CC BY
164
ОБМЕН ОПЫТОМ
Качество электрической энергии и технологии его мониторинга
В. С. Иващенко,
преподаватель Московского института энергобезопасности и энергосбережения
Л. Л. Хруслов,
генеральный директор ООО "МАГИСТР-ПЭМ" кандидат технических наук,
Рост мощности низковольтных электрических сетей и необходимость бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей выдвигают повышенные требования к влиянию на качество электрической энергии как со стороны оборудования для генерации, передачи, распределения, так и со стороны потребляющего оборудования. В этой связи актуальное значение приобретают вопросы, связанные с повышением качества электроэнергии, которые заключаются в комплексе мер, направленных на совершенствование электроснабжения с целью предотвращения последствий вероятных аварийных режимов, вызванных ухудшением качества электроэнергии. Повышение качества (обнаружение, локализация источников, приведение к допустимым значениям) электроэнергии уменьшает вероятность аварий, увеличивает безопасность при эксплуатации электроустановок, устойчивость энергосистем и их энергоэффективность.
Особое внимание при проектировании электроустановок должно уделяеться оценке влияния на качество электроэнергии от нелинейных нагрузок потребителей, сконструированных на силовых полупроводниковых приборах (диодах, тиристорах, транзисторах и т.п.). Эти преобразователи (вторичные источники питания) входят в состав компьютерного и телекоммуникационного оборудования, бытовой и аудио-,видеотехники. Нелинейности в нагрузках вызывают высшие гармоники по токам и напряжениям. Такие токи приводят к ложным срабатываниям некоторых типов автоматических выключателей дифференциального тока, выгоранию нулевых проводников, несимметрии нагрузок, помехам при передаче данных по информационным каналам и, в конечном итоге, к созданию аварийных ситуаций
(пожары, несанкционированные отключения потребителей, снижение сроков службы электрических машин, нарушение связи).
В настоящее время на рынке присутствует большое количество разнообразного оборудования для контроля качества электроэнергии. Это и переносные анализаторы качества, и стационарные анализаторы с возможностью передачи данных по стандартным интерфейсам, и оборудование для защиты систем электроснабжения или учета электроэнергии с дополнительными функциями контроля качества, а также оборудование для сбора, передачи и анализа данных о качестве электроэнергии. Многообразие конструктивных решений и отсутствие единого подхода к их анализу также затрудняют ориентацию специалистов в функциональных возможностях и областях применения таких систем мониторинга. Целью настоящей статьи является ознакомление читателей с основами работы с такими системами на примере "Информационно-измерительного комплекса систем электроснабжения объектов телерадиовещания". с. И. Киреев,
инженер, аспирант
№21ШШШ
В. С. Ступишин, инженер
В рамках разработки ООО "МАГИСТР-ПЭМ" -"Информационно-измерительный комплекс систем электроснабжения объектов телерадиовещания" [1] реализован проект "Непрерывный контроль текущих параметров качества распределительной трансформаторной подстанции 7000 кВА", который является частью инновационной образовательной программы МЭИ(ТУ).
Многолетний практический опыт разработок, проектирования и эксплуатации систем электроснабжения ведущих телерадиокомплексов России и осмысление наиболее распространённых отрицательных ситуаций, возникающих в процессе эксплуатации систем электроснабжения, привёл к выработке основных требований при организации системы непрерывного удаленного контроля состояния коммутационной аппаратуры и текущих параметров качества электрической энергии объекта. В частности, учтены особенности эксплуатации объектов, особо чувствительных к текущим параметрам качества электроэнергии и предъявляющих повышенные требование к ее качеству.
Система непрерывного контроля качества адресована шести основным категориям специалистов:
• персоналу дежурной смены электриков;
• инженерному составу Службы главного энергетика;
• научно-инженерному составу внешней специализированной организации;
• менеджерам среднего и высшего уровня управления (не электрикам);
• студентам высших и специальных учебных заведений;
• научным работникам.
Особое внимание уделено контролю импульсных помех и оценке влияния отдельных потребителей с нелинейным характером нагрузки на привнесение в систему электроснабжения высших гармоник.
В сети электроснабжения микрорайона МЭИ(ТУ) на действующей распределительной трансформаторной подстанции 10/0,4 7000 кВА (РТП-34) реализован непрерывный контроль состояния коммутационной аппаратуры и текущих параметров качества электрической энергии
(ТПКЭ) с использованием этих параметров в учебном процессе через сеть Интернет, что соответствует концепции сплошного мониторинга основных параметров качества электрической энергии объекта.
Знание истинных значений текущих параметров качества электрической энергии чрезвычайно важно для операторов большинства электроустановок, у которых существуют повышенные требования к качеству электрической энергии.
