Розвиток теоретичних засад та нормативно-технічного забезпечення оцінювання якості електричної енергії в мережах загального призначення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

05.01.02 - стандартизація, сертифікація та метрологічне забезпечення

Розвиток теоретичних засад та нормативно-технічного забезпечення оцінювання якості електричної енергії в мережах загального призначення

Ванько Володимир Михайлович

Львів - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Столярчук Петро Гаврилович, завідувач кафедри "Метрологія, стандартизація та сертифікація" Національного університету "Львівська політехніка"

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Володарський Євген Тимофійович, професор кафедри автоматизації експериментальних досліджень Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”

доктор технічних наук, доцент Гребченко Микола Васильович, професор кафедри електричних станцій Державного вищого навчального закладу “Донецький Національний технічний університет”

доктор технічних наук, професор Колпак Богдан Дмитрович, заступник директора з наукової роботи та якості Державного підприємства Науково-дослідний інститут “Система”

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., професор Я.Т. Луцик

Анотація

Ванько В.М. Розвиток теоретичних засад та нормативно-технічного забезпечення оцінювання якості електричної енергії в мережах загального призначення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.01.02 - стандартизація, сертифікація та метрологічне забезпечення. Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2008.

Дисертація присвячена розвитку теоретичних засад оцінювання якості електроенергії шляхом вдосконалення нормативної бази для реалізації нових підходів з формування сукупності показників якості, розроблення нових методів виявлення і контролю негативних явищ в мережах та побудови на їх основі засобів вимірювання з покращаними метрологічними характеристиками. Виділено чотири групи показників якості, що характеризують повільні збурення та спектральні спотворення напруги, часові перенапруги і западини напруги, імпульсні спотворення її форми. Розроблено матричний метод та методику оцінки рівня якості електроенергії з використанням процесного підходу для управління її якістю. Запропоновано застосування wavelet-перетворення для видозміни номенклатури показників якості електроенергії та розробки нових методів і засобів виявлення та вимірювання негативних процесів в мережах.

Ключові слова: якість, електроенергія, нормативний документ, спотворення напруги, часові перенапруги, западини напруги, імпульсна напруга, похибки, wavelet-перетворення.

Abstract

Vanko V.M. Development of theoretical principles and normative-technical provision of electric energy quality estimation within the networks of common designation. - Manuscript.

The dissertation is aimed at gaining the scientific degree of the Doctor of Technical Sciences on the speciality 05.01.02 -- Standardization, Certification and Metrological Provision. “Lviv Polytechnic” National University, Lviv, 2008.

The dissertation is dedicated to the development of theoretical principles of electric energy quality estimation in the way of normative basis improvement with the purpose to realize new approaches to quality indices' totality formation; the development of new methods of detection and control of negative phenomena within networks as well as the construction of measuring means on their basis with improved metrological characteristics. Four groups of electric energy quality indices that characterize slow perturbations, spectral voltage distortion, time over-voltage and voltage depressions as well as the impulse corruption of its form are indicated. The matrix methods of electric energy quality level estimation with the aid of processing approach to its quality estimation are developed. The employment of wavelet-transformation to change the shape of the nomenclature of electric energy quality indices and to develop new methods and network of negative process detection within networks is proposed.

Keywords: quality, electric energy, a normative document, voltage distortion, time over-voltage, voltage depressions, impulse voltage, errors, wavelet-transformations.

Аннотация

Ванько В.М. Развитие теоретических основ и нормативно-технического обеспечения оценки качества электрической энергии в сетях общего назначения. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.01.02 - стандартизация, сертификация и метрологическое обеспечение. Национальный университет “Львивська политехника”, Львов, 2008.

Диссертация посвящена развитию теоретических основ оценки качества электроэнергии путем усовершенствования нормативной базы для реализации новых подходов формирования совокупности показателей качества, разработки новых методов обнаружения и контроля негативных явлений в сетях, а также построения на их основании средств измерения с улучшенными метрологическими характеристиками.

Предложено распределение всей совокупности показателей качества электроэнергии на группы статических и динамических, каждая из которых характеризует определенные процессы, происходящие на энергообъектах и в сетях. На основании анализа действующей нормативной документации выделено четыре группы показателей качества электроэнергии, которые описывают медленные возмущения, отклонения и спектральные искажения напряжения, временные перенапряжения и провалы напряжения, а также импульсные искажения ее формы.

Разработаны матричный метод и методика оценки уровня качества электроэнергии с использованием процессного подхода с целью управления ее качеством на всем пути прохождения - от систем производства через распределительные схемы до сетей потребителей. При этом переменный уровень качества электроэнергии на каждом участке определяется текущей матрицей |EE|, состоящей из комплексных показателей в виде строк из групп однородных единичных показателей. Рекомендовано с целью усовершенствования контроля качества электроэнергии применять показатели, описывающие временные отклонения функции напряжения, т. е. скорости изменения эффективного или усредненного мгновенного значений напряжения во времени.

Предложено использование нового математического аппарата - wavelet-преобразования, что позволяет изменить номенклатуру показателей качества электроэнергии и разработать новые методы нахождения негативных процессов в сетях и алгоритмы измерения статических и динамических показателей качества. На примере исследования ухудшения качества электроэнергии в виде медленных возмущений и искажений напряжения разработаны алгоритмы определения статических показателей качества при помощи непрерывного и дискретного wavelet-преобразования и произведена их сравнительная оценка, на основании чего рекомендовано применение последнего благодаря простоте его реализации и достаточной эффективности анализа.

Развита теория обнаружения и контроля временных перенапряжений и провалов напряжений в сетях. Разработано и исследовано применение способа нахождения этих процессов путем определения моментов превышений значений кореляционной функции и разностей соответствующих мгновенных значений напряжения соседних периодов повторения в отношении пороговых значений. С целью повышения точности обнаружения процессов и уменьшения влияния случайного изменения моментов их появления и окончания, а также отклонения частоты и формы напряжения, рекомендовано - использовать вычисление кореляционной функции сигнала на протяжении двух пропорциональных интервалов времени и дополнительное измерение его частоты. Показано, что наиболее эффективным путем построения средств измерения является применение дискретного wavelet-преобразования не только для определения необходимых динамических показателей качества электроэнергии, но и при обнаружении данных негативных процессов. Предложена реализация такого способа на основании определения отклонений от пороговых - значений коэффициентов первого уровня wavelet-преобразования и вычисленных на их основании кореляционных функций; что обеспечивает единый подход для измерения показателей качества электроэнергии в переходной и установленной фазах этих процессов. При этом получена оригинальная трактовка коэффициента перенапряжения и глубины провала напряжения в виде совокупностей распределенных спектральных состаляющих на протяжении частотного диапазона анализа входного сигнала.

