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

|(ЕЕ)_вдн-ря|=|(ЕЕ)_вдн-ет|-|(ЕЕ)_вдн|. (3)

Зосередимось на номенклатурі ОПЯ ЕЕ в (3), котра забезпечить максимально деталізований опис негативних процесів в мережі, що визначають якість ЕЕ.

Серед вибраних груп ПЯ ЕЕ практично відсутні такі, котрі б характеризували погіршення якості ЕЕ через часові зміни f_U(t), миттєві, усереднені чи інтегральні. Лише в ПКНЧ наявні ПЯ ЕЕ, які дозволяють надто поверхово оцінювати динаміку часових повільних і швидких змін, коливань і спотворень напруги (u_t, F_Ut). В нормативних документах на різне устаткування встановлюються граничні вимоги до форми і параметрів напруги мережі, що має гарантувати його ефективну і надійну роботу. Наприклад, такі вимоги представлено для лічильників ват-годин активної ЕЕ. Тому, пропонується замість цих ПЯ ЕЕ групи ПКНЧ (u_t, F_Ut) застосування більш інформативного ПЯ - швидкості зміни напруги в часі s_U. Завдяки його вимірюванню отримують повніші дані про властивості f_U(t), виходячи з потреби забезпечення високої якості ЕЕ.

При цьому, застосуємо для дослідження якості ЕЕ швидкість зміни СКЗ напруги (s_Un)_ск між сусідніми періодами повторення T_f1 і T_f2 та інтервальну швидкість зміни СКЗ напруги (s_Un)_r, відповідно до виразів

(s_Un)_ск=2(U_ск2-U_ск1)/(T_f2+T_f1), (4)

(s_Un)_r=2((U_ск)_r2-(U_ск)_r1)/(t_сп2+t_сп1) , (5)

де (U_ск)_r1 і (U_ск)_r2 - СКЗ напруги, виміряні за сусідні інтервали часу t_сп1 і t_сп2, причому t_сп1>T_f1.

Як при аналізі ПЯ ЕЕ групи ПКНЧ, для показників ШВП доцільно вдосконалити в НД оцінку коливань значень f_U(t). Такими ПЯ є швидкості зміни інтегральних значень напруги, взяті за період Т_f повторення (зміна СКЗ) - (s_Un)_ск або половину періода (зміна інтегрального значення на r-у часовому інтервалі) - (s_Un)_r. Для їх обчислення як базові використовуються вирази (4) і (5). Розглянуто гранично допустимі значення даних ПЯ ЕЕ стосовно надійності функціонування деяких видів складного силового та електронного устаткування.

Як і у випадку описаних вище динамічних процесів, для імпульсних спотворень f_U(t) теж важливими є ПЯ ЕЕ, що описують зміни в часі напруги. Таким слід сприймати миттєву швидкість зміни імпульсної напруги в часі s_Ui(t)=lim(f_U(t)/t).

Крім того, для будь-якого виду імпульсного спотворення напруги доцільно шукати деяку усереднену інтервальну швидкість зміни імпульсної напруги (s_Un)_r-li із знайдених s_Ui(t). Цей ПЯ ЕЕ найкраще буде характеризувати поведінку f_U(t) стосовно кожного імпульса спотворення напруги. Оскільки, на сучасному етапі не створено ефективних ЗВ таких специфічних ПЯ - (Р_дФ)_st і (Р_дФ)_lt, то доцільно замінити їх існуючими ПЯ, а саме набором коефіцієнтів гармонічних складових k_Un-НЧ, що стосуються певних частот досліджуваної f_U(t). Йдеться про трактування вказаних доз флікера як низькочастотних коливань напруги мережі. Хоча, для забезпечення таких безпосередніх вимірювань наразі ЗВ відсутні.

Таким чином, з врахуванням сукупності наведених ОПЯ ЕЕ та додаткових - низькочастотних k_Un-НЧ і різних видів s_U, що приєднуються до відповідної групи Q_Ся, в залежності від розглянутих негативних процесів, матрицю якості |ЕЕ| для будь-якої досліджуваної ділянки енергосистеми варто представити виразом

 (6)

Як видно, завдяки такому підходу забезпечується дослідження якості ЕЕ за допомогою меншої кількості ОПЯ - 18, на відміну від наведеного в чинних НД числа, котре в сумі термінів властивостей і ПЯ ЕЕ складає 53.

На основі описаного матричного методу розроблено методику оцінки якості ЕЕ та функціонального стану досліджуваних енергооб'єкта чи електричної мережі.

З метою встановлення рівня якості ЕЕ на об'єкті проводиться вимірювальний експеримент шляхом підключення відповідних ЗВ ПЯ ЕЕ до об'єкту дослідження. Згідно програми виконується комплекс необхідних вимірювань встановленого у (6) переліку ОПЯ ЕЕ протягом певного загального інтервалу часу T_kяУ контролю якості ЕЕ. Дані кожної з чотирьох груп ПЯ ЕЕ сприймаються у вигляді послідовностей значень виборок тривалістю вимірювання t_B, на які розподілено інтервал T_kяУ. Для здійснення оцінки якості ЕЕ та функціонального стану досліджуваної мережі необхідно поетапно виконати наступні дії.

