CC BY
136
30. Сысоева В. В., Чедрик В. В. Алгоритмы оптимизации топологии силовых конструкций // Ученые записки ЦАГИ. 2011. Т. XIII, № 2. С. 91-102.
АРУТЮНОВ Юрий Артемович, кандидат физико-математических наук, доцент (Россия), ведущий научный сотрудник Научно-клинического центра спортивной медицины Федерального медико-биологического агентства России, г. Москва. БОРОДИН Олег Николаевич, инженер Проектно-изыскательского института «Трансэлектропроект», филиал АО «Росжелдорпроект», г. Москва. ДРОБЯЗКО Александр Александрович, инженер ООО «Двойная спираль», г. Москва.
ЧАЩИН Евгений Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Электротехника» Ковровской государственной технологической академии им. В. А. Дегтярева, г. Ковров.
ШАШОК Павел Александрович, инженер ООО «Двойная спираль», г. Москва.
Адрес для переписки: 601911, Владимирская обл., г. Ковров, ул. Маяковского, 19, каф. «Электротех-
Статья поступила в редакцию 24.10.2017 г. © Ю. А. Арутюнов, О. Н. Бородин, А. А. Дробязко, Е. А. Чащин, П. А. Шашок
удк 621.317.18 И. В. БЕЛИЦЫН
Д. В. РЫСЕВ
Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова, г. Барнаул
Омский государственный технический университет, г. Омск
ПРОБЛЕМЫ КОНТРОЛЯ И АНАЛИЗА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И СПОСОБЫ ИХ РЕШЕНИЯ
Проведен обзор и анализ существующих проблем метрологического контроля показателей качества электрической энергии. Исследовано влияние показателей качества электрической энергии на эффективность использования электрооборудования и недоучет электроэнергии. Приведено сравнение метрологических характеристик электромагнитных и оптических измерительных трансформаторов. Показаны недостатки дискретного преобразования Фурье. Предложен метод обработки временных рядов на основе вейвлет-анализа.
Ключевые слова: качество электрической энергии, измерительные трансформаторы, обработка временных рядов, вейвлет-анализ.
Президент Российской Федерации в Указе № 889 от 04.06.2008 «О некоторых мерах по повышению энергетической эффективности российской экономики» [1] определил основную задачу энергетического комплекса — снизить к 2020 году энергоемкость ВВП России не менее чем на 40 % по сравнению с уровнем 2007 года. Это снижение возможно осуществить, используя электрическую энергию надлежащего качества, так и за счет сокращения потерь электроэнергии при её транспортировке к 2020 году с величины 11,6 % до уровня 8,8 %. Такая же задача сформулирована и в Энергетической стратегии России на период до 2030 года [2].
Обеспечение потребителей качественной электрической энергией является одним из направлений повышения эффективности функционирования, как отдельных энергетических систем единой национальной энергетической системы, так и энергетического комплекса всей страны.
Показатели качества электрической энергии (ПКЭ) определяются государственным стандартом [3]. ПКЭ определяют уровни электромагнитной совместимости (ЭМС) как для индуктивных, так и кондуктивных электромагнитных помех в системах электроснабжения общего назначения. К основным ПКЭ можно отнести: длительность провала напряжения; размах изменения напряжения; импульсное напряжение; коэффициент к-ой гармонической составляющей напряжения; коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности; коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности; коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения.
При невыполнении требований [3] к электрической энергии возникает экономический ущерб потребителей некачественной электроэнергией, это связано с преждевременным старением изоляции, со снижением эффективности использования электрооборудования, а также с его отказом.
Рис. 1. влияние напряжения нулевой последовательности на результирующие напряжения: а — векторная диаграмма напряжений прямой последовательности; б — векторная диаграмма напряжений нулевой последовательности; в — векторная диаграмма результирующих напряжений
Например, при несимметрии напряжения в трёхфазной сети появляется напряжение нулевой последовательности, которое приводит к изменению напряжения для однофазных электроприёмников (рис. 1). В этом случае через заземлитель постоянно будут протекать токи нулевой последовательности, что приводит к высушиванию грунта, при этом естественно увеличивается сопротивление заземляющего устройства. Это неприемлемо для надёжной работы релейной защиты и автоматики из-за усиления их воздействия на низкочастотные установки связи, устройства блокировок.