Предложен эффективный подход для обнаружения и контроля быстрых импульсных искажений напряжения при помощи аналоговых аппаратных устройств, амплитудного детектирования и последующей цифровой обработки данных, что позволило реализовать сравнительно простую и точную схему для измерения амплитуд этих искажений длительностью от 1 мкс до 1 мс с погрешностью в пределах ±(0.2…1.0)%.

Разработаны структуры отдельных измерителей показателей качества электроэнергии, реализованные в виде портативных и стационарных приборов или информационно-измерительного комплекса для нужд электроэнергетики. На основании исследований погрешностей обнаружения негативных процессов и измерения показателей качества электроэнергии определены специальные способы их минимизации до уровней не более ±(0.2…0.5)% при помощи обработки образцовых сигналов или с использованием новых алгоритмов, а также сформулированы рекомендации в отношении выбора основных узлов измерительных средств, включительно с входными устройствами. Разработаны предложения относительно усовершенствования метрологического обеспечення учета и измерения качества электроэнергии в сетях общего назначения.

Ключевые слова: качество, электроэнергия, нормативный документ, искажения напряжения, временные перенапряжения, провалы напряжения, импульсное напряжение, погрешности, wavelet-преобразование.

1. Загальна характеристика роботи

електроенергія якість вимірювання

Актуальність теми. Науково-технічний та соціально-економічний прогрес тісно пов'язаний з електрифікацією всіх сфер матеріального виробництва і індивідуального споживання товарів та послуг. Тому обсяги виробництва та використання електроенергії (ЕЕ) є одним з найважливіших показників, що характеризують якісний і кількісний рівні розвитку передових та перспективних технологій.

Актуальність проблеми підвищення якості ЕЕ пов'язана з:

- гарантуванням надійності широкого кола електротехнічного та електронного устаткування, часто досить вартісного;

- забезпеченням ефективної і продуктивної роботи різного устаткування;

- максимальною економією і зменшенням втрат ЕЕ на всьому шляху її проходження від виробника до споживача.

Тому, надзвичайно важливо визначати і контролювати рівень якості ЕЕ та функціональний стан енергооб'єктів та мереж. Для забезпечення цього необхідно в комплексі розв'язати проблематику оцінювання якості ЕЕ, котра ґрунтується на таких завданнях.

Найперше варто оптимізувати номенклатуру показників якості (ПЯ) ЕЕ, які забезпечували б максимальне число ймовірних ситуацій в мережах. В чинних нормативних документах(НД) регламентовано надмірну кількість цих ПЯ.

Крім того, варто гарантувати високу точність виявлення негативних процесів в мережах та достовірність вимірювання сукупності необхідних ПЯ ЕЕ з врахуванням особливостей і властивостей досліджуваних напруг. Первинними джерелом для виявлення причин погіршення якості ЕЕ з метою їх подальшого усунення є інформація стосовно її ПЯ, отримана в результаті вимірювальних експериментів. Таким чином, питання вдосконалення вимірювачів ПЯ ЕЕ, наприклад з використанням новітніх математичних методів опрацювання інформації, слід вважати актуальним і доцільним.

Поряд з одержанням вимірювальної інформації не менш важливою проблемою є проведення оцінки якості ЕЕ та функціонального стану мереж і енергооб'єктів, завдяки чому можна передбачати появу зниження її якості, характеризувати ефективність роботи енергосистеми і електроспоживачів та гарантувати надійність функціонування останніх. Для вирішення цих завдань актуальною проблемою є пошук раціональних і ефективних методів та методик оцінки якості ЕЕ з метою вдосконалення нормативної бази і запровадження організаційно-методичних заходів для цього.

З метою підтвердження достовірності вимірювальної інформації доцільно також приділяти увагу питанням метрологічного забезпечення в галузі вимірювання і обліку ЕЕ. Поява нових засобів вимірювань (ЗВ) і потреба декларування якості ЕЕ вимагають також вдосконалення еталонів і нормативної документації для проведення методик виконання вимірювань, метрологічної атестації і перевірки ЗВ, а також оцінки якості ЕЕ.

Зв'язок теми дисертації з напрямками науково-дослідних робіт. Основні теоретичні та практичні дослідження проводилися автором в НДКІ “ЕЛВІТ” Національного університету “Львівська політехніка” та на кафедрі “Метрологія, стандартизація та сертифікація” згідно з тематичними планами проведення науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт у Національному університеті “Львівська політехніка”, а також на госпдоговірних засадах із ЗАТ “Консюмерс-Скло-Зоря” (договір №12-98 “Розробка багатоканального реєстратора реальних процесів в електричній мережі” від 12.03.1998р. - виконавець робіт); ТОВ НВО “Укртермоконт” (договір № 244/Е “Низькорівнева ІВС контролю та реєстрації втрат електроенергії в побутових електричних мережах” від 03.03.2004р. - виконавець робіт) та в рамках пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки в Україні за держбюджетними договорами на виконання науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України: “ДК Т” - “Розробка принципів побудови універсального аналізатора якості промислової електромережі для потреб енергетики” (реєстраційний № 0194U001265, 1992-1995р.р. - відповідальний виконавець); “Лічильник” - “Розроблення теоретичних засад оцінки якості енергоносіїв та створення на цій основі нових методів та засобів для індивідуального обліку спожитого тепла, газу та електроенергії” (реєстраційний № ДР0102U001189, 2002-2003р.р. - виконавець окремих розділів); “СТЕП” - “Розроблення будинкових систем для індивідуального обліку спожитого тепла, води, газу з оцінкою їх якості” (реєстраційний № ДР0104U002312, 2004-2006р.р. - виконавець окремих розділів); “ТОМ” - “Формування теоретичних і нормативних засад, розробка нетрадиційних методів та засобів оцінювання рівня якості продукції” (реєстраційний № ДР0107U001110, 2007р. - виконавець окремих розділів).

