Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електродинаміки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.14.02 - Електричні станції, мережі і системи

Засоби комплексної обробки інформації для систем диспетчерського управління та обліку електроенергії

Яковлєва Інна Всеволодівна

Київ 2005

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі автоматизації електричних систем Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Науковий керівник - доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Танкевич Євгеній Миколайович, провідний науковий співробітник відділу автоматизації електричних систем Інституту електродинаміки НАН України.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Яндульський Олександр Станіславович, декан факультету електроенерготехніки і автоматики Національного технічного університету України “КПІ” МОН України;

- кандидат технічних наук Нагорний Павло Дем'янович, директор Хмельницьких південних високовольтних електромереж ВАТ ЕК "Хмельницькобленерго" Мінпаливенерго України;

Провідна установа - Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України (відділ спеціалізованих засобів моделювання), м. Київ.

Захист відбудеться “ 07 ”лютого 2006 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.03 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ - 57, проспект Перемоги, 56.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ - 57, проспект Перемоги, 56.

Автореферат розіслано “ 23 ” грудня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.О.Саратов

1. Загальна характеристика роботи

електроенергія комутаційний управління

Актуальність теми. Для надійного і якісного функціонування систем оперативного диспетчерського управління й обліку електроенергії важливе забезпечення необхідної точності, швидкості і надійності одержання інформації про параметри режимів, стан комутаційної апаратури, кількість і якість електроенергії. Виконання вимог до обсягу і якості інформації дозволяє одержати модель, що адекватно відображає реальний об'єкт і є основою для ефективного розв'язання задач управління передачею, розподілом і споживанням електроенергії, визначення реальних економічних показників діяльності всіх ланок енергетичного виробництва.

Комплексне забезпечення систем управління електроенергетичних об'єктів (ЕЕО) інформацією можливе на основі використання єдиного уніфікованого джерела інформації, виконаного у вигляді багатофункціонального мікропроцесорного засобу вимірювання. Найчастіше закордонні (фірми "АББ", "Сіменс", "Шлюмбурже" і інш.) і вітчизняні (фірми "Облік", "Телекарт" і інш.) виробники йдуть по шляху розширення можливостей сучасних електронних лічильників за рахунок виконання функцій вимірювання і контролю параметрів режиму. Однак у більшості з них точність виконуваних додаткових вимірювань метрологічно не атестована, а номенклатура і характеристики вимірюваних параметрів не повною мірою відповідають вимогам систем диспетчерського управління. Прилади контролю якості закордонного виробництва не пристосовані для стаціонарного використання, мають високу вартість і не задовольняють вимоги вітчизняної нормативної бази.

Питання інформаційного забезпечення систем управління й обліку електроенергії досліджуються в Інституті електродинаміки НАН України, Інституті проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України, Національному технічному університеті України “КПІ”, Харківському національному технічному університеті “ХПІ”, Національному університеті “Львівська політехніка”, ДП “Укренергоналадкавимірювання” і інш. У публікаціях останніх років, присвячених розробці й удосконаленню систем управління ЕЕО, відзначається важливість інформаційного забезпечення і недоліки існуючих засобів обробки інформації. Тому розв'язання науково-технічних задач, спрямованих на створення таких засобів, є важливим і актуальним для розвитку вітчизняної електроенергетики.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Теоретичні дослідження і практичні розробки по темі дисертації здійснювалися в процесі виконання: Державної програми “Електротехніка України” Мінмашпрома України, розділ 1.10.12Е (1992-1994 рр.), де автором була виконана розробка прикладного програмного забезпечення вимірювального перетворювача струму напругою 330 кВ з цифровим виходом; програми НДДКР Управління електрифікації і електричних мереж Міненерго України на 1991-1995 рр., розділ VIII.08-03; плану НДДКР Українського НВО “Енергопрогрес” Міненерго України на 1995р., тема №64.08.008, робота 8.4, де автор розробила прикладне програмне забезпечення системи одержання, обробки і передачі інформації на диспетчерський пункт; планів НДР Інституту електродинаміки НАН України: “Канал-П”, №ДР01.91.0011451, 1993 р., де автором була виконана розробка алгоритмів та їх практична реалізація в цифрових системах вимірювання та обліку електроенергії; “Інтерфейс”, №ДР0193U032012, 1993-1997р.р., де автор була одним з виконавців розробки підсистеми вимірювання параметрів нормального режиму; “Регіон”, №ДР0198U001366, 2002р., де автором була виконана розробка і математичне моделювання алгоритмів роботи багатофункціонального засобу вимірювання; “Інфотех-2П”, №ДР0101U003455, 1998-2003р.р., де автором виконано дослідження впливу похибок вимірювальних трансформаторів на точність обліку і реалізацію алгоритму корекції цих похибок в багатофункціональному лічильнику “Каскад”.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - створення засобів комплексної обробки інформації для формування первинної бази даних про режимні і комерційні параметри та стан комутаційної апаратури контрольованого об'єкту, що забезпечує підвищення ефективності роботи систем диспетчерського управління і обліку електроенергії.

