CC BY
48
5. Плохов И. В. Комплексная диагностика и прогнозирование технического состояния УСТ турбогенераторов: автореф. дис. ... д-ра. техн. наук. С.-Пб, 2002. 36 с.
6. Руководство по эксплуатации ОБС.460.468 РЭ. Аппарат щеточно-контактный турбогенераторов.
7. Лившиц П. С. Скользящий контакт электрических машин. М. Энергия, 1974. 321 с.
8. Фоминых А.А. [и др.]. О неравномерности распределения тока узлов трения электрических машин / Общество, наука, инновации (НПК - 2014): всерос. ежегод. науч.-практ. конф.: сб. материалов, 15-26 апреля 2014 г. / Вят. гос. ун-т. - Киров, 2014.
9. Деева В. С., Слободян М. С., Слободян С. М. «Живучесть» щеточного контакта электрических машин // Электричество. 2013. № 4. С. 45-49.
10. Тимошенко В. Н., Изотов А. И. Снижение износов элементов узлов токосъема за счет применения СЩ // Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии: сб. тр. международной научно-технической конф. 5-6 декабря 2013. Омск: ОмГУПС, 2013. С. 128-130.
УДК 621.311
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ОТ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСТОЧНИКОВ 6 КВ НА ПОТЕРИ В ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЯХ НА ОСНОВЕ ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗА
Б. Ю. Киселёв1, Д. Д. Казанцев2
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Нижневартовский государственный университет, г. Нижневартовск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-37-44
Аннотация - Для анализа несинусоидальных режимов систем электроснабжения необходимо точное определение параметров этого режима. Одними из таких параметров являются действующие значения напряжения и тока. В работе применяется метод основанный на вейвлет-преобразовании, который даёт возможность точно определять значения этих параметров от действия каждой гармонической составляющей, без потери информации во временной области. В работе рассматривается система электроснабжения при нестационарном и несинусоидальном режиме работы. Произведён анализ влияния высших гармоник от нелинейных источников 6 кВ на потери в линии электропередач. А именно рассчитаны действующие значения токов и потери в линии 6 кВ для каждой гармонической составляющей в отдельности. Результаты, полученные методом вейвлет-преобразования, сравнивали с результатами, полученными при помощи преобразования Фурье и аналитического расчёта. Для численного эксперимента была разработана имитационная модель в среде Matlab Simulink сети с нелинейной, нестационарной нагрузкой.
Ключевые слова: Вейвлет-анализ, качество электрической энергии, высшие гармоники, пакетное вейвлет-преобразование.
I. Введение
Для поставки электрической энергии потребителю система электроснабжения должна обладать рядом параметров, в том числе обладать определенным напряжением U и частотой f Изменения характеристик напряжения, соотнесенных с частотой, значениями, формой напряжения и симметрией напряжений в трехфазных системах электроснабжения могут привести к отклонениям от номинальных значений.
Данные изменения могут повлиять на нормальную работу электрооборудования. Исходя из условий работы потребителей допускается незначительное отклонение параметров от их номинальных значений ином и fKом.
В соответствии с российским ГОСТ 33073-2014 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Контроль и мониторинг качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» и европейским EN 50160:2010 «Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution networks» при продолжительном изменении характеристик напряжения питания, частоты, форме напряжения используют и применяют показатели и нормы качества электроэнергии (КЭ).
В настоящее время активно проводятся исследования по уменьшению потерь в сетях. Источниками возникновения таких потерь для рассматриваемой в данной работе сети могут быть объекты, рассмотренные в [1]. Для каждой системы электроснабжения электроприемники или объекты СЭС могут различаться, а соответственно, уровень влияние данных объектов на конкретную систему зависит от конкретных элементов этой системы.
