфазных напряженийпоказано, что в этом случае требуемый размер погрешности измерения ДЗН в задачах оценки значений несимметрии напряжений в трехфазных сетях должен быть не более 0.025%.

2. Получены аналитические оценки требований к средствам измерений несимметрии посредством сдвигов фаз между исследуемыми междуфазными и фазными напряжениямиопределены требования к допустимому размеру абсолютной погрешности измерения фазовых сдвиговпоказано, что значение абсолютной погрешности измерения з фазовых сдвигов не должно превышать 7*10 рад, что соответствует частоте опорных импульсов фазометра порядка 5 0 кГцобоснованы требования к параметрам функциональных схем блоков измерительных систем.

3. Разработана методика исследования разработанных средств измерения несимметрии трехфазных электрических сетей посредством имитационного моделирования на ЭВМразработан и исследован ряд программ моделирования, реализованных средствами пакетов MATLAB и MathCAD.

Заключение

.

В соответствии с целями и задачами диссертационной работы были получены следующие основные результаты.

1.Показано, что, согласно требований ГОСТ, при оценке коэффициентов несимметрии в трехфазных электрических сетях реализуются косвенные способы измерений и, следовательно, не требуется реализация абсолютных измерений с точностью до меры действующего значения напряжениявсе множество способов оценки значений коэффициентов несимметрии по виду промежуточных измеряемых физических величин можно разделить на три группы: 1) способы с измерением действующих значении фазных и междуфазных напряжений- 2) логометрические способы, предусматривающие измерения отношений действующих значений междуфазовых напряжений и 3) способы, предусматривающие прямые измерения фазовых сдвигов между междуфазными и фазными напряжениями.

2.Предложены новые способы и алгоритмы измерения коэффициентов несимметрии по обратной последовательности и по нулевой последовательности напряжений в трехфазных электрических сетях, основанные на прямых измерениях фазовых сдвигов междуфазных и фазных напряжений;

3.Показано, что применение прямых измерений фазовых сдвигов при оценке несимметрии существенно упрощает реализацию измерителя при допустимых согласно ГОСТ значениях погрешностейсущественно упрощается решение проблемы гальванической развязки, что весьма актуально при измерениях в высоковольтных сетях электроснабжения, т.к. не требуются громоздкие и имеющие невысокую точность высоковольтные трансформаторы, а достаточно выделить моменты перехода напряжений через ноль.

4.Разработана обобщенная структурная схема измерителя показателей качества электроэнергии по несимметрии в трехфазных электрических системах на базе универсального модуля иэвЗОООопределены требования к основным элементам измерительного прибора.

5.Разработаны имитационные модели алгоритмов измерения коэффициента несимметрии с использованием средств пакетов Ма^САБ и МАТЬАВ и проведено исследование методических и случайных погрешностей измерений для различных способовосуществлена идентификация законов распределения методических погрешностей измеренияустановлено, что случайные погрешности характеризуются сложными законами распределения, проведена оценка максимальных значений случайных погрешностей.

6.Показано, что для обеспечения требуемой по ГОСТУ точности оценки коэффициентов несимметрии погрешность измерения ДЗН междуфазных и фазных напряжений должна быть не более 0.025%, а при оценке коэффициентов несимметрии посредством сдвигов фаз погрешность измерения фазовых сдвигов не должна превышать 7*10~3 рад, что соответствует частоте заполнения импульсов фазометра всего 50 кГЦ.

7.Результаты диссертационной работы получены в ходе выполнения х/д НИР Пензенского государственного университета и Пензенского филиала Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства и нашли внедрение в виде использования методик обработки информации и программ для решения комплекса задач по проектированию аппаратной части и алгоритмов виртуальных приборов и систем для измерения и контроля показателей качества электроэнергии в трехфазных сетях на ряде предприятий города Пензанаучные результаты диссертации нашли применение в учебном процессе Пензенского государственного университета .