Для досягнення цієї мети необхідно було розв'язати наступні основні задачі:

- розробити математичні моделі струмів і напруг ЕЕО, що адекватно відтворюють реальні режими їх роботи та дозволяють оцінювати роботу алгоритмів обробки інформації;

- визначити необхідний склад інформації про параметри об'єктів і функціональні характеристики уніфікованого засобу її одержання й обробки з урахуванням потреб систем комерційного й оперативно-диспетчерського управління;

- вибрати з урахуванням реальних умов експлуатації розрахункові вирази визначення параметрів режиму на основі зареєстрованих миттєвих значень струмів і напруг і розробити алгоритм комплексної обробки інформації;

- визначити характеристики аналого-цифрового перетворення вхідних сигналів, що дозволяють одержати необхідний спектр інформації з заданою точністю;

- дослідити вплив схем з'єднання вимірювальних трансформаторів і їхніх похибок на точність і обсяг одержуваної інформації і розробити рекомендації з підвищення її точності.

Об'єкт дослідження - оперативно-диспетчерське і комерційне управління ЕЕО.

Предмет дослідження - засоби комплексної обробки інформації для задач диспетчерського управління і обліку електроенергії.

Методи дослідження. При проведенні досліджень використовувалися наступні методи:

математичне моделювання вхідних сигналів при дослідженні роботи алгоритмів у реальних умовах експлуатації; гармонічний аналіз і метод симетричних складових при дослідженні способів визначення характеристик енергоспоживання в несиметричних несинусоїдальних режимах; цифрова фільтрація і дискретне перетворення Фур'є при розробці розрахункових формул і алгоритмів; теорія похибок вимірювань при оцінці похибок алгоритмів визначення показників якості електроенергії, впливу вимірювальних трансформаторів на точність вимірювань і виборі розрядності аналого-цифрового перетворювача (АЦП); комплексний метод розрахунку електричних кіл при побудові векторних діаграм.

Наукова новизна одержаних результатів дисертації полягає в наступному:

- на основі аналізу складу і властивостей інформації, необхідної для ефективної роботи систем диспетчерського управління та обліку електроенергії, сформульовано вимоги і запропоновано оптимальну структуру математичного забезпечення багатофункціонального цифрового перетворювача;

- уперше встановлено особливості й оцінено похибки цифрового визначення характеристик режиму в умовах нестабільності частоти, спотворення форми сигналів і несиметрії режиму, що сприяло вибору ефективної цифрової технології комплексної обробки інформації в багатофункціональному пристрої;

- визначено характеристики аналого-цифрового перетворення вхідних сигналів, що забезпечують комплексне одержання інформації про параметри режиму й облік електроенергії з необхідною точністю;

- уперше показано й оцінено вплив виду схеми й індивідуальних похибок вимірювальних трансформаторів (ВТ), що входять до її складу, на повноту і точність одержання інформації в різних режимах з метою вибору оптимальної структури вимірювальної схеми і здійснення автоматичної корекції похибок вимірювальних комплексів при обробці інформації в багатофункціональному цифровому перетворювачі (БЦП).

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що застосування запропонованих у роботі наукових і технічних рішень дозволило створити перші вітчизняні цифрові засоби комплексної обробки інформації, у тому числі багатофункціональний цифровий перетворювач, що у вигляді трифазного лічильника електроенергії типу “Каскад” розроблено і впроваджено у серійне виробництво на ВО “Київприлад”. Їхнє використання в системах управління дозволяє підвищити технічну досконалість і зменшити витрати на побудову й експлуатацію таких систем.

Результати роботи впроваджені в наступних організаціях і підприємствах:

- прикладне програмне забезпечення дослідного зразка програмно-технічного комплексу для виміру параметрів нормального режиму й обліку електроенергії і передачі її на диспетчерський пункт - у Науково-інженерному центрі “Електромережа” Українського НВО “Енергопрогрес” Міністерства енергетики та електрифікації України;

- вимоги до пристроїв зв'язку з об'єктом і прикладне програмне забезпечення в складі технічного проекту трифазного вимірювального перетворювача струму напругою 330 кВ із цифровим виходом - в АТ “Імпульс” Мінмашпрому України;

- комплект науково-технічної документації для створення трифазного багатофункціонального лічильника електроенергії типу “Каскад” - у ВО “Київприлад”.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, які містяться в дисертації, одержані автором самостійно. В роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать наступні результати: [1] - розробка прикладного програмного забезпечення; [2] - аналіз похибки вимірювання частоти і спосіб підстроювання частоти дискретизації; [3] - програмна реалізація моделі трифазної системи струмів і напруг та визначення її характеристик; [4] - характеристики математичного забезпечення багатофункціонального засобу вимірювання; [5] - схема перетворення вхідної інформації в засобі вимірювання; [6] - аналіз впливу похибок вимірювальних трансформаторів на точність вимірювання потужності та енергії в різних схемах вимірювання, оцінка зменшення похибок вимірювань як наслідок введення поправок; [7] - аналіз вимірюваної потужності лічильником безпосереднього включення в умовах впливу постійного струму; [8,9] - спосіб реєстрації та обробки вхідних сигналів; [10] - моделювання роботи алгоритмів визначення реактивної потужності в сучасних лічильниках в несинусоїдальних і несиметричних режимах; [11] - аналіз похибок вимірювання активної потужності в режимі однофазного замикання на землю в мережі 35 кВ для різних вимірювальних схем.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що ввійшли в дисертацію, обговорювались на п'ятій Українській науково-технічній конференції “Пристрої перетворення інформації для контролю і управління в енергетиці” (Харків, 1996 р.); першій Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” (Львів, 1998 р.); сьомій Міжнародній конференції “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика” (Крим, 1999 р.); третій науково-практичній конференції “Метрологія електричних вимірювань в електроенергетиці” (Москва, 2003 р.); п'ятій науково-практичній конференції ”Метрологічне забезпечення обліку електричної енергії в Україні” (Київ, 2005 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковано в 11 працях, в тому числі 7 статтях в фахових наукових виданнях, 2-х доповідях на науково-практичних конференціях і 2-х тезах доповідей на науково-технічній конференції.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з переліку умовних позначень, вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 96 найменувань та 3 додатків. Загальний обсяг роботи становить 180 сторінок, в тому числі 148 сторінок основного тексту, 29 рисунків і 14 таблиць.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність задачі, що вирішується в дисертаційній роботі, сформульовано мету і задачі досліджень, розкрито наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, наведено дані про апробацію та публікації основних результатів роботи.

