Система автоматического контроля качества и учета количества электроэнергии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

На правах рукописи

Михалин Сергей Николаевич

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА И УЧЕТА КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Специальность 01.04.13 - "Электрофизика, электрофизические установки"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете)

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Геворкян Владимир Мушегович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Кузовкин Владимир Александрович кандидат технических наук, доцент Карташев Илья Ильич

Ведущая организация Всероссийский электротехнический институт.

г. Москва_

Защита состоится 27 мая 2005 г. в 16 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.13 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.14, ауд. 3-505.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МЭИ (ТУ).

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.14. Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан /3 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.157.13 кандидат технических наук, доцент

тъоБа

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ситуация, сложившаяся в настоящее время в сетях высокого напряжения, требует рассмотрения проблем учета количества электроэнергии с целью коммерческих расчетов. Кроме того, электроэнергия как вид товара (постановление правительства №1013 от 13.08.1997 г.) требует контроля его параметров - показателей качества электроэнергии (ПКЭ) в соответствии с ГОСТ 13109-97. При этом анализ литературных источников и докладов на конференциях различного уровня показывает, что существующие системы автоматизированного контроля качества и учета количества электроэнергии, эксплуатируемые в сетях высокого напряжения, не обеспечивают необходимой точности измерений. Это связано со многими причинами. С технической точки зрения проблемы связаны с неудовлетворительными характеристиками применяемых измерительных устройств (первичных датчиков - высоковольтных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН), электросчетчиков, анализирующих их сигналы), с методикой периодического контроля, а также с непроработанностью нормативных документов, устанавливающих методики измерений ПКЭ и аттестации измерительных устройств.

Таким образом, актуальная задача контроля качества и учета количества электроэнергии может быть решена на основе построения электрофизической установки высокого напряжения (110-750 кВ), которая, с одной стороны, обеспечивает измерения удовлетворяющие требованиям ГОСТ 13109-97 и отвечает требованиям коммерческого учета количества электроэнергии, а с другой - свободна от недостатков существующих систем.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка комплексного измерительного устройства (КИУ), на основе которого возможно построение автоматической системы контроля качества и учета количества электроэнергии (АСКУЭ) в сетях высокого напряжения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) построение первичных датчиков, свободных от недостатков ТТ и ТН;

2) переход от периодических измерений к непрерывным - мониторингу;

3) обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) средств обработки сигналов и передачи данных с электромагнитной обстановкой (ЭМО) линий электропередачи высокого напряжения (ЛЭП ВН);

4) разработка системы обработки сигналов с первичных датчиков, т.е. создание алгоритма обработки данных, обеспечивающего непрерывность и достоверность измерений (достижение погрешности измерения мощности на уровне 1% по сравнению с 5-10% свойственных существующим системам);

5) осуществление математического и физического моделирования блоков КИУ с целью проверки расчетов и сделанных выводов.

А

Методы исследования. При решении поставленных задач применялись методы системного и регрессионного анализа, численные методы расчета электромагнитных полей, методы теории обработки сигналов, повышения помехоустойчивости систем обработки сигналов, а также методы объектно-ориентированного программирования и разработки интеллектуальных систем.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной.

1. Предложена новая архитектура построения измерительного узла. Традиционное построение измерительной системы предполагало проведение измерений относительно земли (точки нулевого потенциала), в то время как в работе измерения осуществляются относительно высокого потенциала. По конструкции КИУ и организации измерений получены два патента РФ на изобретение.

2. Построены модели для расчета электромагнитного поля в области размещения КИУ на ЛЭП ВН. Проведена оценка возможности функционирования узлов обработки и передачи данных в условия ЭМО ЛЭП ВН.

3. Создан алгоритм цифровой обработки сигналов (ЦОС), обеспечивающий непрерывность, высокую точность измерений (на порядок превосходящую аналоги). Программа, его реализующая, официально зарегистрирована в реестре программ.

Практическая ценность работы. В результате проведенного исследования разработаны структура, математическое, аппаратное и программное обеспечения КИУ, позволяющего построить распределенную автоматическую измерительную систему, решающую задачу контроля качества и учета количества электроэнергии в сетях высокого напряжения (110-750 кВ) и отвечающую современным требованиям учета.

Реализация и внедрение результатов работы. Диссертационная работа завершена на уровне НИР. В настоящее время находится в стадии ОКР. Построен макет КИУ, узлы которого исследованы в рабочем режиме.

Результаты работы внедрены в ОКР в РАО ЕЭС России.

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Международная конференция "Информационные средства и технологии", 2001 г.; Отчетная конференция-выставка "Топливо и энергетика",

2001 г.; Восьмая международная конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", 2002 г.; Девятая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2002", 2002 г.; Международная конференция "Информационные средства и технологии",

2002 г.; Девятая международная конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", 2003 г.; VII симпозиум «Электротехника. 2010», 2003 г.; Труды V международной конференции

'.j!f■. ¿"А ^ з<С

«Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение», 2003 г.; Электронная конференция «Топливо и энергетика», 2004 г.

Также автор участвовал в открытом конкурсе АО «Мосэнерго» 2003 г. и занял 4-е место среди лучших дипломных проектов.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, среди которых два патента РФ и одно свидетельство официальной регистрации программы. Основное содержание диссертации отражено в 3 публикациях периодических изданий.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, списка основных сокращений, шести глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 59 наименований и восьми приложений. Основная часть работы изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 62 рисунка, и 14 таблиц. Приложения изложены на 31 странице машинописного текста и содержат 18 рисунков и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются основные ее цели, дается краткое содержание глав работы.

Первичными датчиками всех измерительных систем (рис.1), эксплуатируемых в сетях высокого напряжения, являются высоковольтные ТТ и ТН, альтернативы которым в настоящее время нет. Однако, как показано, последние обладают серьезными недостатками:

- коэффициент преобразования зависит от присоединенной нагрузки, от качества электроэнергии (в большей мере это относится к ТТ);

- трудоемкость и высокая стоимость периодической поверки трансформаторов;

- накапливаемый характер погрешности измерительных трансформаторов (т.к. например, после аварийных режимов погрешность трансформаторов изменяется непредсказуемым образом);

- большие массогабаритные параметры и высокая стоимость ТТ и ТН;

- класс точности 0,5 (начальный уровень лучших образцов).

Применяемые счетчики (анализаторы качества) электрической энергии, как оказалось, также обладают недостатками, приводящими к неконтролируемой погрешности измерений:

- все приборы ориентированы на низкое напряжение (до 660 В), поэтому при их эксплуатации в сетях высокого напряжения необходимо применение высоковольтных ТТ и ТН;

- показания зависят от параметров сигналов, поступающих с первичных датчиков (от гармонического состава, частоты основной гармоники);

- универсальность приборов приводит к высокой стоимости и невостребованности большинства функций при эксплуатации прибора в составе АСКУЭ;

- сравнительные испытания различных измерительных приборов одного класса точности показали, что при их включении в одну точку контроля наблюдаются различные результаты, превышающие суммарную погрешность.

В результате основными задачами создания измерительной системы

является:

- разработка первичных датчиков, свободных от недостатков штатных высоковольтных трансформаторов;

- разработка системы обработки сигналов с «новых» первичных датчиков, которая обеспечит достоверность и непрерывность измерений;

- обеспечение ЭМС электронных устройств.

В первой главе проведен анализ параметров и характеристик существующих измерительных систем и устройств, которые позволяют осуществлять контроль качества и (или) учет количества электроэнергии. Это позволяет определить требования к параметрам проектируемой системы, продиктованные практическими задачами, и установить недостатки существующих измерительных устройств и систем.

Отмечено, что перспективным решением задачи является изменение концепции измерений с привязкой к «земле» на измерения под высоким

потенциалом. При этом показано, что в этом случае узлы измерительного устройства могут быть реализованы применением стандартных элементов. Это облегчает решение проблем аттестации, внедрения и снижает конечную стоимость измерительной системы. Также указаны задачи, возникающие при размещении первичных датчиков и устройства обработки их сигналов на высоковольтной стороне:

- проблемы ЭМС средств обработки сигналов с ЭМО ЛЭП ВН;

- обеспечение питания средств обработки сигналов на высоковольтной стороне;

- передача данных с высоковольтной стороны с полной гальванической развязкой.

