Контроль параметров электрической сети: Системы мониторинга и контроля параметров электросети предприятия

Системы мониторинга и контроля параметров электросети предприятия

Компания «JANITZA GbmH» предлагает комплексное решение для анализа эффективности энергопотребления предприятия на базе анализаторов мощности компании Janitza.

Анализ энергопотребления невозможен без постоянного мониторинга потоков энергии в системе электроснабжения. В системах энергоменеджмента и управления себестоимостью, а так же в системах контроля качества электросети не обойтись без универсальных измерительных устройств. Решение компании «Инжэлектрокомплект» на базе приборов UMG96RM компании Janitza предназначено для решения подобных задач.

• Энергоэффективность в компактном корпусе.

UMG 96RM очень компактный и мощный анализатор электроэнергии. Устройство оборудовано мощным инновационным микропроцессором.

Частота сканирования всех каналов измерения в 20 кГц позволяет производить непрерывное измерение и сбор нескольких сотен измеряемых значений с высокой точностью.

Современная микропроцессорная технология, компоненты со строгими допусками, опыт производства, проектирования и собственного программирования в несколько десятков лет гарантируют высокую точность измерения и надежность UMG 96RM.

Малая глубина монтажа позволяет произвести интеграцию даже там, где пространство сильно ограничено, например, в распределительных шкафах. Монтаж и затраты на подключение могут быть существенно уменьшены благодаря простой конструкции.

Считывание и запись параметров энергии и профиля нагрузки С помощью UMG 96RM детализация потребления энергии и профиля нагрузки становиться простой задачей в рамках исследования энергии. Данный анализ необходим для контроля энергоэффективности и безопасности систем распределения энергии.

• Анализ стоимости электроэнергии в общей себестоимости продукта предприятия

Всё более и более важным для промышленных предприятий является привязка стоимости энергии к специфическим продуктам, а также возможность определения спадов и распределения стоимости за электроэнергию (отклонение от тренда), чтобы учитывать их в индивидуальных процессах и потребителях.

• Автоматизированные системы управления

Автоматизированные системы управления производством и потреблением энергии по стандарту EN16001 являются необходимыми для непрерывного достижения энергоэффективности и уменьшения затрат. Универсальные измерительные приборы серии UMG 96RM — важная составная часть автоматизированных систем управления производством и потреблением энергии, которая позволит добиться уменьшения штрафов наряду с другими преимуществами.

Прозрачность систем распределения электроэнергии. Более высокая степень прозрачности может быть достигнута посредством внедрения многоступенчатой и масштабируемой системы измерения. Только посредством непрерывного измерения приборами с высокой точностью, возможно, провести анализ временно возникающих событий и найти правильное решение.

Контроль качества электросети UMG 96RM предоставляет необходимую информацию о недостаточном качестве энергии и позволяет принять меры для решения проблем энергосистемы. Как результат — предотвращение остановок производства, значительное увеличение срока службы производственных ресурсов, а также улучшение устойчивости для инвестиций, связанных с ними.

UMG96RM

Компактный и мощный многофункциональный прибор UMG 96RM для измерения энергии. Устройство измеряет и записывает данные о потреблении электроэнергии. Фиксирует стандартные характеристики качества энергии, такие как ток, напряжение, частота, мощность и многие другие характеристики, например гармоники, до 40-й включительно, и др.

Высокая точность измерения, компактный дизайн, обширные измеряемые данные, различные протоколы для интеграции в системы передачи данных и компактный дизайн делают UMG 96RM непревзойденным в его классе.

Точность измерения: 0,2 %(V), класс kWh = 0,5

Высокая частота выборки 20 кГц, точность измерения 0.2 % (V), Класс энергии 0.5 (кВтч) для измерения качества энергии.

8-тарифный счётчик активной и реактивной энергии

Измерение энергии в 4 квадрантах, с 4 тарифами активной и реактивной энергии в каждом, гарантирует точное и надежное получение данных энергии для отдельных потребителей или для полного электропитания.

Богатые коммуникационные способности: Ethernet, Profibus, ModBus, M-Bus …

Простая интеграция на уровне систем (АСКУЭ, PLC, SCADA, BMS) гарантирована множеством интерфейсов и протоколов. Программное обеспечение GridVis, которое входит в комплект поставки, является основой для автоматизированных систем управления производством и потреблением энергии и исследования качества мощности.

Большая память для записи данных

Объём памяти измеряемых данных в 256 MB и определяемая пользователем конфигурация записи позволяет хранить записанные данные в течение длительного времени.

Анализ Фурье с 1 по 40-ю гармоники!

Измерение гармоник с 1-й по 40-ю, отображение информации о качестве мощности, помехах и «загрязнённости» электрической сети.

Разъёмы с винтовыми клеммами

Разъёмные винтовые клеммы под винт позволяют произвести простой и удобный монтаж в местах с ограниченным доступом.

Подсветка дисплея

Большой, высококонтрастный ЖК-дисплей с подсветкой гарантирует простое управление и отличное считывание информации даже в плохих условиях.

UMG 96RM доступен в различных вариантах оснащения, для различных применений и удовлетворения потребностей рынка. Различия между вариантами прежде всего в интерфейсах, протоколах и конфигурации входов и выходов. Стандартное устройство уже оборудовано быстрым интерфейсом RS485 с протоколом Modbus и 2 цифровыми выходами. Все последующие варианты имеют 4 цифровых входа, 6 цифровых выходов, встроенные часы, батарею и память как стандартное оснащение.

Profibus и цифровые входы/выходы

Profibus часто используется в системах, где UMG 96RM должен быть интегрирован в среду автоматизации (контроллеры ПЛК).

Вход для измерения температуры и аналоговый выход

Множество входов и выходов позволяют произвести эффективное внедрение устройства в информационные системы. Система распределения низкого напряжения, трансформатор или стойка сервера могут быть защищены от превышения температуры посредством входа для датчика температуры.

M-Bus

Промышленная шина M-Bus позволяет осуществлять сбор данных потребления от различных приборов учёта, таких как вода, газ, тепло или электрический ток. UMG 96RM может быть внедрён в систему сбора данных через M-Bus соединение без особых затрат.

4-й вход для трансформатора тока

Рост нелинейных нагрузок приводит к увеличению «загрязнений» энергосистемы и частым перегрузкам нейтрального проводника из-за гармоник тока. Нейтраль можно постоянно контролировать посредством 4-го входа для измерения тока.

Ethernet (TCP/IP)

Все чаще и чаще коммуникации промышленных систем переходят от стандартных шин к Ethernet (TCP/IP). Ethernet интерфейс UMG 96RM гарантирует простоту интеграции в сеть передачи данных, а также быстрое и надёжное создание архитектуры коммуникаций.

Ethernet (TCP/IP) + цифровые и аналоговые входы/выходы

Наряду с прозрачностью электрической сети умные системы управления энергией также выполняют активное управление потоками мощности и энергии. Кроме того UMG 96RM предлагает множество конфигураций для входов/выходов для интеллектуальной интеграции и задач управления.

• Внешнее питающее напряжение с широким диапазоном.
• Аккумуляторный отсек позволяет быстро заменить батарею, во время работы устройства.
• Ethernet подключение для быстрой и безопасной интеграции в сеть или USB- разъём для конфигурации устройства.
• Большое количество цифровых входов и выходов (до 4 входов и 6 выходов) позволяет интегрировать второстепенные точки измерения также просто, как и UMG 96RM интегрируется в систему передачи данных.
• 4ый вход для измерения тока позволяет контролировать ток в нейтрали или измерять 4 независимые однофазные нагрузки.

Малая глубина монтажа позволяет произвести интеграцию даже там, где пространство сильно ограничено, например, в распределительных шкафах. Монтаж и затраты на подключение могут быть существенно уменьшены благодаря простой конструкции.

Программное обеспечение:

Программное обеспечение GridVis для программирования и визуализации электрической сети, которое входит в комплект поставки, позволяет осуществить простую и быструю настройку устройства. Индивидуальная визуализация источника энергии возможна при помощи топологии. При просмотре в режиме реального времени измеряемые данные могут записываться на ПК в одно и то же время. Кроме того GridVis предлагает удобные возможности представления и анализа исторических данных из базы данных. Автоматическое считывание измеряемых параметров и управление данными особенно важно для средних и больших проектов. Информация может сохраняться в различных типах баз данных.

• Визуализация измеряемых значений
• Автоматическое считывание кольцевого буфера приборов
• Хранение измеряемой информации в базе данных
• Графическое представление измеряемых величин в режиме реального времени
• Настраиваемая топология со свободно выбираемыми значениями
• Настройка измерительных приборов
• Графическое программирование пользовательских программ или написание при помощи исходного кода Jasic®
• Настройка, визуализация, обработка и анализ данных
• Разработка обширных автоматизированных систем управления производством и потреблением энергии
• Визуализация источников энергии при помощи топологии
• Документирование качества мощности со свободным выбором периода времени
• Анализ причин ошибок сети
• Центр обработки стоимости энергии, то есть простое и точное вычисление стоимости электричества
• Стабилизация источника энергии при помощи функции сигнализации превышения заданных пределов, например перенапряжения или кратковременное прерывание
• Улучшение качества мощности, например анализ гармоник для обнаружения неисправностей
• Анализ профиля нагрузки, к примеру, прогнозирование потребления для улучшения контракта с поставщиком энергии.

По материалам компании Janitza electronics GmbH

Устройства мониторинга, контроля и анализа электроэнергии

Актуальность контроля качества электроэнергии (КЭ)

© Инж. Борис Гендельман, Проф. Мендель Кричевский, 2012

SATEC LTD, 2012

Сегодня необходимые требования к контролю КЭ подразумевают в первую очередь контроль параметров напряжения, в соответствии со стандартом ГОСТ 13109-97, включая сбор статистики и выдачу отчётов, что должно обеспечиваться любым анализатором качества электроэнергии.

Одновременно с этим в последние 15 лет происходит изменение характера нагрузки электросетей. Повсеместное внедрение инверторов (компьютеры, медтехника, большая часть бытовой электроники, производственное оборудование), внедрение частотных преобразователей, электронных регуляторов скорости двигателя, регулируемого освещения (диммеров), использование люминесцентных светильников, имеющих вместо индуктивного электронный балласт, ведет к увеличению энергетической эффективности аппаратуры.

Снижается полная электрическая мощность источников света, уменьшаются внутренние потери и масса приборов, используемых в быту и на производстве. Но вместе с этим не падает, а растёт абсолютная величина высших гармоник тока, которые массово создают всё более распространенные электронные преобразователи внутри самой электросети.

Потребляемая нагрузкой полная мощность по мере вывода из эксплуатации устаревшего оборудования может уменьшиться в отдельных кластерах. Но мощность гармоник, выбрасываемых обратно в электросеть, в ближайшие годы будет только возрастать. В связи с этим, возникла необходимость комплексного контроля качества электроэнергии.

Необходимость контролировать качество токов

Ввиду очень высокого импеданса нелинейных нагрузок, когда они рассматриваются на эквивалентной схеме электросети в качестве источника гармоник тока и низкого импеданса электросети, сгенерированные нелинейной нагрузкой высокие гармоники тока почти не создают в сети падения напряжения. Форма осциллограммы напряжения поэтому искажается на порядок слабее, чем форма токовых осциллограмм.

С целью диагностики влияния возникающего режима гармонических токов на трансформаторы и кабели измеряется параметр ТDD в точке электросети – оценка фактического тока гармонического загрязнения как доли от максимального продолжительно потребляемого тока оборудования (линий) IL.

   (стандарт IEEE 519)

Если за IL принять номинальный ток, ТDD по току более 6% приведет к ускоренному расходу ресурса трансформаторов и потерям, ТDD > 10% может вызвать критический перегрев или возгорание аппаратуры и кабелей. Для расчёта тепловых потерь в обмотках используется коэффициент роста потерь от вихревых токов K-factor (см. ниже).