На етапі 1 з отриманої вимірювальної інформації утворюють КПЯ ЕЕ (часткові вектори якості). Найперше з двох груп (ПКНЧ, НСН) виразу (6) сукупності виміряних за T_kяУ значень ОПЯ формують множину векторів статичних ПЯ ЕЕ

. (7)

Надалі з двох інших груп ПЯ ЕЕ (ШВП і ІСФ), що характеризують динамічні процеси зниження якості ЕЕ, створюють дві дискретні сукупності динамічних векторів якості, котрі включають в себе відповідні біжучі вектори

, (8)

. (9)

На етапі 2 відбувається обчислення згідно з (1) відносних ОПЯ, що входять в склад отриманих за (7)-(9) КПЯ ЕЕ. Розглянуто типові варіанти досліджуваних f_U(t), властивих поширеним негативним процесам в мережах: наявності, крім основної, вищої класичної гармоніки та низькочастотної інтергармоніки; сигналів з динамічними спотвореннями їх форми. На основі проведених розрахунків побудовано вектори КПЯ ЕЕ у вигляді таблиць та діаграм, котрі демонструють рівень її якості з огляду на потреби ЕС. З метою чіткішого аналізу якості ЕЕ над отриманими векторами можливе здійснення порогування значень відносних ОПЯ, як було показано в (2), щоб позбутись неінформативних і тому зайвих даних.

Такий аналіз проводиться для кожного t_B протягом всього T_kяУ, тому можна спостерігати зміну якості ЕЕ на досліджуваному об'єкті. Завдяки цьому з'являється можливість - обґрунтування оптимальних граничних значень для всіх ПЯ ЕЕ, що однак потребує довготривалих досліджень в цій галузі.

Під час етапу 3 утворюється загальна картина якості ЕЕ та функціонального стану досліджуваного енергооб'єкта на основі даних про часткові вектори якості. В роботі розглянуто конкретні варіанти оцінки якості ЕЕ на основі виразів (6)-(9), представлених на тривимірному графіку у вигляді певної поверхні.

Його аналіз дозволяє з'ясувати ? через які негативні процеси та з якої причини виникають погіршення якості ЕЕ. На основі цього можна проводити діагностику якості ЕЕ та функціонального стану основних вузлів і елементів в енергосистемі, оперативно виявляти винуватців погіршення встановлених вимог до даного важливого для України стратегічного продукту. Наведені аспекти слугують підґрунтям для розвитку нормативної бази стосовно потреб енергетики з точки зору регламентування і забезпечення високої якості ЕЕ на всіх ділянках енергосистеми.

Відповідно до цього викладемо програму вдосконалення нормативної бази для гарантування необхідного рівня якості ЕЕ для широкого кола ЕС як виконання комплексу таких заходів:

систематизація електричних мереж та енергооб'єктів;

розвиток номенклатури ПЯ ЕЕ;

розвиток сімейств методів та ЗВ ПЯ ЕЕ.

Варто запровадити класифікацію мереж в залежності від номінальної напруги U_ном чутливості елементів їх електричної схеми (фільтрокомпенсуючі пристрої, батареї конденсаторів, т.п.) до всіляких відхилень, змін і спотворень напруги. Пропонується також розподіл мереж на класи стосовно особливостей реалізації структури схеми мережі підключення або побудови внутрішньої мережі електроприймача. В деякій мірі розширення видів досліджуваних енергооб'єктів з точки зору контролю якості ЕЕ, формування вимог і нормативних засад до елементів та структурних схем цих об'єктів стримуються через недостатню кількість спеціального вимірювального обладнання для збору інформації про сукупність необхідних ПЯ ЕЕ, особливо у випадку над високовольтних мереж.

Не менш важливим є розвиток поняттів ПЯ ЕЕ, що характеризують ситуації і процеси, котрі з'являються на різних ділянках енергосистеми. Потреба у конкретизованому і деталізованому описі цих процесів вимагає розвитку та вдосконалення номенклатури ПЯ ЕЕ. З метою вивчення причин погіршення якості ЕЕ відбувається перетворення ОПЯ (зміна їх суті і тлумачення) або об'єднання і групування ОПЯ в складніші комплексні ПЯ різних видів. Таке формування ПЯ ЕЕ може відбуватись шляхом запровадження нових методів вимірювання f_U(t), що дозволить застосувати єдиний підхід, тобто систему алгоритмів, для визначення групи споріднених ОПЯ ЕЕ. Як було вказано раніше, поважним стимулом для зміни номенклатури чи перетворення ПЯ ЕЕ є вдосконалення опису негативних процесів в мережах, а також незручність щодо визначення деяких ПЯ з точки зору реалізації вимірювальної процедури, наприклад стосовно (Р_дФ)_st і (Р_дФ)_lt. Це також сприяє пошуку нових методів вимірювання таких ПЯ ЕЕ та структур ЗВ на їх основі.

Для того, щоб встановлені, згідно вище запропонованих методу та методики оцінки, рівень якості ЕЕ і функціонального стану енергооб'єкта були близькими до дійсних, необхідно використовувати для їх проведення достовірні результати вимірювання статичних і динамічних ПЯ, отримані за допомогою ефективних і досконалих ЗВ. Для забезпечення високих метрологічних характеристик та необхідного ступеня універсальності і уніфікації ЗВ ПЯ ЕЕ на даному етапі доцільно будувати їх на мікроконтролерній структурі з використанням цифрового опрацювання вимірювальної інформації. При цьому важливим аспектом є потреба у формуванні вимог і рекомендацій для всіх ЗВ, призначених для збирання достовірної інформації про якість ЕЕ. В роботі розроблено рекомендації щодо способів реалізації високоефективних ЗВ вибраних груп ПЯ ЕЕ з врахуванням особливостей f_U(t) під час виявлення і контролю розглянутих вище негативних процесів, котрі погіршують якість ЕЕ в енергосистемі.

Не менш важливим є проектування НД і зразкових засобів для здійснення метрологічного забезпечення всього комплексу вимірювань якості ЕЕ.

Третій розділ присвячено дослідженню процесів повільних збурень, спотворень і коливань напруги мережі та пошуку шляхів вдосконалення контролю статичних ПЯ ЕЕ.

Під час контролю напруги мережі в усталеному режимі, без наявності швидких погіршень якості ЕЕ, можна стверджувати, що f_U(t) підпорядкована певним спільним закономірностям: межі зміни СКЗ напруги не будуть перевищувати ±10%U_ном, а характер зміни більшості параметрів напруги (миттєвих значень і спектрального складу) як функції часу і частоти є випадковим.