Причины отказов основных элементов систем электроснабжения могут быть различны. К основным элементам системы обычно относят: воздушные линии электропередачи, кабельные линии, трансформаторы, коммутационная аппаратура и устройства релейной защиты и автоматики (РЗиА). Из перечисленных элементов самыми ненадежными элементами системы электроснабжения являются воздушные линии электропередачи (ВЛЭП), так как они из-за большой рассредоточенности по территории более сильно подвергнуты внешним воздействиям. В связи с этим возникают издержки, которые нужно будет компенсировать и устранять. Сейчас активно рассматриваются вопросы по экономии энергетических ресурсов. Однако, чтобы начать экономить нужно понять, что нам нужно сделать для этого. Если не развивать энергетику, то через столетия, а может быть и раньше, через десятилетия, от традиционной энергетики, как и от просто энергетики не останется ничего. Система электроснабжения будет ненадежна, качество электрической энергии не будет интересовать общественность.
В связи с этим возникает задача по исследованию влияния элементов системы электроснабжения на энергетику в целом. Вопросам анализа высших гармоник посвящены работы [2-4]. Также известны электроприемники, которые являются источниками высших гармоник, которые отрицательно влияют на систему в целом, а раз система будет с отклонениями больше допустимого, то она будет ненадежна и непременно выйдет из строя. К характерным электроприемникам добавляющие ВГ в систему можно отнести следующие объекты СЭС: вентильные преобразователи (ВП), преобразователи частоты (ПЧ), ПЧ со звеном постоянного тока (ПЧП) и непосредственные преобразователи частоты - циклоконверторы (НЧП), асинхронный инверторный каскад и вентильный двигатель, выключатель с тиристорным управлением, дуговые сталеплавильные печи и электросварочные установки (ЭСУ), ветроэнергетические установки (ВЭУ), контактные сети электрического транспорта, защитные разрядники и другие [1].
В рамках одной статьи не предусматривается возможность рассмотреть влияние высших гармоник на все объекты системы электроснабжения (рис. 1). Ввиду этого спроектируем и зададимся своей СЭС (рис. 2), ограничив, таким образом, область исследования объектов на примере типовой СЭС используемой, в том числе на предприятиях нефтедобывающего комплекса.
II. Постановка задачи
ЭсХо
У-220-1000У 25
о
У-220-1000У 25
Рис. 1. Исходная обобщенная схема системы электроснабжения
В качестве объекта исследования выберем потребителей 6 кВ нагрузки, так как они являются самыми интересными для исследования высших гармоник. К потребителям можно отнести нефтедобывающие компании занимающиеся добычей нефти на своих месторождениях. На одном месторождении могут быть в среднем не менее 4 кустов (скважин). На сегодняшний день большое количество добываемой нефти в нашей стране приходится на установки электроцентробежных насосов (УЭЦН) [5].
Рассмотрим структуру электротехнологической системы УЭЦН (рис. 2) и обозначим элементы для дальнейшего упрощения схемы электроснабжения (рис. 1).
ЭТКС УЭЦН
ЭС — КТУ-- КЛ -"ПЭД —* ГЗ —-ЭЦН .. 1 — ПЖ —- НКТ
СУ УЭЦН
Рис. 2. Структура электротехнологической системы УЭЦН: ЭС - электрическая сеть, КТУ - комплектное трансформаторное устройство, КЛ - кабельная линия, ПЭД - погружной электродвигатель, ГЗ - гидрозащита, ЭЦН - электроцентробежный насос, ПЖ - пластовая жидкость, НКТ - колонна насосно-компрессорных труб, СУ УЭЦН - станция управления УЭЦН с преобразователем частоты
Силовые выпрямители станции управления установки электроцентробежных насосов, которые имеют L и LC фильтры для промысловой сети задают нелинейную, вентильную нагрузку. При синусоидальном напряжении форма их входного тока несинусоидальная, деформирована и приближается к прямоугольной (рис. 3). Такой ток кроме составляющей основной частоты содержит высшие гармонические составляющие [6].
soo
4SO 400 350 300 2.Ю 200 ISO 100 SO
о ■SO ■ 100 ■ ISO ■200 •2S0 ■300 -3SO ■400 -4S0 ■S00
I 128 2S6
Рис. 3. Осциллограммы фазных токов (25А/дел) и фазного напряжения (25В/дел) СУ Электрон-05 с номинальным выходным током 400А, полученные анализатором качества электроэнергии АКЭ -823
на скважине ТНК-BP №72376
В данной работе будем рассматривать влияние нелинейной 6 кВ нагрузки на сеть, а именно проанализируем долю потерь энергии в линии W3 от каждой гармонической составляющей. Исследуемая схема электроснабжения нефтедобывающего завода представлена на рис. 4.