Мониторинг всего комплекса коэффициентов в измерительных приборах позволяет грамотно оценить ситуацию и выявить приоритеты для работы с электросетью и её оборудованием. При необходимости, в приборах предусматривается формирование пользовательских отчетов по индивидуальным гармоникам, гармоникам в группах по определенному признаку, либо по всем гармоникам, а так же статистика событий КЭ.

Для выявления фактической ситуации с формой осциллограмм напряжения и тока используются параметры THDV (КИС напряжения), THDI (КИС токов) – мера отклонения формы графика напряжения и тока от синусоиды. КИС отличается от TDD тем, что сравнение тока высших гармоник идет с первой гармоникой тока. Так возможно оценить только степень искажения графика, его внешнее, визуальное отличие от синусоиды.

(стандарт IEEE 519)

Как показывает определение, высокое значение THDI (КИС тока) при малой нагрузке не даёт представления о загруженности аппаратуры гармониками, в отличие от TDD, а лишь указывает на изменение формы графика кривой тока.

Рис. 1. Форма графика тока: THDI (КИС тока) = 25.7 %. Tок цепи мал.

По сравнению с ситуацией десятилетней давности, на сегодня приспособленность оборудования в энергосистемах к протеканию в них интенсивных гармонических токов на частотах 150, 250, 550 Гц и выше приобретает значение в смысле сохранения ресурса трансформаторов и необходимости пересчёта их реального ресурса с учетом теплового износа от нового вида паразитных потерь на гармониках тока, под которые оборудование не проектировалось.

Потери отдельно взятого силового трансформатора под гармониками тока в реальных ситуациях растут обычно на 15-60% по сравнению с его работой на такой же мощности, но при синусоидальном токе. Потери в обмотке на вихревые токи будут расти пропорционально квадрату частоты.

В качестве примера: присутствие тока 5-й гармоники, который равен всего лишь 4% тока первой гармоники, удвоит потери на вихревые токи. Ток 11-й гармоники, равный 0.8 % тока первой гармоники, произведет тот же эффект. Кратность электрических потерь в обмотках из-за присутствия гармоник тока, по отношению к тем потерям, которые были бы при том же RMS токе (в амперах), какой протекает в данный момент с учетом гармоник, дается выражением:

Интенсивные гармонические токи в реальных трансформаторах часто приводят к тому, что потери на вихревые токи вырастают до величины активных потерь, что почти удваивает общие потери трансформатора, доводя их до 2% (и более) от номинальной мощности. Проблема может быть устранена либо сменой трансформаторов на специальные K-Rated трансформаторы, как делают в Европе, либо выявлением и анализом состава и графика гармоник и применением компенсирующих мер для восстановления «чистой» сети.

Разные гармоники по разному проходят трансформатор. При наличии обмотки по схеме «ТРЕУГОЛЬНИК», гармоники с номерами 3, 9, 15, 21, 27 … «оседают» в этой обмотке, токи остальных гармоник проходят через нее и подвергаются трансформации. При наличии обмотки по схеме «ЗВЕЗДА», трансформации подвергнутся все гармоники.

Дополнительные потери энергии суммируются на разных уровнях напряжения на нескольких трансформаторах. В обмотках одного и того же трансформатора значение K-factor обычно выше на низкой ступени напряжения. На рисунке 2 приведен график недельных замеров K-factor на обмотках реального трансформатора 22/0.4 кВ на входе большого пивоваренного завода. Именно K-factor определяет дополнительные потери в трансформаторе.

Рис. 2. K-factor = 3.7, обмотка 22 kV

K-factor = 7.1, обмотка 0.4 kV

Эксплуатация – продолжительный и динамический процесс. Контроль режима потерь трансформатора по гармоникам не производят обычные приборы учета и контроля. Эту возможность дает только измерительная аппаратура с разработанным комплексом анализируемых параметров по таким стандартам, как IEEE 519 и G5/4, в дополнение к стандартным функциям учета.

Если гармоники циркулируют по звезде с заземленной нейтралью, они не компенсируются взаимно даже при нагрузке, которая сбалансирована по первой гармонике мощности. Это приводило к ложным срабатываниям защит из-за небаланса высоких гармоник, чрезмерной нагрузке на провод нейтрали от суммы токов гармоник, номер которых кратен трем, неправильной работе приборов по определению мест повреждений линий, неприемлемой погрешности в учете электроэнергии приборами, спроектированными для работы в чистой энергосети.

Нагрузка на провод нейтрали на нескольких объектах, где мы проводили мониторинг потерь, превышала 250% от разрешенной по сечению. Непринятие мер по выявлению и снижению уровня гармоник может вылиться в затраты на слишком частый дорогостоящий ремонт трансформаторов и кабелей, если токи высших гармоник в кабеле (линии) или трансформаторе превысят нормы стандартов. Потери энергии в сегменте электросети вырастают на 25-80%.

При загрузке трансформатора более 70-75% работа обмоток под гармонической нагрузкой приводит к ускоренному расходу временного ресурса работы трансформатора. Расчёт срока жизни трансформатора при несинусоидальных токах возможны на основе мониторинга на объекте.

Необходимость постоянного контроля качества напряжений и токов.

Ущерб от присутствия нелинейных и электронных нагрузок, когда в отдельных сегментах сети сочетается гармонически «грязная» нагрузка с остальной частью нагрузки, состоит не только в повышенном износе компонентов распредсети и помехах в её работе.

Кроме этого, происходят сбои и отказы остальной части нагрузки в сегменте, как то: сгорание электродвигателей, включенных под высокие гармоники тока, созданные другими нагрузками в сегменте; непредусмотренная вибрация и истирание подшипинков электродвигателей; перегрев и сгорание провода нейтрали у потребителей; внешне «беспричинные» сбои в работе промышленных контроллеров, сбои и отказы оборудования, которые вызваны ложным срабатыванием защит.

В подобных случаях необходимо обнаружить источник проблемы: постоянный мониторинг электросети, состава гармоник и других отклонений ПКЭ. Параметры качества должны находиться в допустимых пределах согласно требованиям оборудования и требованиям стандартов.

Для подробного анализа различных гармонических выбросов и созданных ими резонансов токов и напряжений необходимо автоматическое осциллографирование в самом приборе напряжений и токов в моменты значительного отклонения от норм их гармонического состава и других параметров качества электроэнергии.

Примеры приборов для комплексного контроля КЭ

Примером устройств, выполняющих функции универсальных счетчиков энергии, регистрацию параметров ПКЭ и полного набора гармонических характеристик тока и напряжения, являются регистраторы ПКЭ SATEC PM175, SATEC EM720 класса точности 0.2S.

Устройства выполняют функции программируемого автоматического осциллографа; полный анализ качества энергии согласно ГОСТ 13109-97, регистрацию событий, сбор статистики, автоматическое составление отчётов по ГОСТ 13109-97. Второе устройство премиум-класса сохраняет полную работоспособность до 6 часов при продолжительных тяжелых нарушениях КЭ (глубокие провалы напряжения), при перегрузке по току до 10 крат устройство обеспечивает корректную регистрацию осциллограмм.

Также в реализована скоростная запись коротких импульсов напряжения относительно «земли». Оба устройства, кроме указанных обязательных функций анализатора КЭ, обеспечивают анализ полного набора гармонических параметров ТОКА (параметры TDD, THDI согласно определению IEEE 519; K-factor; индивидуальные гармоники и спектр гармоник тока).

Выводы

Для мониторинга, контроля и анализа качества электрической энергии и его влияния на сети, трансформаторы и нагрузку, прибор контроля должен обеспечить:

1. Анализ, регистрацию событий и автоматическое составление отчётов по качеству электроэнергии согласно ГОСТ 13109.

2. Осциллографирование форм токов и напряжений, включая пре- и пост-триггеринг, при превышениях значительных пороговых уровней, заданных в соответствии со стандартом (и/или уровней, допустимых по условиям эксплуатации оборудования).

3. Наряду с контролем качества напряжения по ГОСТ 13109, обеспечить контроль качества токов: измерение, вычисление и контроль TDD; измерение КИС тока, K-фактора и индивидуальных гармонических токов в самом приборе.

4. Сопоставление значений токов гармоник в Амперах RMS с пороговыми значениями, заданными по стандарту G5/4.

Контроль трехфазных электрических сетей — Control Engineering Russia

Одно- и многофункциональные устройства для контроля параметров электрических сетей.

Работоспособность электрических установок стала одним из ключевых факторов промышленного производства. Сбои в подаче электроэнергии часто являются причиной срыва производства, влияют на последующие стадии производственного процесса и приводят к дополнительным затратам на дорогостоящий ремонт. Поэтому очень важно контролировать параметры электрических сетей.

Контроль параметров трехфазных электрических сетей может быть реализован с минимальными усилиями и затратами при помощи электронных реле контроля. Эти приборы заблаговременно обнаруживают ошибки и позволяют отключать неисправные компоненты, прежде чем произойдет дальнейшая поломка оборудования.

Трехфазные реле контроля АББ

Параметры трехфазной сети

Трехфазные реле контроля позволяют контролировать следующие параметры:

Последовательность фаз

Нарушение последовательности фаз при работе двигателя или неправильное подключение фаз до пуска приводит к изменению направления вращения подключенного оборудования. Генераторы, насосы или вентиляторы вращаются в неверном направлении, что приводит к неправильной работе оборудования. Своевременное обнаружение ошибок в чередовании фаз имеет большое значение, особенно для машин с вращающимися и движущимися частями.

Обрыв фазы

Обрыв фазы может привести к тому, что двигатели перестанут запускаться или будут забирать необходимый ток из других фаз. Такая ситуация приводит к неравномерным нагрузкам на обмотку двигателя и может вызвать его поломку.

Повышенное и пониженное напряжение

Повышенное напряжение приводит к нагреву подключенного оборудования. Если своевременно не обнаружить перенапряжение, оно может привести к разрушению оборудования.

Пониженное напряжение приводит к возникновению неопределенного состояния в работе оборудования. Если на катушку контактора подается пониженное напряжение, контакты могут неправильно работать при переключении.

Асимметрия

При несимметричном напряжении питания двигателя часть энергии двигателя превращается в реактивную мощность. Производительность падает; кроме того, двигатель подвергается повышенной тепловой нагрузке и может выйти из строя.

Обрыв нейтрального провода

В случае симметричной нагрузки в сети обрыв нейтрального провода не оказывает никакого влияния на сеть. При обрыве нейтрального провода в сети с ассиметричной нагрузкой в отдельных фазах возникают колебания напряжения, способные нанести значительный ущерб подключенному оборудованию.

Примеры использования

Двигатель с рекуперацией энергии (двигатель, способный генерировать энергию в сеть).

Обрыв фазы работающего трехфазного двигателя может быть четко зафиксирован при помощи реле контроля асимметрии фаз.

В номинальном режиме, сразу после подачи напряжения питания, реле контроля фиксирует правильность чередования фаз L1-L2-L3 и соответствие всех напряжений диапазону Uмин./Uмакс. Тем самым гарантируется отсутствие перенапряжений, пониженного напряжения и обрыва фазы. Только после этого двигатель запускается.

При обрыве фазы (в примере, фаза L2, рис. 1.), фазный ток IL2 становится равным 0, а фазное напряжение UL2 уменьшается на величину Д1Т. Величина остаточного напряжения Ul2 может составлять до 95% от номинального, в зависимости от типа используемого двигателя. Приборы контроля фаз и пониженного напряжения контролируют пропадание фаз только до 60 % от номинального напряжения. Таким образом, обрыв фазы работающего двигателя нельзя с достаточной уверенностью определить при помощи реле контроля фазы. Надежное определение данной неисправности может гарантировать только контроль асимметрии фаз. При обнаружении асимметрии фаз, реле контроля асимметрии отключает двигатель, чтобы предотвратить его повреждение (рис. 2).

