Обеспечение приборной базы системы контроля качества электроэнергии в современных системах электроснабжения

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены вопросы качества электроэнергии, в том числе, несимметрии напряжений и токов в системе электроснабжения, влияние этих показателей качества на основные вопросы режимов работы электрооборудования и систем электроснабжения в целом. Важным вопросом является их влияние на величину потерь мощности в сети. Представлены главные особенности распространенных сегодня приборов контроля качества электроэнергии, используемых для получения показателей качества электроэнергии. Указаны их главные недостатки, препятствующие широкому повсеместному использованию в электрических сетях. Основная особенность данных приборов в их метрологических характеристиках, соответствующих классу “А”, в нормативных документах, принятых в последние годы. Поставлен вопрос о возможности снижения необходимой точности приборов с переходом их в класс “S”, что не позволит им быть регулятором в судебно-правовых вопросах, но благодаря снижению стоимости даст возможность распространить их и получить результирующую картину состояния электрической сети в целом, а не на отдельных, редких точках. Рассмотрены методические вопросы разработки упрощенных приборов контроля и анализа показателей качества электроэнергии. Предложен ряд мер по созданию такого класса приборов. Их широкое применение позволяет сделать значительный шаг в разработке автоматизированных систем контроля качества электроэнергии (АСККЭ), что является в настоящее время необходимой и востребованной задачей. Приведены конкретные результаты по созданию таких приборов, рассмотрены основные показатели, получаемые на основе анализа реальных систем электроснабжения.

ABSTRACT

The article describes the questions of power quality, including asymmetry of voltages and currents in the power system. The impact of these quality indicators on the major issues of the operation modes of electrical equipment and power systems in general. An important issue is their impact on the amount of power losses in the network. It`s presented the main features of prevalent today devices for control power quality of electric energy, used for receiving power quality indices. It`s listed their main disadvantages, that don`t allow them to be widespread used in electric networks. The main trait of such kind devises is in their metrology parameters, which suit class “A” in normative documents, adopted in recent years. It`s set a question about possibility of decreasing of necessary precision of devices with their transition to class “S”, that will not allow them to be used like a regulator in judicial matters, but, due to cost reduction, will give the opportunity to be spread and give the result electric network condition picture in general instead of separate, rare, network nodes. The article considers the methodological questions of the development of simplified devices for control and analysis of electric power quality indices. It`s proposed a number of measures on creation of this class of devices. Their widespread use allows making a significant step in the development of automated control systems of power quality (ASKKA) that is currently necessary and popular task. The specific results in the creation of such devices, the basic indicators, obtained on the basis of analysis of real power systems.

Одним из важнейших направлений исследований в энергетике является качество электроэнергии. Это, по сути, целая область – ряд показателей, которыми характеризуется внутренняя структура этой электроэнергии. Описываются, в первую очередь, характеристики напряжения, как однофазные, так и трехфазные. Например, насколько отличается его реальная величина от ее номинального значения (говорим, что величина напряжения в каждой точке сети составляет 220 В, но на самом деле она же отличается от этой константы в каждый момент времени и в каждой точке сети, и это значительно влияет на параметры работы оборудования); как различаются между собой различные фазы напряжения, насколько они симметричны и т. д.; насколько кривая напряжения соответствует заявленной синусоидальности или на самом деле в этих кривых напряжения есть искажения (то есть форма кривой напряжения несколько отличается от декларируемой синусоидальности) и т. д. И таких вопросов в исследовании качества электроэнергии (КЭ) множество. Они все (более 13 показателей) описаны в ГОСТе. Кроме того, аналогичные вопросы возникают и к кривым токов, а не только напряжений. Много вопросов возникает к различным характеристикам мощности (полная, активная, реактивная, с учетом искажений, величина и источник искажений и т. д.).

В общем, это целая отдельная тема, требующая пристального изучения. Особенность этой проблемы состоит в ее важности, т. к. эти показатели КЭ весьма существенно влияют как на режимы работы подключаемых электроприемников (например, работа бытового холодильника: что будет, если напряжение в сети будет ниже или выше номинального и насколько), так и на другие характеристики работы электрической сети в целом.