Перший розділ присвячено аналізу сучасного стану інформаційного забезпечення систем диспетчерського управління і обліку електроенергії і формулюванню вимог до засобів обробки інформації. Для систем диспетчерського управління сьогодні переважно використовується схема одержання інформації від багатьох різнорідних вимірювальних давачів-перетворювачів і контактів реле-повторювачів положення високовольтних вимикачів і роз'єднувачів через телеінформаційну мережу, а для систем обліку - від лічильників активної та реактивної енергії. Одержання відсутньої інформації автоматизованою системою диспетчерського управління (АСДУ) від системи обліку та навпаки призводить до різниці значень одних і тих же параметрів режиму, одержаних в різних вимірювальних каналах, на одиниці процентів. Створення оптового ринку електроенергії висуває додаткові вимоги і до систем обліку. Для ефективного управління електричними мережами і обліку енергії з врахуванням її якості потрібне постійне вимірювання і контроль показників якості електроенергії (ПЯЕ). Виконати це наявними засобами вимірювання, особливо в складі інтегрованої системи управління, неможливо. Усунути вказані недоліки можна шляхом використання БЦП, що є єдиним джерелом вимірювальної інформації як для оперативного управління, так і для комерційних розрахунків.

Сучасні системи електропостачання характеризуються наявністю в них різних типів перетворювачів і нелінійних нестаціонарних навантажень, що приводить до появи вищих гармонійних складових у спектрі струмів і напруг, несиметрії і неврівноваженості трифазних сигналів, зміні в часі їхніх амплітуд. За даними літературних джерел встановлено можливий діапазон зміни параметрів струмів та напруг мереж різних рівнів напруг. Для того, щоб системи управління одержували інформацію, що адекватно відбиває стан ЕЕО, необхідно при розробці засобів інформаційного забезпечення спиратися на моделі сигналів, що описують реальні умови експлуатації. Розроблена програмна модель трифазних струмів та напруг, що враховує наявність несиметрії, присутність вищих гармонік, зміну в часі амплітуди і частоти основної гармоніки. Результатом роботи програми є масив миттєвих значень струмів і напруг у еквідистантні моменти часу, а також значення параметрів режиму, що моделюється. Розроблена програма використовувалася при виборі алгоритмів і розробці програмного забезпечення БЦП.

Виходячи з задач оперативного і комерційного управління визначено склад і основні характеристики інформаційного забезпечення систем диспетчерського управління і обліку електроенергії. Основою для одержання необхідної інформації, а також вироблення керуючих впливів, є вхідні струми і напруги, дискретні сигнали датчиків положення комутаційних апаратів

Сформульовано вимоги до функціональних можливостей засобів обробки інформації: склад вихідної інформації, способи її одержання, зберігання, індикації і захисту від несанкціонованого доступу. Розроблено алгоритми виконання БЦП функцій телесигналізації і телеуправління для систем АСДУ, а саме контролю положення комутаційної апаратури і виконання телеуправління комутаційними апаратами, що приєднані до дискретних виходів. Сформульовано вимоги до вироблення сигнальної інформації і автоматичного управління навантаженням за результатами контролю вимірюваних параметрів.

У другому розділі розглянуто цифрову технологію обробки інформації в БЦП, досліджено похибки визначення параметрів режиму. На основі проведеного аналізу енергоспоживання встановлено особливості визначення його характеристик в несинусоїдальних та несиметричних режимах. Розглянуто і порівняно використовувані в реактивних лічильниках алгоритми обчислення потужності. В симетричних режимах з синусоїдальними сигналами показання всіх лічильників співпадають, а в умовах спотворення синусоїдальності, що не перевищує допустимих згідно ГОСТ 13109-97 значень, різниця в показаннях наближається до 1% і може бути значно більшою в інших робочих режимах. В несиметричних режимах вимірювані значення реактивної потужності можуть різнитися в 2 рази. Проведений аналіз підтвердив, що найбільш повно врахувати втрати при передачі електроенергії від генератора до користувача в розглянутих режимах можливо при обчисленні реактивної енергії на основі потужності Фрізе. Для комплексного врахування потреб споживачів інформації сучасні уніфіковані засоби вимірювання можуть використовувати кілька алгоритмів визначення неактивних складових повної потужності. При вимірюванні активної потужності й енергії необхідно враховувати потужності вищих гармонійних складових, тому що в противному випадку це може приводити до похибок у (1-2)% .

Визначена сукупність процедур цифрової обробки вхідних сигналів для комплексного одержання оперативної і комерційної інформації. За основу взято значення параметрів режиму на мінімальному інтервалі усереднення. За миттєвими значеннями фазних струмів та напруг обчислюються активні потужності та діючі значення струмів та напруг фаз, на базі яких, в свою чергу, визначаються реактивні потужності фаз, активні та реактивні потужності приєднання і енергії.