Рис. 1. Трехфазный двигатель с рекуперацией и реле контроля перед отключением из-за обрыва фазы: электрическая схема, эквивалентная схема двигателя, кривые тока и напряжения

Рис. 2. Трехфазный двигатель с обрывом фазы в L2 после срабатывания реле контроля: электрическая схема, эквивалентная схема двигателя, кривые тока и напряжения

Обнаружение обрыва нулевого провода

При симметричной нагрузке обрыв нулевого провода не влияет на работу оборудования, так как фазные токи IL1, IL2 и IL3 равны по величине и сдвинуты относительно друг друга на 120°.

Ток, протекающий через нулевой провод In согласно закону Кирхгофа, определяется как сумма всех фазных токов и в любой момент времени равен нулю и контроля обрыва нулевого провода не требуется.

В сетях с несимметричной нагрузкой — фазные токи IL1 IL2 и IL3 имеют разные значения и разную величину фазного угла, а фазные напряжения UL1, UL2 и UL3 относительно Un -одинаковые. Вследствие разницы фазных токов, через нулевой провод протекает компенсирующий ток In. При обрыве нулевого провода ток In становится равным 0, при этом сдвигается нейтральная точка звезды, и, следовательно, происходит перераспределение фазных напряжений по отдельным фазам (рис. 3). Это означает, что фазное напряжение в цепи с пониженной нагрузкой снижается, а в цепи с повышенной нагрузкой — повышается. Таким образом, в одной из цепей появляется перенапряжение, которое может привести к выходу из строя подключенного оборудования. В другой цепи, наоборот, происходит падение напряжения, которое может привести к различным последствиям в зависимости от нагрузки. Если нагрузка — например, работающий двигатель — продолжает потреблять из сети такую же мощность, которую он потреблял до обрыва нулевого провода, ток в данной цепи повышается и вызывает нагрев нагрузки и может привести к ее разрушению. В контакторах из-за падения напряжения могут возникнуть «нестабильные» состояния в работе (произвольное включение — выключение). Это приводит к непредсказуемым переключениям подключенной нагрузки и возникновению опасных ситуаций для оборудования.

Рис. 3. Обрыв нейтрального провода в трехфазной сети

Реле контроля трехфазного тока с функцией контроля нулевого провода обеспечивают безопасную и надежную защиту от обрыва нулевого провода. Эти реле подключаются к трем фазам сети электропитания и нулевому проводу, как показано на рисунке 4. Внутри реле моделируется соединение «звездой», а нагрузка подключается к нулевому проводу.

Рис. 4. Подключение трехфазного реле контроля нейтрального провода

При подключении нулевого провода возникает компенсирующий ток In, который вызывает падение напряжения Urn. При обрыве нулевого провода ток In равен нулю. Напряжение Urn при этом также равно нулю и выходное реле сообщает об обрыве нулевого провода.

Заключение

Примеры, рассмотренные выше, показывают целесообразность и важность контроля параметров в трехфазных сетях. При минимальных затратах обеспечивается безопасная работа оборудования, сохраняется процесс производства и предотвращаются поломки.

Ключевые характеристики, которые компания АББ стремится придать всем реле контроля, — это простота в эксплуатации и универсальность. При своих небольших размерах многофункциональные реле имеют полный набор функций и при изменении параметров процесса реле можно с легкостью перенастроить, выбрав необходимую функцию.

Одним из таких устройств является многофункциональное реле CM-MPS. Это реле обеспечивает контроль всех параметров фаз: последовательности фаз, обрыва фаз, перепадов напряжения и асимметрии. Для питания этого реле не требуется дополнительных цепей, т.к. оно может осуществляться от контролируемой сети.

Также в номенклатуре реле компании АББ есть и более простые устройства, контролирующие только определенный параметр, что позволяет осуществлять экономичный контроль трехфазных сетей.

Трехфазные реле контроля компании АББ

Трехфазные реле контроля компании АББ обеспечивают контроль всех важных параметров трехфазных цепей. Они распознают ошибки на ранней стадии, помогая избежать отключения всей установки. В случае серьезных ошибок реле производят безопасное отключение подключенных устройств и двигателей, предохраняя установку от поломок.

Благодаря этому, трехфазные реле контроля сохраняют безопасную работу оборудования с максимальной эксплуатационной готовностью и являются важным вкладом в экономику.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Измерение показателей качества электрической энергии

1. Измерение качества электрической энергии
2. Государственные стандарты
3. Принцип работы анализатора качества электроэнергии
4. Кто проводит исследования?
5. Цели проверки
6. Классификация проверок
7. Многофункциональные измерительные приборы
8. Показатели частоты
9. Медленные отклонения в напряжении
10. Колебания в напряжении сети
11. Быстрые одиночные отклонения напряжения
12. Несинусоидальность
13. Коэффициент несимметрии

Измерение качества электрической энергии

Измерение качества электрической энергии осуществляется с помощью специальных устройств и приборов. Во время исследования фиксируется значения трансформаторов, вторичных токов и напряжения сети. Существуют различные виды анализаторов электроэнергии. В процессе проверки выявляются параметры энергосистемы, которые анализируются на соответствие ГОСТам и нормативной документацией.

Государственные стандарты

ГОСТ определяет ряд показателей качества электрической энергии:

• отклонения частоты;
• провалы напряжения и колебания;
• напряжение импульсивное;
• несимметричность внутри трехфазных систем;
• несинусоидальность кривой.

Отклонения от установленных значений указывает на проблемы в работе оборудования. В таких ситуациях наблюдается снижение мощности и надежности оборудования, повышение расхода энергии и нерациональности использования ресурсов.

Принцип работы анализатора качества электроэнергии

Прибор выполняет функцию проверки величин и уровень соответствия требованиям. Принцип его работы основан на измерителе электрических величин. Аппарат фиксирует значения тока и напряжения за короткие интервалы времени.

Современные технологии позволяют получить исчерпывающую информацию о работе системы:

• постоянное отклонение напряжения;
• пиковые нагрузки и токи;
• природа переходных процессов в сети;
• фиксация времени с наибольшими потреблениями электрической энергии;
• искажения кривых тока;
• падения и провалы.

Анализаторы выпускаются в мобильной и стационарной форме. Они могут использоваться систематически или эпизодически, в зависимости от поставленной цели. Комплексная проверка корректности работы оборудования – это залог длительной и эффективной работы техники на предприятии. Своевременное выявление неполадок позволяет устранить неисправность до возникновения серьезных проблем.

Контроль за работой техники осуществляется с целью выявления дефектов в электрической сети и их устранения. Для выполнения задания требуется подсоединить анализатор к системе. Места контроля – это точки подключения к потребительской сети. При работе с простыми системами допускается подсоединение в местах, расположенных максимально близко к этим точкам.

Полученная информация обрабатывается с помощью математических алгоритмов. Это позволяет достигнуть ряда целей:

• рассчитать параметры работы;
• проанализировать качество электроэнергии;
• установить количество энергии.

Показатели измеряются на определенном отрезке времени. Низкое напряжение – это самая частая причина плохого качества энергии. Это значение анализируется дважды в год. Другие нормы определяются один раз в 12 месяцев.

Кто проводит исследования?

Право проводить измерения имеют лаборатории с аттестатами Ростехнадзор. В службах квалифицированные работники, использующие сертифицированное оборудование. Точность результатов гарантируется высоким качеством используемой измерительной техники.

Оборудование проходит многочисленные проверки, перед началом эксплуатации. Класс точности, определяется соответствующими специалистами и технологами.

Цели проверки

Полученные результаты позволяют добиться соблюдения заданных в договоре поставщика параметров. Анализ обеспечивает получение данных для составления развернутого отчета о работе системы. Экспертиза выявляет перечень отклонений или их отсутствие. Полученный документ дает основания, для предъявления поставщику обоснованных претензий о несоответствии качества энергии общепринятым нормам. В результате вторая сторона договора устранит все проблемы, и выявленные нарушения в оговоренный промежуток времени.

Измерения обеспечивают расчет коэффициента рациональности использования электричества. Благодаря этому производство выходит на технологичный уровень работы с минимальным расходом ресурсов. При необходимости, из электрической сети устраняются объекты, работающие неэффективно или во вред всей системе.

Проводить исследования стоит для реальных и запланированных систем энергоснабжения. Экспертизу приурочивают к энергетическому аудиту промышленного объекта. Итоги проверки, дают данные для повышения уровня энергетической эффективности в промышленной сфере.

Полученные значения сохраняются и используются при проведении следующего аудита. Специалисты сравнивают данные и делают соответствующие выводы о работе системы.

Классификация проверок

В зависимости от цели контроль качества распределяется на 4 вида:

• оперативный;
• инспекционный;
• диагностический;
• коммерческий учет.

Виды анализа имеют свои особенности, характеристики и целевое назначение. Необходимость проведения той или иной инспекции определяется узкими специалистами на основе общепринятых стандартов работы электрических сетей.

Диагностический вид контроля, предназначен для решения спорных вопросов между поставщиком и потребителем. Он проводится в местах распределения электричества между двумя сторонами договора. На основе полученных данных, создается официальный отчет, позволяющий доказать невыполнение правил соглашения. После рассмотрения отчета, виновная сторона будет обязана устранить нарушения и повысить качество электроэнергии.

Инспекционный контроль проводится сертифицированными службами с целью выявления отклонений от официальных требований и нормативов. Аудит является обязательным для всех сторон договора и проводится с определенной периодичностью.

При возникновении дефектов проводится оперативный контроль. Он выявляет реальные и потенциальные угрозы понижения качества электричества в сети. В результате проверки проводятся мероприятия по устранению нарушений работы и профилактические процедуры.

Коммерческий учет, предназначен для рассмотрения ставок и тарифов поставщика. Анализ осуществляется в местах раздела электросети между двумя сторонами договора. Исследование назначается при необходимости определения уровня надбавок и скидок за предоставленное качество ресурса.

Многофункциональные измерительные приборы

Современные многофункциональные приборы обеспечивают получение результатов не только в цифровом формате, но и в денежном эквиваленте. Модели отличаются рядом показателей:

• задачи;
• область применения;
• функционал.

Модели нового поколения ускоряют процесс получения значений по прогнозированию, фиксации, устранению и предотвращению возникновения новых проблем в работе системы. С помощью специальных аппаратов, специалисты определяют механические и электрические параметры.

Отсутствие контроля приводит к частым неполадкам, сбоям энергосистемы и чрезмерным расходам электричества. Общего показателя эффективности работы сети недостаточно для проведения глубинного анализа. Большие предприятия обращаются в сертифицированные службы для осуществления контроля над всеми компонентами рабочей зоны.

Важно анализировать нагрузки в динамике. Это позволит выявить уровень износа электросети и своевременно провести мероприятия по устранению потенциальных угроз. При выявлении вины поставщика, потребитель будет лишен необходимости брать на себя обязанность по решению проблем.

Показатели частоты

Отклонения в диапазоне от 50 Гц и выше допускаются при серьезных авариях. По нормативам, показатель не должен превышать 0,4 Гц во время работы сети. При использовании автономных генераторов требования смягчаются (±1 Гц и ±5 Гц).

Эти сети не способны поддерживать высокую стабильность. В процентном соотношении предельно допустимое значение составляет 10%. Нормальный показатель не превышает 5%.

Медленные отклонения в напряжении

Интервал изменений превышает 1 минуту. При анализе определяется промежуток времени, на протяжении которого напряжение отклонялось на 10% от номинального показателя (220 и 380 для бытовых сетей). Дискретность при этом составляет 10 минут. Замеры проводятся на протяжении недели.

Колебания в напряжении сети

Основу оценки этого значения составляет понятие фликера. Он характеризует то, как человек воспринимает мерцания света от источника. Выделяют длительную и кратковременную фазу – 2 часа и 10 минут соответственно. Обе величины не должны превышать 1,38 и 1,0 в разрезе недельных измерений. Для расчета показателей применяются сложные формулы.

Быстрые одиночные отклонения напряжения

Одиночные колебания – это случайные изменения. Возникновения отклонений свидетельствуют о переключении электроустановок или незначительных нарушениях в работе сети (сбои или далекие короткие замыкания в системе). Эти колебания относят к провалам перенапряжения и напряжения. В таблице определены общепринятые нормативные показатели.