Вторая глава посвящена рассмотрению проблем ЭМС средств обработки и передачи данных с ЭМО ЛЭП ВН. Рассмотрена концепция построения КИУ, включаемого в рассечку каждого фазного провода ЛЭП ВН. Совокупность трех одинаковых КИУ образует электрофизическую установку высокого напряжения, построение которой является конечной целью работы. Структура всей измерительной автоматической системы контроля качества и учета количества электроэнергии на основе электрофизических установок (образованных тремя КИУ) представлена на рис.2.

Рис. 2 - Обобщенная структурная схема системы на базе КИУ С учетом выбранной конструкции КИУ, схематично представленной на рис.3, и схемы построения электрофизической установки - рис.4 созданы модели для расчета электрического и магнитного полей промышленной частоты, которые учитывают особенности разработанной конструкции: функциональные отверстия, выравниватели потенциала, реальные размеры элементов системы и т.п. В виду сложности граничных условий и ограниченных возможностей программы численного расчета электромагнитных полей А^УБ приняты ряд допущений:

- задача симметрирована;

- пространство охватывающее конструкцию электрофизической установки ограничено половиной расстояния между осями соседних КИУ с каждой стороны (принято, что на соответствующих границах поле равно нулю).

Приводятся результаты расчета электромагнитного поля в области размещения трех КИУ на фазных проводах ЛЭП ВН. На основе полученных данных об уровнях поля выполнен расчет уровней помехового воздействия на

измерительные цепи, а также предложены технические решения по обеспечению помехоустойчивого функционирования блоков обработки и передачи данных. При этом параметры модели выбирались из соображений обеспечения наихудшего случая с точки зрения помехового воздействия на блоки КИУ.

1 - Высоковольтный фазный провод, в разрыв

которого включается КИУ.

2 - Кольцевые выравниватели потенциала

3 - Стандартный ТТ, применяемый для отбора

мощности от протекающего тока, необходимой для питания цепей обработки сигналов.

4 - Стандартный ТТ, служащий датчиком тока

5 - Металлический корпус КИУ, образующий

клетку Фарадея и обеспечивающий защиту узлов КИУ от прямого воздействия внешних факторов.

6 - Стандартные высоковольтные конденсато-

ры, формирующие нижнее плечо многоступенчатого делителя напряжения, верхнее измерительное плечо которого формируется низковольтными конденсаторами (делитель напряжения является датчиком напряжения).

Рис. 3 - Схематическое изображение конструкции КИУ

к ЦСД

БП - блок питания БОС - блок обработки

сигналов РМ - радиомодем

Рис. 4 - Условная структурная схема электрофизической установки

Выбранная конструкция КИУ, как показали расчеты, обеспечивает достаточный для практических целей коэффициент экранирования по

электрической составляющей поля даже при наличии в корпусе КИУ функциональных отверстий и обеспечивает безопасность уровня магнитного поля для функционирования блоков КИУ.

Также во второй главе рассматриваются вопросы обеспечения питанием узлов КИУ и передачи данных с высоковольтной стороны. Показано, что данные задачи могут быть решены с помощью стандартных элементов. В частности, блок питания (БП) представляет собой источник бесперебойного питания, энергия для которого на высоковольтной стороне может быть получена либо от аккумулятора, либо от фазного тока линии. Передача данных с гальванической развязкой при этом легко реализуется радиоканальной связью. Для этих целей хорошо подходят стандартные радиомодемы, ориентированные на передачу цифровых данных и работающие в частотном диапазоне выше 2 ГТц, что обеспечивает помехозащищенность радиотракта.

Третья глава посвящена построению блока обработки сигналов, реализуемого на основе микропроцессора, т.е. рассмотрению и решению проблем ЦОС с первичных датчиков, которые связаны с особенностями обрабатываемых сигналов:

1) сигналы имеют сложную форму (спектр Д/) содержит много гармоник), зависящую от подключенной к сети нагрузки;

2) частота основной гармоники может иметь значения, отличные от номинальной величины (50 Гц), что определяется принципиальными вопросами производства и потребления электроэнергии.

При этом задачи ЦОС определяются требованиями ГОСТ 13109-97 и заключаются в измерении 40-ка амплитуд гармоник тока и напряжения, оценке периода основной гармоники (это необходимо для расчета ПКЭ), а также измерении амплитуд первых гармоник тока и напряжения и фазового сдвига между ними (это необходимо для целей коммерческого учета количества электроэнергии). Для решения этих задач необходимо реализовать алгоритмы:

- измерения периода основной гармоники полигармонического сигнала;

- вычисление дискретного преобразования Фурье (ДПФ).

Особенность обработки полигармонического сигнала с первичного датчика состоит в учете при вычислении ДПФ отклонения частоты основной гармоники от номинала (50 Гц). В противном случае при вычислении ДПФ возникнет эффект «размытия» спектра, проявление которого показано на рис.5. Очевидно, что осуществить прецизионные измерения амплитуд гармоник в этом случае не представляется возможным.

«Размытие» спектра является одной из причин того, что приборы с одним классом точности, построенные по типовой схеме рис.6, имеют различные результаты измерений при включении в одну точку контроля. Причем, по данным литературных источников, расхождения показаний превышают их суммарную погрешность, а амплитуды высших гармоник влияют на амплитуду первой гармоники, т.е. показания приборов зависят от спектра сигнала.

1 оо оео 0 60 040 020

т

..........................-................ /оси 50 Гц

■ I . '...... Р ' .......I ' -г ' ' 1 ■■■■■> Г .......]" г

/Гц

1 00 080 ОБО 040 020

т

/ОСН=50,4 Гц

ООО

±

X

'/Гц

50.00 100.00 150 00 200 00 25000 300.00 35а 00 400 00 450.00

Номер гармоники 1 2 3 9

Амплитуда гармоники, В 1 0,1 0,4 0,2

Рис. 5 - Спектры тестового сигнала с амплитудами гармоник

Рис. 6 - Типовая структура анализатора качества электроэнергии

Следовательно, для обеспечения достоверности измерений необходимо уменьшить влияние эффекта «размытия» спектра. Решение данной задачи обеспечивается разработанным алгоритмом, представленным на рис.7.

Рис. 7 - Структура алгоритма обработки сигнала

Особенностью алгоритма является подстройка частоты дискретизации сигнала (/) под медленно изменяющуюся во времени частоту основной гармоники (/„си), т.е. передискретизация сигнала. Это позволяет выполнить условие отсутствия эффекта «размытия» спектра:

/,»= ^ЕПФ /оСИ>

где/, - «новая» частота дискретизации сигнала (/л> /¡); Л^бпф - размер БПФ;

- частота основной гармоники;

w - положительное целое число. Процесс передискретизации осуществляется с помощью интерполяции сигнала во временной области. К сожалению, интерполирование сигнала искажает его спектр, т.е. в спектре интерполированного сигнала возникают дополнительные спектральные составляющие, которые отсутствуют в спектре исходного сигнала. Данная проблема была рассмотрена аналитически, что позволило установить природу появления дополнительных спектральных составляющих.

Пусть исходный сигнал (с первичного датчика) имеет вид: 40 , .

x(nAts)= sin\lTipfOCHnAts + ф J, Р=i

где Ats - период дискретизации сигнала посредством АЦП (^=1/Afs); Уосн ~ частота основной гармоники;

Ар, фр - амплитуда и фазар-й гармонической составляющей; п - индексы цифровой последовательности с частотой дискретизации/,. Тогда ДПФ длины N передискретизированного сигнала х(п) имеет вид:

2кк

. N-1

/=0

. и

'Ё am(u)x(nAts +mMs) т--М

-j-1Л1,

. д

Ш - пМ5 где и = —-;

А/,

Д/д - период дискретизации сигнала после передискретизации; Аюд - разрешение ДПФ по частоте; а(и) - коэффициенты интерполятора порядка 2М\ / - индексы цифровой последовательности с частотой дискретизации/,; п - ["/Л") — индексы последовательности с частотой дискретизации (оператор Г«1 означает округление аргумента методом отбрасывания дробной части); к- номер спектральной линии спектра сигнала.

