способ автоматизированного активного контроля показателей качества электрической энергии

Формула изобретения

Способ автоматизированного активного контроля показателей качества электрической энергии, включающий оценку показателей качества электрической энергии в узле электроэнергетической системы, при этом исходными данными является аналоговый вид сигналов основных характеристик электрической энергии, который преобразуют в аналого-цифровом преобразователе в дискретный вид сигналов, выясняют уровень несинусоидальности этих сигналов, проверяют соответствие этого уровня нормативным значениям, получают сведения, необходимые для определения остальных показателей качества электроэнергии, количественно оценивают остальные показатели качества электроэнергии, выясняют степень соответствия этих показателей соответствующим нормативным значениям, отличающийся тем, что показатели качества электрической энергии обеспечивают оценку не только напряжения и частоты, но и тока, при нарушении нормативных величин того или иного показателя качества электрической энергии формируют сигнал управления соответствующими корректирующими устройствами и прогнозируют ожидаемые после действия этих устройств характеристики электрической энергии, а затем на основании анализа спрогнозированных характеристик заново оценивают показатели качества электрической энергии и при необходимости формируют сигналы управления соответствующими корректирующими устройствами, после доведения показателей качества электрической энергии в одном узле электроэнергетической системы цикл операций повторяют для следующего узла электроэнергетической системы, после контроля узлов электроэнергетической системы определяют критерии ее работы для решения задач поддержания статической и динамической устойчивости электроэнергетической системы, надежности электропотребления, обеспечения оптимальной загрузки электротехнического оборудования, обеспечения оптимального коэффициента мощности, обеспечивают оценивание и активное воздействие на эти критерии работы электроэнергетической системы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в процессе эксплуатации современных электроэнергетических систем, которые отличаются электрической энергией, имеющей тенденцию к понижению своего качества.

Согласно требованиям действующего ныне межгосударственного стандарта ГОСТ 13109-97 “Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения” установлены для пользования следующие показатели качества электрической энергии:

- установившееся отклонение напряжения;

- размах изменения напряжения (величина резкого скачка напряжения в зоне ±10% номинального напряжения);

- доза фликера (накопление воздействия резких скачков напряжения с размахами, произошедших в течение установленного в стандарте интервала времени);

- длительность провала напряжения (кратковременной посадки напряжения за уровень -10%);

- коэффициент искажения синусоидальности напряжения;

- коэффициент -той гармонической составляющей напряжения;

- коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;

- коэффициент несимметрии по нулевой последовательности;

- импульсное напряжение;

- коэффициент временного перенапряжения;

- отклонение частоты.

Этим стандартом оцениваются лишь две характеристики электрической энергии - напряжение и частота. Для объективной оценки качества электрической энергии этого явно недостаточно. В ряде случаев необходима подобная оценка тока. Действительно, при удовлетворительных величинах стандартных показателей качества электрической энергии, но при увеличении численных значений подобных же показателей относительно тока нельзя заявлять о высоком качестве этой энергии.

Известны методы автоматизированного контроля показателей качества электрической энергии. Создан целый парк средств такого контроля. Это измерительно-вычислительные комплексы “Качество”, “Эрис-КЭ.01”, “Ресурс-UF”, “Парма РК-605”, “Омск” и другие. Их описанию посвящено множество публикаций. Например, [1]. Но это методы лишь пассивного контроля. А этот вид контроля, как известно, предполагает лишь регистрацию этих показателей качества, оценивание их соответствия своим нормативным величинам и никак не предусматривает их улучшения.

Разработка способов и средств активного воздействия на качество электрической энергии оказалась выделенной в отдельную задачу, которая в настоящее время достаточно успешно решается, но для каждого показателя этого качества отдельно.

Но ведь уже замечено и это подтверждается простейшими логическими заключениями, что изменение какого-либо одного показателя качества электрической энергии неизменно ведет к изменению ряда остальных показателей. И действительно: изменение спектрального состава напряжения и тока (изменение уровня несинусоидальности соответствующих кривых) неизменно приведет к изменению уровня несимметрии этих же характеристик электрической энергии, если речь идет о многофазных системах; к изменению уровня колебаний напряжения, если речь идет о кратковременных изменениях напряжения и тока; к отклонению частоты, напряжения и тока, если речь идет о существенных изменениях спектрального состава упомянутых характеристик, и так далее. Подобные факты можно распространить практически на все показатели качества электрической энергии. Это означает, что нельзя рассматривать и планировать корректировку одного какого-либо показателя качества электрической энергии как сугубо локальную операцию в отрыве от иных ПКЭ. Это может привести к негативным результатам.