Несинусоидальность

Наличие импульсивного тока в сети, приводит к ряду изменений в системе параметров. Наблюдается изменение кривой напряжения, которая раскладывается на основную и частотную. Возникновение гармоник может нарушить работы полупроводниковых приборов. Для устранения такой угрозы следует контролировать уровень этого параметра.

Коэффициент несимметрии

Это один из основных параметров при оценке качества работы в трехфазных и двухфазных сетях. Превышение коэффициента, наблюдается при неравномерном распределении нагрузки по фазам. Параметр регламентирован ГОСТом и используется при проведении любых проверок сети.

Не все процессы происходят систематически. Существует ряд характеристик, которые фиксируются в случайных ситуациях. Для их возникновения требуются определенные условия и совпадения по сопутствующим изменениям.

Прерывание напряжения случается во время аварий или плановых ремонтных работ. Провалы возникают при подключении оборудования высокой мощности, или коротких замыканиях. Перенапряжения фиксируются по ряду причин:

• короткие замыкания;
• резкое снижение нагрузки;
• обрывы нейтральных проводников;
• замыкания на землю.

При воздействии молний происходят импульсивные перенапряжения.

Минимальный интервал измерений составляет неделю. За 7 дней прибор собирает достаточное количество информации для подготовки точных результатов. Математический алгоритм исключает риск ошибки и позволяет автоматизировать процесс измерений. В результате пользователь получает усредненные значения и определяет основные проблемы в работе сети.

Контроль за качеством напряжения в распределительных сетях

Страница 18 из 33

Задача контроля.

С течением времени в условиях эксплуатации электрических сетей изменяются их параметры и нагрузки. В связи с этим требуется систематическая· проверка соответствия всех условий работы сети предъявляемым требованиям. В частности, должен осуществляться систематический контроль за одним из основных показателей качества электроэнергии — за качеством напряжения. Под контролем за качеством напряжения обычно понимается контроль за отклонениями напряжения в нормальных, установившихся длительных эксплуатационных режимах. Эпизодические, кратковременные, даже сравнительно большие значения отклонений напряжения (но без нарушения работы ЭП) представляют значительно, меньший интерес, так как обычно они не имеют практического значения. В то же время мероприятия по устранению кратковременных отклонений напряжения могут быть весьма дорогими и не оправдываться с экономической точки зрения.

В современных электрических системах обеспечение требуемого качества напряжения в электрических сетях и у потребителей практически не может быть осуществлено без применения устройств для регулирования напряжения. В то же время задача регулирования напряжения в распределительных сетях может быть выполнена достаточно успешно только тогда, когда все параметры, от которых зависит режим напряжений, находятся в определенных пределах. Так, технически допустимый режим напряжений может быть только тогда, когда рационально спроектирована электрическая сеть, правильно размещены компенсирующие и регулирующие устройства и правильно выбраны уставки их автоматических регуляторов, если верно установлены регулировочные ответвления у трансформаторов с ПБВ, а потери напряжения в распределительных сетях находятся в допустимых пределах и т. д. Вопросы организации контроля за всеми этими показателями еще недостаточно разработаны, что в известной мере объясняется сложностью их реализации.
Распределительные сети являются весьма разветвленными. К ним присоединяется значительное количество ЭП, от сетей 6—20 кВ питаются многочисленные РТ. Поэтому исследование качества напряжения на зажимах всех ЭП или даже всех РТ практически невыполнимо. В связи с этим контроль за качеством напряжения должен проводиться в ряде характерных контрольных точек сети. Число их должно быть достаточным для оценки качества напряжения в распределительной сети в целом. В качестве таких контрольных точек должны выбираться пункты сети, являющиеся достаточно показательными и до которых просто могут быть определены потери напряжения. Например, при известных нагрузках и параметрах сети легко могут быть подсчитаны потери напряжения в пределах той или иной сети, в ряде случаев может быть заведомо известным, что потери в рассматриваемой сети или на ее участке весьма малы и т. п.

Контроль за режимом напряжений должен производиться для характеристики длительных нормальных эксплуатационных режимов. Этот контроль должен быть систематическим, длительным, с фиксацией существующего положения и желательно со статистической обработкой результатов. Таким образом, контроль за режимом напряжений должен производиться обобщенно за определенный промежуток времени и для определенной части сети. При анализе результатов контроля надо знать, например, за счет чего получилось значительное отклонение полученного обобщенного показателя от желаемого: а) за счет большого отклонения напряжения, но очень кратковременного, или за счет большой длительности действия сравнительно небольшого отклонения напряжения; б) имелись ли отклонения напряжения, выходящие за технически допустимые пределы; в) в течение каких периодов времени имели место те или иные большие отклонения напряжения — в период большой нагрузки, когда это могло причинить неприятности или экономический ущерб потребителям, или в период малой нагрузки, когда это могло остаться почти незамеченным.

В распределительных сетях процесс изменения параметров рабочего режима является, как правило, случайным. Это связано прежде всего со случайным характером изменения нагрузок. В питающих сетях случайный характер изменения в большей степени справедлив лишь для отдельных типов нагрузок (тяговых, некоторых промышленных). Случайный характер изменения нагрузок приводит к случайному характеру изменения показателей качества напряжения. В этих условиях весьма эффективным является применение вероятностно-статистических (сокращенно вероятностных) методов контроля за качеством напряжения.

Применение вероятностных методов контроля.

 Наиболее действенным является непосредственный контроль за качеством напряжения в контрольных точках сети по так называемым гистограммам отклонений напряжения (см. [Л. 25, 36]. Как известно, гистограммой называется графическое представление статистического ряда исследуемого параметра режима, изменение которого носит случайный характер (рис. 4-12). При этом весь диапазон изменения данного параметра режима разделен на интервалы. Для каждого интервала i определяется частота (вероятность)
значений данной случайной величины, измеренных в пределах этого интервала (п — общее число проведенных измерений). В рассматриваемом случае исследуемым параметром режима является отклонение V от номинального напряжения в некоторой контрольной точке сети, на зажимах характерного ЭП и т. п. По гистограмме можно судить о допустимости процесса изменения контролируемой величины.

Рис. 4-12. Гистограмма случайной величины.

Гистограмму изменений отклонений напряжения можно выровнять (рис. 4-13), иначе говоря, представить в виде некоторой плавной кривой — дифференциальной функции или плотности распределения f(V) величины V.

Рис. 4-13. Плавная кривая распределения случайной величины.

Ординаты этой кривой определяют вероятность Р, появления значений V в некотором узком интервале около значения V
В настоящее время имеются специальные приборы, так называемые статистические анализаторы качества напряжения САКН.

Они дают возможность путем измерений получить гистограмму отклонений напряжения непосредственно в месте присоединения их к сети. Для ориентировочной оценки качества напряжения САКН может включаться непрерывно в течение длительного периода времени, например недели. В целях более точного контроля следует включать САКН только в характерные часы суток, например, в периоды наибольших или наименьших нагрузок. Общий период измерений при этом также должен быть не менее недели. В результате получается гистограмма отклонений напряжений для исследуемого периода времени суток.
На кривой распределения, изображенной на рис. 4-14, видно, что наиболее вероятным значением рассматриваемой случайной величины отклонения напряжения V, является ее некоторое среднее значение, которому соответствует наибольшее значение плотности распределения f (V)нв. Среднее ожидаемое значение случайной величины, называемое, как известно, математическим ожиданием, при статистическом ее определении равно среднему арифметическому из наблюденных значений V (для указания

среднего значения над буквой, характеризующей рассматриваемую случайную величину, ставится черта). Для дискретно изменяющейся случайной величины V среднее арифметическое значение ее равно:
(4-9)
и для непрерывно изменяющейся величины
(4-9а)

Рис. 4-14. Кривая нормального закона распределения.

где п — число значений отклонений напряжения, полученных при .наблюдении рассматриваемого процесса.
В качестве обобщенного показателя рассеяния значений отклонений напряжения от математического ожидания (или от среднего арифметического) принимают дисперсию случайной величины. Она равна, как известно, математическому ожиданию отклонения квадрата случайной величины от ее математического ожидания. При статистическом определении вероятности дисперсия приближенно равна:

а) для дискретно изменяющейся величины

(4-10)

(4-10а)
б) для непрерывно изменяющейся величины
где σ— так называемое стандартное отклонение, равное среднему квадратичному отклонению от среднего.

Существуют различные теоретические законы распределения случайных величин, которые используются для выравнивания получаемых гистограмм и которые описываются определенными аналитическими выражениями. Это упрощает исследование.
Достаточно широкое распространение при этом имеет так называемый нормальный закон распределения (закон Гаусса). Он дает хорошее приближение для ряда практических случаев. Аналитическое описание нормального закона—наиболее простое, оно зависит от двух параметров: математического ожидания случайной величины (или среднего арифметического из наблюденных величин) V и стандартного отклонения σ от среднего.

На рис. 4-14 изображена кривая распределения отклонений от номинального напряжения, соответствующая нормальному закону.
Уравнение этой кривой имеет вид:
(4-11)
Для кривой распределения, подчиненной нормальному закону, может быть достаточно просто определена вероятность нахождения случайной величины V в любом интервале (Vъ V2) (см. рис. 4-14). При этом используются табулированные значения так называемого интеграла вероятностей.

Кривые распределения нормального закона или измеренные гистограммы отклонений напряжения могут быть использованы для приближенной оценки вероятной доли электроэнергии, полученной при заданном качестве напряжения. В соответствии с ГОСТ 13109-67 не менее 95% общего количества электроэнергии, получаемой потребителями, должно быть обеспечено качеством напряжения в допустимых по ГОСТ пределах.
На основании анализа гистограмм отклонений напряжения, измеренных в электрических сетях, обслуживающий персонал может в случае необходимости воздействовать на изменение параметров сети, параметров регулирующих устройств и т. п. с целью улучшения режима напряжения. Более подробно этн вопросы рассматриваются в [Л. 4].

Измерение параметров качества электроэнергии / Статьи и обзоры / Элек.ру

Практика эксплуатации энергохозяйства предприятия подтверждает, что с целью организации на предприятии энергоэффективного электроснабжения, необходимо регулярно (не реже раза в год) производить контроль параметров качества поступающей электроэнергии.

Не секрет, что существующие распределительные электрические сети имеют большой физический износ, большая часть трансформаторных подстанций перегружена. Эти и другие факторы приводят к отклонению параметров поступающей в нашу сеть электроэнергии от нормируемых, что приводит к различным негативным факторам в электрической сети. Среди таких факторов — увеличение реактивных токов, снижение уровня питающего напряжения (равно как и чрезмерное увеличение), искажение синусоиды, повышенные гармоники и т.д.

Значительное отклонение параметров качества электроэнергии питающей сети не позволяет эксплуатировать должным образом подключенные к ней электроустановки, а в ряде случаев это вообще запрещено. Так, например, снижение питающего напряжения на обмотках трехфазного электродвигателя приводит к повышению токов, протекающих в его обмотках, что в свою очередь приведет к повышенному нагреву изоляции, и к преждевременному выходу из строя оборудования или к сокращению его номинальной службы.

Снижение питающего напряжения на обмотках трехфазного электродвигателя приводит к повышению токов, протекающих в его обмотках

Для решения этой задачи, с помощью измерительного приборного комплекса необходимо произвести измерение токов и напряжений питающей сети на головном участке схемы, а в дальнейшем, при выявлении значительных отклонений, на всех отходящих фидерах.

Таким образом, в распоряжении энергетической службы предприятия, будут находится как протокол измерений, с указанием всех нормируемых параметров электроэнергии, так и непосредственно интервальные графики нагрузок и мгновенных значений токов и напряжений. Данная информация позволяет принять своевременные как организационные, так и технические мероприятия, позволяющие предотвратить ненормальные (аварийные и предаварийные) режимы работы электрооборудования, а также позволяет снизить величину технических потерь электроэнергии, разгрузить питающие линии электропередач.