В квадратных скобках этого выражения записан тот же исходный сигнал только с другой частотой дискретизации. Связь индексов осуществляется нелинейным законом, что обеспечивает выполнение условия интерполяции: интерполируемая точка х(/Д/д) должна находиться внутри интервала < г'Д?д < (п + 1)Л?5. Поэтому для расчета точки х(/Д/д) необходимо найти

такое целое п, которое удовлетворяет условию передискретизации * Д/

0</Л-я^1, где Л = — = —-. Решение этого неравенства дает только /д Ч-

нелинейная связь, проявление которой и вызывает появление в выходном спектре сигнала дополнительных спектральных составляющих.

Можно показать, что для случая линейной интерполяции с коэффициентами интерполяции:

а_,(м)=-|; а0{и)=1;

где и = (г'Л - [/7?])

спектр сигнала будет определяться выражением:

( ' к' \ / к' \

X с1Ла, =1 Аш.

\ 3 д д /

-У-^Т-С^-О ¿НИ

% к

Ж

$т

Г жк ^

-1) БШ ла, е д \ Пк и} пк , е д %к ^ ^ «и Г 1 2Й? 1 Л ^

.{ %кЛ «и - ■ 2 Я1П Л;

где У - спектр исходного сигнала (до интерполяции);

с/,, ¿4 - положительные целые числа такие, что Я = — - несокращаемая дробь.

Это выражение определяет амплитуды и частоты ^ дополнительных спектральных компонент на каждую ненулевую гармонику исходного сигнала. На рис.8 представлен результат вычисления спектра интерполированного синусоидального сигнала частотой 1 кГц (20-я гармоника) и частотой дискретизации/¡=16 кГц (новая частота дискретизации/а=163 84 Гц).

Х(к) 0 012 0 01 0 008 0 006 0004 0 002 0

384 Гц

384 Гц

м

|1||11||11|||1111||||.1|||!|1ц||1|;11к1ц|1п111||

/> Гц

2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Рис. 8 - Спектр синусоидального сигнала после линейной интерполяции (диапазон частот 1002-8000 Гц)

Из рис.8 видно, что расстояние между спектральными компонентами равно разности частот дискретизации до и после интерполяции, хотя непосредственно из полученного аналитического выражения это не очевидно. Однако если при выводе полученного выражения подставить конкретный сигнал - синусоиду, представленную суммой экспонент:

Вт

(арпА15)=-

V

то, очевидно, что функциональные группы

5Ш1

Ы.)

5ш(дг)

будут содержать в

пк л. с.

качестве х выражение -±——, которое будет определять смещение по

частотной оси.

Аналогично можно получить выражения для более высокого порядка интерполяции. Например, на рис.9 представлен спектр того же сигнала, но при порядке интерполяции равном 4.

«Ю"

Щ) г

/Гц

1500

2000 2500 3000 3500 4000

Рис. 9 - Спектр тестового сигнала, подверженного Интерполяции Стерлинга 4-го порядка (диапазон частот: 1002 - 4100 Гц) Из рис.9 видно, что уровень амплитуд дополнительных спектральных составляющих по отношению к единичной амплитуде исходной гармоники мал (разница более 4-х порядков). Это позволяет утверждать, что рассматриваемые искажения спектра сигнала не окажут существенного влияния на результаты измерений. Это важно, т.к. осуществить точное восстановление спектра интерполированного сигнала возможно только при точно известных величинах

частот и амплитуд гармоник исходного сигнала, которые, однако, являются измеряемыми величинами. Поэтому при совпадении частот полезной и паразитной гармоник следует считать, что имеет место случайная аддитивная погрешность, а в случае несовпадения частот - возможна выборочная фильтрация спектра.

Сделанные выводы подтвердились расчетом погрешности алгоритма ЦОС. Результаты расчета, представленные на рис.10, показали, что при абсолютной погрешности измерения частоты основной гармоники менее 0,01 Гц погрешности измерения амплитуд гармоник с вероятностью 99,7% не выходят за установленные пределы: погрешность измерения амплитуды первой гармоники 0,12%; второй - 0,16%; третьей - 0,2% и т.д. (погрешность измерения амплитуды сороковой гармоники 1,6%). Эти данные удовлетворяют требованиям практики и требованиям ГОСТ 13109-97.

Следующим этапом математического моделирования является измерение параметров тестовых сигналов, реализующих наихудший случай с точки зрения обработки сигналов, в том числе при имитации воздействия шумов. В результате установлено, что при погрешности измерения частоты основной гармоники не более 0,01 Гц погрешности измерения параметров тестовых сигналов лежат в установленных пределах.

МНС

6 889

-5 511

- 4134

2 756

-1 378

V, Гц

■0030-0 020-Ото ООЮ О020 0 030

-2.982

-2386

-1 789

1 193

0 596

А/, Гц

0030-0 020-0010 0 010 0 020 0 030

Рис. 10 - Относительные погрешности (по методу наихудшего случая -слева и вероятностный метод 7^=0,997 - справа) определения амплитуд гармоник как функция погрешности измерения частоты основной гармоники (Д/), кГц, 4-й порядок интерполяции

В четвертой главе рассмотрены проблемы измерения частоты основной гармоники полигармонического сигнала, т.к. данная задача важна с точки зрения погрешности всего алгоритма ЦОС. Показано, что типовые подходы к измерению периода (частоты) сигнала с первичного датчика неприменимы.

Поэтому для решения задачи был построен специальный алгоритм, обеспечивающий измерение частоты сигнала за два его периода. Функционирование алгоритма включает два этапа. На первом этапе производится грубое измерение периода сигнала с помощью типовых подходов, на втором - его уточнению с помощью интерполяции участков сигнала. Математическое моделирование построенного алгоритма (рис.11) показало, что действительно обеспечивается требуемая точность измерений (Л/<0,01 Гц).

Рис. 11 - Структурная схема алгоритма определения частоты основной гармоники («нониусный» метод) и погрешности ее измерения

В пятой главе описывается серия экспериментов, подтверждающая полученные результаты и сделанные выводы. В частности, рассматривается важный вопрос воздействия магнитного поля промышленной частоты, созданного фазным током 3 кА, на блоки обработки и передачи данных. Результаты физических испытаний подтвердили результаты расчета помеховых воздействий, т.е. вывод о безопасности магнитного поля для функционирования блоков обработки и передачи данных КИУ.

Поскольку система обработки сигналов и реализация разработанного алгоритма предполагает применение микропроцессорных устройств, то требования к помехозащищенности определяются соответствующими нормативными документами и стандартами. г Виды испытаний и актуальные характеристики помехозащищенности

выбирались в соответствии с рекомендациями, определяющими параметры и типы помехового воздействия на устройства, при которых оно не повреждается: ^ - высокочастотное испытательное напряжение (МЭК 60255-22-1, класс 3);

- быстрые переходные процессы (МЭК 60255-22-4 / МЭК 61000-4-4, класс 3);

- электростатический разряд (МЭК 60255-22-2 / МЭК 61000-4-2, класс 3);

- внешнее магнитное поле промышленной частоты (МЭК 61000-4-8 / МЭК 60255-6, класс 4).

Прочие виды помеховых воздействий (электромагнитные поля модулированные и смодулированные) не представляют опасности, т.к. их уровень на несколько порядков меньше чем уровень рассматриваемых видов помех. Подавление кондуктивных помех обеспечивается блоком питания, реализуемым стандартными элементами.

В шестой главе рассматривается вопрос вычисления суммарной погрешности разработанного измерительного устройства. Показано, что погрешность расчета всех ПКЭ удовлетворяет требованиям ГОСТ 13109-97.

Погрешность измерительной системы (определяемая КИУ) складывается из погрешностей первичных датчиков и погрешности системы обработки их сигналов. Рассматривая построенное КИУ можно указать, что величины составляющие погрешность устройства следующие:

- погрешности первичных датчиков (емкостного делителя и стандартного низковольтного ТТ) лежат в пределах класса точности 0,2

- погрешность устройства обработки сигнала с первичных датчиков складывается из погрешности аналоговой (0,15%) и цифровой обработки сигнала (0,12% по первой гармонике, менее 1,6% по остальным и погрешность измерения угла между первыми гармониками тока и напряжения, не превосходящая 0,16%).