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є розвиток теорії оцінювання якості електроенергії і вдосконалення нормативного забезпечення цього процесу, розробки нових принципів побудови засобів вимірювання показників якості електроенергії на базі спеціальних математичних методів опрацювання інформації та створення на цій основі нових приладів і систем контролю якості електроенергії та функціонального стану енергооб'єктів і мереж.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно було:

проаналізувати множину показників якості електроенергії на предмет описання ними різноманітних ситуацій і процесів, що виникають в мережах, а також з точки зору формування метрологічних характеристик і нормативних вимог до засобів вимірювань;

проаналізувати методи оцінки якості продукції і послуг з огляду на їх можливе застосування для оцінювання якості електроенергії як стратегічного продукту;

розробити ефективну методику оцінки якості електроенергії та функціонального стану об'єкта з використанням основних теоретичних положень кваліметрії та чинної нормативної документації.

дослідити методи контролю і вимірювання одиничних показників якості електроенергії під час повільних коливань і спотворень напруги та динамічних відхилень і змін форми напруги, а також відомі, реалізовані на їх основі засоби вимірювань та пристрої;

теоретично обгрунтувати потребу використання новітніх математичних методів опрацювання інформації при формуванні теоретичних засад оцінювання якості електроенергії та узагальнити їх на методи і засоби вимірювання її показників якості, як за умови спотворень напруги в усталеному режимі роботи мережі, так і під час виникнення і перебігу негативних процесів - часових перенапруг, западин напруги та імпульсних відхилень форми напруги в мережах;

розробити покращані методи та алгоритми вимірювання необхідної сукупності показників якості електроенергії, котрі забезпечуватимуть достовірну і всебічну інформацію щодо її стану і змін якості при споживанні та під дією зазначених дестабілізуючих впливів в мережі;

узагальнити шляхи побудови і вдосконалення засобів вимірювання показників якості електроенергії та дослідити їх методичні і інструментальні похибки вимірювання, що зумовлені неадекватністю моделей досліджуваних сигналів та способів виявлення і контролю негативних процесів та неідеальністю основних вузлів вимірювальних структур;

на основі проведених теоретичних досліджень спроектувати і експериментально перевірити структури вимірювальних засобів, необхідних для збирання достовірної інформації, призначеної при здійсненні ефективної оцінки якості електроенергії;

дослідити специфіку роботи вхідних пристроїв засобів вимірювання показників якості електроенергії з точки зору точності, ефективності, надійності роботи і конструктивних особливостей реалізації та розробити рекомендації щодо побудови таких ефективних і прецизійних пристроїв.

Об`єкт досліджень - процеси збурення, відхилення і спотворення напруги електромережі, що негативно позначаються на якості електроенергії.

Предмет дослідження - нормативна база та технічне забезпечення контролю стану енергооб'єктів і оцінки якості електроенергії.

Методи досліджень. Методологічною основою дисертаційних досліджень є комплексний підхід до оцінювання якості електроенергії із застосуванням матричної математики, часо-частотного аналізу сигналів за допомогою wavelet-перетворення, що дозволяє з єдиних позицій визначати повільні і швидкі зміни, спотворення і збурення напруги мережі. Використано теоретичні та експериментальні методи досліджень, що грунтуються на загальній теорії вимірювання, засадах кваліметрії і електротехніки, теорії вимірювальних та радіотехнічних сигналів і кіл, матричному численні, теорії аналізу динамічних процесів, методах імітаційного моделювання. Основні теоретичні результати перевірялись експериментальними методами.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Вперше для оцінки якості електроенергії застосовано матричний метод, за яким загальний стан енергооб'єкта характеризується сукупністю комплексних векторів якості, елементами яких є регламентовані у нормативних документах споріднені одиничні показники, що характеризують процеси погіршення якості електроенергії.

2. Розроблено концепцію оцінки якості електроенергії та функціонального стану енергооб'єкта, що базується на застосуванні обмеженого числа показників якості, достатнього для комплексного оцінювання якості електроенергії, встановлення причин появи негативних процесів в мережах та запровадження корегувальних дій.

3. Розроблено новий диференційний метод оцінки повільних збурень та спотворень напруги мережі із застосуванням wavelet-перетворення, котрий дозволяє з масиву різницевих коефіцієнтів визначити всі статичні показники якості електроенергії, зокрема дози флікера описуються коефіцієнтами низькочастотних спектральних складових спотворень напруги.

4. Обґрунтовано принцип погодження параметрів базової функції з характеристиками аналізованого сигналу, що забезпечує ефективне представлення статичних показників якості електроенергії, а також проведено аналіз методичних похибок, зумовлених неідеальністю фільтрів і крайовими ефектами від опрацювання вхідного сигналу.

5. Отримала подальший розвиток теорія виявлення та контролю часових перенапруг і западин напруги в аспекті обчислення кореляційної функції сигналу на двох пропорційних інтервалах часу і додатковому вимірюванні частоти, що забезпечує інваріантність результатів аналізу негативних процесів щодо моментів їх появи та тривалості.

6. Запропоновано новий спосіб виявлення і контролю часових перенапруг і западин напруги, що ґрунтується на визначенні відхилень від порогових значень коефіцієнтів першого рівня wavelet-перетворення та знайденими на їх основі кореляційних функцій; що забезпечує єдиний підхід вимірювання показників якості електроенергії у перехідній і встановленій фазах.

7. Обгрунтовано математичні моделі часових функцій напруги для випадків спектральних спотворень у нормальному режимі роботи мережі, часових перенапруг і западин напруги та швидких імпульсних відхилень напруги шляхом уточнення спектрального розкладу реальної напруги з врахуванням інтергармонічних складових, а також за допомогою динамічного представлення сигналу з використанням функцій Гевісайда.

8. Обгрунтовано ефективний розподіл функцій між апаратним та програмним блоками засобу вимірювання, що забезпечує підвищення точності виявлення і контролю імпульсних завад і дозволяє розширити можливості вимірювання швидких імпульсних спотворень напруги.