Появилась возможность применить специализированное служебно-производственное оборудование РТП-34, расположенное в ограниченно доступном помещении, в качестве лабораторного объекта с уникальной измерительной технологией на основе информационно-измерительного комплекса системы электроснабжения (ИИКСЭ). Удаленный доступ через Интернет к реальному производственному оборудованию позволил создать принципиально новую образовательную инфраструктуру учебного процесса для различных электротехнических специализаций высших учебных заведений России и отраслевых образовательных центров различного уровня и ознакомить сообщество электротехников с потенциальными возможностями ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ. ИИКСЭ позволяет вести прямое непрерывное измерение и архивацию текущих параметров качества электроэнергии (ТПКЭ) при питании реального действующего оборудования, установленного в различных подразделениях МЭИ(ТУ). Установленная в РТП-34 система контроля аналогична соответствующим измерительным комплексам систем электроснабжения основных телерадиокомплексов России.
В узловых точках РТП-34 осуществляются измерения электрических параметров по высокой стороне - 10 кВ ((12 напряжений, 42 тока) и низкой стороне - 0,4 кВ (15 напряжений, 99 токов). По измеренным мгновенным значениям напряжений и токов трех фаз рассчитываются значения полной и
В. А. Шишов, инженер, аспирант
т2Ш2$тжм
активной мощностей, различные коэффициенты и ряд других параметров. Производится спектральный анализ форм напряжений и токов; выделяются параметры первой и высших гармоник, вплоть до сороковой.
Программное обеспечение ИИКСЭ дает возможность просмотра измеряемых ТПКЭ в виде графиков, осциллограмм, спектров; сохранения информации в графических и текстовых файлах; подсчета количества провалов напряжения, перенапряжений и импульсов напряжения. Контролируемые значения, а также все штатные и аварийные события отображаются на специальных экранных формах однолинейно-структурных схем с использованием анимации и изменения цветности. ПО ИИКСЭ допускает интегрирование счетчиков электрической энергии по высокой и низкой стороне, применяемых в автоматизированных системах коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ).
Анализ и обработка ТПКЭ дает возможность определить показатели качества электрической энергии (ПКЭ) в соответствии с ГОСТ 13109—97 [2] для любого выбранного промежутка времени (сутки, неделя, месяц...) и исключить вероятностный подход при оценке качества электрической энергии.
Структурно ИИКСЭ РТП-34 является распределенной децентрализованной сетью периферийных контроллеров, объединенных промышленной шиной CAN, которая обеспечивает обмен информацией между контроллерами и серверами обработки данных (рис. 1). Системное время серверов и контроллеров синхронизируется через Интернет.
В состав аппаратной части измерительного комплекса входят:
• контроллеры состояния контактных устройств;
• контроллеры качества;
• измерительные датчики;
• серверы системы и рабочая станция диспетчера;
• аппаратура передачи информации по сети Ethernet;
• аппаратура передачи информации по шине CAN;
• оборудование электропитания комплекса.
Программное обеспечение "ИИКСЭ™" объекта
представляет собой специализированный пакет для ведения непрерывного наблюдения и контроля как за состоянием отдельных электрических аппаратов, так и за качеством поставляемой электрической энергии.
Для удаленного наблюдения и контроля текущих параметров электрической энергии через Интернет разработана и установлена специализированная программа "Клиент РТП34". Программное обеспечение "Клиент РТП34" основано на совокупности программных модулей, обеспечивающих работоспособность информационно-измерительного комплекса системы электроснабжения "ИИКСЭ™" распределительной трансформаторной подстанции РТП-34.
Контроллеры качества выполнены на отечественных анализаторах показателей качества электрической энергии "Магистр DM-306". Анализатор включен в Реестр средств измерения № 36598-07, сертификационный № 30083. Класс точности 0.5. В таблице представлен фрагмент экранной формы с ТПКЭ по одному из вводов распределительного устройства низкого напряжения РТП-34. Смена информации значений в таблице производится при отклонении любого параметра на 0,5% от предыдущего значения.