Мгновенная мощность рассчитывается по формуле: /?(*)= м(г)г'(0«м(ф),

где м(г), /(?) - мгновенные значения напряжения и тока; <р - угол между первыми гармониками тока и напряжения в момент времени /. Конечно значения тока и напряжения основной гармоники, получаемые с помощью разработанного алгоритма, являются усредненными, т.к. определяются на выборке содержащей 25 периодов сигнала (примерно 0,5 сек.). Однако учитывая интегральный характер ПКЭ и понятия «энергия» такое «усреднение» некритично. Тем более что в соответствии с требованиями ГОСТ 13109-97 усреднение производится на интервалах 3 сек., а при измерении частоты основной гармоники - 60 сек.

Таким образом, погрешность измерения мощности с помощью КИУ определяется в соответствии с формулой:

8р = 8м + 5г + 5ф,

где 8«, 5 г - относительные погрешности измерения амплитуды напряжения и тока основной гармоники; 8ср = 0,16% - погрешность измерения косинуса угла между первыми гармониками тока и напряжения.

Погрешность измерения амплитуд тока и напряжения в силу аналогичности каналов обработки сигналов одинакова и рассчитывается в соответствии с формулой:

8м = д/бИд + Ъи1 + 8мц где 8мд - погрешность первичного датчика (0,2%); 8ма - погрешность вносимая блоком аналоговой обработки сигнала (0,15%); 8иц - погрешность вносимая блоком цифровой обработки сигнала (0,12%).

Поэтому 5м = 8/= 0,28% и 5р = 0,72%, что почти на порядок меньше лучших показателей погрешностей АСКУЭ, эксплуатируемых в сетях высокого напряжения.

Погрешность измерения амплитуды и-й гармоники можно определит!, и ? соотношения (применив линейную аппроксимацию данных рис.10):

4, =-у

5?+5? +

R — Fi °ц,тах °и,тт /

39 {П '

где и=(1-40) - номер гармоники; 8ц, „,„=0,12%; 8ц, тах=\,6%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОПэ!

Работа завершена на уровне НИР, в настоящее время находится в стадии ОКР, построен макет КИУ на напряжение сети 110 кВ, внешний вид которою представлен на рис.12.

Основные достигнутые результаты:

1) на основе стандартных элементов построены первичные датчики тока и напряжения, а также решены задачи передачи данных с гальванической развязкой и автономного питания узлов и блоков КИУ на высоковольтной стороне;

2) рассмотрены и решены задачи ЭМС. обеспечивающие нормальное функционирование узлов и блоков обработки и передачи данных в условиях ЭМО ЛЭП ВН, конструкция КИ\ запатентована:

а) Патент РФ №2224260 от 20.02.2004 г. Бунин A.B., Геворкян В.М., Михалин С.Н., Казанцев Ю.А., Новиков Б.С., Полукаров В.И. «Автоматизированная система контроля качества а измерения количества электроэнергии (варианты)»

б) Патент РФ №2229724 №15 от 27.05.2004 г. Бунин A.B., Геворкян В.М., Михалин С.Н., Казанцев Ю.А., Макальский Л.М., Новиков Б.С., Полукаров В.И «Автоматизированная система контроля качества и учета количества электроэнергии»

3) разработан алгоритм, обеспечивающий высок>ю точность измерения амплитуд гармоник (на уровне 0,12% по основной гармонике и до 1,6% по остальным гармоникам), программа, ею реализующая, зарегистрирована в реестре программ для ЭВМ:

Свидетельство об официальной регистрации №2003611816 от 30.06.2003 1 Михалин С.Н., Казанцев Ю.А., Геворкян В.М.

Рис. 12 - макет КИУ

«Модуль обработки сигналов с датчиков тока и напряжения в масштабе реального времени»;

4) выбрана иерархическая структура построения АСКУЭ, обеспечивающая оперативность получения данных на любом уровне системы и удовлетворяющая требованиям функционирования в режиме реального времени;

5) осуществлены математическое моделирование алгоритма и физические испытания по воздействию электромагнитных полей с уровнями соответствующими ЛЭП ВН 220 кВ на отдельные блоки КИУ;

6) обеспечена погрешность учета количества электроэнергии менее 1%, что на порядок превосходит аналогичный параметр у эксплуатируемых в настоящее время в сетях высокого напряжения измерительных систем.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Перспективные принципы организации мониторинга перетоков электроэнергии /Казанцев Ю.А., Геворкян В.М., Михалин С.Н., Новиков Б.С. //Международная конференция "Информационные средства и технологии": Сб. докл. - М„ 16-18 октября 2001 г. - Т. 2. - С. 110-114.

2. Моделирование электромагнитных полей линий электропередач и помеховых воздействий на устройства контроля и управления /Казанцев Ю.А., Геворкян В.М., Новиков Б.С., Михалин С.Н., Полукаров В.И., Вишняков C.B. //Отчетная конференция-выставка "Топливо и энергетика": Тез. докл. - М., 19-20 декабря 2001 г. - С. 54-55.

3. Михалин С.Н., Геворкян В.М. Прецизионные измерения напряжения и тока высоковольтных ЛЭП //Восьмая международная конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика": Тез. докл. -М., 27-28 февраля 2002. - Т. 1. - С. 386.

4. Михалин С.Н., Геворкян В.М. Тракт цифровой обработки сигнала для решения задачи измерения перетоков мощности ВВ ЛЭП //Девятая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2002": Тез. докл. - М., 1718 апреля 2002.-С. 202.

5. Михалин С.Н., Геворкян В.М. Прецизионные автоматизированные измерения напряжения и тока в высоковольтных ЛЭП //Международная конференция "Информационные средства и технологии": Тез. докл - М., 1517 октября 2002. - Т. 1. - С. 126-129.

6. Моделирование воздействий магнитных полей линий электропередачи и широкополосных импульсных помех на устройства контроля и управления /Казанцев Ю.А., Геворкян В.М., Бунин A.B., Вишняков C.B., Новиков Б.С., Михалин С.Н., Полукаров В.И. //Электронная конференция «Топливо и энергетика»: Тез. докл. - М., ноябрь-декабрь 2002 г. - С. 41.

7. Михалин С.H., Геворкян В.М. Проблемы цифровой обработки полигармонических сигналов с изменяющейся основной частотой //Девятая международная конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика": Тез. докл. - M., 4-5 марта 2003. - Т. 1. -С. 393.

8. Геворкян В.М., Михалин С.Н., Казанцев Ю.А. Проблема цифровой обработки сигналов при измерении параметров качества электрической энергии //VII симпозиум «Электротехника 2010»: Сб. докл. - Московская область, 27-29 мая 2003 г. - Т. 1. - С. 285-291.

9. Моделирование помеховых воздействий на систему цифровой обработки данных размещенной на высоком напряжении /Бунин A.B., Вишняков C.B., Геворкян В.М., Казанцев Ю.А., Новиков Б.С., Михалин С.Н., Полукаров В.И., Ковалева Т.Ю. //Труды V международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение»: Сб. докл. -Крым, Алушта, 18-22 сентября 2003 г. - Т. 1. - С. 327-331.

10. Комплексное измерительное устройство автоматизированной системы учета и контроля качества электрической энергии в высоковольтных сетях /Бунин A.B., Геворкян В.М., Казанцев Ю.А., Михалин С.Н., Новиков Б.С. //Электро. - 2003. - №5. - С. 18-22.

11. Разработка помехоустойчивого автономного устройства контроля качества и измерения количества электрической энергии на высоком напряжении линии /Бунин A.B., Вишняков C.B., Геворкян В.М., Казанцев Ю.А., Михалин С.Н., Полукаров В.И. //Электронная конференция «Топливо и энергетика»: Тез. докл. - М., ноябрь 2004 г. - С. 19.

12. Комплексное измерительное устройство автоматизированной системы учета количества и контроля качества электрической энергии в высоковольтных сетях ,'Бунин A.B., Вишняков C.B., Геворкян В.М., Казанцев Ю.А., Михалин С.Н., Новиков Б.С., Полукаров В.И. //Электро. -2005.-№1.-С. 32-37.

13. Михалин С.Н., Геворкян В.М. Проблемы цифровой обработки сигналов в системе автоматизированного контроля качества и учета количества электроэнергии (АСКУЭ) //Вестник МЭИ. - 2005. - №1. - С. 86-92.