9. Вдосконалено заступну схему трансформатора струму вхідного перетворювача шляхом врахування паразитних прохідних ємностей його обвиток, що забезпечує підвищення точності аналізу статичних і динамічних показників якості електроенергії.

10. Створено теоретичні засади для проектування нових еталонних засобів змінної напруги на основі формування зразкових сигналів за інтергармонічними спотвореннями.

Практичне значення одержаних результатів полягає в: створенні науково-технічних засад оцінювання якості електроенергії та методик для проектування засобів вимірювання оптимально вибраних груп показників якості з підвищеною достовірністю результатів, що враховують характеристики досліджуваних напруг під час оперативного контролю за процесами перетворення електроенергії у мережах загального призначення. З цією метою створено:

- основи загальної теорії аналізу і оцінки якості електроенергії та напрями практичної реалізації засобів вимірювань;

- методику практичної оцінки якості електроенергії та функціонального стану енергооб'єкта;

- математичні моделі функцій напруги під час виникнення і проходження негативних процесів і ситуацій в мережі;

- запропоновані для всіх груп показники швидкостей зміни ефективних, інтегральних і миттєвих значень напруги;

- розвиток теорії wavelet-перетворення для вимірювання показників якості електроенергії;

- теоретичні положення та схемотехнічні рішення щодо побудови вимірювальних структур;

- способи зменшення похибок вимірювання та їх реалізацію;

- заступну схему трансформатора струму;

- запропоновані структури вимірювачів окремих груп показників якості та інформаційно-вимірювального комплексу контролю і управління якістю електроенергії.

Результати дисертаційної роботи були впроваджені під керівництвом й за участю автора при розробленні та впровадженні:

- одноканальних вимірювальних перетворювачів показників якості електроенергії типів ОВП-1О і ОВП-1АІ у складі низькорівневої інформаційно-вимірювальної системи контролю та реєстрації втрат ЕЕ в побутових електричних мережах для ТОВ НВО “Укртермоконт”;

- багатоканальному реєстраторі електричних параметрів аварійних процесів мережі типу РЕП 1 для ЗАТ “Консюмерс-Скло-Зоря”;

- макетних зразків спроектованих структур засобів вимірювання статичних і динамічних показників якості електроенергії, щодемонструвались на інноваційних ярмарках Національного університету „Львівська політехніка”.

Основні положення та результати наукових досліджень використовуються в навчальному процесі кафедри „Метрологія, стандартизація та сертифікація” Національного університету „Львівська політехніка” в курсах “Метрологія, стандартизація, сертифікація та акредитація”, “Чутливі елементи та схеми уніфікації”, “Вимірювання в імпульсній техніці” та дипломному проектуванні студентів.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати отримані дисертантом самостійно. У роботах, що опубліковані у співавторстві, дисертанту належить постановка задачі, концепції та принципи побудови, основні математичні викладки, аналіз результатів. Дольова участь співавторів полягала в детальнішому опрацюванні задач, що розв'язувались, розробці програмного забезпечення і виконанні розрахунків. Із публікацій зі співавторами здобувачу належить: 1,2,25 - узагальнення і аналіз показників якості електроенергії; 1,3,5,8,10,19,25,27 - теоретичні засади реалізації нормативних вимог з оцінення якості електроенергії; 1,5,8,24,25,26,27,29 - синтез структурних схем вимірювальних засобів та їх основних вузлів; 21 - структура метрологічного забезпечення вимірювання, перевірки засобів вимірювання та оцінення якості електроенергії.

Апробація результатів роботи. Викладені в дисертаційній роботі наукові положення та наукові результати доповідались на 12 науково-технічних конференціях, симпозіумах, інвестиційних ярмарках, в т. ч. на 9 міжнародних.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 32 наукові роботи, в тому числі одна монографія, 22 статті у фахових виданнях, з них 13 одноосібних.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів і висновків, викладена на 350 сторінках друкованого тексту, містить 54 рисунки, 22 таблиці, додатки та перелік цитованої літератури.

2. Основний зміст роботи

У вступі відображено актуальність проблеми, обґрунтовано мету та основні задачі дослідження. Показано зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Сформульовано наукову новизну та положення, що виносяться на захист. Розглядаються практична цінність та впровадження результатів роботи. Наводяться дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи та публікації.

Перший розділ присвячено аналізові стану нормативної документації, проблемам оцінювання якості електроенергії під час повільних збурень, відхилень і нелінійних спотворень напруги, часових перенапруг, западин напруги та імпульсних спотворень форми напруги мережі.

Під якістю ЕЕ розуміють ступінь відповідності її параметрів певним встановленим нормам значень. Норми якості ЕЕ визначають за її ПЯ - величинами, котрі декларують якість енергії за одним або кількома її параметрами. Вимогами ГОСТ13109-97 встановлено норми якості ЕЕ - граничні значення ПЯ ЕЕ - лише в пунктах приєднання електроспоживачів (ЕС). Однак з метою визначення ефективності виробництва, передавання та споживання ЕЕ доцільно проводити контроль ПЯ ЕЕ на всіх етапах її транспортування.

В узагальненому вигляді електроенергетична система представляє собою сукупність електричного, силового і вимірювального обладнання та комплекс ЕС, об'єднаних спільністю процесів виробництва, передавання, розподілу та споживання ЕЕ. Відповідно до цього, всю множину ПЯ ЕЕ можна розподілити за першою класифікаційною ознакою - функціонувальною характеристикою ЕЕ (рис.1) - на три групи показників: на виході та всередині системи виробництва енергії, основними вузлами котрої є електростанції; в мережах трансформації рівнів напруг та розподілу і перетворення ЕЕ з метою її транспортування та формування систем електропостачання для споживачів; у внутрішніх мережах електроспоживачів [2].

За другою класифікаційною ознакою - часового розподілу - серед ПЯ ЕЕ можна виділити статичні та динамічні показники.

До статичних слід віднести такі різновиди показників : ПКНЧ, НТСН, НСН, ХПС. Динамічними вважаємо показники груп ІСФ та ШВП.