Комплекс измерения параметров качества электроэнергии, включает в себя:

• измерение и регистрация основных показателей качества электроэнергии (ПКЭ), установленных ГОСТ Р 54149-2010;
• измерение и регистрация электроэнергетических величин, таких как коэффициент мощности (cos φ), провалы напряжения, размах изменений напряжений, параметры временных перенапряжений, действующее значение тока по трем фазам, установившееся значение напряжений и отклонения.

На основании измеренных амплитудных и мгновенных значений напряжений и токов по трем фазам рассчитываются значения полной мощности, активной мощности, коэффициента мощности и ряда других параметров:

• Действующее значение фазного напряжения (TRMS).
• Действующее значение линейного напряжения (TRMS).
• Действующее значение токов (TRMS).
• Полная мощность.
• Активная мощность.
• Коэффициент мощности, по соотношению мощностей или из ряда Фурье.
• Действующее значение напряжения 1-ой гармоники.
• Действующее значение токов 1-ой гармоники.
• Активная мощность первой гармоники.
• Коэффициент мощности.
• Коэффициент искажения напряжения.
• Коэффициент искажения тока.
• Значения 3,5,7,9-40 гармоник в процентах от U1.
• Значения 3,5,7,9-40 гармоник в процентах от I1.
• Провалы.
• Перенапряжения.
• Импульсы.
• Коэффициент несимметрии по обратной последовательности.
• Частота напряжения

Итогом проведения измерений является протокол показателей качества электроэнергии по полученным данным, в соответствии с ГОСТ, а также график электрических нагрузок с приложением базы данных поинтервальных значений измеренных параметров.

Результатом работ по измерению показателей качества электроэнергии являются графики нагрузок (токовых значений, коэффициентов мощности, напряжения, синусоидальности), а также «Протокол параметров качества электроэнергии».

Пример формы грозовых импульсов

С помощью программного обеспечения измерительного комплекса проводится анализ параметров работы системы электроснабжения, выявляется приближение параметров к границе опасной зоны, что дает возможность эксплуатирующей организации своевременно принять необходимые меры, или обратиться в свою энергоснабжающую организацию с требованием устранить выявленные несоответствия.

Кандидат технических наук С.В. Добров.

АСКУЭ с контролем качества электроэнергии: контролируемые характеристики, параметры

Принцип построения комплексного измерительного устройства (КИУ) нового поколения, предназначенного для непрерывного, в режиме реального времени, контроля показателей качества (ПКЭ) и измерения количества электроэнергии в высоковольтных (110 -750 кВ) линиях при передаче данных измерений беспроводным способом по радиоканалу на диспетчерские пункты, описан в приложении.

Устройство комплексно решает задачи контроля ПКЭ и учета количества электроэнергии при высокой точности и достоверности результатов благодаря применению специально разработанного алгоритма цифровой обработки сигналов, обеспечивающего единство измерений при обработке реальных сигналов сложной формы, а также за счет замены существующего парка первичных датчиков их альтернативными решениями, свободными от недостатков штатных измерительных трансформаторов.

Создание действующего макета измерительного устройства для линий передачи 110-220 кВ (показан на рис. 1), обеспечивающего измерение показателей качества электроэнергии в соответствии с ГОСТ 13109-97 и учет электроэнергии с точностью не ниже 1,5 %, в сочетании с доступным и экономичным процессом периодической поверки, позволит стимулировать создание и внедрение таких систем в практику электроэнергетики.

Это решает проблему приведения в действие нормативных документов по качеству электроэнергии как товарной продукции. Устройство предназначено для использования как производителями, так и потребителями электроэнергии. В данной статье представлены результаты исследования функциональных характеристик узлов и блоков макета КИУ, подтверждающие указанные параметры КИУ.

Исследовались параметры первичных датчиков (ПД) тока и напряжения, электронного блока обработки данных с ПД и блока радиоканала передачи данных с размещенных на высоком напряжении блоков КИУ. Исследования проводились на базе физического и математического моделирования режимов в линии высокого напряжения.

Исследование параметров макета КИУ на пониженных напряжениях

Цель исследований — подтверждение достижения требуемой погрешности измерений спектральных характеристик тока и напряжения в высоковольтных цепях. Погрешность измерений характеристик напряжения складывается из погрешности делителя напряжения и погрешности измерительного модуля КИУ, которая, в свою очередь, определяется погрешностями блоков активной аналоговой фильтрации и цифровой обработки данных.

Погрешность измерений характеристик тока складывается из погрешностей трансформатора тока (ТТ), цепи съема сигнала с ТТ и погрешности измерительного модуля КИУ. Проведение измерений на высоком напряжении требует больших организационных и финансовых затрат, поэтому проведение предварительных исследований макета КИУ рационально на пониженных напряжениях. Кроме того, учитывая линейный режим работы элементов, узлов и блоков КИУ, экспериментальные исследования его параметров можно провести с применением метода декомпозиции, то есть проводя отдельные исследования делителя напряжения и ТТ и отдельные исследования измерительного модуля.

При этом исследования делителя напряжения можно осуществить на пониженных высоких напряжениях (до 10 кВ), а преобразователя тока — при номинальных рабочих токах в высоковольтных цепях.

Исследование параметров датчика напряжения

Датчик напряжения КИУ выполнен на основе четырехступенчатого емкостного делителя напряжения. Схема делителя представлена на рис. 2, где емкости С1-С4 — высоковольтные конденсаторы типа ДМРУ80-1.0 -У1 (с параметрами: номинальная емкость 1 нФ; tgδ ≤ 0,003 при + 60 oС; δС = ± 10 % при 20 oС; предельно допустимое изменение емкости в интервале рабочих температур -45 – +60 oС относительно емкости Сну, измеренной в номинальных условиях, δС* ≤ 5 %, С5-С9 — конденсаторы типа К78-2.

Измерение коэффициента деления ПД напряжения проводилось на напряжении от 0 до 3 кВ. Исследовалось постоянство коэффициента деления второй, третьей и четвертой ступеней делителя напряжения. Расчетное значение трех ступеней деления равно 5000. Источником испытательного напряжения служил повышающий трансформатор напряжения, подключаемый к сети через лабораторный автотрансформатор. Испытательное напряжение подавалось в узел 4 делителя напряжения (рис. 2).

Для измерения напряжения U14 и выходного напряжения U16 (поступающего на вход АЦП) использовался высоковольтный вольтметр типа С502 (класс точности 0,5) и цифровой мультиметр типа mY-68, соответственно, изолированные от земли. При этом для питания вольтметра С502 использовался автономный источник.

Измерения проводились в помещении с нормальной температурой (20оС) при атмосферном давлении 745 мм рт. ст. и влажности 50 %. Экспериментальное значение коэффициента деления в диапазоне входных напряжений от 0 до 3 кВ составило 4880 ± 40. Отклонения лежат в пределах погрешности применяемых вольтметров.

Температурная стабильность коэффициента деления.

Зависимость емкости конденсатора типа ДМРУ от температуры (по данным НПП «ЭЛКО») представлена на рис. 3 (кривая 1), а для конденсаторов типа К78-2 зависимость емкости от температуры (по данным [3]) представлена на том же рисунке (кривая 2). На основе этих данных расчетная систематическая погрешность коэффициента деления делителя напряжения в диапазоне температур -40 – +40 оС составляет от +1,8 % до -1,14 %.

Таким образом, применение в делителе напряжения конденсаторов типа К78-2 приводит к зависимости коэффициента деления ПД напряжения от температуры.

Однако проведенный анализ этого параметра при альтернативных типах конденсаторов в этих ступенях делителя показал, что полученные данные одни из наименьших из числа возможных, но, кроме того, эта систематическая погрешность учитывается в программе блока обработки данных и не приводит к росту погрешности измерений КИУ в целом.

Исследование частотной зависимости коэффициента деления осуществлено с применением специального генератора с регулируемой частотой в пределах 50-2500 Гц. Проводились измерения входного U14 и выходного U16 напряжений для частот, соответствующих нечетным гармоникам с 1 (50 Гц) по 49 (2450 Гц). При этом коэффициент деления в диапазоне частот составил 4880 ± 40. Отклонения лежат в пределах погрешности вольтметра. Это обусловлено высокой добротностью (малым tg δ) используемых в делителе конденсаторов.

Исследование параметров канала измерения тока

Канал измерения тока включает ТТ типа ТЛШП-101/3000А и активное сопротивление нагрузки измерительной обмотки, с которого на вход блока аналогоцифровой обработки снимается напряжение, пропорциональное току. Исследовался коэффициент преобразования ток/напряжение в диапазоне значений рабочих токов в линии.

Для создания в лабораторных условиях тока до 3000 А использован специальный прогрузочный трансформатор типа ТПУ-4000 (рис. 4), который при токе в первичной обмотке 80 А (при напряжении 220 В) обеспечивает ток 4000 А на нагрузке 10-3 Ом. Блок-схема измерительной установки показана на рис. 5. Для регулирования вторичного тока в пределах от десятков до 3000 А был использован регулятор напряжения типа РНО 250-5 с напряжением сети 127/220 В, максимальным током Iмакс= 12/20 А и пределами регулирования напряжения 0-250 В. В качестве сопротивления нагрузки измерительной обмотки ТТ в измерительном блоке КИУ используется два прецизионных резистора типа СП 16 МВ 2, включенные параллельно.

Суммарное сопротивление нагрузки Rн равно 0,1 Ом.

Действующее значение напряжения на сопротивлении нагрузки ТТ при номинальном первичном токе Iн = 3000 А равно 0,5 В.

 Заметим, что при такой нагрузке класс точности 0,2 ТТ сохраняется во всем диапазоне измеряемых токов. Исследуемый коэффициент преобразования ток/напряжение определяется отношением напряжения U на сопротивлении нагрузки ТТ к первичному току I1 (рис. 5).

Испытания показали, что в диапазоне токов от 100 до 3000 А в первичной цепи ТТ его коэффициент трансформации при нагрузке 0,1 Ом оставался равным 600 с точностью 0,5 %, определяемой измерительным прибором. При этом выходное напряжение на сопротивлении нагрузки ТТ (на входе блока аналогоцифровой обработки) линейно менялось в пределах от 16 мВ до 0,5 В.

Исследование параметров блока аналого-цифровой обработки данных

Исследовались характеристики отдельно узлов аналоговой и цифровой обработки сигналов с ПД. Исследования проводились с применением тестового низковольтного напряжения от внешнего генератора, моделирующего уровень сигналов с ПД и возможный спектральный состав высоковольтного напряжения и тока.

Исследование параметров аналогового фильтра осуществлялось на основе физического эксперимента.

В эксперименте непосредственно на вход устройства обработки сигнала, состоящего из каскадного соединения активного аналогового фильтра, аналогоцифрового преобразователя (АЦП) и блока цифровой обработки сигнала (ЦОС), подавался тестовый сигнал с резистивного делителя напряжения, имитирующего первичный датчик с постоянным по частоте коэффициентом деления (рис. 6). В качестве тестового сигнала на входе устройства обработки сигнала выбрано напряжение на активной нагрузке однополупериодного выпрямителя напряжения промышленной частоты. Выбор определился простотой физической реализации сигнала в сочетании с быстроспадающим по амплитуде спектром (амплитуда шестой гармоники составляет менее 0,014% от амплитуды первой).

Это исключает потенциальную возможность искажения наблюдаемых кривых за счет подавления аналоговым фильтром высших гармоник, так как при этом практически весь спектр тестового сигнала лежит в полосе пропускания фильтра, ограничивающего полосу сигнала частотой 41-ой гармоники. На рис. 7 представлены осциллограмма тестового сигнала и кривая на выходе аналогового фильтра (то есть на входе блока ЦОС).

Наблюдаемые различия определяются частотной зависимостью фазовой характеристики (ФЧХ) фильтра, что подтверждают результаты цифрового моделирования процесса фильтрации, показанные на рис. 8.