Печ. лист 1,25 Тираж 100 экз. Заказ т

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.

/

€ 5 617

РНБ Русский фонд

2006-4 4248

4

Í»

I«

Основные сокращения.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Анализ систем контроля и управления на объектах электроэнергетики.

1.1. Обзор существующих АСКУЭ (АСУЭ).

1.1.1. АСКУЭ «Спрут».

1.1.2. АСУЭ «Баланс».

1.1.3. Информационно-измерительная система «Пирамида» для создания АСКУЭ.

1.1.4. Прибор для измерения ПКЭ «Энергомонитор 3.3».

1.1.5. Измеритель ПКЭ «Ресурс-£//*».

1.1.6. Трехфазный анализатор качества электросети СА8334.

1.1.7. Счетчик «Альфа А2».

1.1.8. Многофункциональный счетчик СТС-5602.

1.1.9. Счетчик электрической энергии типа ППКЭ-50.

1.1.10. Информационно-вычислительный комплекс «Омск-М».

1.1.11. Анализатор качества электрической энергии АПКЭ-1.

1.1.12. Регистратор качества электрической энергии «Парма РК3.01».

1.2. Перспективные принципы построения контрольно-измерительных устройств АСКУЭ.

1.2.1. Датчик тока для измерения величины тока протекающего в фазном проводе ЛЭП ВН.!.

1.2.2. Датчик напряжения для измерения величины потенциала фазного провода ЛЭП ВН.

1.3. Выводы по главе 1.

Глава 2. Измерительное устройство как электрофизическая установка высокого напряжения.

2.1. Построение модели КИУ для расчета электромагнитных полей.

2.2. Моделирование воздействия электрического поля.

2.3. Моделирование воздействия магнитных полей ЛЭП ВН.

2.4. Узел радиопередачи данных с высоковольтной стороны.

2.5. Оценка проникновения электрического поля внутрь КИУ через функциональные отверстия.

2.6. Источник бесперебойного питания узлов КИУ.

2.7. Помехоустойчивость систем обработки данных.

2.8. Выводы по главе 2.

Глава 3. Проблемы цифровой обработки сигналов.

3.1. Особенности применения БПФ к полигармоническим сигналам с медленно меняющейся частотой основной гармоники.

3.2. Погрешность интерполяции.

3.3. Алгоритм обработки данных для вычисления спектра полигармонического сигнала с медленно изменяющейся частотой основной гармоники.

3.3.1. Выбор разрядности АЦП и частоты дискретизации сигнала.

3.3.2. Обоснование выбора длины БПФ.

3.3.3. Характеристики КИХ фильтров.

3.3.4. Блок «восстановления» амплитуд гармоник.

3.4. Погрешность алгоритма вычисления спектра сигнала с медленно изменяющейся частотой основной гармоники.

3.5. Оценка влияния на погрешность вычисления спектра сигнала шумов приведенных на выход АЦП.

3.6. Измерение сдвига фаз между сигналами, отождествляемыми с током и напряжением электросети.

3.7. Выводы по главе 3.

Глава 4. Определение частоты основной гармоники полигармонического сигнала с медленно изменяющейся (дрейфующей) частотой.

4.1. «Нониусный» метод определения частоты сигнала.

4.2. Влияние шумов на погрешность определения частоты основной гармоники нониусным методом.

4.3. Экспериментальное исследование нониусного метода измерения частоты полигармонического сигнала.

4.4. Выводы по главе 4.

Глава 5. Экспериментальное исследование параметров КИУ.

5.1. Физическое моделирование воздействия электрического поля на узлы и блоки КИУ.

5.2. Физическое моделирование воздействия магнитного поля на узлы и блоки КИУ.

5.3. Исследование параметров датчика напряжения.

5.4. Исследование параметров датчика тока.

5.5. Выводы по главе 5.

Глава 6. Анализ погрешностей измерительной системы на основе КИУ

6.1. Определение погрешности расчета ПКЭ на основе мгновенных значений тока и напряжения.

6.2. Выводы по главе 6.

Проблема учета количества электроэнергии обусловлена развитием рыночных отношений, которые требуют увеличения точности учета для целей коммерческих расчетов. Например, ежегодно только в одной точке учета сети 110 кВ недоучет оценивается единицами, десятками миллионов рублей. Кроме того, постановлением Правительства РФ №1013 от 13.08.1997 г. электроэнергия признана видом товара, который характеризуется качеством. Под качеством электроэнергии понимается множество технических параметров (частота основной гармоники, спектральный состав тока и напряжения, отклонение напряжения от номинала и т.д.), на основании которых вычисляются показатели качества электроэнергии (ПКЭ). Методику расчета ПКЭ и нормы на них устанавливает ГОСТ 13109-97 "Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения". Поэтому, говоря о контроле качества электроэнергии, следует понимать определение некоторого множества физических величин, на основании которых рассчитываются ПКЭ.

Актуальность решения задачи контроля качества и учета количества электроэнергии обусловлена несколькими аспектами.

Во-первых, существующая методика учета перетоков электроэнергии, основанная на периодических измерениях (в течение 0,5 часа) и статистической обработке результатов измерений [1], не может обеспечить достоверности данных о действительных режимах в системе электроснабжения.

Во-вторых, высоковольтные электрофизические установки, которые эксплуатируются в настоящее время и призваны решать задачу учета количества и контроля качества электроэнергии, зачастую не обеспечивают требований ГОСТ 13109-97 по точности измерений.

В-третьих, существуют юридические причины, вынуждающие участников рынка электроэнергии поддерживать ее качество. Например, согласно ст. 512 (п.2) ГК РФ, потребитель вправе отказаться от оплаты уже потребленной некачественной энергии, а в настоящее время ведется активная работа по введению закона о тарифах (скидках, надбавках) на электроэнергию как функцию ее качества.

При этом сложность решения поставленной задачи обусловлена тем, что электроэнергия, как товар, помимо требований к качеству, обладает особенностью: ее производство и потребление являются неразделимыми во времени процессами, т.е. электроэнергию нельзя хранить и запасать (в больших количествах). В связи с этим, принимая во внимание интегральный характер ПКЭ и факт, что качество электроэнергии на месте производства не гарантирует ее качества в точке присоединения потребителя, необходимо чтобы измерения количества передаваемой электроэнергии и контроль ее качества проводились синхронно во всех контрольных точках энергосистемы одновременно. Таким образом, для существующей методики измерений это означает совпадение во времени моментов начала и окончания измерений, что на практике не реализуется из-за влияния человеческого фактора. Кроме того, электрооборудование, включенное в сеть, влияет на качество электроэнергии, а оно, в свою очередь, может сказываться на функционировании потребителей электроэнергии. Так, например, известно, что перекос фаз негативно влияет на работу электродвигателей, а пульсации напряжения, вызывающие частое мерцание источников искусственного освещения, отрицательно сказываются на работоспособности человека. Примером влияния потребителя (нагрузки) на ПКЭ служат несимметричные нагрузки и мощные промышленные преобразователи напряжения, построенные по принципу импульсных источников питания, которые искажают форму тока. Таким образом, с позиций коммерческого учета также важно знать «виновную» в ухудшении качества электроэнергии сторону [2].

Поэтому необходимо изменить существующий порядок учета электроэнергии [3]. Об этом свидетельствуют соответствующие нормативные документы [4-6]. При этом задача учета количества и контроля качества электроэнергии должна автоматически решаться в масштабе реального времени посредством системы единого времени и единой базы данных энергосистемы. Это также позволит решить проблему оперативности получения данных, повысить их достоверность и снизить себестоимость системы в целом.

Практические измерения ПКЭ, посредством существующих приборов (устройств), на выходных порталах большинства электростанций не выявили значительных претензий к качеству электроэнергии. В тоже время измерения ПКЭ в контрольных точках сетей различных региональных энергосистем России показали, что практически ни в одной из них поставляемая потребителям энергия не соответствовала требованиям ГОСТ 13109-97. Анализ этой ' проблемы показал, что часто причиной ухудшения качества электроэнергии является плохое техническое состояние линий электропередачи и трансформаторных подстанций.

