CC BY
31
УДК 621.316.727
КОНТРОЛЬ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ И КАЧЕСТВА
ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИЕМНИКОВ С НЕЛИНЕЙНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Ю.Г. Пономарев
Рассмотрен вариант измерительного комплекса на базе цифрового осциллографа Tektronix 2000-й серии и персонального компьютера. Приводятся методы расчета энергетических составляющих полной мощности потребления нагрузкой и показателей качества энергопотребления. Задача оценки электромагнитной совместимости испытуемой нагрузки с питающей сетью решается детальным анализом гармонического состава входного тока. Измерительный комплекс позволяет оценить качество потребления электроэнергии и электромагнитную совместимость электроустановок с питающей сетью произвольной частоты в заданные моменты времени.
Ключевые слова: качество потребления электроэнергии, электромагнитная совместимость, LabVIEW, измерительный комплекс.
В последние годы повышенное внимание в области энергетики уделяется вопросам энергетической эффективности оборудования, повышению его надежности и качеству электроэнергии [1, 2]. При проектировании как питающих сетей, так и электротехнических комплексов, необходимо не только правильно учитывать и разделять все составляющие полной или кажущейся мощности, но и закладывать мероприятия по уменьшению мощностей обменного характера. Основные исследования в этой области направлены на оценку влияния различных электроустановок на показатели качества электроэнергии. Разработки, проводимые в этом направлении [3], позволяют определять параметры качества электроэнергии на этапе проектирования электроустановок, а также разрабатывать мероприятия по улучшению качества электроэнергии.
Фирмы, работающие на рынке энергетического аудита и занимающиеся исследованием электроустановок, пользуются приборами, способными выполнять количественный учет, а также оценивать соответствие показателей качества электроэнергии. На сегодняшний день существует ряд международных и отечественных стандартов [4, 5, 6], нормирующих показатели качества электроэнергии. При мониторинге режимов работы отдельных приемников и их групп с целью сбора данных об энергетических характеристиках (потребления активной, реактивной, полной мощности и коэффициента мощности) и получения информации о значениях показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения в настоящее время используются специализированные приборы: РЕСУРС-ИЕ2, METREL MI 2892, AR-5, AR-6 и другие. Однако область применения данных приборов ограничена сетями со стандартными значениями частоты напряжения 50...60 Гц, а также временными возможностями периода измерения и регистрации от одной секунды и выше.
315
Попытки практического использования данных приборов для анализа количественных энергетических характеристик приемников, подключенных к сетям с повышенной частотой (например, бортовых сетей летательных аппаратов 360...800 ГЦ), а также приемников с циклическими изменениями рабочего режима менее одной секунды и многократном изменении при этом потребляемого ими тока (управляемые выпрямители и преобразователи частоты систем электропривода) не дали положительных результатов. Поэтому создание более универсального измерительного комплекса для проведения исследований, контроля и анализа энергетических характеристик и качества электроэнергии, потребляемой электроприемниками, являющимися нелинейной нагрузкой, без ограничений его использования как по частоте питающей сети, так и по временным интервалам определения их энергетических характеристик является актуальной технической задачей.
Для проведения исследований на действующих электроустановках автором разработан и собран измерительный комплекс контроля и анализа энергетических характеристик и качества электроэнергии. Аппаратная часть измерительного комплекса (рис.1) состоит из системы сбора данных (ССД) и персонального компьютера (ПК). В состав ССД входит набор датчиков тока А622-ЛС/ЭС (100.. .1000 А от 0 до 100 кГц), напряжения Р5122 (до 1000 В) и цифровой осциллограф Tektonix TPS2014B с высокой разрешающей способностью (полоса пропускания 200 МГц и скорость преобразования входного сигнала 2 Г выб./с). Наличие встроенной системы команд осциллографа [7] позволяет разработать библиотеку виртуальных подприборов для обеспечения возможности использования данного осциллографа в качестве ССД мгновенных значений тока и напряжения в требуемые моменты времени и передачу их в ПК с использованием среды программирования LabVIEW с модулем NI-VISA (Virtual Instrument Standard Architecture) [8, 9].