Запропоновано диференційний метод оцінки повільних збурень, змін і коливних процесів напруги мережі [3-5] за допомогою вилучення з функції контрольованої реальної напруги f_U(t) ідеальної функції f_US(t), котра являє собою першу гармоніку з нормованим для даної мережі СКЗ. Таким чином, залишаються виключно завади, повільні відхилення, збурення, спотворення і коливні процеси напруги, які підлягають аналізу та зображаються часовою функцією у вигляді:

f_UУ(t)=f_U(t)-f_US(t). (10)

Нормованою функцією f_US(t) є синусоїдальна напруга, що представляє собою однофазний сигнал або трифазну систему напруг з рівними фазними СКЗ, зсунутими відповідно на 120^° один відносно іншого векторами.

З метою отримання енергетичної оцінки f_UУ(t) опрацюємо її за відомим алгоритмом СКЗ, враховуючи модель реальної f_U(t) як суми класичних гармонік та неканонічних і інтергармонік [4]. Після перетворення відносна оцінка

, (11)

де k_UBи,k_UBи,k_UУ-іг - коефіцієнти низько- і високочастотних інтергармонік, а також коефіцієнт, що характеризує вплив вказаного залишку.

Звідси видно, що величина f_UУ відображає в сукупності вплив більшості статичних ПЯ ЕЕ. Крім відомих величин, як було наголошено вище, в (13) наявні ПЯ ЕЕ, що описують різні види спотворень спектру f_U(t) та її повільні коливання і зміни виду “флікер”, частоти яких нижчі від промислової.

Враховуючи специфіку досліджуваних сигналів, тобто потребу контролю часових змін спектрального складу f_U(t) та за умов порушення її періодичності і стаціонарності, для детального аналізу (11) доцільно застосувати новітній математичний апарат - wavelet-перетворення (ВВП). Для цього пропонується спочатку здійснити ВВП стосовно контрольованої функції f_U(t) у вигляді [3-5]

, (12)

де b та a - параметри зміщення в часі та масштабі (колової частоти щ) базової wavelet-функції ш, ш^* - функція, комплексно спряжена до останньої.

Результатом перетворення є матриця wavelet-коефіцієнтів |C_a,b|, які описують поведінку f_U(t) у часо-частотній площині.

Якщо використати ВВП до f_US(t), то аналогічно отримуємо матрицю |C_a,b-ід|. Реалізуючи (10) у вигляді |C_a,b-|=|C_a,b|-|C_a,b-ід|, маємо як наслідок ВВП матрицю коефіцієнтів, що містять сукупну інформацію про функцію f_UУ(t), котра відображає рівень повільних ПЯ ЕЕ [5,6]. Специфіка аналізу цієї інформації суттєво залежить від способу реалізації ВВП і вибраної базової функції ш. Це пояснюється тим, що (12) є лише узагальненим виразом представлення досліджуваного сигналу f_U(t) у вигляді малохвилькових рядів.

В роботі детально проаналізовано суть wavelet-коефіцієнтів як параметрів тривимірної поверхні відображення розкладеної за ВВП функції, що складається з множини часо-частотних площин (атомів). Завдяки ВВП можна реалізувати аналіз f_U(t) за певними вибраними і добре локалізованими частотними смугами. Необхідний інтервал зміни [a_min ,a_max] для здійснення ВВП досліджуваної напруги вибирається на основі її можливого частотного спектру. При використанні для аналізу f_U(t) неперервного ВВП необхідно відповідним чином вибирати значення зміни масштабу між сусідніми рівнями перетворення - a, з огляду на основні параметри базової функції ш(t). Це необхідно з метою уникнення появи перехрещень сусідніх атомів поверхні ВВП, що призводить до виникнення надлишкової інформації та ускладнення їхнього трактування під час проведення досліджень. Автором запропоновано застосування принципу погодження інтервалів зміни a між сусідніми рівнями ВВП та шириною частотної смуги B_c функції ш(t). Якщо a_j+1=a_j+a_j,j+1 [6], то для j -го та (j+1) -го рівнів ВВП приймають

, (13)

причому щ_c - центральна колова частота функції ш(t).

На прикладах ВВП синусоїдального сигналу показана ефективність запропонованого принципу, що підтверджується зменшенням розсіяння енергії коефіцієнтів перетвореної в поверхню функції.

Надалі розподілимо масив |C_a,b-|, отриманих протягом часу спостереження t_B, на сукупність {n_B} підмасивів, кожен з яких відповідає деякому часовому інтервалу t_Bм. Тривалість кожного з цих підмасивів вибирається рівною одному чи декільком T_f досліджуваної f_U(t). Звідси на основі коефіцієнтів ВВП обчислюються

, (14)

а також ? u_t , ,()_a по смугах a з високо- і низькочастотними (еквівалент Р_дФ) гармонічними складовими, (s_Un)_ск і (s_Un)_r, причому s_T - кількість коефіцієнтів неперервного ВВП на кожному рівні a [6].