На данной схеме нагрузка 6 кВ является нелинейной и имеет повторно кратковременный режим работы. Нагрузка 0,4 кВ - обычная линейная нагрузка, работающая с продолжительно неизменной нагрузкой.
Рис. 4. Схема электроснабжения для типового месторождения в общем виде
У нас имеется осциллограмма фазного напряжения (рис. 5) на секции шин 6 кВ, полученные анализатором качества электроэнергии АКЭ-823, причем для наглядности интервал времени исследования возьмём равным 0,8 с.
Фаза А
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Рис. 5. Осциллограмма напряжения на шинах 6 кВ
0.8 1, С
III. Теория
Как уже говорилось ранее и как видно из осциллограммы напряжения, представленной на рис. 5, режим исследуемой сети является нестационарным. Для повышения точности расчета таких режимов применяются множество различных методов [7, 8]. Однако для определения доли потерь энергии в линии W3 от каждой гармоники в отдельности наиболее удобным, с точки зрения автора, будет метод, основанный на пакетном вейвлет-преобразовании [9].
Метод позволяет разложить сигнал по вейвлет-коэффициентам. Исходный сигнал (в нашем случае ток) умножается на коэффициенты фильтра высоких частот и низких частот, в результате чего получаются детализирующие и аппроксимирующие коэффициенты соответственно, графически это представлено на рис. 6, коэффициенты пакетного вейвлет-преобразования это результат свёртки исходного сигнала на основе вейвлета [10]
d2n (к) = £ h(m)dn 1 (2k - m) ; J m J-1
d 2n+1 (к) = Z g(m)drl-1 (2k - m).
J m J
Здесь каждый из коэффициентов отвечает за свой определённый частотный диапазон. Подбираем частоту дискретизации таким образом, чтобы каждый из вейвлет-коэффициентов 3 уровня содержал диапазон частот равный 100 Гц (рис. 5).
Матрица мгновенный значений тока i0k=[ii ,i2 ,¡3 , Fd -частота дискретизации
ik ]
ho
Фильтр низких частот
Фильтр высоких частот
hi
Децимация
_5ZZ
a2i (2.0)
(0-200) Гц
_CZ
аз1(3.0)
(0-100) Гц
ai (1.0)
z^_
d3i (3.1)
(100-200) Гц
Уровень разложения J=1
d21 (2.1)
(200-400) Гц
_J
d32 (3.2) (300-400) Гц
1_
a32 (3.3) (200-300) Гц
_CZ
d34 (3.4)
(700-800)Гц
d1 (1.1)
d22 (2.2) а12(2.3)
(600-800) Гц (400-600) Гц
_
а34(3.5)
(600-700) Гц
_i_'_i_
а33 (3.6) d33 (3.7) (400-500) Гц (500-600) Гц
Рис. 5. Дерево пакетного вейвлет-разложения
Действующие значения тока для искомого частотного диапазона с учетом свойств вейвлет-преобразования может быть получено:
I
100-200
1
1 km d,
1 Z h}(k)
N к=0 31
где N - количество отсчетов в исследуемом сигнале;
'31 — матрица вейвлет-коэффициентов, отвечающая за диапазон для которого рассчитывается действующее значения тока
IV. Результаты имитационного моделирования
Для того чтобы определить ток, протекающий в линии W3, был смоделирован участок цепи, выделенный пунктирной линией на рис. 3, модель разработана в программном комплексе Matlab Simulink, имитационная модель участка цепи представлена на рис. 6.
Параметры смоделированного участка цепи представлены в табл. 1.