Появление токов нулевой и обратной последовательностей увеличивает общие токи в отдельных фазах электрической сети и, следовательно, приводит к увеличению потерь энергии и мощности в её отдельных элементах, что, с точки зрения нагрева, недопустимо.
Наличие гармонических составляющих тока приводит к недоучёту электроэнергии, обусловленному отрицательной погрешностью счетчиков [4]. Для сбытовых компаний недоучёт электрической энергии может доходить до 4 — 5 %, а для отдельных счетчиков электрической энергии может составлять 20 % и более.
Такое положение связано, в первую очередь, с отсутствием нормативно-правовых актов и технических регламентов, определяющих процедуру выявления потребителей электрической энергии, ответственных за ухудшение ее качества, определение объема электрической энергии ненадлежащего качества, порядка применения штрафных санкций, признания взаимной ответственности потребителей и субъектов электроэнергетики и т. п. [5].
На сегодняшний день контроль за ПКЭ носит кратковременный, непериодический характер. Это связано с подтверждением соответствия ПКЭ требованиям стандарта и договором субъектов электроэнергетики после поступления жалоб со стороны потребителей электрической энергии или контрольных проверок. Результаты этих кратковременных измерений не отражают реального состояния качества электроэнергии.
Непериодический кратковременный характер измерений ПКЭ не способствует обоснованной разработке мероприятий, направленных как на улучшение ПКЭ, так и на повышение надёжности электроснабжения потребителя [6].
Разработка организационных и технических мероприятий для обеспечения регламентируемых ПКЭ возможна только в случае определения факти-
ческого состояния качества электроэнергии во всех узлах электрической сети.
Решение этого вопроса, а также определение электромагнитной обстановки на электроэнергетических объектах возможно только в случае мониторинга [7, 8].
Мониторинг ПКЭ позволяет накопить статистическую базу по каждому показателю КЭ, в дальнейшем на её основе можно прогнозировать процессы, протекающие в электрической сети, значения показателей качества, рассчитывать уровни надёжности электроснабжения потребителей электроэнергии, планировать мероприятия для обеспечения надёжного электроснабжения качественной электроэнергией.
Электромагнитные процессы в электрических сетях протекают с большой скоростью, поэтому целесообразно их фиксировать, а после этого производить их обработку и анализ. Таким образом, ПКЭ определяются косвенными измерениями путем обработки статистической информации в форме временных рядов.
Для оперативного управления качеством электрической энергии, а также для повышения точности, информативности, надёжности данных, получаемых при измерении ПКЭ, необходимым условием является непрерывный мониторинг ПКЭ [7]. Только в этом случае возможен контроль ПКЭ в режиме реального времени с целью выполнения корректирующих мероприятий для приведения ПКЭ в соответствие с требованиями Государственного стандарта.
Для создания такой системы мониторинга необходимо решить ряд технических и методических проблем. Технические проблемы связаны, в первую очередь, с метрологическими характеристиками существующих первичных преобразователей — трансформаторов тока и напряжения и точностью средств измерений. Известно, что при измерении ПКЭ в электроустановках выше 1 кВ, необходимо использовать преобразователи напряжения. В качестве преобразователя напряжения обычно выступают находящиеся в эксплуатации электромагнитные трансформаторы напряжения, которые используются как для обеспечения работы устройств релейной защиты и автоматики, так и учёта электроэнергии.
Согласно [3], допускается производить измерения ПКЭ, кроме отклонения частоты, с погрешностью, не превышающей более чем в полтора раза установленную при оснащении электрических сетей трансформаторами напряжения.
Рис. 2. Сравнительные частотные характеристики: 1 — традиционный трансформатор; 2 — оптический трансформатор
Практика эксплуатации показала, что большинство трансформаторов напряжения 3-35 кВ не подвергаются периодической поверке, а фактическое значение из погрешностей может намного отличаться от требуемых значений [9].
