Исследование способов и алгоритмов измерения электроэнергетических характеристик напряжения сети

В настоящее время все более пристальное внимание не только ученых и специалистов, но и пользователей радиоэлектронного и электротехнического оборудования, уделяется проблеме электромагнитной совместимости (ЭМС), которая трактуется как комплексная организационно-техническая задача обеспечения качества электроэнергии в электрических сетях общего назначения [38]. В действующих международных и национальных стандартах уровни электромагнитной совместимости регламентируют значения кондуктивных электромагнитных помех, используемых в качестве опорных. Это дает возможность координации правовых отношений по допустимым уровням помех, вносимым техническими средствами электроснаб-жающей организации и потребителями электрической энергии, и уровням помех, воспринимаемым техническими средствами без нарушения их нормального функционирования. Кондуктивные помехи проявляются в виде отклонений кривой напряжения сети от синусоидальной и измеряются непосредственно на шинах питания сети.

В решении проблемы стандартизации в области электромагнитной совместимости принимают участие международные организации: ИСО — Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization — ISO) — МЭК — Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission — IEC) — международные групповые объединения: CEN — Европейский комитет по стандартизацииCENELECЕвропейский комитет по стандартизации в области электротехникипрофессиональные организации: IEEE — Институт инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers — IEEE) — IEA — Ассоциация электронной промышленности (США) — национальные органы по стандартизации: ANSI (США), JISC (Япония), AFNOR (Франция), BSI (Великобритания), DIN (ФРГ), Госстандарт (Россия) и др. [1.3, 37, 38, 41.44, 48.55].

Вместе с тем имеет место целый ряд очевидных технических противоречий, разрешаемых и преодолеваемых совместными усилиями такими субъектами как: энергообеспечивающие организации, потребители-виновники в ухудшении качества энергии и потребители, применяющие устройства и системы чувствительные к качеству энергии. Для каждого из субъектов можно выделить свои специфические аспекты проблемы электромагнитной совместимости в целом, а так же определить круг вопросов, которые можно отнести к внутренним, но важным, поскольку их решение позволяет в комплексе упростить и смягчить технические и, в конечном итоге, юридические противоречия между субъектами. Значительный вклад в теорию и практику решения проблем ЭМС внесли отечественные ученые: Борисов Б. П., Вагин Г. Я., Гольдштейн В. Г., Жежеленко И. В., Куренной Э. Г. Кучумов J1.A., Мартяшин А. И., Салтыков В. М., Сапельников В. М., Степанов В. П., Шахов Э. К., Шидловский А. К. и др.

В настоящей диссертационной работе основное внимание уделяется вопросам совершенствования приборов и систем для измерения и контроля показателей качества электроэнергии, которые по современной концепции представляют собой важные подсистемы АСКУЭ и автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ).

Состояние проблемы обуславливается двумя обстоятельствами: во-первых, электрическая энергия является одним из основных энергоносителей, используемых сегодня в мире, и, во-вторых, в соответствии со статьей 7 Закона Российской Федерации от 13 августа 1997 г. № 1013 утвержден «Перечень товаров, подлежащих обязательной сертификации», в который занесена и электрическая энергия. Таким образом, «качество» как важный параметр торговой продукции стал для электроэнергии определяющим, поскольку круг потребителей данного товара очень широк: от физических лиц до крупнейших промышленных предприятий и целых отраслей. От качества электроэнергии зависит жизнь и здоровье потребителей, функционирование высококачественного офисного, медицинского, измерительного, производственного оборудования.

Выход показателей качества электроэнергии (ПКЭ) за допустимые пределы приводит к нарушению работоспособности оборудования и отключению ответственных нагрузок, что приводит к материальному и моральному ущербу. В других случаях выход ПКЭ за пределы нарушает оптимальные экономичные режимы работы оборудования, что приводит к изменению перекотов мощности и к увеличению потерь мощности, т. е. к повышению стоимости электроэнергии, ускорению износа электрооборудования.