ПО ИИКСЭ™ позволяет принимать и передавать дискретные и аналоговые сигналы, контролировать различные параметры при нормальном или аварийном функционировании объектов, а также
Наименование A B C av/sum
U (В) E (В) I (A) 226 395,2 46,45 226 395,09 46,45 227 393,92 32,91 14,59 395,2 20,64 Действующие значения фазного напряжения (TRMS) Действующие значения линейного напряжения (TRMS) Действующие значения токов (TRMS)
S ^ВА) 10,5 10,5 7,47 28,47 Полная мощность, S=U*I
P (кВт) 10,38 10,08 6,88 27,34 Активная мощность, по определению
pf(S)/pf(Fr) 0,99/0,96 0,96/0,93 0,92/0,86 0,96 Коэффициент мощности pf(S)=P/S / pf(Fr)=cos(fi1)*(I1/I)
U1 (В) I1 (А) P1 (кВт) 225,97 45,91 10,37 225,98 45,84 10,06 226,98 32,76 6,84 226,31 41,51 27,27 Действующие значения напряжений 1-й гармоники Действующие значения токов 1-й гармоники Активная мощность 1-й гармоники
cos(fi1) 0,97 0,95 0,86 0,93 Косинус угла сдвига между Ш и И
ku%(THD-U) 1,57 1,45 1,47 Коэффициент искажения напряжений Кu%(THD-U)
ki%(THD-I) 15,38 16,4 8,8 Коэффициент искажения токов Кi%(THD-I)
Kcr(I/U) Fr(U)3,5,7,9% Fr(I)3,5,7,9% 1,50/1,41 1 0 1 0 11 3 8 4 1,71/1,41 1 1 1 1 11 7 7 5 1,54/1,43 1 0 0 0 3 3 3 3 Коэффициент амплитуды (крестфактор) (ток/напряжение) Значения 3, 5, 7, 9 гармоник в процентах от Ш Значения 3, 5, 7, 9 гармоник в процентах от И
Шрв (В) 0 0 0 Провалы (напряжение/длительность)
Шрн (В) 0 0 0 Перенапряжения (напряжения/длительность)
Шмп (В) K2U% K0U% 0 0 0 0 1 Импульсы (диапазаон) Коэффициент несимметрии по обратной последовательности Коэффициент несимметрии по нулевой последовательности
f(fu)=50f0 Частота напряжения
обмениваться данными с различными протоколами передач (RS-232/485, SNMP, TCP, и т.д). ПО позволяет контролировать работу РТП-34 на расстоянии, визуально отображать собираемые по информационным сетям данные в удобной для оператора форме. Предусмотрено звуковое оповещение при выходе величин заданных параметров за установленные пределы. ПО позволяет масштабировать объекты, добавлять новые параметры, устанавливать возможные пределы их изменения, осуществлять уведомление о критических событиях на объектах по сети, т.е. конфигурировать систему под необходимые требования. Оператор имеет возможность получать информацию о состоянии и статусе объектов и самостоятельно выбирать интересующие его параметры. В систему встроена функция криптографической защиты информации. Отображение информации осуществлено в виде стилизованных экранных форм, на которых изображается содержимое вводных и распределительных щитов высокого и низкого напряжения. Доступ к различным экранным формам обеспечивается с помощью кнопок перехода. При вызове экранной формы какого-либо объекта на мониторе появляется упрощенная электрическая схема, варианты таблиц, графиков и гистограмм. Рядом с электрическими вводами располагаются таблицы со значениями напряжений, токов, полных мощностей и коэффициентов мощности. Все значения отображаются в режиме on-line. Полученные диаграммы можно переносить для дальнейшей обработки в стандартные программы Windows.
При запуске программы открывается титульная страница с указанием направления деятельности продукта, контактной информацией и кнопками навигации по интерфейсу.
При нажатии на кнопку "Структура" на экране появляется полная схема главных цепей распределения энергии (рис.2) от высоковольтного ввода 1 (РП10114 Яч. 9) и высоковольтного ввода 2 (РП10114 Яч. 18) в РТП-34, ТП-33 и ТП-38.
Во всех схемах цвет проводов, шин, аппаратов и других элементов, находящихся под напряжением, определяется следующим образом:
• красный — напряжение подается от ввода 1;
• фиолетовый — напряжение подается от ввода 2;
• черный — напряжение отсутствует;
• желтый пунктирный — аппарат находится в аварийном состоянии.
На структурной схеме цветом выделены основные узлы РТП-34:
• лиловый — распределительное устройство высокого напряжения РУ ВН РТП-34;
• салатовый — распределительное устройство низкого напряжения РУ НН РТП-34;
• розовый — распределительное устройство низкого напряжения РУ НН ТП-33;
• голубой — распределительное устройство низкого напряжения РУ НН ТП-38.
При нажатии на кнопку "РУ ВН" на экране монитора открывается схема распределительного устройства высокого напряжения (рис.3) с питани-
ем от ввода 1 (РП10114 Яч. 9) и от ввода 2 (РП10114 Яч. 18) и соответствующими нагрузками (силовые трансформаторы, измерительные трансформаторы, аварийные вводы и резервы).
При нажатии кнопки "РУ НН" по умолчанию на экране вызывается схема РУ НН секция 1 (рис.4). Секция 1 питается от трансформатора Т1, секция 2 питается от трансформатора Т2, секция 3 питается от трансформатора Т1 через секционный выключатель QF31. Для перехода к секциям 2 и 3 необходимо нажать соответствующие кнопки "Секция 2" и "Секция 3".