Враховуючи основні і додаткові ПЯ ЕЕ, наведені в чинних НД, варто відзначити, що на даний момент використовується величезна кількість ПЯ (більше 60). Таке число ПЯ спричиняє ускладнення управлінню якістю ЕЕ.

Крім того, варто зауважити, що означені групи показників якості ЕЕ на всіх ділянках електроенергетичної системи змінюються по різному, в залежності від особливостей функціонування її основних структурних підрозділів [2].

Наприклад, в СВЕ основну увагу приділяють підтриманню в допустимих межах ПЯ ЕЕ: встановленого відхилення СКЗ напруги u_в, розмаху зміни напруги u_t, короткочасну (Р_дФ)_st і довготривалу (Р_дФ)_lt дози флікера, частоти повторення змін напруги F_Ut, відхилення частоти повторення f (ПКНЧ), а також - найбільших активної і реактивної потужностей, з якими електроустановка може тривало працювати без перевантаження, у відповідності з технічними умовами або паспортом на підключене устаткування.

В СПР здійснюється трансформація рівнів напруг з метою формування потоків транспортування енергії групам ЕС. При цьому, беручи до уваги специфіку роботи даної ділянки енергосистеми, доцільно контролювати всі наведені групи ПЯ ЕЕ.

ЕС можна розподілити на кілька видів: промислові підприємства, спеціальні (військові і оборонні) об'єкти, наукові та побутові споживачі. Для кожного виду ЕС важливим є гарантування якості ЕЕ за певними ПЯ в залежності від характеру навантаження [2].

Поряд із завданнями оцінювання якості ЕЕ протягом всього шляху її проходження, не менш важливою є проблематика вдосконалення методів і ЗВ ПЯ ЕЕ. В чинному стандарті наведено загальні вимоги стосовно норм значень ПЯ та рекомендованих допустимих похибок ЗВ ПЯ ЕЕ. Однак, враховуючи особливості зміни досліджуваних сигналів та з метою підвищення вимог до контролю і розширення інформативності щодо ПЯ ЕЕ з'являються нові завдання стосовно вдосконалення необхідних методів контролю та реалізованих на їх основі ЗВ.

Поряд з окремими питаннями дослідження якості ЕЕ в мережах, виникає проблема раціонального обмеження множини наведених в [2] ПЯ ЕЕ до оптимального числа, завдяки якому можна буде проаналізувати функціональний стан мережі, якість та причини її погіршення в переважній більшості робочих ситуацій в енергосистемі. Якщо взяти до уваги ймовірні варіанти погіршення якості ЕЕ на всіх ділянках енергосистеми, то можна виокремити сукупність ПЯ, що описує переважну кількість таких негативних процесів: ПКНЧ, НСН, ІСФ та ШВП. Додатковим підтвердженням цього судження є дослідження та вимірювання для їх знаходження однієї і тієї ж функції - часової кривої функції напруги мережі f_U(t).

Так само як в чинному вітчизняному стандарті, за кордоном використовуються переважно ті ж самі ПЯ ЕЕ, котрі віднесено нами до виокремлених груп. Деякі ПЯ носять лише іншу назву, але визначаються аналогічно як в ГОСТ13109-97. Інколи як додаткові ПЯ ЕЕ використовують відомі величини: коефіцієнти амплітуди і форми сигналу. За їх допомогою проводять оцінку рівня спотворення напруги мережі. Однак, такий підхід є надто приблизним і не наглядним, оскільки дає тільки певну узагальнену оцінку спотворення f_U(t).

На сучасному етапі з'явилась нова тенденція, коли провідні закордонні фірми-виробники електронного і обчислювального устаткування формують власноруч технічні вимоги для напруги живлення своєї продукції. Наприклад, фірма ІВМ гарантує надійну роботу випущених персональних комп'ютерів за наявності в мережі живлення таких умов і значень ПЯ ШВП: часові перенапруги (ЧПН) з амплітудами не більше 150% протягом 1с.; западини напруги (ЗПН) з до 30% протягом 0.5с. Аналогічно формуються нормативні вимоги стосовно регламентації і перевірки впливу імпульсних спотворень напруги живлення на надійність і ефективність роботи пристроїв техніки зв'язку і комунікацій, ЗВ, обчислювальних засобів, комп'ютерів, т.п.

Поряд із вдосконаленням нормативної бази для управління якістю ЕЕ та методів побудови ЗВ ПЯ ЕЕ як елементів систем збору необхідної інформації, не менш актуальною вважається проблема оцінки якості власне ЕЕ на основі отриманих в результаті вимірювання даних. При цьому йдеться про застосування оптимальних підходів і принципів кваліметрії стосовно здійснення цієї оцінки якості важливого для України, стратегічного продукту.

В роботі проведено аналіз відомих методів оцінювання якості продукції та послуг. Розглянуто формування якості досліджуваних об'єктів за допомогою: побудови дерева властивостей чи багаторівневої структури одиничних (ОПЯ) і комплексних ПЯ (КПЯ), а також порівняльної оцінки масиву ОПЯ за різними варіантами шкального принципу - шкалами порядку, інтервалів чи відношень.

В залежності від особливостей досліджуваних продуктів вдосконалення оцінки якості досягається поєднанням експертного методу та шкального принципу аналізу. Для складних технічних виробів інколи застосовують оцінку виробу на основі диференційного методу та аналізу його технічного рівня у вигляді циклограми, що містить інформацію про ПЯ досліджуваного і базового виробів за їх основними характеристиками.

Відома концепція оцінки якості продукції у вигляді номінальної математичної моделі, котра формується з чотирьох часткових моделей якості, що групуються за параметрами оптимізації, підібраними відповідно до кількісних факторів впливу, котрі відображають: тактико-технічні характеристики, споживчу цінність, технологічність і економічність виробу, а також його робастність.

Аналіз відомих методів оцінки якості продукції у застосуванні до ЕЕ показує, що для всебічного, строгого і ефективного її контролю жоден з цих методів не підходить. Сьогодні оцінка якості ЕЕ ґрунтується на виявленні і фіксації виходу вимірюваних значень одного чи декількох ПЯ зі всієї вибраної сукупності показників за межі встановлених норм якості - граничних значень ПЯ ЕЕ - протягом рекомендованого інтервалу часу аналізу, не меншого 24 год. При цьому допускається достовірність визначення ПЯ ЕЕ з ймовірністю 95% виходу за встановлені границі.