Таким образом, проблема стабилизации качества электрической энергии может быть решена только комплексно. Ее ни в коем случае нельзя решить, рассматривая возможность корректировки одного пусть и наиболее ярко выраженного показателя качества электрической энергии. В этом и заключается комплексный подход к активному воздействию на качество электрической энергии, который и взят во внимание при создании способа автоматизированного активного контроля показателей качества электрической энергии.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является описание автоматизированной системы активного контроля показателей качества электрической энергии [2].

Задачей изобретения является формирование способа автоматизированного активного контроля показателей качества электрической энергии.

Технический результат достигается тем, что активный контроль показателей качества электрической энергии предполагает не только получение информации об этих показателях, но и возможность их корректировки, а также тем, что алгоритм действия автоматизированного активного контроля показателей качества электрической энергии предполагает прогнозирование их состояния после соответствующей корректировки не только в каком-либо одном конкретном узле электроэнергетической системы, но и в соседних узлах этой системы, кроме того, тем, что в основе предполагаемого алгоритма лежит комплексный подход к анализу показателей качества электрической энергии, то есть все эти показатели рассматриваются в тесной взаимосвязи. При этом контролю следует подвергать не только показатели качества электрической энергии, оговоренные действующим межгосударственным стандартом ГОСТ 13109-97, но и дополнительные, а именно:

- установившееся отклонение тока;

- размах изменения тока (величина резкого скачка тока в зоне ±10% номинального тока);

- доза фликера по току (накопление воздействия резких скачков тока с разными размахами, произошедших в течение установленного ранее интервала времени);

- длительность провала тока (кратковременные посадки тока за уровень - 10%);

- коэффициент искажения синусоидальности тока;

- коэффициент -той гармонической составляющей тока;

- коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности;

- коэффициент несимметрии токов по нулевой последовательности;

- импульсный ток;

- коэффициент временной перегрузки по току.

Иначе говоря, предлагаемый активный контроль показателей качества электрической энергии предполагает контроль отклонений напряжения и тока, уровней несинусоидальности напряжения и тока, уровней несимметрии напряжений и токов, импульсов напряжений и токов, колебаний напряжений и токов, провалов напряжений и токов, перенапряжений и перегрузок по току.

На чертеже показано графическое представление структурной схемы способа автоматизированного активного контроля показателей качества электрической энергии.

Согласно этой схеме информация об основных характеристиках исследуемой электроэнергетической системы в виде аналоговых сигналов поступает на устройства сопряжения (датчики), где эти сигналы доводятся до приемлемых для вычислительной техники величин. Для сигналов, несущих информацию о временных диаграммах напряжения, в качестве таких датчиков целесообразно применять в действующих электроэнергетических системах трансформаторы напряжения, а для сигналов, несущих информацию о токе, - шунты. Основное требование к этим датчикам - сохранение неизменной формы временных диаграмм напряжения и тока. При невозможности строгого соблюдения этого требования надлежит пользоваться соответствующими графиками поправок.

От устройств сопряжения соответствующие сигналы поступают на входные клеммы аналого-цифрового преобразователя (АЦП), где аналоговый сигнал преобразуется в дискретный.

Для анализа электроэнергетической системы постоянного или однофазного переменного тока достаточно два сигнала: напряжение и ток. Поэтому в этом случае достаточно двухканального АЦП.

Для анализа трехфазной электроэнергетической системы необходим АЦП, содержащий как минимум девять каналов, так как для анализа такой системы необходимо, как минимум, девять сигналов: три линейных напряжения, три фазных напряжения, три линейных тока.

Для электроэнергетических систем с большим количеством фаз необходимо АЦП с большим количеством каналов.

Для активного контроля показателей качества электрической энергии можно использовать и типовые, выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью АЦП. Единственное, кроме многоканальности, требование к ним - быстродействие. Это необходимо для обеспечения должной оперативности активного контроля.

Дискретные сигналы из АЦП поступают в блок 0, где при необходимости вводится упомянутая выше поправка в величины этих сигналов. Это необходимо для компенсирования возможного искажения сигналов в устройствах сопряжения. И лишь после этого начинается обработка полученной с помощью устройств сопряжения и АЦП информации с целью получения количественной оценки качества электрической энергии в исследуемом участке электроэнергетической системы с последующим формированием сигналов управления корректирующими устройствами.