Связь с ПК производится через последовательный интерфейс RS-232, при использовании стандарта SCPI языка управления приборами [10].
Подприбор чтения данных
Подприборы вычисления и отображения энергетиче ских показателей
Рис. 1. Измерительный комплекс
Фрагмент блок-диаграммы прибора (рис.2), обслуживающей настройку ССД (Tektronix 2014B) и чтение данных, включает в себя следующие элементы, которые позволяют реализовать ряд функций.
1. Подприбор инициализации обмена (INITIALIZE) между ПК и осциллографом:
- установка номера последовательного порта (COM);
- установка параметров протокола обмена.
2. Подприбор настройки измерительного канала осциллографа (CHAN):
- выбор канала;
- определение вида сигнала (AC/DC);
- установка коэффициента деления пробника;
- задание масштаба по вертикали.
3. Подприбор задания горизонтальной развертки (TIME).
4. Подприбор управления синхронизацией (EDGE):
- выбор режима синхронизации по триггеру;
- установка порогового значения триггера;
- выбор канала синхронизации.
5. Подприбор чтения данных измерительных каналов:
- выбор режима чтения (одноканальный/многоканальный); ограничение времени на передачу данных.
Рис. 2. Блок-диаграмма настройки системы сбора и чтения данных
На рис. 3 представлен фрагмент лицевой панели виртуального прибора с параметрами настройки осциллографа.
В классической теории энергетических процессов, определяющей циркуляцию энергии в цепях с несинусоидальными токами и напряжениями в однофазной и трехфазной сети с симметричной нагрузкой, полная мощность определяется как
5 = VI = V Р2 + б2 + В2 , где Р - активная мощность; 0 - реактивная мощность; В - мощность искажений.
Рис. 3. Лицевая панель настройки системы сбора и передачи данных
Исследования в области определения активной и реактивной мощности при несинусоидальных напряжениях и токах привели к появлению целого ряда теорий. Наиболее известными являются теории К. Будеану (C. Budeanu), C. Фризе (S. Frize), Л. Чарнецки (L. Charneczki), М. Депен-брока (M. Depenbrock). Теория мощности Будеану [11] считается классической и многократно описана как в российской, так и иностранной литературе по электротехнике, качеству электроэнергии и силовой электронике. Каждая из этих теорий по своему трактует понятие активной и реактивной мощности.
В действующих стандартах не определены алгоритмы измерения реактивной энергии при несинусоидальных токах и напряжениях. Единственным стандартом на сегодняшний день, позволяющим измерять составляющие полной мощности, может служить стандарт IEEE Std/1459-2000 «Определения для измерений величин, связанных с электрической мощностью в синусоидальных, несинусоидальных, симметричных и несимметричных условиях» [12]. В соответствии с этим стандартом величина активной мощности для цепей с несинусоидальными сигналами
P=11 \TkTuidt=р1 + Ph = sin j1 + Y.UhIh sin jh ,
kT h Ф1
где P1 - активная мощность основной гармоники; PH - активная мощность сторонних гармоник; h - номер гармоники.
Реактивная мощность основной гармоники
Q1 = U1I1 cos j1.
Величина неактивной мощности, обусловленной реактивной мощностью и мощностью искажений,
N = VS2 -P2 .
Полная мощность, в свою очередь, определяется величиной фундаментальной (основной гармоники) и нефундаментальной полной мощности
s 2 = S12+SN = (U1I1 )2+((U1IH )2+(UHI1 )2+(UHIH )2) ,
где
iH _ 1 I2, UH _ yUI-
h Ф1 h Ф1
Нефундаментальная полная мощность, в свою очередь, может быть представлена как
SN _ Df + DU + Sh ,
где DI - мощность искажения по току; DU - мощность искажения по напряжению; SH - полная мощность сторонних гармоник.
Коэффициент мощности, характеризующий эффективность потребления активной мощности электроустановкой, вычисляется по выражению
K _ P _ P + PH
K М _ — _
S VS12 + SN
Коэффициент сдвига (коэффициент мощности основной гармоники), определяющий эффективность потребления активной мощности основной гармоники,
P
кс _ тг _ cosф1.