Технологія одержання комерційної інформації забезпечує використання наявних тарифних схем з врахуванням їх можливого розвитку. Окремо по кожному з тарифних інтервалів вимірюються шість видів енергій: активна двох напрямків та реактивна по чотирьом квадрантам. Для кожної з енергій визначаються потужності, усереднені на фіксованому або ковзкому інтервалі, які використовуються для формування архіву усереднених потужностей (графік навантаження) і визначення максимальних потужностей окремо по тарифних інтервалах та зонах для кожного періоду архівації.

Визначення ПЯЕ, а саме усталеного відхилення напруги, коефіцієнта спотворення синусоїдальностi кривої напруги, коефіцієнта n-ї гармонічної складової напруги, коефіцієнтів несиметрії напруги по зворотній і нульовій послідовностям, відхилення частоти, виконується згідно рекомендацій ГОСТ 13109-97. Для обчислення напруг гармонік виконується розклад сигналу в ряд Фур'є з визначенням амплітуд ортогональних складових гармонік. Для одержання симетричних складових використовується перехід від фазних до симетричних координат шляхом фазових поворотів одержаних раніше векторів фазних напруг основної частоти, що представлені ортогональними складовими, та їх сумування. Частота мережі визначається цифровим способом на базі обчислення кута повороту вектора основної гармоніки сигналу за визначений період часу (?0,02с). Для обчислення кута вектору використовуються ортогональні складові основної гармоніки. Такий спосіб визначення частоти призводить до незначного збільшення об'єму обчислювальних процедур в алгоритмі визначення ПЯЕ.

Таким чином, в алгоритмі комплексної обробки інформації в БЦП безпосередньо за миттєвими значеннями вхідних сигналів обчислюються активні потужності та діючі значення струмів та напруг фаз, ортогональні складові гармонік фазних напруг і фазних струмів, останнє необхідно, якщо буде здійснюватись аналіз ПЯЕ. Цей набір параметрів є базою для визначення всієї вимірювальної інформації необхідної для роботи систем диспетчерського управління та обліку.

Частота дискретизації зазвичай вибирається кратною до частоти вхідного сигналу. Однак, якщо частота дискретизації в процесі роботи залишається незмінною, а частота сигналу змінюється, то виникає похибка зумовлена зсувом моментів дискретизації і невідповідністю періоду інтегрування періоду сигналу. При обчисленні діючих значень сигналів і активної потужності шляхом інтегрування інформативними є постійні складові підінтегрального виразу. Можливі декілька підходів до обчислення інтегралу: а) адаптивний; б) апроксимаційний; в) фільтраційний. Останній, на відміну від перших двох, не вимагає визначення частоти сигналу і є досить простим в реалізації при використанні вікна з цілочисельними коефіцієнтами, особливо при малих частотах дискретизації.

При використанні перетворення Фур'є такий підхід не веде до суттєвого зменшення похибки, тому що в цьому випадку зі зміною частоти сигналу змінюється сам підінтегральний вираз. Для вхідного сигналу, представленого як сума гармонік

,

де l - номер гармоніки, визначено абсолютні похибки вимірювання ортогональних складових основної гармоніки, зумовлених зсувом моментів дискретизації:

= (ntд - T)/T

коефіцієнт, що характеризує нестабільність частоти,

n - число точок дискретизації на періоді сигналу,

tд - шаг дискретизації,

T - період вимірюваного сигналу.

Виходячи з (1), одержано вирази для визначення похибок вимірювання ПЯЕ, зумовлених нестабільністю частоти мережі, достовірність яких підтверджена шляхом моделювання роботи алгоритмів БЦП. Похибки досліджено для різних за формою вхідних сигналів і різних розмірів вимірювальних вікон. Як приклад, наведено результати дослідження похибки одного з ПЯЕ.

Порівняння одержаних результатів з рекомендованими похибками засобів вимірювання ПЯЕ засвідчило, що відхилення частоти більш ніж на 0,1 Гц веде до неприпустимих похибок визначення ПЯЕ. Аналіз похибки визначення частоти на основі вимірювання в одній фазі показав її залежність від моменту вимірювання, тобто початкової фази сигналу. Доцільно усереднювати результати вимірювання в трьох фазах, що веде до зменшення цієї залежності і значення похибки.

При комплексному визначенні параметрів режиму в БЦП, включно з гармонічним аналізом сигналів і визначенням на його основі ПЯЕ, рекомендовано на основі вимірювання частоти мережі цифровим способом постійно виконувати адаптацію частоти дискретизації до частоти мережі.

Третій розділ присвячено дослідженню впливу структури і характеристик вимірювальних схем, а саме похибок і схем включення ВТ, кількості вимірювальних елементів БЦП, на об'єм і точність одержуваної інформації. Розглянуто наступні найбільш поширені схеми включення: а) трьохелементного БЦП в мережу з трьома трансформаторами струму (ТС) і трьома трансформаторами напруги (ТН); б) двохелементного БЦП в мережу з двома ТС і ТН; в) трьохелементного БЦП в таку ж мережу; г) трьохелементного БЦП в мережу з трьома ТС і двома ТН. Проаналізовано можливості кожної зі схем в одержанні інформації з потрібними характеристиками, зокрема докладно досліджено вимірювання активної потужності в несиметричних режимах (табл.1).