Для успешной реализации активного контроля важно оценить все показатели качества электрической энергии. Но начать эту процедуру следует с того показателя качества, при оценивании которого могут быть получены сведения, необходимые для определения прочих показателей качества электрической энергии все интересующие исследователя показатели качества электрической энергии. Таковыми являются показатели, оценивающие уровень несинусоидальности.

В блоке 1 и выполняется оценивание этих показателей качества электрической энергии. Его целью является получение качественных характеристик данных показателей.

В блоке 2, который определяется как блок сравнения, проверяется соответствие фактических количественных характеристик в данном случае уровня несинусоидальности их нормативным значениям. Эти нормативные значения могут быть установлены либо государственным стандартом, либо индивидуальными техническими требованиями к соответствующему оборудованию.

Если фактические количественные характеристики уровня несинусоидальности напряжения не удовлетворяют установленным требованиям, то в блоке 3 формируется дискретный управляющий сигнал для соответствующих корректирующих устройств, каковыми могут быть фильтры различных типов. Здесь же выполняется прогнозирование откорректированного уже спектрального состава напряжения и тока. При анализе многофазных систем такое прогнозирование следует выполнять для фазных и линейных величин токов и напряжений. На основании этого прогнозирования уточняются дискретные значения соответствующих напряжений и токов, при посредстве которых в блоке 4 анализируется следующий показатель качества электрической энергии.

Если же фактические количественные характеристики удовлетворяют установленным ранее требованиям, то на основании прежних, поступивших из АЦП, дискретных значений напряжений и токов в блоке 4 выполняется анализ следующей группы показателей качества, которые по важности своих количественных характеристик для обследуемого промышленного региона обычно занимает ведущее место. Чаще всего для современных промышленных регионов это показатели качества электрической энергии, оценивающие уровень несимметрии напряжений и токов.

Далее в блоке 4 выявляются количественные характеристики этих показателей, а в блоке 5 оценивается их соответствие соответствующим нормативным требованиям. При констатации такого несоответствия в блоке 6 определяется управляющий сигнал для устройств корректировки этих показателей качества и прогнозируются обновленные характеристики электрической энергии. И лишь затем приступают в блоке 7 к анализу следующей группы показателей качества электрической энергии.

И так далее. Пока не исчерпаются все запланированные для подобного анализа показатели качества электрической энергии.

В блоках А, В и С выполняется анализ, оценка и формирование управляющего воздействия последней группы, показателей качества электрической энергии.

Далее в блоке D выясняется, была ли в процессе предыдущей части алгоритма необходимость в корректировке какого-либо ПКЭ. Если такая необходимость имела место, то очевидна необходимость в повторной проверке всех показателей качества их нормативным требованиям в соответствии откорректированным дискретным значениям напряжений и токов. В этом случае процедура оценивания качества электрической энергии выполняется заново, начиная с блока 1.

Здесь есть вероятность “зацикливания” алгоритма анализа качества электрической энергии в данном участке (узле) электроэнергетической системы. Чтобы этого не произошло, в блоке Р следует задаться максимальным количеством циклов анализа показателей качества электрической энергии в данном узле электроэнергетической системы, при достижении которого выбрать наиболее оптимальный вариант улучшения качества электрической энергии из предполагаемых ранее (можно либо из числа предполагаемых технических решений, обеспечивающих количественные характеристики показателей качества, наиболее приближенных к соответствующим нормативным требованиям, либо из условия минимизации приведения затрат) и затем в блоке S подобрать рекомендации по изменению режима или структуры электропотребления с целью обеспечения оптимального качества электрической энергии. Причем эти рекомендации могут быть направлены на изменение технологических процессов объектов, являющихся мощными источниками искажения качества электроэнергии, на изменение структуры электроэнергетической системы или иные мероприятия подобного типа и назначения.

Если же в блоке D выяснено, что в процессе проведения всех предшествующих процедур найдено оптимальное техническое решение, обеспечивающее соответствие нормативным требованиям всех показателей качества электрической энергии в данном узле электроэнергетической системы, то это вовсе не означает завершение реализации активного контроля этих показателей.

Дело в том, что любое изменение режима электропотребления, а тем более корректировка показателей качества электрической энергии в каком-либо узле электроэнергетической системы неизбежно приведет к перераспределению электрической энергии, а значит, и к изменению состояния ее качества на прочих участках контролируемой электроэнергетической системы. Поэтому в оговариваемом случае возникает острая необходимость подобного анализа показателей качества электрической энергии по всей электроэнергетической системе или хотя бы в ее узлах.