ТАБЛИЦА 1
ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТОВ СМОДЕЛИРОВАННОГО УЧАСТКА ЦЕПИ
Трансформатор ТМГ-160/6 У1
Sном, кВА. Икз, % 1хх, % Рхх, кВт Ркз, кВт Иве, кВ Uhh, кВ
160 4,7 1,10 0,35 2,9 6,3 0,38
Кабельная линия АВВГ 3х50
r0, Ом/км Хо, Ом/км L, км
0,048 0,328 1
Суммарная мощность нагрузки 0,4 кВ
2Ян = 154 кВА
Рис. 5. Имитационная модель рассматриваемого участка цепи
Результаты расчёта действующих значений тока для каждой гармонической составляющей и доля потерь мощности от них представлены в табл. 2. На рис. 7 графически представлен результат пакетного вейвлет- разложения, видно, что каждой гармонической составляющей, соответствует определённый вейвлет- коэффициент. Также на рисунке четко видны интервалы времени, на которых присутствовала та или иная гармоника. Также на рисунке показан Фурье спектр исследуемого сигнала тока.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Ш, Гц Рис. 7. Сигнал тока, его вейвлет преобразование и Фурье спектр
ТАБЛИЦА2
РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Гармо- Факти- Значе- Значе- Погреш- Погреш-
ниче- ческое ния рас- ния рас- ность ность
ская значение считан- считан- вейвлет- Фурье
состав- ные че- ные с преобра- преобра-
ляющая рез помо- зования, зования,
вейвлет- щью % %
коэффи- Фурье
центы анализа
Действующее I1, А 14,345 14,346 14,343 0,0069 0,014
значение тока I5, А 0,648 0,644 0,686 0,62 5,9
фазы А, в I7, А 0,342 0,339 0,362 0,88 5,8
линии 6 кВ I11, А 0,115 0,117 0,104 1,74 9,565
I13, А 0,098 0,1 0,088 0,041 10,204
Доля потерь энергии в AW1, кВт- ч 7,869 7,909 7,9 0,508 0,028
линии 6 кВ с каждой частотой состав- AW 5, кВт- ч 0,016 0,0159 0,018 1,391 12,072
AW 7, кВт- ч
ляющей 0,342 0,00440 0,005032 2,035 12,04
AW11, кВт- ч 0,000507 0,000527 0,000415 3,773 18,08
AW13, кВт- ч 0,000369 0,000388 0,000297 5,208 23,358
Процент потерь на высших гармо- 0,27%
никах от основной частоты
Проанализировав полученные в ходе данной работы результаты можно сделать следующие выводы: 1. Влияние 6 кВ нелинейных нагрузок на потери в линии W3 от высших гармоник незначительны и составляют меньше одного процента. 2. Метод, основанный на пакетном вейвлет-преобразовании позволяет с достаточной для практических расчетов точностью выделить сигналы отдельных частотных составляющих. 3. При анализе нестационарных режимов работы видно явное преимущество вейвлет-преобразования по сравнению с Фурье анализом.
V. Выводы и заключение
В работе предложено использовать довольно новый, перспективный математический аппарат вейвлет-анализ для анализа влияния высших гармоник, генерируемых нелинейными потребителями 6 кВ, на надежность работы сети. Для этого были последовательно решены следующие задачи:
1. Разработана имитационная модель в среде Simulink для моделирования участка системы электроснабжения нефтедобывающего комплекса при нестационарном и несинусоидальном режиме работы.
2. Установлено качественное совпадение результатов моделирования с аналитическими расчетами.
3. Определены действующие значения токов в линии 6 кВ отдельно для каждой гармонической составляющей.
4. Представлены результаты расчета доли потерь энергии в линии 6 кВ от каждой гармонической составляющей.
5. Установлено, что нелинейная нагрузка 6 кВ в данном варианте сети вносит незначительный вклад в потери энергии в линии W3.
6. Отмечено, что применения метода, основанного на пакетном вейвлет-преобразования, даёт более точный результат по сравнению с преобразованием Фурье.
Список литературы
1. Жежеленко И. В. Электрические потери от высших гармоник в системах электроснабжения // Электрика. 2010. № 4. С. 3-6.