Таблиця 1 Вимірювання активної потужності в різних схемах

Схема	Розрахунковий вираз	Вимірювана потужність
а	uзAiA + uзBiB + uзCiC	Р1 + Р2 + Р0
б, в	uAВiA + uСВiC = uзAiA + uзCiC - uзB (iА+ iС) = uзAiA + uзBiB + uзCiC - 3uзBi0	Р1 + Р2 + Р0 - 3UзВI0cosзВ,0
г	uAiA + uBiB + uCiC = = uзAiA+ uзBiB+ uзCiC - 3u0i0	Р1 + Р2

В табл.1 використано наступні умовні позначення: iA, iB, iC - фазні струми; uзA, uзB, uзC uA, uВ , uС - фазні напруги, відповідно, відносно землі і штучного нуля; uAВ, uСВ - лінійні напруги; i0, u0 - струм і напруга нульової послідовності; Р1, Р2, Р0 - потужності прямої, зворотної і нульової послідовностей; зВ,0 - кут між векторами UзВ и I0.

Виконаний аналіз показує, що найбільш повну та достовірну інформацію про ЕЕО в усіх режимах можна одержати, використовуючи схему з трьох ТН, трьох ТС і трьохелементного БЦП.

Окремо досліджено питання обліку електроенергії в довготривалих несиметричних режимах постачання електроенергії. Це ремонтні неповнофазні режими в мережах з заземленою нейтраллю та режими однофазних замикань на землю в мережах з ізольованою нейтраллю. Проведено теоретичне і експериментальне порівняння роботи всіх наведених вище схем в цих режимах. Виходячи з виразів, наведених в табл.1, і векторних діаграм, побудованих для режиму однофазного замикання на землю в розгалуженій мережі з ізольованою нейтраллю, показано, що двохелементний лічильник, забезпечуючи достовірний облік в нормальному режимі роботи трифазної трипровідної мережі з ізольованою нейтраллю, в режимах однофазних замикань на землю однієї з фаз, на яких встановлено ТС, має додаткову похибку, зумовлену струмом нульової послідовності. При металевому замиканні фази А на землю, якщо вважати струм замикання виключно ємнісним, похибка буде дорівнювати:

де Iз - струм замикання на землю;

Ін - струм навантаження;

ц - кут зсуву між фазною напругою і струмом.

При замиканні фази С знак похибки змінюється на протилежний. При струмі замикання, що дорівнює 10% струму навантаження, модуль похибки досягає 6%.

Оцінено вплив індивідуальних похибок ВТ в різних схемах включення БЦП на точність визначення параметрів режимів. Наприклад, для схеми в) похибки вимірювання струму фази В дорівнюють:

,

де fiA, iА, fiС, iС - струмові і кутові похибки ТС, відповідно, фаз А і С.

Одержані вирази використовуються в БЦП при автоматичному коригуванні похибок вимірювальних комплексів.

Досліджено вплив кутових похибок ВТ на вимірювання потужності та енергії. Значення і знаки похибок вимірювання активної і реактивної енергії визначаються сумарною кутовою похибкою ВТ і режимом роботи приєднання: коефіцієнтом потужності і квадрантом, у якому здійснюється вимірювання електроенергії. Показано, що при коефіцієнті потужності контрольованого приєднання cosц < 0,8 похибка вимірювання активної енергії, зумовлена кутовими похибками ВТ, може в 3-6 разів перевищувати основну похибку лічильника.

Опираючись на результати аналізу реальних значень похибок ВТ, показана доцільність введення поправок до результатів вимірювання окремо по кожній фазі, що підтверджено експериментальною перевіркою алгоритму коригування. Це дозволяє зменшувати систематичну похибку вимірювання, особливо на електричних приєднаннях з низьким струмовим навантаженням і коефіцієнтом потужності меншим 0,8.

В четвертому розділі висвітлено питання практичної реалізації запропонованої цифрової технології комплексної обробки інформації. Основою для одержання усіх вимірюваних параметрів ЕЕО є послідовність миттєвих значень - результат аналого-цифрового перетворення вхідних сигналів. Тому дуже важливий вибір характеристик АЦП, який повинен здійснюватися з врахуванням як характеру аналогових сигналів, так і алгоритмів наступної обробки миттєвих значень, а при комплексному одержанні інформації в БЦП характеристики АЦП повинні забезпечувати одержання всього спектру параметрів з необхідною точністю. Перетворення сигналу з аналогової форми в цифрову включає операції дискретизації за часом і квантування за рівнем. Вибір частоти дискретизації повинен, насамперед, визначатися спектральним складом сигналу. Як відомо, при недостатній частоті дискретизації fд синусоїда високої частоти “накладається” на синусоїду з частотою, що лежить в області від 0 до fд/2, що призводить до додаткових похибок вимірювання параметрів. На прикладі визначення діючого значення несинусоїдального струму, що складається з суми основної і вищої гармоніки, коефіцієнт якої дорівнює 5%, показано, що похибка вимірювання, зумовлена дискретизацією, може досягати майже 5%.

Визначено похибки вимірювання активної та реактивної потужностей, діючих значень струму і напруги, ортогональних складових першої гармоніки напруги, обумовлених квантуванням, з врахуванням використовуваних алгоритмів. Доведено, що при виконанні вимог до точності вимірювання активної потужності при струмі величиною 0,01Iном вимоги до точності вимірювання усіх інших параметрів будуть теж виконані. Отримано формулу для визначення розрядності n АЦП, що дозволяє забезпечити задану похибку квантування кв при встановленому діапазоні виміру струмів kдиап і кількості точок усереднення m:

,

kдиап=Imax/Imin, Imin

значення мінімального струму, для якого визначається похибка; Imax - значення струму, що відповідає максимальному коду АЦП.