Здесь представлены рабочие окна специально разработанной ЭВМпрограммы моделирования аналоговой фильтрациисигнала однополупериодного выпрямителя. Из рис. 8, а видно, что выходной сигнал изменил форму в соответствии с полученными экспериментальными данными (см. рис. 7), но поскольку тестовый сигнал имеет верхнюю частоту 500 Гц и полностью лежит в полосе пропускания фильтра, где амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) практически постоянна, то искажение формы сигнала обусловлено частотной зависимостью фазовой характеристики фильтра.

Это подтверждают кривые на рис. 8, б, где представлен результат фильтрации того же сигнала фильтром, имеющим постоянный и равный единице коэффициент передачи и нулевую фазу. Из идентичности исходного и полученного сигналов становится очевидной корректность работы фильтра.

Одновременно проверена корректность применения встроенных в программу алгоритмов прямого и обратного преобразований Фурье.

Таким образом, рассматриваемое устройство обработки сигнала за счет применения аналоговой фильтрации приводит к искажениям начальных фаз гармонических составляющих измеряемых сигналов и не искажает амплитудного спектра сигнала на выходе блока ЦОС ввиду линейности оператора преобразования Фурье.

Однако, поскольку ГОСТ 13109-97 не устанавливает жестких требований на определение разности фаз гармоник, а требует лишь определения модуля составляющих спектра сети (то есть амплитуд гармоник), то данное искажение не может повлиять на точность измерительной системы ПКЭ и количества электроэнергии (в последнем случае – ввиду одинаковой систематической ошибки измерения начальных фаз основных гармоник в каналах напряжения и тока).

Проведенные экспериментальные исследования позволили определить алгоритм цифровой обработки сигнала в реальном масштабе времени и выявить нюансы применения аналоговой фильтрации, связанные с проблемой оцифровки АЧХ и ФЧХ фильтра (экспериментальные данные указали на необходимость применения аппроксимации промежуточных частотных точек между соседними дискретными отсчетами АЧХ и ФЧХ фильтра).

Последнее оказалось необходимо для коррекции спектра сигналов с датчиков с целью исключения систематической погрешности аналоговой обработки.

Исследование параметров блока цифровой обработки сигналов заключалось в оценке общей погрешности измерения с применением устройства ЦОС. Исследование проведено на базе математического моделирования в диапазоне значений частоты 50 ± 1 Гц. При этом оказывается, что погрешность определения амплитуд гармоник является функцией частоты основной гармоники (fосн), точности ее определения (Δfосн) и распределения амплитуд спектра сигнала.

Для оценки погрешности цифровой обработки сигнала сверху был применен алгоритм, приведенный на рис. 9, учитывающий вклад в погрешность определения амплитуды каждой гармоники при всевозможных комбинациях одновременного воздействия остальных гармоник сигнала. Алгоритм реализует специальная программа расчета погрешностей 40 гармоник, результаты которого представлены на рис.

10 для интерполяции четвертого порядка (где нижняя кривая соответствует первой гармонике, следующая – второй и т.д.) в двух вариантах распределения амплитудгармоник:

1.  метод наихудшего случая (при равенстве амплитуд гармоник в спектре сигнала) и
2. при реальном спектре электросети, где амплитуды высших гармоник значительно меньше амплитуды первой гармоники. При определении частоты основной гармоники с точностью выше 0,01 Гц (что реализовано в блоке ЦОС [4]) общая погрешность измерения амплитуд гармоник с применением блока ЦОС не превышает по первой гармонике сотых долей процента, а для высших — меньше 1 %.
3. Рассмотренный алгоритм вычисления спектра полигармонического сигнала с непостоянной частотой основной гармоники позволяет определять ПКЭ в соответствии с требованиями ГОСТ и по параметру точности учета количества электроэнергии превосходит аналогичные системы, эксплуатируемые как в высоковольтных, так и в низковольтных сетях. Итак, приведенные результаты исследования узлов и блоков действующего макета КИУ позволяют утверждать, что при условии исключения систематических погрешностей коэффициента деления напряжения и коэффициента преобразования тока общая погрешность определения спектрального состава измеряемых токов и напряжений в высоковольтных цепях не превысит 1,5 %. Погрешность измерения мощности составит 1,5 %, так как погрешность измерения параметров первых гармоник тока и напряжения не превосходит 0,02%.

Исследования помехоустойчивости электронных блоков КИУ

Исследования проводились с целью оценки устойчивости блока ЦОС и блока радиомодема передачи данных к воздействию сильных электрических полей высокого напряжения и магнитных полей рабочих токов в проводах линии электропередачи высокого напряжения (ЛЭП ВН). Воздействие электрического поля исследовалось на базе математического моделирования с применением коммерческого программного комплекса ANSYS (на базе метода конечных элементов).

Моделировались уровни полей внутри и вне корпуса блока обработки сигналов и передачи данных (клетки Фарадея) КИУ, включенного в рассечку фазного провода трехпроводной высоковольтной линии при геометрических размерах соответствующих ЛЭП 220 кВ.

Рис. 11 иллюстрирует представления расчетных полей в исследуемой системе. Исследования позволили выявить структуры электрического поля в конструкции КИУ и подтвердили достаточные экранирующие свойства клетки Фарадея для обеспечения устойчивой работы электронного оборудования.

Воздействие магнитного поля ЛЭП ВН исследовалось как с применением математических моделей, так и с применением физического моделирования воздействия магнитного поля промышленной частоты, создаваемого витком с током номинального значения (3 кА), которое обеспечивалось с помощью прогрузочного трансформатора ТПУ 4000. У

ровень магнитного поля контролировался с помощью измерителя напряженности поля промышленной частоты П3-50. Расчеты на модели показали, что уровни кондуктивных помех, создаваемых на рецепторах электронных блоков, не превышают 1 мВ, что не может привести к сбоям в работе оборудования.

В таблице представлены результаты измерения магнитного поля в точках размещения электронных блоков (на расстоянии l) от витка с током. Контроль битовой ошибки в радиотракте передачи данных не обнаружил нарушений в работе электронных блоков КИУ. Исследования возможного влияния электростатических разрядов на электронные блоки КИУ осуществлены с применением физической модели воздействия широкополосных помех.

В качестве источника искровых разрядов использованы: искровой генератор (затухающая синусоида с амплитудой первой полуволны 50 кВ) и генератор электростатического разряда (стандартное средство испытаний на ЭМС поГОСТ Р 51317.4.2-99), которые в совокупности обеспечивают необходимый для достоверной оценки передачи влияния спектр помехи как по диапазону частот, так и по спектральной амплитуде.

Исследования показали отсутствие сбоев в работе блоков КИУ от воздействия полей разрядов статического электричества.

ВЫВОДЫ

Проведенное физическое и математическое моделирование блоков и алгоритмов разработанной системы КИУ показывают возможность аппаратной реализации законченного измерительного модуля в составе датчиков, системы обработки и передачи данных и источника автономного питания. Оценка погрешности измерений также показывает физическую реализуемость построенной КИУ с суммарной точностью измерений, соответствующей классу 1,5.

Применение КИУ позволяет реализовать единую базу данных энергосистемы.

Представленное техническое решение может служить основой системы контроля режимов по напряжению и току в высоковольтных сетях.

В отличие от множества публикаций по вопросам мониторинга ПКЭ и повышения точности учета энергии с применением цифровой обработки представленные исследования носят комплексный характер, ориентированы на обеспечение контроля ПКЭ и учета количества электроэнергии в высоковольтных цепях на современном технологическом уровне. На основе исследований возможно проведение ОКР и создание опытных образцов КИУ на напряжение 110 кВ и выше.

Система управления электрическими сетями, описание системы

Аландские острова

Афганистан

Албания

Алжир

Американское Самоа

Андорра

Ангола

Ангилья

Антарктида

Антигуа и Барбуда

Австралия

Австралия

Австралия

Австралия Азербайджан

Багамы

Бахрейн

Бангладеш

Барбадос

Беларусь

Бельгия

Белиз

Бенин

Бермудские острова

Босния

Бутан

Болзивия

Британская территория в Индийском океане

Бруней-Даруссалам

Болгария

Буркина-Фасо

Бурунди

Камбоджа

Камерун

Канада

Кабо-Верде

Каймановы острова

Центральноафриканская Республика

Чад

Чили

Китай

Остров Рождества

Кокосовые острова (Килинг)

Колумбия

Коморские острова

Конго, Демократическая Республика (бывший Заир)

Коста-Конго, Республика

9000 Рика

Кот-д’Ивуар

Хорватия (местное название: Hrvatska)

Куба

Кипр

Чешская Республика

Дания

Джибути

Доминика

Доминиканская Республика

Доминиканская Республика

Сальвадор

Экваториальная Гвинея

Эритрея

Эстония

Эфиопия

Фолклендские (Мальвинские) острова

Фарерские острова

Фиджи

Финляндия

Франция

Французская Гвиана

Французская Гвиана

9000 Французская Гвиана

9000 Французская Гвиана

Гамбия

Грузия

Рост любая

Гана

Гибралтар

Греция

Гренландия

Гренада

Гваделупа

Гуам

Гватемала

Гвинея

Гвинея-Биссау

9000 9000 9000 Гайя-Бисау

Гвинея-Бисау

Гонконг

Венгрия

Исландия

Индия

Индонезия

Иран (Исламская Республика)

Ирак

Ирландия

Израиль

Италия

Ямайка

000 Япония

Иордания Япония

Ямайка

Кирибати

Корея, Народно-Демократическая Республика

Корея, Республика

Кувейт

Кыргызстан

Лаосская Народно-Демократическая Республика

Латвия

Ливан

Лесото

ahirtein

ahirtein

Арабская Джозия

ahiria

Литва

Люксембург

Макао

Македония, бывшая югославская Республика

Мадагаскар

Малави

Малайзия

Мальдивы

Мали

Мальдивы

Мали

9000 Мавританские острова Мавритания

Мальта

9000 Мавританские острова

Майотта

Мексика

Микронезия, Федеративные Штаты

Молдова, Республика

Монако

Монголия

Монтсеррат

Марокко

Мозамбик

Нидерланды

0003

Намибия

Намибия

Нидерланды

Намибия Антильские острова

Новая Каледония

Новая Зеландия

Никарагуа

Нигер

Нигерия

Ниуэ

Остров Норфолк

Северные Марианские острова

Норвегия

Пакистан

Норвегия

Пакистан

02 Оккупированная территория Палестины

Панама

Папуа-Новая Гвинея

Парагвай

Перу

Филиппины

Питкэрн

Польша

Португалия

Пуэрто-Рико

Россия

Россия

Россия Руанда

Сент-Хелена

Сент-Китс и Невис

Сент-Люсия

Сен-Пьер и Микелон

Сент-Винсент и Гренадины

Самоа

Сан-Марино

Сао-Томе и Принсипи

Саудовская Аравия

Саудовская Аравия

Сербия и Черногория

Сейшельские острова

Сьерра-Леоне

Сингапур

Словакия

Словения

Соломоновы Острова

Сомали

Южная Африка

Южная Грузия

Южная Джорджия Испания и Южные Сандвичевы острова

Суринам

Острова Шпицберген и Ян-Майен

Свазиленд

Швеция

Швейцария

Сирийская Арабская Республика

Тайвань

Таджикистан

Танзания, Объединенная Республика

Тогте

Тогте

Таиланд

Тимор

Тонга

Тринидад и Тобаго

Тунис

Турция

Туркменистан

Острова Теркс и Кайкос

Тувалу

Уганда

Украина

00020003

Соединенные Штаты

Соединенные Штаты

Соединенные Штаты Америки

США Внешние острова

Уругвай

Узбекистан

Вануату

Ватикан-государство (Святой Престол)

Венесуэла

Вьетнам

Виргинские острова (Британские)

Виргинские острова (Великобритания).S.)

Острова Уоллис и Футуна

Западная Сахара

Йемен

Замбия

Зимбабве

.