Для програмної реалізації даного ВВП щодо f_U(t) необхідно використовувати складний алгоритм, що потребує потужних обчислювальних засобів в структурі ЗВ ПЯ ЕЕ для опрацювання великих об'ємів значень |C_a,b-|. Певним чином уникнути цих недоліків дозволяє застосування дискретного ВВП (ДВВП), за допомогою якого порівняно просто опрацьовуються досліджувані дискретні сигнали {f_U(k)} за малих значень часу вимірювання пакету наведених ПЯ ЕЕ [7]. При цьому ідея ДВВП {f_U(k)} полягає в його розкладі на низькочастотну (згладжену) і високочастотну (деталізовану) складові з використанням базових масштабуючої ц_mn(t) та деталізуючої ш_mn(t) функцій. Внаслідок ДВВП {f_U(k)} отримують матрицю, котра складається з сукупності деталізуючих коефіцієнтів d_j,kj та останнього рядка апроксимаційних коефіцієнтів a_J,kj, коли j=1,2…J [4,7]. Аналогічно як вище, готується ДВВП f_US(t), після чого між отриманими матрицями здійснюється операція віднімання, причому з метою забезпечення високої точності вимірювання необхідно гарантувати синхронність сигналів f_U(t) та f_US(t) [4,5]. Результуюча матриця складається з коефіцієнтів d_j,kj та a_J,kj.

Використовуючи ці дані, визначаються статичні ПЯ ЕЕ, серед яких

, (15)

де j₀ - число першого рівня перетворення, N_B - кількість точок дискретизації {f_U(k)} за час t_B, x - змінний часовий параметр базових функцій n_б?ц_mn , ш_mn на кожному рівні ДВВП [5,7].

Ґрунтуючись на розробленому диференційному методі оцінки і вимірювання статичних ПЯ ЕЕ та отриманих вище за допомогою неперервного і дискретного ВВП алгоритмах їх обчислення, запропонована структура спеціалізованого аналізатора, зображена на рис. 4 [5, 8, 25].

При цьому дана структура ЗВ ПЯ ЕЕ має двоступеневу організацію - вхідну частину збирання і первинного опрацювання інформації (ступінь І, пристрої - ВхП, АМ, АЦП, БУС, ППОД, ПЕП, ФЕС, ПЛІ) на основі однокристального мікроконтролера (ОМК) та перетворювальну і обчислювальну схему на персональному комп'ютері (ступінь ІІ, пристрої - ПІСШ, ПОВІ). Після включення аналізатора, здійснюється підготовчий цикл, під час якого визначається T_f вхідної U_A , а далі в ППОД розраховуються часові інтервали дискретизації t_дс+ вхідних сигналів. Так реалізується цифрова автопідстройка миттєвих значень еталонних сигналів {f_US(k)} ФЕС з вхідними.

Після закінчення підготовчого в ЗВ виконується багатократно наступний вимірювальний цикл. Наступні обчислення ПЯ ЕЕ, що виконуються за наведеними вище виразами, проводяться над цими кодами в ППОД чи ПОВІ. Суттєвою перевагою даного ЗВ є можливість альтернативного здійснення ним вимірювань ПЯ ЕЕ з використанням як дискретного, так і неперервного ВВП.

Модель сумарної абсолютної похибки вимірювання статичних ПЯ ЕЕ із застосуванням ДВВП роглянуто у вигляді наступних складових: похибки дискретизації y_дск, методичної похибки у_ВВП, зумовленої виконанням ДВВП над {f_U(k)} та обчисленням ПЯ ЕЕ; похибки квантування у_кв, сумарної інструментальної похибки y_інс.

Якщо досліджувана f_U(t) містить, крім класичних, інтергармонічні складові, то рекомендується для обчислення ПЯ ЕЕ вибирати значення N_B,t_B такими, щоб з врахуванням ймовірного частотного діапазону напруги гарантувати граничне значення y_дск. Вибираючи N_B=400,t_B=0.1…0.5c, можна забезпечити відносну похибку дискретизації д_дск=р/(N_Bv3)<±0.5% [9]. За наявності обмеженого числа цих спектральних складових в f_U(t) та точності вимірювання не краще ±0.5…±1.0%, квадрат похибки

,

де D_v,D_-v - комплексні v-і коефіцієнти Фур'є досліджуваної {f_U(k)}, а (f_U(t))_ез - її істинне СКЗ. Причому

, (16)

де U_mv - амплітуда v-ї гармоніки, q_г?s_г , { q_г , s_г}є{v} [9].

Похибку у_ВВП можна представити у вигляді складових: внаслідок власне проведення ВВП у_ВТ та алгоритмічної у_ВА, що характеризує неточність отримання ПЯ ЕЕ через опрацювання коефіцієнтів ВВП.

На основі аналізу неідеальностей фільтрів, що реалізують ц_mn(t) та ш_mn(t), після ДВВП f_U(t) у вигляді двох гармонічних складових отримують на кожному j коефіцієнти |d_j,kj| та |a_j,kj| з характерними власне для цього рівня похибками [9]:

, (17)

, (18)

де l_j - індекс виконаних рівнів ДВВП з врахуванням аналізованого j, (_Ф)_lj-НЧ , (_Ф)_lj-ВЧ - абсолютні похибки фільтрів низької і високої частот, відповідно, для l_j рівня, кожна з яких визначається з виразу

,

причому т_Ф - параметр фільтра, v₁щ , v₂щ - частоти гармонік f_U(t), K(iv₁щ),K(iv₂щ) - реальний і ідеальний коефіцієнти перетворення фільтра за однією з них.

Дослідження ДВВП поширених варіантів f_U(t) з різними базовими функціями показало, що найвища точність визначення u_в на рівні 0.1% при J=9 досягається вибором функції `dmey'.

Поява у_ВА викликана дією крайового ефекту, коли інтервал t_B не ділиться кратно на тривалість кроку t_дс+ для . Для трифазної системи напруг дана похибка обчислення U_ck - (д_fU)_BA=(sin2ц₁-sin(4рд_tB.i+2ц₁))/8р [10, 26], де ц₁ - початкова фаза складової промислової частоти f_U(t), д_tBi=t_Bi/T_j, t_Bi - тривалість втраченої чи надлишкової частки перетворюваних даних. При |д_tBi|=1/256,N_B=256 матимемо (д_fU)_BA.