Вплив фазових зсувів у процесі АЦП, а саме кутових похибок елементів схеми і послідовної реєстрації фазних струмів і напруг, на вимірювання потужності подібне до впливу кутових похибок ВТ і особливо помітне при сигналах зі значним вмістом вищих гармонік. Додаткова похибка визначення потужності k-ої гармоніки від неодномоментної реєстрації вхідних сигналів складає:

Рк = ((cos( k t 10-4 ) - 1) - tgk sin ( k t 10-4 ))100%,

де t - часовий проміжок між реєстрацією значень струму та напруги фази в мкс;

k - кут зсуву між напругою і струмом k-ої гармоніки.

Для мінімізації цього впливу в БЦП здійснюється синхронна реєстрація миттєвих значень струму і напруги фази.

Наведено вирази коригування часового зсуву реєстрації миттєвих значень напруг трьох фаз при визначенні ПЯЕ.

Результати роботи були використані при розробці дослідних зразків першої в Україні цифрової системи вимірювання параметрів нормального режиму, призначеної для роботи на нижньому рівні управління як джерело цифрової інформації про параметри режиму всіх електричних приєднань підстанції 35/10 кВ, і трифазного вимірювального перетворювача струму напругою 330 кВ, призначеного для вимірювання струму у високовольтних лініях електропередач, корекції похибок вимірювання і видачі миттєвих і діючих цифрових значень сигналу системам вимірювання, захисту і управління. Наведено опис розробленого автором прикладного програмного забезпечення для цих систем.

Отримані в роботі наукові висновки і результати покладені в основу розробки програмного забезпечення і вибору елементної бази трифазного лічильника електроенергії “Каскад”, який випускається серійно ВО "Київприлад" з 2001р. Наведено технічні характеристики “Каскаду”, який, крім багатотарифного обліку активної енергії двох напрямків і реактивної енергії в чотирьох квадрантах, виконує з гарантованою точністю синхронні виміри параметрів режиму і функції телесигналізації і телеуправління. Подано опис програмного забезпечення і комунікаційних можливостей лічильника. Зокрема, наведено опис системи індикації і характеристика роботи дискретних входів і виходів.

На Всеукраїнському конкурсі “Лідер паливно-енергетичного комплексу 2000” проект “Інтелектуальний багатофункціональний засіб вимірювання для систем обліку електроенергії та диспетчерського управління промисловими і електроенергетичними об'єктами” авторів: Березянського М.П., Варського Г.М., Гінайло В.О., Давиденко О.Г., Козачище Л.О., Кульбачного В.П., Осадчого О.В., Танкевича Є.М., Яковлєвої І.В. (Інститут електродинаміки НАН України, ДП “Укренергоналадкавимірювання”, ВО “Київприлад”) в номінації “Наукова розробка” нагороджено Дипломом лауреата.

В додатках подано номенклатуру вимірюваних БЦП параметрів, часові діаграми одержання вихідних даних БЦП, акт впровадження у виробництво результатів дисертаційної роботи.

Висновки

У дисертації розв'язана актуальна задача розробки цифрової технології комплексної обробки інформації БЦП для систем диспетчерського управління та обліку електроенергії, що є основою ефективного вирішення задач управління передачею, розподілом і споживанням електроенергії. Застосування запропонованих у роботі наукових і технічних рішень дозволяє підвищити технічну досконалість систем оперативного і комерційного управління і зменшити витрати на побудову й експлуатацію таких систем. Отримано наступні основні результати:

1. Існуюче в даний час роздільне забезпечення інформацією систем диспетчерського управління й обліку електроенергії зумовлює невідповідність інформації, по якій здійснюється оперативне керування, звітній інформації, що використовується у фінансових розрахунках, причому різниця може досягати декількох процентів. Усунути цю невідповідність можна використовуючи багатофункціональні цифрові перетворювачі електричних величин, вимоги до функціональних характеристик яких сформульовані на основі математичних моделей сигналів ЕЕО, що адекватно відбивають умови експлуатації, і аналізу задач систем оперативно-диспетчерського управління та обліку електроенергії.

2. На основі аналізу цифрової технології визначення характеристик режиму в умовах спотворення форми сигналів і їхньої несиметрії обґрунтована оптимальна сукупність процедур комплексної обробки вхідних сигналів для одержання оперативно-режимної і комерційної інформації в багатофункціональному пристрої, що дозволяє створити оптимальне програмне забезпечення, усунути неузгодженість інформації, одержуваної з різних джерел, спростити розробку й здешевити модифікації пристрою.

3. Показано, що відхилення частоти більш ніж на 0,1 Гц приводить до неприпустимих похибок визначення ПЯЕ і частоти. Запропоновано постійно виконувати адаптацію частоти дискретизації до частоти вхідного сигналу розробленим у роботі цифровим способом.

4. На основі аналізу основних схем включення БЦП і відповідних їм розрахункових виразів визначення параметрів режиму обґрунтована доцільність використання вимірювальної схеми, що складається з трьох ТН, трьох ТС і трьохелементного БЦП як такої, що забезпечує одержання найбільш повної і достовірної оперативної і комерційної інформації.