Такому методу оцінки якості ЕЕ властивий ряд суттєвих недоліків:

не проводиться дослідження якості ЕЕ під час нормального режиму функціонування мережі, коли відсутній вихід будь-якого ПЯ ЕЕ за межі граничних значень, що не дозволяє здійснювати поточну, змінну в часі та порівняльну оцінку якості ЕЕ і функціонального стану мережі категоріями “добра”, “посередня” чи “погана якість”;

декларується контроль сукупності ПЯ ЕЕ лише в пунктах приєднання електроприймачів до мережі, незважаючи на наявну в стандарті інформацію про ймовірних винуватців погіршення якості ЕЕ, до числа яких віднесено також енергопостачальні організації

відсутня наочність отриманої картини якості ЕЕ та мережі.

Оцінка якості ЕЕ провідними науковцями і фахівцями здійснюється лише у вигляді спроб вдосконалення контролю окремих процесів і ситуацій, що відбуваються в електричних мережах, і в локальних ділянках енергосистеми.

Для величезної кількості електротехнічного і електронного устаткування навіть в усталеному режимі функціонування мережі особливу роль відіграє не лише стабільність СКЗ напруги живлення, але й рівень її нелінійних спотворень. Причинами погіршення якості ЕЕ виступають: процеси регулювання та стабілізації СКЗ напруги в енергосистемі; вплив спадків напруги на еквівалентних опорах ліній електропередавання (ЛЕП), що залежать від режиму навантаження; функціонування специфічних галузей господарки (електротранспорт, дугові печі плавлення металів, зв'язок) та устаткування (електричні машини, трансформатори, зварювальні пристрої, радіоелектронна і комп'ютерна техніка, освітлювальна і нагрівна апаратура, побутові прилади, тощо).

Як відомо [3], повільні відхилення напруги призводять до суттєвого погіршення експлуатаційних характеристик електричних двигунів. Відхилення цих характеристик від номінальних значень негативно впливають на ефективність функціонування технологічного обладнання та викликають відповідні економічні втрати для виробництва. Крім того, через відхилення напруги живлення до 4% від номінального значення в дугових печах для варіння сталі і кольорових металів потужністю 250 кВт викликають непродуктивні втрати ЕЕ у 50 МВт-год. на рік. А для освітлювальних ламп розжарювального типу збільшення напруги на 3% скорочує їх термін придатності на 30%, а зростання напруги на 5% - практично вдвічі зменшить строк служби.

За даними провідних фахівців відомо, що наявність суттєвих нелінійних спотворень в викликає швидке старіння ізоляції в лініях електропередач, проводах обмоток трансформаторів і електричних машин, дроселів, т.п. Під час роботи силового промислового устаткування, наприклад електричних двигунів і генераторів змінного струму, утворюються специфічні низькочастотні перешкоди. Їх можна представити як причину суттєвих поштовхів споживаної потужності, котрі викликають відповідні розмахи коливань, та аналітично - у вигляді суми гармонічних складових напруги мережі, змінних в часі.

Характерною особливістю ЗВ ПЯ ЕЕ є застосування різних методів вимірювань для груп ПКНЧ і НСН, причому на основі як аналогових, так і цифрових структур.

Перші з них реалізовано на морально застарілих підходах та елементній базі, через що такі ЗВ не є ефективними. Цифрові ЗВ даних ПЯ будуються шляхом застосування цифрової обробки кодів миттєвих значень f_U(t) за допомогою відомих алгоритмів вимірювання ПЯ ЕЕ в типовій процесорній структурі. За таким же принципом побудовано відомі численні структури аналізаторів спектру напруг на основі швидкого перетворення Фур'є. Точність вимірювання коефіцієнтів спотворення синусоїдності і п-ї гармонічної складової на рівнях 20-30% забезпечується такими ЗВ з похибкою в межах ±0.1…±0.5%, але суттєво погіршується при зменшенні значень цих ПЯ. Подібного рівня досягається точність знаходження та дещо гірше - .

Для наведених ЗВ ПЯ ЕЕ властивий загальний недолік, пов'язаний із специфікою та особливостями f_U(t), а саме - наявністю в сигналі крім класичних гармонік також інтергармонічних складових. Вимірювання і аналіз такої f_U(t) за допомогою відомих методів і ЗВ, реалізованих на основі перетворення Фур'є, не завжди забезпечує достовірну інформацію про статичні ПЯ ЕЕ (включно з , ) через випадковий непрогнозований характер зміни основних параметрів f_U(t) (амплітуди першої гармоніки, спектрального складу, частоти).

Практично для всіх груп ЕС важливу роль відіграють особливі негативні динамічні процеси ЧПН і ЗПН, котрі виникають в електричних мережах. Специфічною ознакою даних негативних динамічних процесів є випадковий, особливо на початковій і заключній стадіях, характер зміни f_U(t). У зв'язку з цим ГОСТ13109-97 допускає здійснювати контроль якості ЕЕ без врахування змін f_U(t) на початку ЧПН чи ЗПН тривалістю до 40 мс, що обмежує можливості управління якістю ЕЕ. За даними НД та з досвіду енергопостачальних і науково-дослідних організацій в цій галузі можна відзначити, що зазначені погіршення якості ЕЕ виникають внаслідок: порушення балансу потужностей; несиметрії трифазної системи напруг та раптових змін режимів в енергосистемі; виникнення аварійних ситуацій в мережах; комутаційних процесів на різних ділянках енергосистеми; через взаємний вплив внутрішніх мереж сусідніх ЕС.

Поява ЧПН в першу чергу негативно впливає на надійність переважної більшості устаткування, оскільки може бути причиною його виходу з ладу. ЗПН викликають зниження продуктивності і ефективності функціонування виробничого устаткування. Обидва зазначених процеса є причиною незадовільної роботи цифрової і обчислювальної апаратури, оскільки для сучасних швидкодіючих інтегральних мікросхем вимагається напруга живлення з підвищеною стабільністю. Аналогічні вимоги висуваються до джерел живлення для персональних комп'ютерів та систем інформаційних мереж з метою гарантування безперебійного програмного функціонування та збереження отриманих результатів і масивів цифрової інформації.