В роботі зформульовано пропозиції стосовно мінімізації складових y_кв і y_інс до рівня <0.1%, відповідно шляхом оптимального вибору масштабу АЦП і значення t_дс+, а також виявлено методичне зменшення адитивних похибок вузлів ЗВ завдяки ДВВП.

В четвертому розділі описано впровадження нових нормативних вимог та підходів щодо вимірювання процесів ЧПН і ЗПН в мережах.

За відомими режимами роботи енергосистеми під час цих процесів можна виділити три різновиди сигналів: синусоїдальний, спотворений у вигляді суми гармонік та з аперіодичною складовою, моделі яких описані в [11]. Прикладом останньої є вираз

, (19)

де U_mPZS та U_mS - відповідно, амплітуди напруг під час ЧПН чи ЗПН та нормального встановленого режиму роботи, у(t- ф₁) та у(t- ф₂) - функції Гевісайда, розміщені в моментах часу ф₁ та ф₂ (початок і закінчення процесу), відповідно, р_Е - коефіцієнт експоненційної частки аперіодичної складової.

Виходячи з цього, спосіб виявлення і контролю цих процесів на основі порівняння з уставами [11, 12, 27]. Суть його полягає у періодичному визначенні автокореляційної функції (АКФ) f_U(t) та знаходженні моменту, коли вона стане більшою від Ф^0.5_пор1=1.1Ф^0.5_ном (ЧПН) та меншою Ф^0.5_пор2=0.9Ф^0.5_ном (ЗПН), де Ф_ном - номінальне значення АКФ стосовно конкретної мережі. З метою точнішого виявлення ЧПН і ЗПН виконується порівняння різниць миттєвих значень напруги |u_r-PZ(T_f,j)_PZ|>(u_пор1)_k: |u_r-PZ(T_f,j)_PZ|>(u_пор2)_k за даний (T_f,j)_PZ і попередній (T_f,j-1)_PZ періоди з відповідними опорними значеннями. Для отримання повнішої інформації про ЧПН і ЗПН застосовують ВВП

. (20)

Оскільки в НД підтверджується наявність перехідної і усталеної фаз під час ЧПН і ЗПН, то обчислення АКФ слід проводити з використанням узагальненої формули Вінера-Хінчіна

, (21)

де Ф(t,щ) - миттєва енергетична спектральна густина сигналу на момент часу t вибраної аналізованої випадкової реалізації, з подальшим осередненням отриманих значень АКФ в часі.

Виходячи з особливостей f_U(t) розроблено єдиний підхід для вимірювання ПЯ ЕЕ у вигляді, (22), (23).

де (Ф_P^Ў(0))_ВС-nU і (Ф_Z^Ў(0))_ВС-nU - AКФ даних процесів, які описуються в залежності від часу проходження (встановлена чи перехідна фази) [13].

В роботі детально проаналізовано методичні похибки виявлення ЧПН і ЗПН через неточність фіксації моменту їх початку і закінчення, викликаних випадковістю їх появи, впливом зміни щ_PZ і ц₁ до та під час цих процесів для спотвореного сигналу та з аперіодичною складовою, а також - від неідеальності вибору значень порогових різниць u_пор1,u_пор2 [12].

При цьому забезпечується похибка виявлення ЧПН і ЗПН д_в в межах ±1.5% при k_UcS<15% і p_E=1.0…2.0. Для вдосконалення даного способу контролю ЧПН і ЗПН запропоновано одночасне знаходження за інтервали 2T_f і T_f/2, а також визначення щ_PZ для f_U(t). Це дозволяє підвищити точність виявлення ЧПН і ЗПН до д_в=-1.0…-1.5% [12].

Найефективнішим шляхом виявлення ЧПН і ЗПН є застосування ДВВП [14]. В разі появи цих процесів на першому рівні ДВВП з'являються імпульсні відхилення значень mod|d_1,k1|>d_оп. Поряд з цим фіксується також здійснення нерівностей (24), (25).

При цьому динамічні ПЯ ЕЕ можна визначати двома способами: використовуючи лише |d_1,k1| і |a_1,k1| або весь масив коефіцієнтів (26) і (27).

На основі запропонованого способу виявлення і контролю ЧПН і ЗПН розроблено ЗВ цих динамічних ПЯ ЕЕ з використанням ОМК [15]. Проведено детальний аналіз похибок виявлення зазначених процесів і вимірювання ПЯ ЕЕ, враховуючи ймовірні форми f_U(t). Отримано д_в=-0.5…-1.2%, які можна вважати достатніми в більшості випадків [16]. Похибки вимірювання ПЯ ЕЕ аналогічні розглянутим вище методичним похибкам визначення статичних ПЯ. Розроблено спосіб мінімізації інструментальних похибок вимірювання динамічних ПЯ ЕЕ, що ґрунтується на обчисленні АКФ з врахуванням поправок від опрацювання f_U(t) та зразкових сигналів протягом різних пропорційних часових інтервалів. Показано, що, використовуючи одну опорну напругу, можна гарантувати граничну зведену похибку у випадку застосування АЦП з 12-а розрядами даних не більше ±0.05%.

П'ятий розділ присвячено дослідженню імпульсних спотворень форми f_U(t), формуванню нормативних вимог щодо методів їх виявлення і контролю, а також способів побудови ЗВ динамічних ПЯ ЕЕ.

В узагальненому вигляді динамічне представлення функції сигналу напруги з імпульсними спотвореннями форми має вигляд виразу

, (28)

де U_mi,е_i(t) - амплітуда та часова функція імпульсного спотворення [17].