Отходящие нагрузки РУ НН РТП-34 имеют свои названия и ячейки с текущими параметрами токов. Над нагрузками расположены измерительные трансформаторы тока (например, ТТ 1.1). В верхней части экрана напротив каждого трансформатора расположены гистограммы загруженности трансформатора. Загрузка трансформатора показана по трем фазам А, В, С соответственно, и суммарная по всем трем фазам. Числовые данные гистограммы выражены в процентах от полной (кажущейся) мощности. 100% загрузки трансформатора соответствует 33% общей мощности трех трансформаторов.
В помещениях РТП-34 "РУ НН" и "РУ ВН" размещены камеры наблюдения. На экране "РУ НН" и "РУ ВН" в левом верхнем углу расположены кнопки "Камера". При ее нажатии программа выдает список кнопок с обозначениями различных видов камер. После нажатия на каждую из них на экране монитора выдается изображение, передаваемое камерой в реальном времени.
После нажатия кнопки "Качество" на навигационной панели на экране монитора выводится панель вызова текущих показателей качества электроэнергии (ТПКЭ) в различных секциях РУ НН и РУ ВН.
Кнопки "ТПКЭ РУ ВН Секция 1", "ТПКЭ РУ ВН Секция 2", "ТПКЭ РУ ВН Секция 3", "ТПКЭ РУ ВН Яч. 6, ТП-33 Т4 Т2, ТП38 Т2" относятся к высокой стороне напряжения. Кнопки "ТПКЭ РУ НН Секция...", "Основные" и "Резервные ТПКЭ РУ НН Секция ...", "Токи в нейтральных проводах Т1, Т2, Т3" относятся к низкой стороне напряжения. При нажатии кнопок, расположенных слева, на экране появляются изображения, на которых нагрузки располагаются по порядковому номеру. При нажатии кнопок, расположенных справа, на экране появляются изображения, на которых нагрузки делятся на те, которые всегда находятся под напряжением (основные), и на те, которые могут быть в резерве (резервные). На рис. 5 представлен пример экранной формы качества электроэнергии по высокой стороне (10 кВ). На рис. 6 представлен пример экранной формы качества электроэнергии по низкой стороне (0,4 кВ).
При нажатии кнопки "Токи в нейтральных проводах" на экран выводятся измеренные и вычисленные токи в соответствующих нейтральных проводниках. При нажатии кнопки "Учет" оператор получает доступ к параметрам счетчиков "Меркурий-230", установленных на стороне низкого напряжения.
гамщщю
Рис. 1. Структура ИИКСЭ
Рис. 2. Структура главных цепей РТП-34
иэИ(Ту)РТТ1 34 Рврпр&Хпчтепьчое гСпрХ&паооыоок'Ханалр***!*'**1
-i-fH-1 тем ТЗ 10Й.4 бЭОсВА Joj ЮЩТУ) РТП 34 Пмкшадеяим раслродшлжльмо* yanpoC'tmco РУИН СЕКЦИЯ1 л»РГМ*Т!*З э«доы пхз 5Н А Й С X X В С »» i а П С IV Вч MM illll— (Mil J2S T2 10/04 «ЙБА
\ S (С1 W4 "55 ** " • ■ <« » В ■»ЮТ t • (I J "j m w 1*« № ■ « ЛВ n « «ДВИ
J* 5 SE "S "M
—as~~....... (1 -- ----- ---- -«v I « { ["«
I ^ " vl » "IT m (iTTi. fi С En® r i »■55 —
ф> ш 1 C I ...... г 1 1 V: ' c " С I™ — £' -к С » a*
Р'в Wf ■ IB м 'ism; —i-1-1- _ Mill. -1- ЧР
Рис. 3. Распределительное устройство Рис 4 РаспреДелительное устройство
высокого напряжения шзюп напряжения
Рис. 5. Текущие параметры качества Рис. 6. Текущие параметры качества
электроэнергии РУ ВН электроэнергии РУ НН
Данная система мониторинга является лишь инструментом для оперативного получения данных о текущих и усредненных значениях показателей качества электроэнергии и других параметров электрических сетей. Таким образом, внедрение систем мониторинга и повышение качества электроэнергии имеют важное техническое и экономическое значение. Демонстрация представлен-
ной системы мониторинга и другие новейшие разработки в области автоматизации контроля и повышения качества электроэнергии регулярно проводится на семинарах НОУ ВПО МИЭЭ, посвященных договорным отношениям между потребителями и поставщиками электроэнергии, проектированию и электроизмерениям в электроустановках.
Литература
1. Киреев С.И., Ступишин В.С., Урывский Б.В., Хруслов Л.Л., Шишов В.А. Информационно-измерительный комплекс систем электроснабжения объектов телерадиовещания // Энергонадзор и энергобезопаст-ность. 2007. №8. С. 40-44.
2. ГОСТ-13109—97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск: ИПК "Изд-во стандартов", 1998.
гамщщю