Статьи 542 и 543 (часть вторая) Гражданского Кодекса Российской Федерации возлагает ответственность за поддержание качества электроэнергии как на энергоснабжающие организации, так и на потребителя электроэнергии. С одной стороны, качество электроэнергии, подаваемой энер-госнабжающей организацией, должно соответствовать требованиям, установленным государственными стандартами и иными обязательными правилами или предусмотренным договором энергоснабжения, с другой стороны, потребитель обязан обеспечивать надлежащее техническое состояние эксплуатируемых электрических сетей, приборов, оборудования.

Требования к качеству электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения регламентируются ГОСТ 13 109–97 [38], который устанавливает следующие основные показатели качества: установившееся отклонение напряженияразмах изменения напряжениядоза фликерадлительность провала напряжениякоэффициент искажения синусоидальностикоэффициент л-ой гармонической составляющей;

7) коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;

8) коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности;

9) импульсное напряжение;

10) коэффициент временного перенапряжения;

11) отклонение частоты.

Обязательной сертификации из 11 параметров подлежат только шесть: 1,5,6,7,8,11. Но по «Временному порядку сертификации электрической энергии» из-за физического отсутствия соответствующего измерительного и контролирующего оборудования в настоящее время сертификация электроэнергии ведется по двум параметрам: провалам напряжения и частоте. В связи с этим не снимается актуальность вопроса построения приборов для контроля других ПКЭ и, в частности, — приборов и систем для измерения характеристик несинусоидальности сетевого напряжения, дозы фликера и др.

Ответственность за превышение допустимых значений отклонения частоты несет энергоснабжающая организация. Ответственность за превышение допустимого значения отклонения напряжения энергоснабжающая организация несет только в том случае, если потребитель не нарушал технических условий потребления энергии и генерации реактивной мощности. Ответственный за нарушения по другим параметрам определяется фактическим вкладом каждой из спорящих сторон.

Правила учета электроэнергии" обязывают включать в Договор на энергоснабжение допустимые значения ПКЭ.

Контроль показателей качества электроэнергии, как правило, выполняется специализированными приборами, представляющими собой универсальные (многопредельные) мультиметры, ориентированные на электроэнергетические измерения. По пути построения приборов контроля всех показателей качества электроэнергии, которые предусматриваются ГОСТом, идут практически все разработчики и производители соответствующей аппаратуры: ООО «ВиФТесТ», ОАО «ВНИИЭ», ООО «НПФ «Солис-С», «АББ ВЭИ Метроника» (Москва) — НПП «Энерготехника» (Пенза) — НПП «Марс-Энерго», ООО «Парма» (Санкт-Петербург) — ОАО «Концерн Энергомера» (Ставрополь) и др. Вместе с тем, стремление к универсальности является сдерживающим фактором широкого распространения и внедрения так необходимых приборов контроля ПКЭ, а с другой стороны, развитие вычислительной техники и совершенствование программного продукта открывают новые возможности построения измерителей ПКЭ на базе виртуальных приборов.

Основание для проведения работы. Работа выполнена в соответствии с планами проведения и реализации ряда госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ Пензенского государственного университета, Пензенского регионального центра высшей школы (ПРЦВШ) -филиала Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства (РГУИТП) по заказам различных организаций и предприятий РАО энергетики и электрификации «ЕЭС России».

Актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, диктуется следующими обстоятельствами.

Во-первых, в настоящее время существует настоятельная потребность рынка в средствах энергоаудита и сертификации качества электрической энергии (как товарной продукции), в том числе и по показателям, характеризующим отклонение напряжения сети от синусоидального (коэффициенту искажения синусоидальности, коэффициентам и-ой гармонической составляющей, уровням фликера).

Во-вторых, имеющиеся средства измерений показателей качества электроэнергии обеспечивают оценку не всех требуемых ГОСТом параметров и из-за универсальности (или аппаратурной избыточности) представляют собой сложные дорогостоящие изделия.

В-третьих, при решении проблем электромагнитной совместимости и оценке показателей качества электроэнергии по коэффициенту искажения синусоидальности, коэффициентам п-ой гармонической составляющей, уровням фликера существует целый ряд задач по математическому и программному обеспечению, не нашедших удовлетворительного решения из-за неэффективного использования современного аппаратного обеспечения и разработанного программного продукта.

Предмет исследований.