Анализ литературных источников [1-28], включая статьи, доклады и публикации тезисов соответствующей тематики, определяет круг технических и методических задач, решение которых обеспечивается созданием единой автоматической системы контроля качества и учета количества электроэнергии (АСКУЭ) [1], основанной на современной микропроцессорной базе. В настоящее время, распространенные в России системы АСКУЭ ориентированы на сети ниже 10 кВ. При эксплуатации АСКУЭ в сетях высокого напряжения требуется применение высоковольтных измерительных трансформаторов тока и напряжения (ТТ и ТН). В то же время накопленный опыт внедрения систем АСКУЭ и попытки практической реализации требований [4] в АО Мосэнерго выявили ряд нерешенных вопросов по научному, организационно-методическому, нормативно-правовому и приборному обеспечению этих мероприятий. С технической точки зрения, как показано в [8-10], основными недостатками существующих систем являются характеристики первичных датчиков - высоковольтных ТТ и ТН, а также состояние и характеристики распространенных систем и каналов связи. Громоздкие весьма дорогие штатные ТТ и ТН для подтверждения аттестованных погрешностей требуют плановой дорогой и трудоемкой процедуры поверки, которая в силу экономических причин, как правило, не производится в течение длительного времени [25]. При этом по данным [12, 13] у ТТ, находящихся в эксплуатации более 3 лет в 30%, а более 8 лет в 60% случаев, погрешность выходит за допустимые пределы. Кроме того, погрешность ТТ зависит от режима нагрузки и имеет свойство накопления дополнительной погрешности в течение времени эксплуатации (т.е. например, при возникновении аварийных режимов погрешность измерительного ТТ увеличивается непредсказуемым образом). Поэтому возникают предложения [14] по корректированию величин погрешностей в зависимости от времени (длительности) эксплуатации ТТ и от вида нагрузок с помощью вероятностных методов оценки. Однако достоверность таких оценок низка и плохо обусловлена. Следует отметить, что аналогичные проблемы в части режима нагрузки для ТН менее актуальны, так как отклонения напряжения от номинального невелико. Учитывая при этом, что основной вклад в погрешность АСКУЭ в целом вносят первичные датчики тока и напряжения (ТТ и ТН) [8, 13, 15], оказывается, что повышение точности учета количества электроэнергии и контроля ее качества в высоковольтных сетях может быть достигнуто только путем замены устаревшего парка трансформаторов на более современные первичные преобразователи [16-18]. Поэтому для повышения точности измерений оказывается недостаточным совершенствования системы обработки сигналов с первичных датчиков [19] и совершенствования программного обеспечения, позволяющего получать многочисленные ГЖЭ [20].

В настоящее время не существует метрологически аттестованных приборов, являющихся альтернативой штатным высоковольтным ТТ и ТН. Поэтому все известные АСКУЭ для съема информации о кривых тока и напряжения включаются в высоковольтную сеть через штатные ТТ и ТН, которые вносят дополнительную погрешность. В результате, из-за недостатков

ТТ и ТН, связанных в основном с периодической аттестацией их погрешностей, заявленная точность электросчетчиков оказывается не реализованной, а погрешность измерений становится не контролируемой.

Еще более усугубляют положение электросчетчики, являющиеся по сути анализаторами сигналов с выходов ТТ и ТН. Большинство счетчиков по сведениям на 2002 год - индукционные, серьезным недостатком которых является зависимость показаний от качества электроэнергии. Например, сравнительные метрологические измерения некачественной энергии в трехфазных сетях при большом количестве гармоник приводят, по данным фирмы «Fluke», к ошибкам в показаниях традиционных счетчиков до 68% [3]. Поэтому на западе уже давно разработаны цифровые счетчики энергии, например, ABB типа «ИОН». К сожалению, последние не могут быть без модернизации применены в российских сетях. Однако, как оказалось, счетчики нового поколения в настоящее время также не позволяют достоверно решить задачу учета количества электроэнергии при плохом ее качестве. Это подтверждают сравнительные испытания существующих счетчиков электрической энергии (серии СОИ - индукционные, СЭТ - электронные и «Альфа» - цифровые) [21]. Так, например, при синусоидальности напряжения и отсутствии высших гармоник все счетчики показывали результаты, лежащие в пределах их класса точности (2,0; 2,0; 1,0 соответственно). Предположительно это связано с тем, что поверка счетчиков производится в соответствии с требованиями ГОСТ 30270-94 (МЭК 1036-90), т.е. при практически синусоидальных формах кривых напряжения и тока. Однако измерения, проводившиеся авторами работы [21], указывают, что искажения напряжения и тока в бытовых сетях могут достигать 15% и 60% соответственно. Поэтому, например, при работе импульсных источников питания, которым характерно искажение формы тока при синусоидальном напряжении, наблюдаемые отклонения средних показаний счетчиков в зависимости от мощности нагрузки (1800-3000 В-А) составили от 2,77% до 3,85% для электронных счетчиков и от

3,79% до 4,34% для цифровых. В случае если искажены и ток и напряжение (коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения составлял примерно 20%), то отклонения показаний счетчиков составляли 1,46-3,86% -электронные и 1,73-4,33% - цифровые (относительно индукционных). Еще хуже положение в промышленном секторе, где источников нарушения качества электроэнергии больше и величины потребляемой мощности более значительны.

Для контроля ПКЭ в промышленном секторе также существует немало современных устройств, позволяющих осуществлять контроль качества и учет количества электроэнергии на низком напряжении (до 660 В): ИВК «ОМСК» и «ОМСК-М», «Парма РК 6.05» и «Парма РК 3.01», «Ресурс ХЛ7», «Энергомонитор 3.3», такие серии приборов как «ЭРИС» и «ППКЭ». Класс точности таких приборов равен 0,2; 0,5 (без учета характеристик ТТ и ТН). Однако, при применении нескольких различных счетчиков (приборов контроля ПКЭ) в одной точке контроля одновременно, оказывается, что соотношение их показаний превышают допустимую суммарную погрешность, хотя все применяемые при этом приборы поверены и имеют один и тот же класс точности. Это указывает на существование проблемы достоверного алгоритма обработки сигналов с датчиков тока и напряжения.

В результате в сетях высокого напряжения совокупность недостатков ТТ, ТН с недостатками счетчиков энергии приводит к тому, что действительная погрешность измерительного комплекса в целом, которая складывается из погрешности ТТ и ТН, погрешности счетчиков энергии и погрешности временного отсчета начала измерений, оказывается ненормируемой. Это приводит к небалансу энергии в среднем на 2000-5000 кВт-ч, который может достигать нескольких десятков и даже сотен тысяч кВт-ч [22] (в настоящее время небаланс обычно списывают на статистическую ошибку и хищения электроэнергии). Такая неточность определения мощностей, к примеру, в сети высокого напряжения может приводить к неоптимальному распределению нагрузки между генераторами, не говоря уже об экономическом ущербе.

Таким образом, построение комплексной АСКУЭ, функционирующей в масштабе реального времени и соответствующей требованиям ГОСТ 13109-97, является сложной и крайне актуальной задачей, решение которой обеспечивается заменой существующего парка первичных датчиков (штатных ТТ и ТН) на их альтернативные технические решения, переходом от периодических измерений к непрерывным (мониторингу). Следовательно, разработка АСКУЭ требует комплексных исследований, направленных на решение следующих задач:

- построение высоковольтных прецизионных датчиков тока и напряжения, свободных от недостатков ТТ и ТН;

- разработка системы обработки сигналов на базе современных технологий, т.е. создание алгоритма обработки сигналов датчиков в масштабе реального времени, обеспечивающего достоверность, повторяемость и высокую точность измерений независимо от параметров анализируемого сигнала;

- выбор структуры АСКУЭ, удовлетворяющей требованиям единого времени и единой базы данных;

- решение задач электромагнитной совместимости (ЭМС) средств цифровой обработки сигналов (ЦОС) и высоковольтного оборудования с сопутствующей электромагнитной обстановкой (ЭМО);

- определение методики поверки высокоточного измерительного комплекса. Рассмотрение перечисленных проблем создания высокоточных АСКУЭ является целью диссертационной работы. При этом особое внимание предполагается уделить построению первичных датчиков, проблемам ЦОС и вопросам ЭМС средств обработки сигнала и высоковольтного оборудования. Это связано с тем, что предлагаемый способ измерения мгновенных значений тока и напряжения ЛЭП ВН принципиально отличается от применяемого в эксплуатируемых в настоящее время системах.