Недостаточно освещены вопросы нормирования и исследования частотных характеристик трансформаторов напряжения, хотя именно передаточная характеристика в большей степени влияет на результат измерений гармонического состава и амплитуд составляющих гармоник напряжения [10].
Анализ зарубежного опыта эксплуатации трансформаторов напряжения показал, что около 30 % трансформаторов напряжения не соответствует требуемому классу точности. В большинстве случаев у трансформаторов напряжения реальная амплитудная погрешность в несколько раз превышает предел допустимой [9].
Похожая картина наблюдается с частотными характеристиками трансформатора напряжения; так, угловая погрешность трансформатора напряжения типа НОМ-10 на частоте 2000 Гц превышает 10 электрических градусов. Емкостные трансформаторы напряжения, применяемые в электрических сетях с напряжением 110 кВ и выше, имеют узкую полосу пропускания в частотном диапазоне около 50 Гц [10].
Таким образом, из-за значительной погрешности трансформаторов напряжения могут быть неправомерно наложены штрафные санкции на потребителя электрической энергии или же эти санкции не будут отражать действительный вклад этого потребителя в ухудшение ПКЭ. В случае отсутствия достоверных результатов мониторинга ПКЭ теряет всякий смысл управление качеством электроэнергии в сетях напряжением выше 1 кВ.
Существует несколько путей решения этой проблемы. Один из них заключается в организации периодических поверок с диагностированием частотных характеристик первичных преобразователей, находящихся на балансе сетевых компаний. Так, для трансформаторов напряжения и тока, используемых для осуществления торговли и расчетов между продавцом и покупателем, установлен межповерочный интервал в 8 лет. Поскольку отсутствуют в достаточном количестве резервные первичные преобразователи больших габаритов и массы, то возникают сложности с их доставкой в стационарные поверочные лаборатории, особенно для классов напряжения 110 кВ и выше [9]. Кроме это-
го, метрологические характеристики трансформаторов напряжения имеют зависимость от параметров и характеристики нагрузки, поэтому возможно использование передвижной поверочной лаборатории [9].
Другой путь заключается в применении первичных преобразователей, принцип работы которых отличен от работы традиционных электромагнитных трансформаторов. В качестве примера приведено сравнение метрологических характеристик традиционных электромагнитных трансформаторов и оптических (табл. 1) (рис. 2).
Методические проблемы связаны с обработкой временных рядов при проведении мониторинга ПКЭ, которые выполняются с применением цифровых методов, основанных на классическом дискретном преобразовании Фурье [11].
Для сокращения времени, необходимого для проведения дискретного преобразования Фурье, используется алгоритм быстрого дискретного преобразования Фурье. Методическая проблема измерения количества и показателей качества электроэнергии связана с реализацией цифровой обработки и передачей данных в масштабе реального времени [12].
Алгоритм быстрого преобразования Фурье занимает монопольное положение среди алгоритмов для спектральной оценки, применяемый в стандартных измерительных системах и комплексах оценки ПКЭ, находящихся в эксплуатации. Вместе с тем известны источники методической погрешности, приводящие к снижению точности результатов гармонического анализа и к их качественному искажению [13].