В роботі запропоновано спосіб знаходження, контролю та вимірювання динамічних ПЯ ЕЕ, котрі описують імпульсні спотворення форми напруги [17, 22, 28]. Вхідними даними при реалізації способу в ЗВ є контрольований сигнал f_U(t), котрий описується виразом (28), та сигнал f''_U(t), що відображає функцію першої похідної по часу аналізованої напруги. Спочатку здійснюється порівняння біжучого значення f''_U(t) з певним опорним значенням (f''_U(t))_оп1 поки не стане f''_U(t)>(f''_U(t))_оп1, що означає появу єдиного імпульса чи пачки. Тоді включається амплітудний детектор (АД), котрий фіксує амплітудне значення імпульса . Точний момент в часі настання останньої визначається за допомогою програмного опрацювання f''_U(t). Перевагою даного способу є той факт, що точність фіксації моменту не пов'язана з похибкою вимірювання власне значення . Закінченням імпульса вважається виконання протягом встановленого інтервалу умови f''_U(t)<(f''_U(t))_оп1. Серія імпульсів опрацьовується як послідовність поодиноких імпульсів, описана вище. Характерною особливістю описаного способу є послідовність виконання схожих операцій, що дозволяє при його реалізації в структурній схемі ЗВ застосувати лише два аналогові пристрої порівняння, що дозволяє реалізувати його порівняно просту структуру у вигляді рис. 6, який містить аналоговий АБ та обчислювальний ОББ блоки [18, 22]. В основу побудови цього ЗВ покладено принцип комбінованої апаратно-програмної реалізації алгоритму виявлення та відслідкування імпульсного сигналу шляхом оптимального розподілу вимірювальних і контрольних функцій між АБ та ОМК [24]. Похибка виявлення імпульсних спотворень f_U(t) даного ЗВ містить дві складові: похибку диференціатора д_дл та компаратора напруги БВІ д_ki. Одночасним застосуванням трьох диференційних ланок досягається д_дл±0.1%, а підбором спеціального вузла - д_ki±0.1% [1, 18].

При вимірюванні амплітуди (U_mi)_li кожного l_i імпульса f_U(t) основними джерелами неточностей є АДР і АЦП. Похибки цих вузлів можна розподілити на статичні і динамічні. До перших віднесемо їх інструментальні похибки, котрі мінімізуються шляхом корегування адитивних і мультиплікативних складових після опрацювання зразкової постійної напруги ДО на рівні ±(0.2…0.5)%.. Рівень динамічних похибок залежить від інерційних властивостей АДР. Вибором параметрів його заступної схеми і підсилювача можна гарантувати динамічну похибку АДР не гірше ±1.0% при (t_i)_li>1мкс.

В шостому розділі розглянуто синтез структур, за якими доцільно будувати ЗВ для реалізації стандартних вимог з оцінювання якості ЕЕ в мережах загального призначення. В основу синтезу структур покладені результати аналізу, проведеного в попередніх розділах. Запропоновано структури інформаційно-вимірювального комплексу для автоматизованих систем управління виробництвом та розподілом ЕЕ, реалізовану на базі уніфікованої схеми мікроконтролерного вимірювального перетворювача [24], а також - низькорівневої інформаційно-вимірювальної системи контролю та реєстрації втрат ЕЕ в побутових електричних мережах. Розроблено структуру стаціонарного, функціонально закінченого ЗВ ПЯ у вигляді багатоканального реєстратора електричних параметрів мережі типу РЕП 1, призначеного для виявлення і фіксації осцилограм аварійних ситуацій.

На основі особливостей досліджуваних f_U(t) зформульовано комплекс вимог до ВхП, що використовуються у складі ЗВ ПЯ ЕЕ, а також показано, що для досягнення оптимальних метрологічних характеристик і схемної простоти, найефективнішим шляхом є вдосконалення розімкнених структур ВхП на основі трансформаторів струму (ТС). З метою покращання аналізу ВхП запропонована його модифікована заступна схема [19, 20]. При перетворенні вхідної напруги U_вх за допомогою R₁ створюється струмовий режим роботи ТС з I'₁ ВхП, приведений до вихідного I₂. Масштабування f_U(t) виконується з комплексними похибками: д_im - через неідеальності вторинної обвитки ТС та д_um - від впливу паразитних параметрів первинної обвитки ТС та R₁. В роботі напрацьовано рекомендації щодо зменшення цих неідеальностей шляхом відповідного виготовлення ТС.

Під час перетворення швидких спотворень форми сигналу f_U(t), що описуються групами ШВП і ІСФ, за допомогою перетворення Лапласа отримано вираз коефіцієнта перетворення даного ВхП [20] (29).

Вибором стосовно ТС умов 1/L_p2C₂>0.25(1/r_вC₂) та L'_p1>>R₁r'₁C'₁ можна досягти суттєвго вдосконалення швидкісних характеристик ВхП - для імпульсів з тривалістю t_i>2мкс динамічна похибка перетворення не перевищує значення -0.06%.

Для описаних вище структур ЗВ ПЯ ЕЕ розроблено такий ВхП з автоматичною зміною масштабу перетворення, що реалізується як два режими роботи [23, 29]. В першому режимі, при перетворенні повільнозмінних f_U(t), гарантується підсумкова д_тс1±(0.1…0.25)%.. В другому режимі роботи, під час швидких змін напруги, точність ВхП складає д_тс2±0.5%..

Проаналізовано специфіку і стан метрологічного забезпечення вимірювання всього переліку ПЯ ЕЕ та розроблено його узагальнену структуру на основі поєднання методик виконання перевірки, інших нормативних документів та відомих еталонних ЗВ зазначених ПЯ [21].

Висновки

У дисертаційній роботі розвинуто теорію аналізу і оцінювання якості електроенергії шляхом формування оптимального числа показників якості електроенергії та створення нормативних засад для проектування нових способів та засобів вимірювання цих показників, за допомогою яких контролюється функціональний стан електричних мереж загального призначення.

Основні результати дисертаційної роботи полягають в наступному:

1. Класифіковано сукупність показників якості електроенергії на групи статичних і динамічних показників, котрі стосуються всіх аспектів і особливостей роботи енергосистеми від виробництва до споживання електроенергії.