В первой главе проводится анализ существующих средств измерения количества электроэнергии (счетчики электрической энергии), средств контроля ПКЭ и комплексных АСКУЭ. Также изложены общие перспективные подходы к построению разрабатываемой измерительной системы, включающей альтернативные штатным ТТ и ТН первичные датчики.

Во второй главе предлагается конкретная реализация измерительного устройства и приводится решение задач ЭМС средств ЦОС, передачи данных с высоковольтным оборудованием ЛЭП ВН.

В третьей главе анализируется математический аппарат, необходимый для реализации алгоритма ЦОС, который обеспечивает достоверность вычисления спектра сигнала с произвольным гармоническим составом.

В четвертой главе рассматриваются методы измерения частоты основной гармоники полигармонического сигнала с высокой точностью (погрешность до 0,01 Гц), которые обеспечивают применение построенного алгоритма.

В пятой главе изложены результаты физического моделирования помехового воздействия на узлы и блоки разрабатываемой измерительной системы и приводятся характеристики макетов первичных датчиков.

В шестой главе анализируются погрешности измерения амплитуд гармоник и мощности электроэнергии. Также рассматривается вопрос трансформации погрешностей измерения амплитуд гармоник в погрешность расчета ПКЭ.

6.2. Выводы по главе 6

В результате анализа приведенных результатов [54] становится очевидным, что суммарная погрешность (Дс) измерения мгновенных значений фазных напряжений влияет на погрешности расчета всех ПКЭ, при этом для коэффициента искажения синусоидальности Лс близка к 5, для остальных ПКЭ Лс=1.

Суммарная погрешность измерения амплитуды п-й гармоники определяется выражением дЛп = расчета ПКЭ можно видеть, что почти все они содержат в себе сумму квадратов измеренных величин. Это позволяет положить, что амплитуды всех гармоник измеряются со средней величиной погрешности 8А„=0,96%. Тогда можно утверждать, что погрешности расчета ПКЭ лежат в пределах 1% за исключением погрешности расчета коэффициента искажения синусоидальности. Для этого параметра погрешность равна 4,8%. Однако предположение о равенстве погрешностей измерения всех гармоник среднему значению является грубым. Поэтому, учитывая, что при вычислении этого коэффициента рассчитывается отношение суммы квадратов амплитуд (действующих значений) гармоник к квадрату амплитуды (действующего значения) первой гармоники, положим, что погрешность измерения амплитуд всех гармоник равна среднему квадратическому значению погрешности согласно рис.6.1, т.е. величине 0,26%. Тогда погрешность расчета коэффициента синусоидальности с большой вероятностью не превысит 1,3%.

Полученные данные о погрешностях расчета ПКЭ удовлетворяют требованиям ГОСТ 13109-97, которые устанавливают погрешность на уровне 5%.

1,35 39 и -1)+ 0,28 Анализируя формулы

149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы, направленной на комплексное исследование вопросов прецизионных измерений параметров качества и учета количества электроэнергии в высоковольтных сетях, решены следующие задачи:

1) построены высоковольтные датчики тока и напряжения, а также решены задачи передачи данных с гальванической развязкой и автономного питания узлов и блоков КИУ на высоковольтной стороне;

2) рассмотрены и решены задачи ЭМС, обеспечивающие нормальное функционирование узлов и блоков обработки и передачи данных в условиях ЭМО ЛЭП ВН, конструкция КИУ запатентована: а) Патент РФ №2224260 от 20.02.2004 г.

Бунин A.B., Геворкян В.М., Михалин С.Н., Казанцев Ю.А., Новиков Б.С., Полукаров В.И.

Автоматизированная система контроля качества и измерения количества электроэнергии (варианты)» б) Патент РФ №2229724 от 27.05.2004 г.

Бунин A.B., Геворкян В.М., Михалин С.Н., Казанцев Ю.А., Макальский JI.M., Новиков Б.С., Полукаров В.И.

Автоматизированная система контроля качества и учета количества электроэнергии»

3) разработан алгоритм, обеспечивающий высокую точность измерения амплитуд гармоник (на уровне 0,12% по основной гармонике и до 1,6% по остальным гармоникам), программа его реализующая зарегистрирована в реестре программ для ЭВМ:

Свидетельство об официальной регистрации №2003611816 от 30.06.2003 г.

Михалин С.Н., Казанцев Ю.А., Геворкян В.М.

Модуль обработки сигналов с датчиков тока и напряжения в масштабе реального времени»;

4) выбрана иерархическая структура построения АСКУЭ, обеспечивающая оперативность получения данных на любом уровне системы и удовлетворяющая требованиям функционирования в режиме реального времени (и хорошо зарекомендовавшая себя длительным периодом эксплуатации в существующих АСКУЭ);

5) осуществлены математическое моделирование алгоритма и физические испытания по воздействию электромагнитных полей с уровнями соответствующими ЛЭП ВЫ 220 кВ на отдельные блоки КИУ.

Это позволило:

1) построить измерительную систему, удовлетворяющую по параметрам требованиям ГОСТ 13109-97;

2) гарантировать достоверность измерений и их независимость от параметров сигнала и внешних факторов (обеспечивается повторяемость измерений);

3) удовлетворить требованиям рынка по точности измерений мгновенной мощности, обеспечить погрешность порядка 1% по сравнению с 5-10%, свойственным современным АСКУЭ, эксплуатируемым в сетях высокого напряжения;

4) указать существенные недостатки существующих АСКУЭ, счетчиков электроэнергии и анализаторов ПКЭ (частично эти недостатки отражены в [55]), показав при этом пути решения проблем;

5) обеспечить конкурентоспособность как по параметрам так и по стоимости измерительной системы для высоковольтных сетей с измерительными приборами, ориентированными на низковольтные цепи;

6) завершить работу на уровне НИР и создать макет КИУ.

Отличительными чертами разработанной системы от аналогов является, как представляется, более низкая себестоимость (оценочно в 2 раза), более простая процедура поверки, более простая процедура монтажа, демонтажа КИУ, лучшие эксплуатационные характеристики (точность и достоверность измерений). Например, «самый прецизионный» в мире среди портативных мультиметров прибор UNIGOR-390 (Lern, Швейцария) обеспечивает относительную погрешность измерения действующего значения низковольтного напряжения в конце шкалы 0,21% [56], в то время как разработанная система обеспечивает измерение амплитуды основной гармоники высоковольтного напряжения на уровне 0,19% (без учета погрешности первичных датчиков, т.е. как вольтметр).

Дальнейшим развитием работы может быть разработка методики поверки высокоточного измерительного комплекса, что связано с вопросами метрологической аттестации измерительной системы. Также дальнейшим направлением развития работы должны быть натурные испытания под высоким напряжением, которые бы максимально приблизили условия функционирования системы к реальной эксплуатации КИУ в сетях высокого напряжения. Однако проведенные математическое моделирование и лабораторные испытания указывают, что уровни помеховых воздействий ЛЭП ВН не могут повлиять на работоспособность разработанной системы, которая обладает достаточным практическим запасом помехоустойчивости.

В заключении отметим, что современное состояние законодательной базы пока сдерживается возможностями измерительной техники. Это проявляется в непроработанности ГОСТ 13109-97, который изначально ориентирован на суточные, недельные измерения (вместо мониторинга), в неоднозначной формулировке содержания технического регламента [57] и неясности ситуации с сертификацией электроэнергии [58]. Однако разработка новых АСКУЭ, с более широкими возможностями измерений и лучшими характеристиками, позволят устранить подобные недостатки законодательства.