Для этого следует выполнять прогнозирование количественных характеристик электрической энергии в иных узлах электроэнергетической системы. Эту процедуру надлежит выполнять в соответствии с указанными ниже рекомендациями.

В результате последних действий для соседних с исследованным узлов электроэнергетической системы можно получить (спрогнозировать) дискретные значения фазных и линейных токов и напряжений. Такое прогнозирование следует выполнять с учетом рекомендаций, указанных в материалах Патента на изобретение №2210154 “Способ прогнозирования распределения гармонических составляющих электрической энергии по неразветвленным участкам электроэнергетической системы” (заявитель Братский государственный технический университет, зарегистрирован 10.08.2003 года).

На основании полученных таким образом данных для ближайшего соседнего узла повторяется вся процедура анализа всех показателей качества электрической энергии для соответствующего узла электроэнергетической системы, подобная той, которая выполнялась в блоках 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,..., A, B, C, D, P. Все это происходит в блоке I.

Если в последнем исследованном узле определена необходимость коррекции какого-либо показателя качества электрической энергии и было выполнено прогнозирование величин напряжений и токов, воздействующих на данный узел электроэнергетической системы (блок II), то в блоке III выполняется формирование соответствующего сигнала для корректирующих устройств, а затем и прогнозирование дискретных значений фазных и линейных токов и напряжений в начальном узле исследуемой системы и весь процесс анализа качества электрической энергии, начиная с блока 1, повторяется заново.

Если в описываемом узле электроэнергетической системы необходимость коррекции показателей качества электрической энергии не обнаружена (блок II), то в блоке IV повторяется подобный цикл операций для следующего узла.

При обнаружении необходимости коррекции показателей качества электрической энергии в этом узле (блок V) в блоке VI прогнозируются дискретные значения фазных и линейных напряжений и токов в следующем порядке: сначала прогнозируются напряжения и токи в промежуточном, расположенном вблизи рассмотренного последним по направлению к начальному узле; затем следующим и далее вплоть до начального. И далее все повторяется, начиная с блока 1.

Если же такой необходимости не обнаружено, то можно приступить к анализу описанным выше образом следующего по отдаленности от начального узла (блоки VII, VIII и IX).

И так далее.

Последний узел анализируемой электроэнергетической системы подобным образом рассматривается в блоках I_a , II_a и III_a.

Если, наконец, найдено пусть даже несколько компромиссное решение для всех интересующих исследователя участков электроэнергетической системы, то можно перейти и к решению сопутствующих активному контролю показателей качества электрической энергии задач. Это задачи поддержания статической и динамической устойчивости электроэнергетической системы, надежности электропотребления, обеспечения оптимальной загрузки электротехнического оборудования, обеспечение оптимального коэффициента мощности и ряд других. “Второстепенность” этих задач достаточно условна и допустима здесь лишь при акцентировании внимания на показателях качества электрической энергии. Определение соответствующих критериев выполняется непосредственно в блоке К. Причем эти критерии оцениваются здесь при необходимости для всех узлов электроэнергетической системы. В случае соответствия этих критериев их нормативным требованиям (блок L) анализ показателей качества электрической энергии завершается и установленные в блоках типа 3, 6, 9,..., С, К сигналы управления соответствующими корректирующими устройствами направляются по назначению (см. чертеж).

Если же в блоке L обнаружено несоответствие критериев оптимального электропотребления их нормативным значениям, то в блоке М следует определить наличие иных приемлемых вариантов достижения нормативных значений показателей качества электрической энергии. Если таковые найдутся, то есть смысл повторить всю процедуру анализа качества электрической энергии заново. Если же нет, то придется ограничиться рекомендациями по обеспечению приемлемых условий электропотребления в том или ином узле электроэнергетической системы. Это могут быть рекомендации об изменении структуры этой системы, замена того или иного электротехнического оборудования на более рациональное в сложившихся условиях, изменение режима электропотребления, а может быть, и технологий соответствующих потребителей электрической энергии.

Таким образом может быть реализован способ автоматизированного активного контроля показателей качества электрической энергии в действующих электроэнергетических системах.

Источники информации

1. Курбацкий В.Г. Информационно-измерительное обеспечение при контроле качества электроэнергии. Известия вузов. Энергетика, 1997, №1-2. - С.44-48

2. Емцев А.Н., Большанин Г.А. Автоматизированная система активного контроля показателей качества электроэнергии. Исследование качества электроэнергии в сложных электрических системах: Сборник научных трудов. Братск: БрИИ, 1990. - C.34-41.