1. Современное аппаратно-алгоритмическое и математическое обеспечение задач контроля электроэнергетических характеристик сетевого напряжения и ПКЭ согласно ГОСТ 13 109–97 и определение путей построения измерительных приборов на базе персональных компьютеров.

2. Методы и алгоритмы обработки информации в виртуальных системах измерения электроэнергетических параметров и характеристик несинусоидальности сетевого напряжения.

3. Математические модели методических погрешностей квантования и динамические свойства аналого-цифровых преобразователей.

Методы исследований включают в себя: методы математического анализа, методы линейной алгебры, методы теории непрерывных и импульсных систем автоматического регулирования, численные методы математики и цифровой фильтрации, методы статистического имитационного моделирования на ЭВМ и методы теории планирования экспериментов. Соответствующие теоретические исследования проводились с использованием сред программирования MathCAD и Simulink.

Цель работы — создание аппаратного, математического и алгоритмического обеспечения процессов измерения электроэнергетических характеристик напряжения сети, разработка программно-аналитических средств обработки измерительной информации, исследование и апробация найденных решений.

В соответствии с этим решаются следующие основные задачи: определение перспективных путей совершенствования математического, алгоритмического, программного и аппаратного обеспечения виртуальных приборов для контроля и измерения электроэнергетических характеристик напряжения сетиразработка структуры и исследование компонентов виртуальных приборов и устройств мониторингового контроля показателей качества электроэнергии, включая разработку структурных и функциональных схем виртуальных приборов для измерения уровней фликерааналитическое исследование погрешностей АЦП различных типов и синтез математических моделей АЦП для анализа влияния динамических погрешностей и влияния шумов квантованияразработка статистической имитационной модели и исследование на ЭВМ эффективности алгоритмов измерения энергетических параметров сетевого напряжения и показателей качества электроэнергии при использовании различного типа АЦПапробация разработанных рекомендаций, алгоритмов и методик обработки информации и доведение их до практического применения при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ и в учебном процессе.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Формализация информационно-логического алгоритма идентификации нарушителей, влияющих на качество сетевого напряжения, использующих переключения релейного типаобоснование на этой основе обобщенной структуры прибора контроля и измерения ПКЭ с обработкой информации на ПЭВМ.

2. Разработка математических моделей АЦП, позволяющих учитывать динамические погрешности и влияние шумов квантования, исследование свойств методических погрешностей квантования АЦП. Адекватность моделей подтверждена результатами имитационного статистического моделирования на ЭВМ.

3. Обоснование перспективности применения АЦП, в которых реализуются алгоритмы интегрирующего преобразования без накопления погрешности квантования, при построении виртуальных приборов и систем для измерения электроэнергетических параметров в силовых сетях.

4. Разработка методики имитационного моделирования, использующей процедуры Блекмена-Тьюки для оценки уровней фликера и коэффициентов п-й гармонической составляющей, и показано, что существенное сокращение объемов вычислений может быть достигнуто за счет децимации и рандомизации данных.

5. Разработка структурных и функциональных схем устройств ввода измерительной информации через СОМ-порт персонального компьютера.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Обоснование структурной схемы виртуальной системы для измерения показателей качества электроэнергии.

2. Анализ методических погрешностей измерений и синтез математических моделей АЦП, учитывающих динамические погрешности и влияние шумов квантования.

3. Методики имитационного статистического моделирования на ЭВМ структур АЦП, алгоритмы оценки уровней фликера и коэффициентов п-й гармонической составляющей, использующие при обработке процедуру Блекмена-Тьюки с децимацией и рандомизацией данных.

4. Обоснование структурных и функциональных схем устройств ввода через СОМ-порт персонального компьютера информации о сигналах, подвергнутых частотной и время-импульсной модуляции.

Практическое значение результатов работы заключается в разработке программно-аппаратной части измерительного преобразователя для измерения показателей качества электроэнергии сетевого напряжения, разработке методик и MATHCAD и Simulink-программ имитационного статистического моделирования АЦП напряжения (тока), а также алгоритмов обработки информации в виртуальных приборах и системах. Представленные в работе результаты информационного поиска, а также методики и программы позволяют решать практически весь комплекс задач по проектированию аппаратной части и алгоритмов виртуальных приборов и систем для измерения и контроля показателей качества электроэнергии, в том числе по коэффициенту искажения синусоидальности, коэффициентам w-ой гармонической составляющей и уровням фликера.