Главным недостатком алгоритмов Фурье является ограниченность частотного разрешения и недостаточная точность оценки частоты отдельных гармонических компонент. В первом случае — это разрешающая способность разделения двух спектральных составляющих с близкими частотами, а во втором — правильность определения частоты обособленной гармонической компоненты. Для повышения точности проведения БПФ применяется ряд дополнительных математических операций. Так, для исключения эффекта рассеяния выполняется синхронизация частоты дискретизации с частотой исследуемого сигнала, дополнение нулями исходной выборки анализируемого сигнала либо применяются временные или спектральные окна. Эффективным средством уменьшения спектральных утечек является также применение оконных
Таблица 1
Сравнение метрологических характеристик электромагнитных и оптических измерительных трансформаторов
Метрологическая характеристика Традиционные Оптические
1. Класс точности ТТ-0.28/ТН-0.2/5Р
2. Динамический диапазон, в котором сохраняется класс точности ТТ (1 % - 120 %) 1ном ТН (80 % - 120 %) ЦТ. ТТ (0,2 %-200 %) ¡ноМ ТН(50 %-200 %)ином Перенастраиваемые пользователем коэффициенты трансформации по току и напряжению
3. Ширина полосы пропускания Не нормируется. Ёмкостные ТН имеют значительную неравномерность амплитудно-частотной характеристики, вызванную наличием компенсирующего реактора. Частотная характеристика электромагнитных ТН имеет резонансные пики в области частот 1000-1600 Гц. Линейность амплитудно-частотной в диапазоне от 30 Гц до 5 кГц позволяет осуществить контроль качества электрической энергии с возможностью оценки до 100 гармонических составляющих напряжения и тока в высоковольтных цепях. Сравнительные частотные характеристики трансформаторов приведены на рис. 2
4. Требования по точности измерения гармонических составляющих для систем измерения Не нормируется Нормируется в соответствии со стандартами 1ЕС 60044-7 и 1ЕС 60044-8 Гармоники: По току По углу 2-4 2 % 2° 5-6 4 % 4° 7-9 8 % 8° 11-13 16 % 16°
5. Требования по точности измерения гармонических составляющих для систем защиты Не нормируется Нормируется в соответствии со стандартами 1ЕС 60044-7 и 1ЕС 60044-8 Гармоники: По току По углу 1/3 (16.7-20 Гц) 10 % 10° 2-5 10 % 10°
6. Погрешность токовых трансформаторов, связанная с изменением первичного тока и нелинейностью амплитудной характеристики В области малых токов (1б <20 % 1ном) статические погрешности ТТ в зависимости от условий эксплуатации, могут достигать от десятых долей процента до единиц процентов Погрешности вторичных цепей нормируются величиной 0,25 %. Погрешности трансформаторов, обусловленные несбалансированностью нагрузки, могут достигать значения 0,2 %
7. Погрешности, связанные с характеристиками вторичных нагрузок трансформаторов и вторичных цепей тока и напряжения Амплитудная характеристика линейна в диапазоне токов (0,2 %-200%) ¡ноМ Для оптических трансформаторов длина вторичных цепей ограничена расстоянием от комплекта электроники до панели учёта. Наличие цифрового интерфейса в трансформаторах устраняет потери, связанные с дополнительными погрешностями вторичных цепей и влиянием вторичных нагрузок на точностные характеристики трансформаторов
8. Дополнительные погрешности измерений Повышенный тангенс диэлектрических потерь и ухудшенные переходные характеристики ёмкостных ТН. Погрешность 10 % вторичного напряжения, вызванная остаточным уровнем при внезапных КЗ в первичной сети в течение одного периода промышленной частоты Минимальное воздействие на линию вследствие отсутствия потерь в трансформаторах. Обеспечивают улучшенную переходную характеристику, обусловленную расширенным динамическим диапазоном и полосой пропускания
функций в соответствии с интерполяционным алгоритмом.
Однако эти способы не обеспечивают увеличения частотного разрешения. Применение временных или спектральных окон позволяет уменьшить эффект рассеяния вследствие ухудшения частотного разрешения (в связи с исключением части информации об анализируемой функции), а при дополнении исходной выборки нулями увеличивается избирательность оценивания частот узкополосных
спектральных пиков вследствие уменьшения неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и, соответственно, погрешностей, связанных с ее неравномерностью.
Решение этой проблемы заключается в применении вейвлет-анализа для анализа временных рядов [14, 15]. Так, вейвлет-декомпозиция осуществляет преобразование сигнала в двухмерную область, при этом имеется возможность получения частотных компонент с их одновременным расположением
на временной оси. Полученные при вейвлет-ана-лизе коэффициенты в дальнейшем можно использовать при анализе ПКЭ в случае возникновения различных видов искажений исследуемого сигнала, получаемого с первичных преобразователей напряжения и (или) тока.