Для корректной и правильной оценки этих величин, связанных с оценкой показателей КЭ, разработаны и выпускаются специальные приборы, позволяющие определять и оценивать указанные показатели. Они выпускаются как за рубежом, так и в нашей стране. Потребность в таких приборах достаточно велика, они нужны практически всем работникам эксплуатирующего персонала электрических сетей и других систем электроснабжения. Однако стоимость этих приборов тоже достаточно высока и несоизмерима со стоимостью простых амперметров, бытовых счетчиков и т. д. Например, такой прибор приличного класса отечественного производства оценивается в размере от 100 000 до 300 000 рублей – очень немало, учитывая потребность в них. На основе анализа такой ситуации и возникла задача – а нельзя ли разработать аналогичный прибор, позволяющий удовлетворить поставленным требованиям, за гораздо меньшую цену? Например, чтобы его стоимость при серийном производстве не превышала 50 000 рублей?

Получив возможность выпускать подобное оборудование по указанной цене, можно значительно расширить возможность широкого использования предлагаемого оборудования и удовлетворить растущие потребности потенциальных заказчиков в данном оборудовании. Вот на решении этого вопроса мы и решили сосредоточиться.

Первым делом необходимо было осознать – каким образом возможно решить данную задачу в условиях, когда у других разработчиков это не получилось (ведь предлагаемая стоимость производимых приборов совсем не зря появилась, просто дешевле не получается).

Во-первых, надо было определиться, что же мы делаем. Главными в данном вопросе оказываются метрологи и их службы (различные Госстандарты и т. д.). В соответствии с требованиями принятых в последнее время ГОСТов методы разработки и производства подобных приборов должны быть жестко увязаны с существующими нормативными документами. То есть приборы должны соответствовать двум классам: “A” и “S” [1].

Если приборы предназначены для сертификационных испытаний, претензионных оценок (коммерческо-правовые споры), то они должны соответствовать классу “А”, то есть должны быть обеспечены очень высокие требования к точности измерений (по точности не ниже эталонов Госстандарта), строгие алгоритмы вычислений (обязательное использование сигнальных процессоров), высокие требования к методике поверки и т. д. Неудивительно, что все разработчики решили при выпуске таких приборов уложиться в требования класса “А”, а соответственно, и получили повышенную стоимость таких приборов (ну не получается в этом случае дешевле).

Вместе с тем в подавляющем большинстве случаев при практической эксплуатации заданная при этом точность во многом избыточна. Например, величина потерь мощности в сети системы электроснабжения (количество технологических затрат мощности на передачу полезной мощности потребителям) зависит, в том числе, от коэффициента несимметрии напряжения. Это очень важная величина, т. к. этот уровень потерь, по сути, характеризует величину избыточной растраты электроэнергии. Однако требуемая при этом классом “А” точность прибора намного превышает получаемые результаты. Как известно из теории и практики электротехнических расчетов теории электрических цепей, «точность расчета не должна превышать точность исходных данных», т. к. по сути, в таком случае мы получаем «мнимое» уточнение получаемых результатов, несмотря на излишние затраты вычислительных ресурсов. Поэтому первое решение – отказаться от требований к классу “А” и перейти к гораздо более простому классу “S”, нормативные требования к которому в ГОСТе практически никак не определены. Главными здесь становятся не метрологи с их чрезмерно жесткими требованиями, а энергетики с их реальными потребностями.

Другим вопросом является использование вычислительных алгоритмов. Переход от класса “А” к классу “S” позволяет оптимизировать процесс вычислений и перейти от жестких нормативных алгоритмов к гораздо более простым и оптимальным (без потери точности и строгости) вычислениям. Это позволяет использовать значительно более простые и дешевые вычислительные средства. Получается существенный выигрыш в результате, значительно упрощается элементная база, сигнальные процессоры и их дополнительная «обвязка» исчезают.

Данный прибор выполнен на основе одного из семейства 16-разрядных микроконтроллеров типа MSP430 фирмы “TI”, имеющего восемь встроенных АЦП и запрограммированного на языке Ассемблер. В отличие от других аналогичных приборов, отсутствует многопроцессорная система, включающая в себя мощный сигнальный процессор и целый ряд других, более простых микропроцессоров, а также отсутствует дополнительная «обвязка» другой необходимой сопутствующей электроникой, что значительно упрощает схему и удешевляет общую стоимость прибора.