5. Оцінено вплив індивідуальних похибок вимірювальних трансформаторів, що входять у вимірювальну схему, на точність визначення параметрів режиму для різних схем включення БЦП, що дозволяє підвищити ефективність здійснюваної в БЦП автоматичної корекції похибок вимірювальних комплексів шляхом її виконання по кожній фазі.

6. Виконана оцінка похибок визначення вимірюваних параметрів, обумовлених дискретизацією, квантуванням і фазовими зсувами в процесі аналого-цифрового перетворення вхідних сигналів, дозволила визначити характеристики АЦП, що забезпечують комплексне одержання інформації про параметри режиму й облік електроенергії з необхідною точністю.

7. Результати роботи впроваджені в розробках дослідних зразків перших вітчизняних цифрових засобів комплексної обробки інформації для систем диспетчерського управління й обліку електроенергії. Найбільше повно матеріали роботи реалізовані у трифазному багатофункціональному лічильнику електроенергії “Каскад”, що випускається серійно ВО “Київприлад” і окрім виконання з необхідною точністю синхронних вимірів параметрів режиму й обліку електроенергії, здійснює функції телесигналізації і телеуправління, чим створено передумови для побудови ефективних систем управління ЕЕО.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Селехман Н.А., Танкевич Е.Н., Яковлева И.В. Программное обеспечение системы измерения параметров нормального режима электроэнергетических объектов // Автоматизация и релейная защита в энергосистемах. - К.: Ин-т электродинамики НАН Украины. - 1994. - С.81-85.

2. Танкевич Е.Н., Яковлева И.В. Реализация цифрового способа измерения частоты сетевого напряжения в средствах измерения характеристик электропотребления // Технічна електродинаміка. - 1998. - №3. - С. 65-69.

3. Бабич С.В., Танкевич Е.Н., Яковлева И.В. Математическое моделирование при метрологическом анализе цифровых средств измерения количества и качества электроэнергии // Автоматизация и релейная защита в энергосистемах'98. - К.: Ин-т электродинамики НАН Украины. - 1998. - С. 132-139.

4. Гінайло В.О., Танкевич Є.М., Яковлева І.В., Копач В.Є., Кириченко Н.В. Інтелектуальний багатофункціональний засіб вимірювання для комплексних систем керування електроенергетичними об'єктами // Энергетика и электрификация. - 1998. - №4. - С.18-22.

5. Стогний Б.С., Танкевич Е.Н., Яковлева И.В. Обеспечение измерительной информацией задач энергосбережения в современном электроприводе // Вестник Харьковского политехнического университета. - 1999. - Вып. 61 - С. 300-301.

6. Танкевич Є.М., Яковлєва І.В. Вплив фазової складової похибок компонентів вимірювальних комплексів на точність вимірювання потужності та обліку електричної енергії // Энергетика и электрификация. - 2001. - № 6. - С.15-20.

7. Варський Г.М., Танкевич Є.М.. Яковлєва І.В., Березянський М.П. Вимоги до точності вхідних перетворювачів струму багатофункціональних мікропроцесорних лічильників електроенергії // Праці Інституту електродинаміки НАН України. - К.:Ін-т електродинаміки НАН України. - 2003. - №3(6). - С.86-91.

8. Стогний Б.С., Селехман Н.А., Танкевич Е.Н., Яковлева И.В. О математическом обеспечении микропроцессорных средств измерения параметров режимов энергообъектов // Тезисы докл. пятой Украинской науч.-техн. конф. “Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике”. - Харьков: ХПУ. - 1996. - С. 36-38.

9. Стогний Б.С., Танкевич Е.Н., Яковлева И.В., Бирюков В.С. Микропроцессорное устройство измерения параметров режима энергообъектов для АСДУ энергосистем // Тезисы докл. пятой Украинской науч.-техн. конф. “Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике”. - Харьков: ХПУ. - 1996. - С. 38-39.

10. Стогний Б.С., Танкевич Е.Н., Яковлева И.В. О подходах к определению характеристик энергопотребления в условиях несимметричных и несинусоидальных режимов // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Спец. вип.: Доповіді 1-ої Міжнар.наук.-практ. конф. ”Проблеми економії електроенергії”. - Львів: ТзОВ”ВМС”. - 1998. - С.153-156.

11. Варский Г.М., Танкевич Е.Н., Яковлева И.В., Гинайло В.А. Особенности учета электроэнергии при несимметрии сети // Доклады 3-й науч.-практ. конф. “Метрология электрических измерений в электроэнергетике”. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС. - 2003. - С. 308-320.

Анотація

Яковлєва І.В. Засоби комплексної обробки інформації для систем диспетчерського управління та обліку електроенергії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 - електричні станції, мережі і системи. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2005.

Дисертація присвячена задачі створення засобів комплексної обробки інформації для формування на основі цифрової технології первинної бази даних про режимні параметри, параметри комерційного обліку та стан комутаційної апаратури контрольованого об'єкту, що є основою побудови енергоефективних, технічно досконалих систем управління електроенергетичних об'єктів.

В роботі сформульовано вимоги і розроблено структуру математичного забезпечення багатофункціонального цифрового перетворювача електричних величин. Встановлено особливості й оцінено похибки цифрового визначення характеристик режиму в умовах нестабільності частоти, спотворення форми сигналів і несиметрії режиму. Визначено характеристики аналого-цифрового перетворення вхідних сигналів в багатофункціональному пристрої. Обґрунтовано вибір оптимальної, з точки зору забезпечення потрібної точності, структури вимірювальної схеми, оцінено вплив похибок вимірювальних трансформаторів на точність визначення багатофункціональним перетворювачем параметрів режиму і ефективність автоматичної корекції похибок вимірювальних комплексів. Результати роботи впроваджені в розробках перших вітчизняних цифрових засобів комплексної обробки інформації для систем диспетчерського управління й обліку електроенергії.