Вывод. Таким образом, решение проблемы контроля и анализа ПКЭ в сетевых и энергосбытовых компаниях возможно в случае организации при проведении периодической поверки измерения частотных характеристик измерительных трансформаторов на месте их эксплуатации. При выявлении больших погрешностей принимать решение о замене традиционных измерительных трансформаторов на измерительные трансформаторы с другим принципом работы, например, оптические. В случае невозможности замены измерительных трансформаторов, а также для выявления и измерения интергармоник и субгармоник тока и напряжения, дискретное вейвлет-преобразование позволяет разработать алгоритмы идентификации искажений.
Библиографический список
1. О некоторых мерах по повышению энергетической эффективности российской экономики: Указ Президента Российской Федерации от 4 июня 2008 г. № 889. URL: http://www. rg.ru/2008/06/07/ukaz-dok.html (дата обращения: 15.11.2017).
2. Об Энергетической стратегии России на период до 2030 года: распоряжение Правительства РФ от 13.11.2009, № 1715-р. URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_ LAW_94054 (дата обращения 15.11.2017).
3. ГОСТ 32144 — 2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 2014 — 07 — 01. М.: Стандартинформ, 2014. 19 с.
4. Степанов В. М., Базыль И. М. Влияние высших гармоник в системах электроснабжения предприятия на потери электрической энергии // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. № 12 — 2. С. 27-31.
5. Праховник А. В., Денисенко Н. А., Волошко А. В. К вопросу измерения и оценки показателей качества электрической энергии // Энергетика и электрификация. 2012. № 3. С. 21-27.
6. Кузнецов Н. М., Семенов А. С. Разработка системы мониторинга для измерения показателей качества электроэнер-
гии на горных предприятиях // Фундаментальные исследования. 2013. № 4-2. С. 295-299.
7. Белицын И. В. Мониторинг магнитного поля воздушных линий электропередач на основе ИИС блочно-модуль-ной конструкции // Ползуновский вестник. 2011. № 2-2. С. 56-65.
8. Broomhead D. S., King G.P. Extracting qualitative dynamics from experimental data // Physica D. 20. 1986. P. 217-236. DOI: 10.1016/0167-2789(86)90031-X.
9. Ярославский В. Н., Гамазов Ю. А. Об организации периодической поверки измерительных трансформаторов // Электротехника. 2000. № 9. С. 44-48.
10. Лымарь О. В., Широков О. Г. Анализ существующего метода измерения частотных свойств трансформаторов напряжения, используемых для контроля показателей качества электроэнергии // Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. 2004. №1. С. 41-46.
11. Vautard R., Yiou P., Chil M. Singular-spectrum analysis: A toolkit for short, noisy chaotic signals // Physica D. 58. 1992. P. 95-126.
12. Волошко А. В. К вопросу мониторинга показателей качества электрической энергии // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2015. № 3. С. 76-85.
13. Воробьёв В. И, Грибунин В. Г. Теория и практика вейв-лет-преобразования. СПб.: ВУС, 1999. 204 с.
14. Астафьева Н. М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения // Успехи физических наук. 1996. Т. 166, № 11. С. 1145-1170. DOI: 10.3367/UFNr.0166.199611a.1145.
15. Павлов А. Н., Филатова А. Е., Храмов А. Е. Цифровая фильтрация и частотно-временной анализ нестационарных сигналов на основе вейвлетов и эмпирических мод // Радиотехника и электроника. 2011. Т. 56, № 9. С. 1099-1099.
БЕЛИЦЫН Игорь Владимирович, кандидат педагогических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова, г. Барнаул. Адрес для переписки: b_i_w@mail.com РЫСЕВ Дмитрий Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрическая техника» Омского государственного технического университета.
Адрес для переписки: rysev_dmitry@list.ru
Статья поступила в редакцию 21.11.2017 г. © И. В. Белицын, Д. В. Рысев
р
о