2. Osipov D.S., Goryunov V. N., Faifer L. A., Kisselyov B. Yu., Dolgikh N.N. Development of conductive parts power losses calculation method in case of interharmonics // The Review Przeglad Elektrotechniczny. 2017. No 6. P. 146-149. D01:10.15199/48.2017.06.33.
3. Elphick S.; Gosbell V.; Smith V.; Perera S.; Ciufo P. Drury G. Methods for Harmonic Analysis and Reporting in Future Grid Applications // IEEE Transactions on Power Delivery Vol. 32, Is. 2. 2017. P. 989-995. DOI: 10.1109/TPWRD.2016.2586963.
4. Mazumdar J., Ronald G. H., Frank C. L., Ganesh K. V. Neural Network Based Method for Predicting Nonlinear Load Harmonics // IEEE Transactions on Power Electronics, May 2007/ Vol 22. P. 1036-1045. DOI: 10.1109/TPEL.2007.897109.
5. Савченко А. А. [и др.]. Построение механической характеристики погружного насоса в составе установок электроцентробежных насосов // Актуальные проблемы и перспективы инновационного развития современной России. 2014. C. 62-70.
6. Старостин С. Г., Кузнецов Е. М, Аникин В. В., Дегтярёв А. В. Исследование потерь электроэнергии, вызванных наличием высших гармоник в напряжениях и токах силового канала преобразования энергии установок электроцентробежных насосов // Промышленная энергетика. 2012. № 1. С. 54-57.
7. Lee I.W.C.; Dash P.K. S-transform-based intelligent system for classification of power quality disturbance signals // IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 50. 2003. P. 800-805. DOI: 10.1109/TIE.2003.814991.
8. Soo-Hwan Cho; Gilsoo Jang; Sae-Hyuk Kwon. Time-Frequency Analysis of Power-Quality Disturbances via the Gabor-Wigner Transform // IEEE Transactions on Power Delivery. Vol. 25, Is. 1. 2010. P. 494-499. DOI: 10.1109/TPWRD.2009.2034832.
9. Осипов Д. С., Коваленко Д. В., Киселёв Б. Ю. Расчет потерь энергии в кабельной линии электропередачи при наличии нелинейной нагрузки методом пакетного вейвлет-преобразования // Омский научный вестник. 2016. № 4 (148). С. 84-89.
10. Morsi W. G., EI-Hawary M. E. Time-frequency single phase power components measurements for harmonics and inter-harmonics distortion based on Wavelet Packet transform. Part I: Mathematical formulation // Canadian Journal of Electrical and Computer Engineering. 2010. Vol. 35, Is. 1. DOI: 10.1109/CJECE.2010.5783378.
УДК 621.31
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ УСТРОЙСТВ НА ГИБРИДНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
КОМПОНЕНТАХ
С. Г. Конесев1, Р. Т. Хазиева1, Р. В. Кириллов1, И. З. Гайнутдинов2, Э. Ю. Кондратьев3
'Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа, Россия 2ООО НИЦ «Энергодиагностика», г. Уфа, Россия 3ООО «Газпром добыча Ямбург», г. Новый Уренгой, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-44-52
Аннотация - В связи с общей тенденцией снижения массы и габаритов, расхода проводящих и электроизоляционных материалов, повышения надежности и энергетической эффективности электротехнических устройств в последние годы активно разрабатываются устройства на основе гибридных электромагнитных компонентов (ЭМК). Источники электропитания подобных электротехнических устройств содержат, как правило, звенья повышенной частоты и функционируют в ключевых (импульсных) режимах, что приводит к росту электромагнитных помех (ЭМП). Нелинейные и периодические (импульсные) нагрузки, несинусоидальность (пульсация) ЭДС и нелинейность внутренних параметров источника и входных цепей потребителей искажают форму входного напряжения, приводят к увеличению тепловых потерь от токов высших гармоник, старению изоляции, увеличению массы фильтров блоков питания нагрузок, к возможности возникновения резонанса на высших гармониках. Важнейшей задачей яв-