S1
Коэффициенты, отражающие общие гармонические искажения напряжения и тока, определяются по выражениям
_ UH _VU 2 - U12 K _ IH J12 -12
KHU -Vr-, KHI
Обобщенным показателем для характеристики уровня сторонних гармоник является коэффициент искажений, который можно определить как
КИ = = Кни х КН1 •
Отклонение формы сигналов тока и напряжения от синусоидальной может быть определено с помощью коэффициентов суммарных гармонических искажений по напряжению
ГИЭи
= ин
и 1
'и >2
-1
и току
ТНВ1
= 1н _
I
1
= Л - -1.
Учитывая, что измерительный комплекс разрабатывается для оценки и анализа влияния электроустановок на питающую сеть, принимаем допущение, что сетевое напряжение абсолютно синусоидально. На рис. 4 представлен алгоритм определения мощностей, коэффициентов энергоэффективности и показателей электромагнитной совместимости исследуемой электроустановки с учетом указанного допущения.
Рис. 4. Алгоритм определения энергетических показателей
Блок-диаграмма вычисления энергетических показателей и параметров электромагнитной совместимости представлена на рис. 5.
Данный измерительный комплекс использовался при разработке и исследовании объектно-ориентированных преобразователей частоты приводов ручного электроинструмента с высокоскоростным асинхронным двигателем. Исследования проводились на экспериментальном стенде, в состав которого входили серийный преобразователь частоты типа ПЧ-23-230-400 УХЛ1, разработанный на кафедре ЭП и АПУ ВятГУ, высокоскоростной асинхронный двигатель электропилы ЭПЧ-3 (РН=3,0 кВт, ^=400 Гц, пС=12000 об/мин, иН=220 В, 1Н=13,5 А, 1П/1Н=5) и нагрузочное устройство. Экспериментальная установка обеспечивает реализацию как установившихся режимов работы с заданной нагрузкой, так и режим пуска с нулевой скорости и работу в цикле с изменением частоты.
320
Рис. 5. Блок-диаграмма вычисления энергетических
показателей
Для демонстрации отображаемых результатов измерений на рис. 6 представлена лицевая панель виртуального прибора.
Проведенный анализ позволяет определять режимы работы с максимальными потерями и производить изменение технологического процесса с целью их уменьшения, а также влияя на структуру и параметры настроек преобразователя частоты, обеспечивать его работу с высокими энергетическими показателями и качеством электроэнергии. Доработка программного обеспечения измерительного комплекса позволит проводить исследование как всей системы в целом, так и отдельных компонентов системы «преобразователь частоты - двигатель». Это необходимо для проведения качественного анализа изменения энергетических характеристик и качества электроэнергии в различных режимах работы.
321
Гармонический состав
1210-
(Л 8 £ т ^ 6-о н 42-
0 50 100 150 200 250 300 Щ1 400 450 500 550 Частота (Нг)
Частота 1-ой гармоники 50'057983 ШО % 120,89
I гармоника 3 гармоника 5 гармоника 7 гармоника 9 гармоника
II гармоника
Ток(А) %
17,6536 100
11,695 66,24716
3,98415 22,568439
1,27407 7,217052
1,92255 10,890395
■0,402372 2~79~1
Рис. 6. Лицевая панель виртуального прибора
Таким образом, развитие научных исследований по разработке эффективных методик и средств измерений в целях определения количественных и качественных энергетических характеристик, а также разработка на основе исследований способов и технических средств, обеспечивающих требуемые показатели энергоэффективности и качества электроэнергии в электрических сетях с нелинейными потребителями, являются весьма актуальными.
Список литературы
1. Государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года». Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 27 декабря 2010 г. № 2446-р.
2. Куско А., Томпсон М. Качество энергии в электрических сетях / пер. с англ. А.Н. Рабодзея М.: Додэка-ХХ1, 2008. 336 с.