2. На основі дослідження відомих методів і підходів до оцінки якості продукції і з врахуванням чинної нормативної документації, а також наявних способів і засобів вимірювання показників якості з огляду специфіки електроенергії як продукту розроблено матричний метод встановлення якості останньої шляхом формування векторних комплексних показників якості, що дозволяє здійснювати оперативний контроль за функціональним станом різних ділянок енергосистеми.

3. Напрацьовано методику оцінки якості електроенергії та функціонального стану енергооб'єкта в узагальненому вигляді та окремих формах аналізу для конкретних процесів з огляду на одержану вимірювальну інформацію та ймовірні реальні ситуації з погіршення якості даного продукту, що ілюструється наведеним графічним матеріалом.

4. Запропоновано єдиний підхід для вимірювання статичних показників якості електроенергії на основі диференційного методу, котрий завдяки застосуванню неперервного або дискретного wavelet-перетворення, характеризує повільні збурення і відхилення напруги мережі у вигляді матриці коефіцієнтів, на підставі опрацювання яких за допомогою поданих алгоритмів обчислюється перелік необхідних показників якості електроенергії.

5. Обґрунтовано і розвинено заміну при застосуванні wavelet-перетворення розмаху зміни напруги, доз флікера і частоти повторення змін напруги на швидкість зміни СКЗ напруги між сусідніми періодами промислової частоти, інтервальною швидкістю зміни СКЗ напруги, а також спектральною інформацією про розподіл СКЗ напруги.

6. Розроблено і досліджено способи виявлення і вимірювання часових перенапруг та западин напруги в мережах шляхом контролю та порівняння біжучого значення автокореляційної функції з двома пороговими значеннями, а також - різниць миттєвих значень напруги з їх граничними різницями. На основі аналізу похибок виявлення даних процесів для трьох ймовірних форм сигналів та правильності вибору граничних порогових значень різниць напруг виявлено шляхи зменшення похибок способу за допомогою додаткових операцій обчислення, а також аналізу біжучих значень кореляційної функції за кожних чотири півперіода повторення досліджуваного сигналу.

7. Запропоновано новий спосіб виявлення, вимірювання і контролю часової перенапруги та западини напруги з використанням wavelet-перетворення, завдяки якому підвищується точність їх виявлення та розширюються можливості контролю з огляду на забезпечення вимірювання не лише стаціонарної фази процесу, але й перехідної. Цей спосіб дозволяє також отримувати узагальнену та різнобічну деталізовану інформацію стосовно проходження даних негативних процесів на підставі розроблених алгоритмів для визначення з масиву отриманих wavelet-коефіцієнтів комплексу необхідних динамічних показників якості електроенергії.

8. Розроблено спосіб знаходження, контролю та вимірювання динамічних показників якості електроенергії, котрі описують імпульсні спотворення форми напруги, для реалізації якого використовується принцип комбінованої апаратно-програмної реалізації алгоритму виявлення та відслідкування імпульсного сигналу шляхом оптимального розподілу вимірювальних і контрольних функцій між основними вузлами засобу вимірювання.

9. Напрацьовано алгоритми визначення динамічних показників якості електроенергії у вигляді трьох пакетів блок-схем, а також проведено аналіз точності вимірювання та вказано шляхи мінімізації похибок диференціатора, композиції випадкових складових похибок амплітудного детектора і АЦП, а також систематичних похибок амплітудного детектора, що досягається за допомогою відповідної побудови і вибору названих вузлів вимірювальної структури.

10. Синтезовано ефективні структури окремих засобів вимірювання статичних і динамічних показників якості електроенергії та трирівневий інформаційно-вимірювальний комплекс, котрий може бути частиною автоматизованої системи управління процесами виробництва, розподілу і споживання електроенергії в енергосистемі, а також проведено стосовно них дослідження методичних і інструментальних похибок вимірювання та напрацьовані способи щодо їх мінімізації.

11. Вибрано оптимальний напрям реалізації нормувальних пристроїв для засобів вимірювання показників якості електроенергії шляхом вдосконалення розімкнених структур на основі трансформатора струму. Розроблено універсальний вхідний перетворювач напруги з розширеними функціональними можливостями, що полягають у використанні двох режимів роботи з різними границями нормування вхідного сигналу, а також одержано вирази похибок перетворення даної схеми, виходячи із заступної схеми трансформатора струму, та напрацьовано рекомендації стосовно підвищення точності нормування досліджуваних сигналів напруги.

12. Проаналізовано специфіку і стан метрологічного забезпечення вимірювання всього переліку показників якості електроенергії з огляду поєднання методик виконання перевірки, інших нормативних документів та відомих зразкових засобів вимірювання зазначених показників.

Список основних опублікованих праць за темою дисертації

1. Метрологія та вимірювальна техніка / Поліщук Є.С., Дорожовець М.М., Яцук В.О, Ванько В.М., Бойко Т.Г. - Львів: Бескид-біт. - 2003. - 544 с.

2. Ванько В.М., Столярчук П.Г. Проблеми контролю якості електроенергії в електричних мережах // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2001. - № 58. - С. 47-56.

3. Столярчук П.Г., Гудим В.І., Ванько В.М. Вдосконалення методу оцінки координат режимів електроенергетичної системи // Наукові праці Донецького НТУ. Серія “Електротехніка і енергетика”. - 2004. - № 79. - С. 189-191.

4. Ванько В.М. Метод оцінки збурень напруги в електричних мережах // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. - 2005. - № 544. - С. 19-25.

5. Столярчук П.Г., Гудим В.І., Ванько В.М. Застосування вейвлет-перетворення для аналізу електромагнітних процесів в системах електропостачання // Вісник Приазовського ДТУ. “Енергетика”. - Маріуполь, 2005. Вип. 15. част. 2. - C. 92-95.