Решение практических задач позволяет перейти от пофазных алгоритмов сразу к трехфазной модели (расчет несимметрии, показателей мощности и т. д.). Это также значительно сокращает требуемые вычислительные ресурсы.

Такой комплексный подход позволяет значительно снизить затраты на производство приборов контроля показателей КЭ и довести их до уровня 50 000 рублей за один выпускаемый прибор. Конечно, на этом пути достаточно еще не преодоленных «подводных камней», но уже полученные результаты (первые прототипы приборов в настоящее время уже реально опробованы) позволяют надеяться, что направление движения выбрано правильно и поставленная цель вполне достижима.

Решение данной задачи значительно упрощает проблему и позволяет перейти к практическому решению целого спектра актуальных вопросов, встающих перед эксплуатирующим персоналом электрических сетей и практикующих инженеров-энергетиков.

Для эксплуатации электрических сетей одним из главных вопросов является снижение величины потерь мощности в сети на передачу электроэнергии потребителям. При передаче электроэнергии по сетям величина этих потерь резко увеличивается при неравномерности загрузки отдельных фаз. Поэтому контроль симметричной загрузки фаз и снижение величины потерь электроэнергии, а значит, и экономичность работы сети в целом является весьма востребованным и высокоэффективным мероприятием [2]. Широкое использование разрабатываемых достаточно дешевых приборов является остро необходимым и достаточно важным мероприятием.

Другим вопросом является обеспечение надежности функционирования системы электроснабжения в целом. Для этого, по большому счету, необходимо иметь автоматизированную систему контроля качества электроэнергии (АСУКЭ) в сети, которая позволяла бы во всех (необходимых) контрольных точках сети осуществлять автоматический непрерывный контроль всех необходимых параметров режима. Должны контролироваться уровни напряжения, провалы и превышения напряжения, наличие гармоник в сети, другие различные режимные возмущения. Их непрерывный контроль позволяет предотвратить возможные текущие возмущения в сети, а анализ ранее возникших аналогичных событий позволяет принять меры к их возможному возникновению в дальнейшем и последующему предотвращению.

Это весьма непростая и очень важная задача, которая к настоящему времени до конца не реализована. Одной из основных причин этого является высокая стоимость отдельных приборов контроля КЭ, не позволяющая нормально реализовать указанную систему, хотя такой вопрос в практической плоскости ставится уже достаточно давно.

Дополнительно можно указать целый ряд проблем, которые возникают и могут быть решены с использованием указанных приборов контроля показателей КЭ. Например, это оценка возможности наличия гармоник в напряжении сети, приводящих к возникновению помех, анализ режимов нейтрали, да и огромное количество других весьма важных и острых проблем в системах электроснабжения.

Для решения всех указанных вопросов был разработан прибор, отвечающий всем основным указанным требованиям, реализованный в виде устройства «ЭРИС-КЭ.07» (в версии, выпускаемой в Республике Узбекистан – «Малика–01»). Его общий вид приведен на рис. 1. Основные измеряемые параметры, которые регистрируются прибором, приведены в табл. 1.

Следует отметить, что приведенными параметрами совсем не исчерпывается список измеряемых и фиксируемых величин. В прибор заложена дальнейшая возможность расширения номенклатуры измеряемых параметров, например, учет ряда высших гармоник, различные виды мощности и т. д. Основные моменты нового подхода к разработке таких приборов и методы их реализации изложены в [3]. Их применение позволило практически реализовать предъявленные к данному устройству практические требования, существенно упростить и значительно удешевить подход к решению данной задачи.

Важным преимуществом данного вида прибора является возможность его применения в создании современных востребованных систем АСУКЭ. Конечно, важным при этом является создание достаточно дешевой и надежной системы связи между каждым прибором и диспетчерским пунктом, но современные разработки электроники в данном вопросе позволяют надеяться на успешное решение данной проблемы в следующих исследованиях.

Рисунок 1. Внешний вид разработанного прибора контроля показателей качества электроэнергии

Таблица 1.

Перечень основных параметров, измеряемых прибором