322
3. Борисов П.А. Применение MatLab/Simulink для измерения и оценки качества электроэнергии в трехфазных симметричных системах с активными преобразователями // Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB: материалы Второй Всероссийской научной конф. Москва, 25-26 мая 2004. Институт проблем управления РАН. М., 2004. С. 1372 - 1386.
4. ГОСТ 30804.3.2-2013. Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний.
5. ГОСТ 30804.3.12-2013. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы гармонических составляющих тока, создаваемых техническими средствами с потребляемым током более 16 А, но не более 75 А (в одной фазе), подключаемыми к низковольтным распределительным системам электроснабжения. Нормы и методы испытаний.
6. ГОСТ Р 54149—2010. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
7. Programmer Manual. TDS200, TDS1000 / TDS2000, TDS1000B / TDS2000B and TPS2000 Series Digital Oscilloscopes [Электронный ресурс] URL: www.tektronix.com (дата обращения: 10.07.2017).
8. Дьяконов В.П. Генерация и генераторы сигналов. М.: ДМК Пресс, 2009. 384 с.
9. Трэвис Дж., Кринг Дж. LabView для всех, 4-е изд., перераб. и доп. М.: ДМК Пресс, 2011. 904 с.
10. Баженов А. Стандарты GPIB, 488.2 и SCPI и их влияние на развитие автоматизации измерений // Мир компьютерной автоматизации. 2000. №1.
11. Budeany C. Reactive and fictitions powers // Rumanian National Institute. 1927. W2.
12. IEEE STD/1459-2000. IEEE Trial Use Standard Definitions for the Measurement of Electric Power Quantities Under Sinusoidal, Non-Sinusoidal, Balanced, or Unbalanced Conditions. Institute of Electrical and Electronics Engineers. 2000. 52 с.
Пономарев Юрий Геннадьевич, асп., _ponomarev@vyatsu.ru, Россия, Киров, Вятский государственный университет
MONITORING OF ENERGY EFFICIENCY AND QUALITY OF ELECTRICITY
CONSUMPTION BY DEVICES WITH NONLINEAR CHARACTERISTICS
Y.G. Ponomarev 323
In paper the alternative of a measuring complex on the basis of digital oscilloscope Tektronix of 2000 series and the personal computer is observed. Methods of calculation of power constituents of a total power of consumption and factors of power consumption are presented. The solution of a problem of an estimation of electromagnetic compatibility investigated load with the supply net is made as a result of the detailed analysis of a harmonic distortion of an input current. The measuring complex allows estimating quality of power consumption and electromagnetic compatibility of electrical installations with the supply net of any frequency.
Key words: quality of power consumption, electromagnetic compatibility, LabVIEW, a measuring complex.
Ponomarev Yurij Gennadevich, postgraduate, ponomarev@vyatsu. ru, Russia, Kirov, Vyatka State University
УДК 621.316.9
МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОДСТАНЦИЯХ ПРИ УДАРАХ МОЛНИИ
Д. С. Шишигин
Показано, что при проектировании электрических подстанций производится расчет переходных электромагнитных процессов, вызванных ударом молнии. Частотный метод, метод дискретных схем и метод Влаха (численный вариант операторного метода) исследованы и сопоставлены по критерию точности и быстродействия в задачах расчета условного импеданса заземлителя, кондуктивных помех контрольного кабеля и грозовых перенапряжений. Отмечены преимущества метода дискретных схем при расчете заземляющих устройств и метода Влаха при расчете волновых процессов.
Ключевые слова: электрическая подстанция, удар молнии, переходный процесс, частотный метод, метод дискретных схем, метод Влаха.
При проектировании электрической подстанции (ПС) ставится задача защиты от прямого удара молнии и вторичных ее проявлений. Протекание тока молнии по молниеотводам и заземляющему устройству ПС вызывает перенапряжения, опасные для изоляции электрооборудования, а также кондуктивные помехи в контрольных кабелях и импульсные магнитные поля, опасные для микропроцессорных систем [1]. При ударе молнии в опору или грозозащитный трос воздушной линии возможно перекрытие изоляции опоры и волна тока молнии по проводам линии набегает на ПС, что представляет опасность для электрооборудования [2].