Контроль стабильности напряжения электрической сети с использованием интеллектуальной стратегии сброса нагрузки на основе нечеткой логики

В целях обеспечения стабильности энергосистемы и предотвращения уязвимости, приводящей к отключениям, используются несколько профилактических и лечебных средств. Чтобы избежать падения напряжения, схемы отключения нагрузки представляют собой подходящее действие для поддержания качества обслуживания энергосистемы и контроля ее уязвимости. В этой статье мы пытаемся предложить интеллектуальную стратегию сброса нагрузки в качестве нового подхода, основанного на нечетких контроллерах.Эта стратегия была основана на расчете степени чувствительности генерируемой мощности по отношению к той, которая подается на различные сетевые шины. Во время фазы неисправности алгоритмы нечеткого контроллера генерируют контрольные векторы, обеспечивающие предварительно рассчитанный коэффициент сброса нагрузки с целью восстановления баланса мощности и перевода сети в новое устойчивое состояние.

1. Введение

Ежегодно в электрических сетях происходят различные нарушения, которые приводят к отключениям электроэнергии. Поскольку частота и напряжение представляют собой два важных параметра безопасности энергосистемы, необходимо постоянно контролировать эти параметры, чтобы обеспечить наилучшее качество обслуживания.Он характеризуется стандартными критериями, связанными с непрерывностью обслуживания, профилем напряжения, чистотой вводимой частоты, а также статической и переходной устойчивостью сети в соответствии с набором возможных сценариев эксплуатации и нарушений. Контроль уязвимости сети является важным соперником, поскольку можно рассмотреть профилактические и лечебные средства, чтобы гарантировать качество сетевых услуг. В случае уязвимых каскадных событий, ведущих к отключениям, сброс нагрузки будет наиболее желательным действием, позволяющим избежать нестабильности сети [1].Для определения места и количества сбрасываемых грузов предлагались разные методы. Действительно, Faranda et al. предложил новый подход к отключению нагрузки, называемый распределенным отключением нагрузки с прерыванием [2]. Субраманиан создал новую модель, основанную на чувствительности электрических сетей, в сочетании с линейным программированием для решений по отключению нагрузки [3]. Tomšič et al. началось с динамической модели частоты, которая позволяет моделировать влияние наиболее важной системы на реакцию частоты после сбоев и определять оптимальное количество ступеней сброса нагрузки и процент сброса на каждой ступени [4].Паркер и др. использовали среднесрочное динамическое моделирование, чтобы доказать влияние действия по сбросу нагрузки, и это для того, чтобы повлиять на управление соответствующими системами. Мы должны указать, что это модальный анализ напряжения в сочетании с определением запаса реактивной мощности [5]. Haidar et al. иметь комбинированный подход к основе нечеткой логики и нейронных сетей, чтобы определить процент потери, чтобы избежать коллапса напряжения. Это методика контроля уязвимости электрических систем [6].

Girgis and Mathure разработали приложение, основанное на чувствительности активной мощности к изменениям частоты и напряжения [7], чтобы избежать отключения электроэнергии. Udupa et al. разработали приложение облегчения перегрузки на основе нечеткой логики и нейронных сетей. Это приложение состоит в управлении факторами чувствительности с использованием операционной модели потока нагрузки [8]. S. J. Huang и C. C. Huang использовали адаптивный метод отключения нагрузки со временем для изоляции электрической системы [9].Jouini et al. разработал приложение для сброса нагрузки для тунисской электрической системы на основе частотного наблюдения при введении смешанных критериев частотного метода [10].

Все авторы, рассматривающие чувствительность, не объясняют влияние мощности, подаваемой на каждую шину, на поведение машин и, следовательно, на уровень напряжения. Решение о сбросе нагрузки, принятое в предыдущих работах, применяется только после отложенного анализа последствий, вызванных возникшими неисправностями.В этой статье мы разрабатываем новую стратегию сброса нагрузки, основанную на нечеткой логике, которая называется интеллектуальным сбросом нагрузки. Нашей мотивацией является обеспечение непрерывности электросети и предотвращение явления коллапса. Таким образом, с помощью этой новой стратегии мы избегаем некоторых социально-экономических проблем.

2. Интеллектуальная стратегия сброса нагрузки

Нарушения, приводящие к явлению падения напряжения, имеют стохастический характер. В данной шине, если производственному источнику не удается компенсировать реактивную мощность VAR, уровень напряжения падает.Вводимая мощность в автобусе выражается следующим образом:

где, — модуль и аргумент полной проводимости линии, — модуль и аргумент напряжения на шине, — модуль и аргумент напряжения на шине, — количество исследуемых сетевых шин.

Машина, подключенная к шине, должна обеспечивать активную и реактивную мощности соответственно,,, где
и — соответственно активная и реактивная мощности, потребляемые на шине.

Зная, что активная и реактивная мощности, подаваемые на шину, и выражаются следующим образом:

.

Проектирование, установка и тестирование систем управления и мониторинга

Проектирование, установка, тестирование и ввод в эксплуатацию систем управления и мониторинга

Реализация проекта

Подготовка проекта систем управления и мониторинга требует определения набора действий:

• Определение оборудования и систем, подлежащих управлению и мониторингу (все оборудование — автоматические выключатели, измерительные трансформаторы, разъединители, переключатели и т. д.)- должны быть идентифицированы кодом, определенным Заказчиком строительства или проектировщиком, если нет инструкций.
• Определение типа контроля и мониторинга, которые необходимо реализовать, в зависимости от сложности установки.
• Определение используемых устройств защиты, создание матрицы срабатывания.
• Определение « уставок » устройств защиты.
• Определение матрицы блокировки.
• Определение последовательности операций и последовательных автоматизмов, если таковые имеются.
• Синхронизация среднего, высокого и сверхвысокого напряжения ( MV : среднее напряжение; 1 кВ . HV : высокое напряжение; 60 кВ ≤ V <150 кВ . EHV : сверхвысокое Напряжение: В ≥ 150 кВ ) автоматические выключатели (включаются в состоянии «Шина под напряжением — линия под напряжением »).
• Программа повторного включения.
• Определение цифровых и аналоговых входных и выходных сигналов.
• Определение общих аварийных сигналов и соответствующая обработка данных.
• Определение электрических параметров, которые необходимо контролировать и измерять.
• Определение временных задержек, подлежащих установлению.
• Определение нарушений, подлежащих регистрации.
• Создание программ переключения при нормальных и аварийных ситуациях.
• Определение последовательности операций и последовательных автоматизмов, если таковые имеются.
• Снятие нагрузки, если требуется.
• Взаимодействие между оборудованием и / или системами (локальными и удаленными).
• События и соответствующие данные для удаленной передачи.
• Управляющий и контролирующий входной сигнал от центра (ов) дистанционного управления.
• Общие сети связи.

Документы, которые необходимо подготовить

Помимо однолинейных схем глобальной установки, показывающих все оборудование, их коды и блоки защиты, они должны быть изготовлены для каждой части установки и для каждого оборудования, подлежащего управлению и мониторингу, схематические диаграммы управления и мониторинга , которые являются важными элементами для обслуживания и обнаружения отказов.

На этих схемах должно быть представлено все оборудование, подлежащее управлению и мониторингу, и контрольное оборудование, ручное или автоматическое (вспомогательные реле, переключатели управления и т. Д.), Тупо кодифицированное, блокирующее (если есть), а также вспомогательные контакты блоки защиты, сигнальные лампы и измерительное оборудование.

Вышеупомянутые схемы должны быть дополнены схемами подключения силовых и / или управляющих распределительных устройств, панелей и шкафов, показывающих соответствующие клеммные колодки, тупо обозначенные, с соединением проводников внутренней проводки и кабелей управления.Каждый проводник должен иметь этикетку, определяющую соединение в соответствии с проектной документацией.

Также должен быть составлен список кабелей с указанием:

• Тип кабеля, количество жил и поперечное сечение.
• Пункт отправления и назначения кабеля.
• Маркировка кабеля в соответствии с проектной документацией.
• Прокладка кабеля.

Логические схемы и операционные уравнения

При проектировании систем управления и мониторинга необходимо также учитывать инструкции по программированию микропроцессорных блоков системы, которые должны включать команды блокировки, отключения, ситуации блокировки оборудования и возможные последовательные автоматизмы.

Эти инструкции могут быть созданы в виде логических схем или операционных уравнений .

a) Логические диаграммы

Логические диаграммы, связанные с событиями (представлены заглавными буквами ), которые переводят условия, которые должны быть выполнены, на логические блоки математических логических операций — логическое соединение ( ˄ ) и логическое разделение ( ˅ ).

Предполагается, что событие A может иметь следующие значения:

• A = 1 — событие подтверждено.
• A = 0 — событие не подтверждено.

b) Операционные уравнения

Операционные уравнения используют Boolean Algebra , устанавливая уравнения между событиями (представленные заглавными буквами ), математическими логическими операциями — логическим соединением ( ˄ ) и логическим дизъюнкцией ( ˅ ) — к алгебраическим операциям ( х; + ).

Для события X принято следующее соглашение:

• X — событие подтверждено.
• X̅ — событие не проверено

Статья по теме: Программируемые логические контроллеры (ПЛК) для промышленного управления

Блокировка и локальное ручное управление

Во избежание неправильных маневров, которые могут повредить оборудование и создать опасность для сотрудников должна быть реализована программа блокировки.

Наиболее распространенные неправильные маневры в электроустановках:

• Разомкнуть или закрыть изоляторы при замкнутых автоматических выключателях (маневр нагрузки).
• Замкнуть заземлители с включенными автоматическими выключателями и / или изоляторами и при наличии напряжения.
• Включите автоматические выключатели и / или разъединители с замкнутыми заземлителями.
• Замкните другие автоматические выключатели, когда сработает реле защиты 50BF.

Существует два типа блокировки: электрическая и механическая.

Электрическая блокировка предназначена для предотвращения несанкционированного электрического управления и выполняется с помощью « оборудования » (реле и кабели), с помощью «программного обеспечения » или их комбинации.

Механическая блокировка предназначена для предотвращения местного ручного управления и может быть достигнута с помощью навесных замков и замков или может быть встроена в , что относится к изоляторам с заземлителями на подстанциях.

Оборудование может иметь как электрическую, так и механическую блокировку.

Местное ручное управление осуществляется рядом с оборудованием. По соображениям безопасности этот тип управления, за исключением аварийных ситуаций, возможен только тогда, когда это разрешено лицом, ответственным за эксплуатацию электроустановки, которое сделает его «бесплатным» в исполнении назначенного оператора .

Для блокировка ручного управления может быть заменена только персоналом , имеющим полное разрешение :

« Аппаратное обеспечение », блокировка : с помощью переключателей управления с ключом , доступ к которому имеет только уполномоченный персонал.

Блокировка « Программное обеспечение » : с использованием « ключевого слова », которое позволяет заменять блокировку только уполномоченному персоналу.

Также прочтите: Контроль электрического напряжения в кабелях, соединениях и заделках. здания.Волоконно-оптические кабели на распределительном устройстве обычно прокладываются на дне бетонных траншей внутри полиэтилена высокой плотности.

Эти кабели должны быть отделены от силовых кабелей во избежание электромагнитных помех и защищены от источников тепла, например паропроводов.

Все жилы многожильных кабелей должны быть обозначены соответствующими этикетками, содержание которых должно быть определено на этапе проектирования.

Сращивание, соединение и заделка кабелей витой пары Для оптоволоконных кабелей и требуется обученный, специализированный и сертифицированный персонал.

Когда оборудование прибывает на площадку, необходимо провести предварительный осмотр, принимая во внимание следующее:

• Требуется визуальный осмотр, чтобы убедиться, что оборудование было повреждено во время транспортировки.
• Необходимо обеспечить соответствие основных технических характеристик оборудования утвержденным спецификациям.
• Необходимо убедиться, что к оборудованию прилагаются инструкции по монтажу.
• Необходимо гарантировать, что результат Заводских приемочных испытаний (FAT) сопровождает оборудование.

Системы и оборудование управления и контроля устанавливаются внутри помещений в распределительных устройствах, шкафах управления и управления и защиты, а также панелях и пультах, кроме шкафов местного управления HV и EHV ( HV : высокое напряжение; 60 кВ ≤ В <150 кВ . EHV : сверхвысокое напряжение; В ≥ 150 кВ) устанавливается в распределительных щитах подстанций или промышленного наружного технологического оборудования.