1. Анищенко В.А., Антоневич В.Ф., Радкевич В.Н., Уласевич А.Ф. Контроль погрешности измерений в системе учета межгосударственных перетоков активной электроэнергии //Электрические станции, 2001, №4 — с. 5-8

2. Гамазин С.И., Петрович В.А., Никифорова В.Н. Качество электроэнергии. Определение фактического вклада потребителя в искажение параметров качества электрической энергии //Промышленная энергетика №1, 2003 — с. 32-38

3. Соколов B.C., Созыкин A.A., Коровкин Р.В., Шейко П.А., Левиков В.В., Дидик Ю.И. Актуальные вопросы мониторинга качества электрической энергии //Технологии ЭМС, №1, 2002 с. 61-68

4. Система сертификации. Временный порядок сертификации электрической энергии. Госстандарт России, Минтопэнерго России. Москва, 1998

5. РД 34.09.101-94. Типовая инструкция по учету электроэнергии при ее производстве, передаче и распределении. М.: ОРГРЭС, 1995

6. РД 34.11.333-97. Типовая методика выполнения измерений количества электрической энергии. М.: РАО «ЕЭС России», 1997

7. Соколов B.C., Чернышева Н.В. Предложения по инженерному решению проблемы качества электрической энергии //Промышленная энергетика №8, 2001 -с. 51-53

8. Казанцев Ю.А., Геворкян В.М., Новиков Б.С., Добосин С.Н. Перспективные принципы организации мониторинга перетоков электроэнергии //Доклады международной конференции «Информационные средства и технологии», Москва, 2001, том 2 с. 110

9. Добосин С.Н. Прецизионные измерения напряжения и тока высоковольтных ЛЭП //Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, 2002, том 1 с. 386

10. Добосин С.Н. Прецизионные автоматизированные измерения напряжения и тока высоковольтных ЛЭП //Международная конференция «Информационные средства и технологии», Москва, 2002, том 1-е. 126

11. Карташев И.И., Пономаренко И.С., Ярославский В.Н. Требования к средствам измерения показателей качества электроэнергии //Электричество, №4, 2000-е. 14-17

12. Железко Ю.С. Оценка потерь электроэнергии, обусловленных инструментальными погрешностями измерения //Электрические станции, №8, 2001-с. 19-24

13. Гамбурян К.А., Егиазарян Л.В., Сааков В.И., Сафарян B.C. Об учете электроэнергии при ее производстве, передаче и распределении //Электрические станции, №8, 2001 с. 24-27

14. Тамазов А.И. Погрешности измерения мощностей и электроэнергии //Электро, №3, 2002 с. 9-12

15. Гречухин В.Н., Мухин A.C. Испытания экспериментального образца цифрового магнитотранзисторного преобразователя тока на стенде НИЦ ВВА //Научный семинар по теоретической электротехнике: тезисы докладов. Иваново: ИГЭУ, 2000 с. 28

16. Лебедев В.Д., Лебедев Д.А. Экспериментальные исследования магнитотранзисторного датчика тока //Научный семинар по теоретической электротехнике: тезисы докладов. Иваново: ИГЭУ, 1995 с. 27

17. Белов O.E. Комплексная система контроля и управления качеством электроэнергии //Сборник докладов пятой российской научно-технической конференции. Санкт-Петербург, 1998 с. 490

18. Баховцев И.А., Гнатенко М.А., Зиновьев Г.С., Мокробородов С.А. Вычислительный комплекс для измерения показателей качества промышленных электрических сетей //Сборник докладов пятой российской научно-технической конференции. Санкт-Петербург, 1998 с. 496

19. Алексеев A.A., Суворов A.A., Шелюг С.Н., Молчан О.Д., Исаков С.Г. Сравнительные испытания счетчиков электрической энергии //Электрические станции, №5, 2002 с. 71-73

20. Костин С.Н., Синютин П.А. Организация внедрения и эксплуатации систем автоматизированного учета электроэнергии межсистемных перетоков в АО Челябэнерго //Электрические станции №10, 1998 с. 35-39

21. Зихерман М. Модернизация измерительных комплексов в сети 110 kB //Новости Электротехники, №5(23), 2003 с. 78-79

22. Алексейчик В.В., Болгов В.Т. Проблемы учета, контроля и управления энергоресурсами на промышленном предприятии и пути их решения //Энергосбережение в Поволжье №1(13), 2001 с. 58-67

23. Георгиади В.Х., Карпов K.M., Рогов C.B. Особенности внедрения АСУЭ на ТЭЦ-23 Мосэнерго //Электрические станции №7, 2002 с. 55-61

24. Минц В., Алексеев Г. О необходимости организации периодической поверки измерительных трансформаторов //Энергоснабжение в Поволжье, №1(13), 2001-с. 26-28

25. Карташев И.И. Качество электроэнергии в системах электроснабжения. — М.: Издательство «МЭИ», 2001. 120 с.

26. Гуртовцев A.JI. Современные принципы автоматизации энергоучета в энергосистемах //Новости ЭлектроТехники, №2(20), 2003 с. 66-68

27. Барнс Дж. Электронное конструирование: методы борьбы с помехами. — М.: Мир, 1990.-438 с.

28. Долинин И.В., Тарасов Д.В. АСУ ТЭЦ-27. Разработка, освоение и развитие. //Электрические станции, №10, 2002 с. 22-31

29. Электротехнический справочник //Под ред. Грудинского П.Г., Чиликина Г.М. и др. Том 2,4-е изд., М.: Энергия, 1972. 816 с.

30. Алексейчик JI.B., Бродуленко И.И., Геворкян В.М. и др. Состояние и перспективы применения миниатюрных диэлектрических резонаторов врадиоэлектронике //Обзоры по электронной технике. Сер. электроника СВЧ, Вып. 13, М.: ЦНИИ «Электроника» 1981 4.1 - 97 с.

31. Геворкян В.М., Михалин С.Н. Электромагнитная совместимость информационных систем. Математическое моделирование механизмов передачи помех в линиях связи. Лабораторный практикум. //Учебное пособие, М.: Издательство МЭИ, 2005. 52 с.

32. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. М.: Мир,1989.-448 с.

33. Нуссбаумер Г. БПФ и алгоритмы вычисления свертки. М.: Радио и связь, 1985.-248 с.

34. Марпл-мл. Цифровой спектральный анализ и его применение. М.: Мир,1990.-582 с.

35. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Том 1: Основные принципы и классические методы. — М.: Мир, 1983.-311 с.

36. Гоулд, Рабинер Теория и применение цифровой обработки сигналов. — М.: Мир, 1978.-848 с.

37. Тухас В.А., Пожидаев С.В., Эйнтроп С.А. Измерение фликера и гармонических составляющих тока //Технологии ЭМС, №3, 2002 с. 48-57

38. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы, учебное пособие, 8-е издание. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000. 624 с.

39. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров: определения, теоремы, формулы. 6-е издание. — М.: Изд-во «Лань», 2003.-831 с.

40. Матов В.И., Белоусов Ю.А., Федосеев Е.П. Бортовые цифровые вычислительные машины и системы. -М.: Высшая школа, 1998. — 215 с.

41. Тартаковский Д.Ф., Ястребов A.C. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 2001.-205 с.

42. Метрология и электро/ радиоизмерения в телекоммуникационных системах. Учебник для вузов. //Под ред. Нефедова В.И., М.: Высшая школа, 2001. -383 с.

43. Богданович В.А., Вострецов А.Г. Теория устойчивого обнаружения, различения и оценивания сигналов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 320 с.

44. РД 153-34.0-20.525-00. Методические указания по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок. М.: ОРГРЭС, 2000

45. Методы и средства решения практических проблем электромагнитной совместимости на электрических станциях и подстанциях /Борисов Р.К., Смирнов М.Н., Петров С.Р., Балашов В.В., Колечицкий Е.С. //Электро. — 2002.-№2.-С. 44-52.

46. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки. Справочник. //Под общ. ред. Кучинского Г. С. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 655 с.

47. Кучумов Л., Кузнецов А., Сапунов М. Исследователи ждут большего от современных измерительных приборов //Новости ЭлектроТехники, №4(28), 2004 с. 64-66

48. Макарычев П.К. Средства измерений показателей качества электроэнергии. Принципы и проблемы проектирования //Труды второй всероссийской школы-семинара молодых ученых и специалистов, Москва 19-21 октября 2004 г. М.: Изд-во МЭИ, 2004 - с. 47-52

49. Казанцев Ю.А., Геворкян В.М., Полукаров В.И. Проект технического регламента оставляет много лазеек //Новости ЭлектроТехники №5(29), 2004 -с. 59

50. Шейко П. Сертифицировать энергию электрического тока нельзя //Новости ЭлектроТехники №5(29), 2004 с. 60

51. Григорьев О., Петухов В., Соколов В., Красилов И. Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ //Новости ЭлектроТехники №1 (19) 2003 — с. 54-55