ЗВ, призначені для контролю ПЯ ЕЕ, що описують перебіг даних динамічних процесів в мережі, повинні забезпечувати достовірну інформацію, незалежну від нестаціонарного характеру їх перебігу. Зміни f_U(t) під час їх проходження не мають впливати на надійність власне вимірювача.

Найпростіші ЗВ релейного типу фіксують лише моменти виникнення та закінчення ЧПН і ЗПН. Їм властиві низькі метрологічні характеристики і обмежені функціональні можливості. Ширше застосування знайшли запам'ятовувальні осцилографи, які поступово вдосконалювались з розвитком мікроелектронної техніки.

Разом з тим, за кордоном з'явилась низка розробок ЗВ ПЯ ЕЕ групи ШВП, в яких поєднуються аналого-цифрове перетворення f_U(t) та математичне опрацювання цифрової інформації. При цьому, абсолютні похибки вимірювання коефіцієнта перенапруги та глибини западини не перевищують, відповідно ±0.01 та ±1%.

Відомі дещо складніші ЗВ, за допомогою яких можна детальніше досліджувати ці процеси, що містять крім вимірювальних блоків також схеми аналізу спектру та великі за об'ємом пристрої пам'яті (напр. Fluke 434). Це дозволяє записувати інформацію про перебіг різних ситуацій в мережі протягом інтервалів часу до 32 діб.

Загальним недоліком даних ЗВ слід вважати недостатню точність виявлення і контролю вказаних шкідливих динамічних процесів в мережі через застосування в переважній більшості з них недосконалих способів вимірювання, котрі не враховують нестаціонарний характер перебігу цих процесів.

Крім розглянутих вище тривалих негативних процесів, котрі описуються групою ШВП ПЯ ЕЕ, в мережі виникають високочастотні спотворення або імпульсні відхилення в f_U(t), що характеризуються ПЯ групи ІСФ.

Причинами появи таких динамічних спотворень можуть бути: різноманітні комутаційні процеси в енергосистемі; атмосферні розряди поблизу чи безпосередньо в повітряні ЛЕП; перехідні процеси в різному промисловому устаткуванні (локатори, комп'ютери і побудовані на них системи, схеми автоматики і телемеханіки, потужна силова апаратура, електричні машини, імпульсні блоки живлення, т.п.).

Через ці імпульсні сигнали виникають втрати і пошкодження у повітряних ЛЕП (коронні розряди, іонізаційні процеси, пошкодження ізоляції) та виходять з ладу кабельні ЛЕП, а також основні агрегати і вузли енергосистеми - потужні силові і вимірювальні трансформатори, інвертори, тиристорні і симісторні регулятори, стабілізуючі і захисні пристрої, тощо.

Одними з перших ЗВ динамічних ПЯ ЕЕ були імпульсні вольтметри, які дозволяли контролювати амплітуди імпульсної напруги спотворення f_U(t) з похибками вимірювання в межах ±2.0...±5.0%. Суттєвим недоліком таких схем є їх обмежене функціональне призначення - контроль лише одного ПЯ ЕЕ.

Відомо інтегральний метод вимірювання імпульсів, що реалізується на базі багатоканальної структури, кожен канал якої містить нелінійний елемент та інтегратор. Внаслідок розв'язання системи рівнянь знаходять умовні параметри імпульсів: узагальнені амплітуду і тривалість та сукупність коефіцієнтів форми, котрі потребують додаткового опрацювання для отримання інформації в традиційному вигляді. Поряд з тим, що побудовані за цим методом засоби можуть вимірювати імпульси з дуже малими тривалостями (менше 1 мкс), вони громіздкі і мають низьку точність вимірювання.

Дещо простіші структури аналогових перетворювачів імпульсних сигналів, в яких застосовують проміжне запам'ятовування електричного заряду на спеціальному конденсаторі з подальшим перетворенням його в квазіпостійну напругу або інтервал часу, що несуть інформацію про параметри імпульсів. На жаль, сумарна похибка таких вимірювачів визначається неідеальностями аналогових вузлів та зазначеного конденсатора і не може бути меншою ±1.5...±2.0% під час перетворення єдиних імпульсів з в десятки-сотні вольтів та

Відомі ЗВ цих динамічних ПЯ ЕЕ, що реалізуються на основі опрацювання кодів миттєвих значень f_U(t) за складним алгоритмом пошуків особливих точок спотворення. Незважаючи на оптимальну мікропроцесорну структуру і порівняно високу точність (не менше ±1.0%), недоліками таких засобів є їх нездатність вимірювати імпульси коротких тривалостей (менше 10...30 мкс) та можливі суттєві методичні похибки контролю імпульсів деяких форм, наприклад експоненційних, дзвоно- та шпилеподібних. Це пояснюють складністю і великою кількістю кроків алгоритму пошуку та контролю початку, закінчення і фіксації моменту амплітудного значення імпульсного спотворення напруги мережі.

Другий розділ розкриває загальну концепцію розвитку нормативно-технічного забезпечення оцінення якості ЕЕ з використанням матричного методу і методики визначення рівня якості ЕЕ та функціонального стану енергооб'єкта, що ґрунтується на аналізі обмеженого числа ПЯ ЕЕ.

Для проведення оцінки якості ЕЕ доцільно застосовувати чинну нормативну базу - державні стандарти серії ДСТУ ISO 9000. Відповідно до цього стосовно ЕЕ використаємо відомі групи процесів, що всебічно характеризують функціонування системи управління якістю (СУЯ) продукції. Таким чином, ефективне і результативне продукування ЕЕ у деякому фрагменті енергосистеми та управління діяльністю енергопостачальної організації можна зобразити моделлю CУЯ. При цьому вимоги замовників враховані в сукупності граничних значень ОПЯ ЕЕ.