На электростанциях, подстанциях и промышленных предприятиях это оборудование должно устанавливаться в помещениях управления и / или электрических помещениях, оборудованных подходящими системами HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха) для регулирования температуры, которая рекомендуется не выше 25 ºC , и относительная влажность в соответствии с рекомендациями производителей; качество воздуха должно быть подходящим для оборудования, без пыли.

Особое внимание следует уделять степени защиты IP, обеспечиваемой корпусами шкафов управления, панелей и пультов (требования должны быть более важными для оборудования, установленного на открытом воздухе), а фильтры оборудования HVAC необходимо периодически очищать или заменять.

Следует отметить, что во многих странах не принято устанавливать системы отопления, вентиляции и кондиционирования на общественных подстанциях MV / LV ( MV : среднее напряжение; 1 кВ . LV : Низкое напряжение; В ≤ 1 кВ ), хотя необходимо обеспечить надлежащую естественную вентиляцию электрических помещений подстанции.

Контрольно-измерительное оборудование и реле защиты должны быть подвергнуты испытаниям после изготовления (заводские приемочные испытания — FAT ) для проверки соответствия кабелей стандартам и нормам, а также после установки (на месте или приемка на месте Тесты — SAT ).

Американский стандарт ANSI / NETA ( ANSI : Американский национальный институт стандартов. NETA : Международная ассоциация электрических испытаний) ATS-2009 (Стандарт технических требований к приемочным испытаниям для электроэнергетического оборудования и систем ), определяет все процедуры проверки и испытаний для этого оборудования и систем.

Испытания и проверки подразделяются на «визуальный и механический контроль», и «электрические испытания».

В рамках визуального и механического осмотра будет подчеркнуто:

• Убедитесь, что к оборудованию прилагаются сертификаты испытаний FAT и руководства по эксплуатации.
• Сравните данные паспортной таблички оборудования, характеристики и версию программного обеспечения (только для микропроцессорного оборудования) с чертежами и спецификациями.
• Убедитесь, что устройство не имеет физических повреждений и чистое.
• Проверить герметичность соединений.

Что касается электрических испытаний, то они должны производиться в соответствии с типом оборудования, и это должно быть выполнено:

• Проверка сопротивления изоляции каждой цепи от корпуса.
• Проверка соответствия кабеля и внутренних соединений последнему выпуску проектных чертежей.
• Функциональный рабочий тест (в основном значение срабатывания и время задержки).
• Для микропроцессорного оборудования проверьте работу всех активных цифровых входов, всех выходных контактов и проверьте все внутренние логические функции, используемые в схеме защиты

После первоначального включения оборудования измерьте величину и фазовый угол всех входов и сравните с ожидаемые значения

Испытания должны проводиться с использованием подходящего испытательного оборудования, такого как:

• Мультиметры
• Токоизмерительные клещи
• Тестеры напряжения
• Оборудование для проверки реле и измерителей
• Тестеры изоляции (MEGGER)

Частота техническое обслуживание должно быть установлено с учетом требований надежности оборудования и руководств и рекомендаций производителей.

Операции по техническому обслуживанию могут планироваться для каждого сегмента установки в разные периоды, но в крупных отраслях промышленности обычно один или два раза в год происходит глобальная остановка для целей технического обслуживания.

Стандарт NETA MTS-2007 Приложение B рекомендует периодичность технического обслуживания для оборудования и систем распределения электроэнергии .

Техническое обслуживание (визуальный и механический осмотр; электрические испытания; значения испытаний) для каждой единицы оборудования определены в стандарте NETA ATS-2009.

Некоторые работы по техническому обслуживанию заслуживают особого внимания:

• Проверка целостности цепей безопасности и отключения.
• Очистка распределительных устройств, шкафов, панелей и столов, чтобы пыль не приводила к ухудшению изоляции.
• Проверка прочности крепления болтов и гаек проводов во избежание чрезмерного нагрева.
• Проверка работоспособности систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и фильтров.

Об авторе: Мануэль Болотинья

— Диплом в области электротехники — Энергетические и энергетические системы (1974 — Высший технический институт / Лиссабонский университет)
— Магистр электротехники и вычислительной техники (2017 — Faculdade de Ciências e Tecnologia / Nova University of Lisbon)
— старший консультант по подстанциям и энергетическим системам; Профессиональный инструктор

.

ПИД-регулирование для электромобилей с ограничениями сигнала управления и скорости

Предлагается ПИД-регулирование для электромобилей с ограничениями входного напряжения якоря и сигналов угловой скорости. ПИД-регулятор для автомобильного двигателя постоянного тока с отдельно возбуждаемой обмоткой возбуждения с учетом постоянной тока возбуждения был настроен с использованием управляемого инвариантного набора и концепций многопараметрического программирования для учета физических ограничений двигателя, таких как угловая скорость и входное напряжение якоря.Кроме того, интеграл ошибки, производная от ограничений ошибки и были рассмотрены в предложенном алгоритме как параметры настройки для анализа динамического поведения двигателя постоянного тока. Результаты показали, что предложенный алгоритм может быть использован для формирования управляющих воздействий с учетом ограничений по напряжению якоря и угловой скорости. Кроме того, результаты демонстрируют, что контроллер, подверженный ограничениям, может улучшить динамику двигателя постоянного тока электромобиля; и в то же время он защищает двигатель от перенапряжения.

1. Введение

Некоторые исследователи заявляют, что электромобили могут быть одним из возобновляемых решений энергетических и экологических проблем, вызываемых транспортными средствами на нефтяной основе из-за различных преимуществ, связанных с использованием электроэнергии, таких как низкая стоимость [1– 5]. В этом сценарии двигатели постоянного тока (DC) являются одними из наиболее часто используемых исполнительных механизмов в конструкции электромобилей [6]. Этот тип привода имеет множество преимуществ, таких как низкая стоимость, высокая надежность, простота обслуживания и простое управление переменными как скорости, так и положения, при этом ПИД-регулятор является одним из основных используемых контроллеров [7, 8].

Пропорционально-интегрально-производный регулятор (ПИД) широко используется для большинства промышленных процессов из-за своей простоты и эффективности в управлении [9, 10]. Этот тип регулятора обычно используется в системах уровня, расхода, температуры и транспортных средств, а также в электродвигателях [10–12]. Кроме того, конструкция ПИД-регулятора считается легко реализуемой, поскольку необходимо настроить только три параметра, и методы настройки могут выполняться автоматически [13].Некоторые из наиболее часто используемых методов настройки ПИД в литературе по технике управления — это методы Циглера и Николса, Коэна и Конна, метод реле и устройство Relatus. Эти методы эффективны и позволяют достичь отличных результатов при управлении неограниченными однофакторными системами, хотя некоторые из них также применимы для многомерных систем [9].

Несмотря на все преимущества ПИД-регуляторов, большинство методов настройки не учитывают ограничения процесса. Таким образом, многие исследователи пытались учесть эти условия в контуре управления, используя антиброс, насыщение сигнала управления и ограничения интегратора.Эти методы направлены на ограничение управляющего воздействия, чтобы приспособить контроллер к ограниченным процессам [14, 15]. Однако эти методы по-прежнему не принимают во внимание ограничения при настройке контроллера и, следовательно, такие методы не совсем подходят; т.е. они не приводят к оптимальному управляющему сигналу для системы с ограничениями.

Для решения задачи оптимального ограничения предлагается множество контроллеров. Одно из решений состоит в поддержании траектории системы в сжимающем управляемом инвариантном множестве многогранников, определенных в пространстве состояний.Этот набор содержит все состояния, для которых существует закон управления с обратной связью по состоянию, поддерживающий траекторию динамической системы в пределах [16, 17]. Закон управления с обратной связью по состоянию может быть вычислен в оперативном режиме из решения задачи линейного программирования (ЛП) или в автономном режиме путем решения задачи многопараметрического линейного программирования (МП-ЛП) [17]. Это оптимальное решение представляет собой явный закон управления с обратной связью по состоянию PWA (PieceWise Affine), определенный для набора полиэдральных областей в пространстве состояний [14]. В качестве дополнительного способа управления с обратной связью недавние исследования показали, что существует форма пространства состояний, которая позволяет настраивать ПИД-регуляторы с использованием линейно-квадратичного регулятора (LQR) [13, 18], и это может позволить нам объединить обе стратегии, создавая новый метод настройки, учитывающий ограничения.

В этом контексте в данной статье предлагается конструкция нового типа ПИД-регулятора с планированием усиления для управления угловой скоростью двигателей постоянного тока электромобилей с учетом ограничений по угловой скорости, входному напряжению и состояниям ПИД. Для этого используются постановки в пространстве состояний ПИД-регулятора, а также концепция управляемых инвариантных множеств вместе с решением задачи многопараметрического программирования [6, 9, 19, 20]. В этом случае мы используем те же методы, которые применяются для получения явных контроллеров (которые учитывают системные ограничения), чтобы настроить аналогичные контроллеры PID (mp_PID) на ограниченные системы.

Работа организована следующим образом. Сначала мы подойдем к концепции -сжимающего управляемого инвариантного множества. Последовательно будет описана задача линейного многопараметрического программирования. После этого мы расскажем, как настроить ПИД-регуляторы с помощью метода многопараметрического линейного программирования. Обзор двигателей постоянного тока для электромобилей будет рассмотрен позже. Наконец, будет проведен ряд моделирования с целью доказательства функциональности предложенного алгоритма и концепции mp_PID в управлении двигателями постоянного тока электромобилей, т.е.е., предназначенные для работы с электромобилями.

2. Управляемые инвариантные множества

Концепция управляемых инвариантных множеств стала важной при разработке контроллеров для линейных систем с дискретным временем, подверженных ограничениям, поскольку она представляет собой фундаментальное условие для поддержания стабильности системы, гарантирующее, что ограничения не нарушаются [ 21].

Рассмотрим линейную инвариантную во времени систему с дискретным временем, описанную где — время выборки, — состояние системы с (где и), и — управляющий вход, подчиненный ограничениям.

Непустое замкнутое множество является управляемым инвариантом относительно системы, описанной в (1), если существует такой управляющий сигнал, который остается внутри него для каждого принадлежащего замкнутому множеству. Более того, если рассматривается заданная скорость сжатия, набор называется -сжимающим управляемым инвариантным множеством по отношению к системе (1), если существует такой управляющий сигнал, который принадлежит набору, для каждого принадлежащего замкнутому набору [16 , 21]. В общем, набор ограничений, определенных в пространстве состояний, не является контролируемым инвариантным набором; я.е., не обязательно существует закон управления (), который поддерживает траекторию вектора состояния, полностью содержащуюся в наборе ограничений. Тем не менее, возможно вычислить управляемый инвариантный набор, который должен быть как можно большим, содержащимся в наборе ограничений [22]. Следовательно, перед запуском процесса синтеза контроллера необходимо определить управляемый инвариантный набор, а затем вычислить подходящий закон управления, который может ограничить вектор состояния управляемым инвариантным набором.

Путем определения максимального сжимающего управляемого инвариантного набора () [16, 22], закон управления с обратной связью по состоянию (), способный поддерживать динамику системы (1), содержащийся в, может быть вычислен в режиме онлайн путем решения задачи линейного программирования ( LP), как описано в [16], или в автономном режиме от решения следующей задачи многопараметрического программирования (mp-LP) [23]:

, где где — скорость сокращения, которая должна быть минимизирована на каждом временном шаге, — это управляющее действие, которое должно быть вычисляется и представляет собой набор состояний, содержащихся внутри.Выражение представляет собой выпуклый многогранник в пространстве и представляет собой выпуклый многогранник, который представляет ограничения в управляющей переменной.

При разработке контроллеров с ограничениями решение mp-LP (задача (2)) приводит к закону управления с обратной связью по состоянию PWA над многогранными областями в пространстве параметров следующим образом [24]: множество (управляемый инвариантный полиэдр) разбивается на различные полиэдральные области:

.