Ключові слова: диспетчерське управління, облік електроенергії, цифровий перетворювач, інформація, режим, параметр, точність.

Аннотация

Яковлева И.В. Средства комплексной обработки информации для систем диспетчерского управления и учета электроэнергии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 - электрические станции, сети и системы. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертация посвящена решению важной научно-технической задачи создания средств комплексной обработки информации для формирования первичной базы данных о режимных и коммерческих параметрах и положении коммутационной аппаратуры контролируемого объекта, что служит основой построения энергоэффективных, технически совершенных систем управления передачей, распределением и потреблением электроэнергии.

Существующее в настоящее время раздельное обеспечение информацией систем диспетчерского управления и учета электроэнергии обуславливает несоответствие информации, по которой осуществляется оперативное управление, отчетной коммерческой информации, причем разница может достигать нескольких процентов. Устранить это несоответствие можно используя многофункциональные цифровые преобразователи электрических величин. На основе математических моделей сигналов ЭЭО, адекватно отражающих условия эксплуатации, и анализа задач систем оперативно-диспетчерского управления и учета электроэнергии, в работе сформулированы требования к математическому обеспечению многофункционального цифрового преобразователя, в том числе, к номенклатуре измеряемых параметров и алгоритмам выполнения функций телесигнализации и телеуправления для систем диспетчерского управления.

Разработана совокупность процедур цифровой обработки мгновенных значений токов и напряжений для комплексного определения оперативной и коммерческой информации в многофункциональном устройстве, что позволило создать оптимальное с точки зрения сложности и объема программное обеспечение и устранить несогласованность информации, получаемой из разных источников.

В работе проанализированы особенности цифровых способов определения активной и реактивной мощностей в несимметричных и несинусоидальных режимах с целью выбора цифровой технологии обработки информации, позволяющей адекватно оценивать режимы электроэнергетических объектов. Проведенные исследования подтвердили, что при определении реактивной энергии на основе мощности Фризе можно наиболее полно учесть потери при передаче электроэнергии от генератора к потребителю. Оценены погрешности определения характеристик режима, в том числе частоты сети и показателей качества электроэнергии, в условиях нестабильности частоты и с целью их уменьшения предложен способ адаптации частоты дискретизации к частоте сети на основе постоянного измерения частоты сети цифровым способом. Анализ погрешности определения частоты на основе измерений в одной фазе показал ее зависимость от момента измерения, т.е. начальной фазы сигнала. С целью устранения этой зависимости и уменьшения погрешности целесообразно усреднение результатов измерений в трех фазах.

Исследовано и оценено влияние структуры измерительной схемы и индивидуальных погрешностей измерительных трансформаторов, входящих в эту схему, на полноту и точность получения информации в разных режимах. Полученные расчетные выражения для определения параметров режима и оценка характеристик получаемой информации в каждой из четырех рассмотренных схем позволили обосновать оптимальную структуру схемы. Двухэлементный счетчик, обеспечивая достоверный учет электроэнергии в нормальном режиме работы трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью, в режиме глухих замыканий на землю одной из фаз, на которых установлены трансформаторы тока, имеет дополнительную погрешность, обусловленную возникающим при этом током нулевой последовательности и определяемую соотношением токов замыкания и нагрузки.

Оценено влияние индивидуальных погрешностей измерительных трансформаторов на точность определения параметров режима в разных схемах включения многофункционального преобразователя. Полученные выражения использованы для повышения эффективности автоматической коррекции погрешностей измерительных комплексов. Проведенная экспериментальная проверка алгоритма коррекции подтвердила целесообразность внесения поправок к результатам измерений в отдельности по каждой фазе.

В работе выполнена оценка погрешностей измерения параметров, обусловленных дискретизацией, квантованием и фазовыми сдвигами в процессе аналого-цифрового преобразования входных сигналов. Это позволило определить характеристики АЦП, обеспечивающие в многофункциональном устройстве комплексное с требуемой точностью получение информации.

Использование предложенных в работе научных и технических решений позволило создать первые отечественные цифровые средства комплексной обработки информации, в том числе многофункциональный цифровой преобразователь, который в виде трехфазного счетчика типа “Каскад” разработан и внедрен в серийное производство ПО “Киевприбор”. Использование таких преобразователей в системах управления позволяет повысить уровень их автоматизации, техническое совершенство и уменьшить затраты на построение и эксплуатацию таких систем.

Ключевые слова: диспетчерское управление, учет электроэнергии, цифровой преобразователь, информация, режим, параметр, точность.

Аbstract

Yakovleva I. V. Complex information handling means for dispatch and electrical energy metering systems. - The manuscript.

The dissertation for candidate degree in technical sciences by speciality 05.14.02 - electrical power plants, networks and systems. - Institute of Electrodynamics of National Ukrainian Academy of Sciences, Kyiv, 2005.

The dissertation is devoted to the problem of creation complex information handling means for generation on the basis of digital technology primary database about mode parameters, parameters of commercial electrical energy metering and switching equipment's positions of control object, that provides a basis for making power effective and technically complete control systems of electric power installations.

...