Надалі, відповідно до даної моделі СУЯ, доцільно проводити вимірювання і моніторинг якості на всіх етапах проходження ЕЕ: СВЕ, СПР та комплексі ЕС₁ ... ЕС_С. З метою раннього виявлення моментів наближення значень ОПЯ до граничних значень та запобігання критичного стану ділянки енергосистеми рекомендується наступний метод оцінки якості ЕЕ. В результаті проведених вимірювань ВМ отримують три масиви значень абсолютних ОПЯ в СВЕ, СПР та ЕС₁ ... ЕС_С. Кожен з цих масивів представляється у вигляді матриць якості: |ЕЕ_ВЕ| стосовно СВЕ, |ЕЕ_ПР| - СПР, |ЕЕ_ЕС-к| - будь-якого з ЕС₁, ..., ЕС_k, ..., ЕС_С. Будь-яка з цих матриць складається з векторів-рядків |Q₁|,|Q₂|,…|Q₆|, що отримані шляхом розподілу масиву ОПЯ ЕЕ на групи споріднених показників. Ці вектори являють собою КПЯ, котрі характеризують певні явища в досліджуваному фрагменті енергосистеми.

В переважній більшості ОПЯ ЕЕ q_1b1,q_2b2,…,q_6b6 в межах кожного вектора можна вважати некорельованими один з одним, як і вектори між собою. Одночасно приймаємо, що вагомість даних ПЯ ЕЕ є рівноцінною в межах векторів (КПЯ) Q_Ся (С_Я=1,2,…,6). Отже, важливою перевагою даного методу оцінки якості ЕЕ є відсутність потреби у визначенні вагомості як ОПЯ, так і КПЯ.

Оскільки в загальному випадку розмір матриць |ЕЕ_ВЕ|, |ЕЕ_ПР|, |ЕЕ_ЕС-к| та перелік ОПЯ у векторах Q_Ся є однаковим, то шляхом порівняння цих матриць між собою можна досліджувати зміну якості ЕЕ під час її транспортування.

З метою нагляднішого представлення даних векторів і матриць з точки зору оцінки якості ЕЕ доцільно скористатись для їх формування принципом оцінки якості продукції і послуг у вигляді шкали відношень. Тобто йдеться про принцип нормування, що передбачає утворення векторів (Q_Ся)_вдн та матриць якості |(ЕЕ_ВЕ)_вдн|, |(ЕЕ_ПР)_вдн|, |(ЕЕ_ЕС-к)_вдн|, на основі не абсолютних, а відносних ОПЯ ЕЕ. А будь-який відносний ОПЯ ЕЕ вектора Q_Ся, визначається з виразу

, (1)

де (q_Cяbp),(q_Cяbp)_ід - поточне та ідеальне значення b_p-го абсолютного ОПЯ ЕЕ, що входить в С_Я-й вектор, причому b_p належить до одної з послідовностей (1,2,...,b₁), (1,2,...,b₂), (1,2,...,b₆), (q_Cяbp)_гр - граничне значення даного абсолютного ОПЯ з чинного стандарту.

Для проведення аналізу якості ЕЕ дані матриці подаються у вигляді деяких поверхонь, котрі можна порівнювати між собою з огляду на розглянуті вище, три процеси - продукування, транспортування і використання ЕЕ. Крім того, можна проводити дослідження зміни в часі графіків, що відтворюються за допомогою цих матриць, аналізуючи таким чином динаміку якості ЕЕ на різних ділянках енергосистеми.

З метою забезпечення більш наглядного контролю якості ЕЕ під час здійснення процесів постачання ЕС (поліпшення ПЛП, аналіз і оцінка А+О, інших) пропонується виконання додаткової операції проміжного порогування векторів якості по відношенню до певного вектора заданих значень абсолютних (Q_Ся)_зд. Причому значення (Q_Ся)_зд задається дослідником і може змінюватись залежно від необхідної точності аналізу та потреби виявлення домінуючих погіршень якості ЕЕ для пошуку причин їх появи і подальшого усунення. Дану операцію порогування можна проводити як для абсолютних, так і відносних КПЯ ЕЕ. Наприклад, стосовно останніх вона має вигляд

(2)

Особливістю такого порогування є той факт, що ПЯ, для яких ідеальний (Q_Ся)_вдн-ет=(1…1), можна знехтувати, завдяки чому отримуємо сприйнятливішу з точки зору відображення картину якості ЕЕ. Як було показано вище, одним з головних факторів забезпечення надійної та продуктивної роботи всіх видів електронного і електротехнічного устаткування вважається дотримання вимог якості щодо часових, частотних і амплітудних (енергетичних) параметрів кривої f_U(t) на всіх ділянках енергосистеми. Тому в даній роботі приділено увагу групам ПКНЧ, НСН, ІСФ та ШВП, котрі характеризують переважну більшість ситуацій з погіршення якості ЕЕ.

Відповідно до цього, для представленої моделі СУЯ ЕЕ трансформуємо кожну матрицю якості |ЕЕ| до вигляду виразу, що містить, крім раніше описаних, такі ОПЯ: тривалості ЧПН t_PУ і ЗПН t_ZУ, частість появи ЗПН F_UЗ, тривалості (t_i)_li імпульсів (l_i є порядковим номером імпульса в спотвореній ділянці), сумарна тривалість спотворення t_iУ, тривалості (t_i0,5)_li імпульсів за рівнем половини їх амплітуд, число імпульсів N_iм.

Аналогічно як вище, отримані після вимірювання комплексні вектори Q_Ся (С_Я=1,...,4) перетворюємо у відносні і маємо матрицю якості |(ЕЕ)_вдн. Надалі здійснюють її порівняння з еталонною |(ЕЕ)_вдн-ет|, що складається з (Q_Ся)_вдн-ет.

На практиці оцінку якості ЕЕ в досліджуваній мережі доцільно проводити шляхом вибору множини значень еталонних абсолютних ОПЯ ЕЕ для векторів (Q_Ся)_ет за вимогою {(q_Сяbp)_ет}={0.1(q_Сяbp)_гр.}. Далі для формування |(ЕЕ)_вдн-ет| обчислюються значення еталонних відносних ОПЯ ЕЕ за (1). А стан мережі встановлюють порівнянням виміряної |(ЕЕ)_вдн з розрахованою |(ЕЕ)_вдн-ет|. Про найсуттєвіші чинники погіршення якості ЕЕ можна дізнатись з матриці рівня якості

...