Реализация и внедрение. Диссертация представляет собой обобщение хоздоговорных научно-исследовательских работ, в выполнении которых автор принимал участие, в Пензенском государственном университете и в Пензенском филиале Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства (РГУИТП). В данных НИР решались методологические и технические вопросы проектирования виртуальных приборов и систем на базе персональных компьютеров для измерения и контроля показателей качества электроэнергии по коэффициенту искажения синусоидальности, коэффициентам и-ой гармонической составляющей и уровням фликера.

Полученные в диссертационной работе результаты используются на кафедрах Пензенского госуниверситета и подразделениях Пензенского филиала РГУИТП при выполнении хоздоговорных НИР и в учебном процессе, а также внедрены в виде методик и программ в подразделениях ОАО «Пен-заэнерго», «Пензаэлектросетьстрой» и ООО НПП «Энерготехника».

Результаты внедрения подтверждены соответствующими документами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде ежегодных НТК Пензенского госуниверситета, а также на следующих международных и всероссийских конференциях и симпозиумах:

— международная НТК «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем», г. Пенза, 1997 г.;

— международный симпозиум «Надежность и качество», г. Пенза, 2002 г.;

— II Всероссийская научно-практическая конференция «Метрология электрических измерений в электроэнергетике», г. Москва, 2002 г.;

— IV Всероссийская НТК «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике», г. Чебоксары, 2002 г.;

— Международный симпозиум «Датчик — 2002», г. Судак;

— МНТК «Методы и средства измерения в системах контроля и управления», г. Пенза, 2002 г;

— МНТК «Методы и средства измерения в системах контроля и управления», г. Пенза, 2003 г;

— II Всероссийская НТК «Измерения — 2002», г. Пенза.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе: 8 статей, 8 тезисов докладов, 2 информационных листка.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов по работе и приложения. Основной текст изложен на 177 страницах. Библиография — 146 наименования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

В соответствии с целями и задачами диссертационной работы были получены следующие результаты.

1. С целью повышения точности и расширения функциональных возможностей средств измерения и контроля ПКЭ представлены и обоснованы предложения по совершенствованию математического обеспечения, а также программно ориентированные алгоритмы обработки измерительной информацииразработана обобщенная структурная схема измерителя ПКЭ на базе персонального компьютера.

2. Показано, что по совокупности характеристик предпочтение следует отдавать способам аналого-цифрового преобразования, реализующим интегрирующее развертывающее преобразование без накопления погрешности квантования. Для данного класса АЦП получены аналитические формулы для описания функции плотности шумов квантования и построена математическая модель, учитывающая динамические погрешности АЦП.

3. Для имитационного моделирования различных типов АЦП и алгоритмов обработки информации при измерениях электроэнергетических параметров, в том числе коэффициентов искажения синусоидальности, коэффициентов п-ой гармонической составляющей и уровней фликера проведены исследования, подтвердившие преимущества интегрирующих АЦП, в которых реализуется алгоритм без накопления погрешности квантования.

4. С целью обеспечения универсальности при измерениях значений доз фликера и расчета коэффициентов п-й гармонической составляющей предложено использовать методы на базе процедуры Блекмена-Тыоки. Для ускорения выполнения процесса обработки информации предложено и обосновано применение децимации и рандомизации данных.

5. Показано, что задачи совершенствования приборов для измерения ПКЭ сетевого напряжения следует решать в комплексе. Предложены алгоритмы расчета электроэнергетических параметров и ПКЭ на базе персональных компьютеров с учетом достижений в области построения аппаратной части систем измерения ПКЭ.

6. Результаты диссертационной работы получены в ходе выполнения х/д НИР Пензенского государственного университета и Пензенского филиала Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства и нашли внедрение в виде: методик обработки информации и программ для решения комплекса задач по проектированию аппаратной частиалгоритмов виртуальных приборов и систем для измерения и контроля показателей качества электроэнергии, а также в качестве отдельных узлов и элементов измерителей ПКЭ. Кроме того, результаты используются в учебном процессе в ПГУ при изучении вопросов электромагнитной совместимости и анализе режимов работы электроэнергетических систем.