6. Ванько В.М. Особливості вимірювання показників якості електроенергії за допомогою wavelet-перетворення // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2006. - № 66. - С. 32-37.

7. Ванько В.М. Вимірювання показників якості електроенергії на основі дискретного wavelet-перетворення // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Автоматика, вимірювання та керування”. - 2006. - № 551. - С. 13-19.

8. Столярчук П.Г., Гудим В.І., Ванько В.М. Особливості аналізу функціонального стану електромережі на основі wavelet-перетворення // Збірник наукових праць “Пожежна безпека” ЛІПБ. - Львів: СПОЛОМ, 2006. - № 9. - С. 152-159.

9. Ванько В.М. Аналіз точності вимірювання на основі wavelet-перетворення показників якості електроенергії в мережах загального призначення // Міжвідомчий збірник наукових праць “Відбір і обробка інформації” ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України. - 2006. - № 25 (101). - С. 51-58.

10. Бойко Т.Г., Ванько В.М., Столярчук П.Г. Аналіз впливу крайового ефекту на точність вимірювання інтегральних характеристик електромережі // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Автоматика, вимірювання та керування”. - 2001. - № 420. - С. 134-137.

11. Ванько В.М. До питання виявлення і контролю часових перенапруг та западин напруги в електричних мережах загального призначення. // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Автоматика, вимірювання та керування” - 2004. - № 500. - С. 31-36.

12. Ванько В.М. “Аналіз точності виявлення часових перенапруг та западин напруги в електричних мережах” // Вимірювальна техніка та метрологія - 2005. - № 65. - C. 45-54.

13. Ванько В.М. Дослідження явищ часової перенапруги та западини напруги в електричних мережах загального призначення // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Комп'ютерні науки та інформаційні технології”. - 2004. - №521. - С. 206-210.

14. Ванько В.М. Спосіб виявлення та вимірювання часових перенапруг та западин напруги в електричних мережах // Вісник ЛДАУ: “Агроінженерні дослідження”. - 2006. - № 10. - С. 514-523.

15. Ванько В.М. Оцінка якості електроенергії під час перебігу процесів часових перенапруг та западин напруги в мережах // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Комп'ютерні науки та інформаційні технології”. - 2006. - № 565. - С. 177-183.

16. Ванько В.М. Дослідження точності виявлення часових перенапруг та западин напруги за допомогою способу контролю з wavelet-перетворенням // Збірник наукових праць Укр. Академії друкарства. - Львів, 2006. - № 16. - С. 129-138.

17. Ванько В.М. Спосіб виявлення та вимірювання показників якості імпульсної напруги електромережі // Міжвідомчий збірник наукових праць “Відбір і обробка інформації” ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України. - 2005. - № 23 (99). - С. 69-74.

18. Ванько В.М. Вимірювання показників якості напруги в електромережі // Методи та прилади контролю якості, Івано-Франківськ. - 2006. - № 16. - С. 69-73.

19. Ванько В.М., Гудим В.І., Столярчук П.Г. Концепція побудови вхідних перетворювачів засобів вимірювання динамічних показників якості електроенергії // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2003. - № 62. - C. 32-38.

20. Ванько В.М. Покращення вхідних перетворювачів засобів вимірювання динамічних показників якості електроенергії в мережах // Вісник ХДТУСГ. - Харків, 2003. - вип. №19. - т. 1. - С. 107-113.

21. Ванько В.М., Пядик М.О. Стан та метрологічне забезпечення обліку електричної енергії у Львівській області // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Автоматика, вимірювання та керування”. - 2005. - № 530. - С. 154-159.

22. Цифровий вольтметр змінної напруги електромережі: Пат. 72638. Україна, МКВ G01R19/00 / В.М. Ванько - №2003021634; Заявл. 25.02.2003; Опубл. 15.03.2005. Бюл. № 3. - 7 с.

23. Вимірювальний перетворювач сигналів змінної напруги або струму: Декл. пат. 71856А. Україна, МКВ G01R19/00 / В.М. Ванько - № 20031213274; Заявл. 31.12.2003; Опубл. 15.12.2004. Бюл. № 12. - 3 с.

24. Ванько В.М., Cтолярчук П.Г. Сучасні ІВС контролю основних параметрів якості та функціонального стану електричної мережі // Матеріали VI Міжнар. конф. “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2001), Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця. - 2001. - т. 2. - С. 133-135.

25. Wіodzimierz Waсko, Petro Stolarczuk “Badania wahaс powolnych napiкcia sieci elektrycznej bazuj№ce siк na nowoczesnych metodach matematycznych opracowania sygnaіуw” // XL Int. Symp. on electrical machines “SME 2004”. Conference Proceedings. - Hajnуwka (Poland). - 2004. - Р. 234-236.

26. Ванько В.М., Чайковський О.І. Високоієрархічна ІВС контролю основних електричних характеристик енергооб'єктів // Тези доп. 5-ї Укр. наук.-техн. конф. “Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике”. - Харків: ХГПУ. - 1996. - С. 60-61.

27. Ванько В.М., Столярчук П.Г. Спосіб та засіб для контролю часової перенапруги та западини напруги в електричних мережах. // Тези доп. 8-ї Міжнар. наук.-техн. конф. “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2005). - Вінниця, 2005. - С. 134.

28. Ванько В.М. Спосіб виявлення та контролю імпульсних спотворень напруги // Тези доп. ХІІI Міжнар. конф. з автоматичного управління (Автоматика-2006), Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2006. - С. 141.

29. Столярчук П.Г., Ванько В.М. Вхідні перетворювачі засобів вимірювання та контролю якості // Тези доп. ХІІI Міжнар. конф. з автоматичного управління (Автоматика-2006), Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2006. - С. 137.

Размещено на Allbest.ru

...