Измерительное устройство для учета количества долевого вклада субъектов высоковольтных сетей

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Ведущие специалисты в области электроэнергетики справедливо полагают, что контроль показателей качества электроэнергии невозможен без реализации процесса их мониторинга в масштабе реального времени.

Решение задачи мониторинга возможно только при создании автоматических систем контроля качества и учета количества электроэнергии (АСКУЭ). Тем не менее в сетях высокого напряжения в соответствии с нормативной документацией контроль параметров электроэнергии осуществляется на основе периодических (в течение 0,5 ч) измерений и последующей статистической обработки результатов. Это не согласуется с требованиями рынка, так как не позволяет осуществлять оперативный контроль за реальной ситуацией в таких сетях. Внедрение АСКУЭ в сети с напряжением более 10 кВ сдерживается рядом методических и технических причин. высоковольтный сеть электроэнергия синхронизация

С технической точки зрения проблема связана с недостатками существующих первичных датчиков -- измерительных понижающих трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН). Обработка данных в этих системах проводится на стороне низкого напряжения с применением цифровых методов, основанных на стандартном дискретном преобразовании Фурье. Передача данных на диспетчерские пункты осуществляется, как правило, с применением волоконно-оптических линий связи.

С методической стороны проблема измерений показателей качества и количества электроэнергии (ПКЭ) связана с реализацией цифровой обработки и передачи данных в масштабе реального времени.

Недостатки стандартных измерительных систем, эксплуатируемых в сетях высокого напряжения, определяются, в основном:

-- непредсказуемым характером изменения погрешностей первичных датчиков в межповерочный период, что в основном относится к датчикам тока, параметры которых подвержены изменениям в периоды резких изменений силы тока в высоковольтном проводе (и в меньшей мере -- к датчикам напряжения);

-- техническими трудностями (и соответственно высокой стоимостью) проведения операции поверки измерительных систем, которые в основном связаны с проблемами поверки первичных датчиков;

-- недостоверностью методов цифровой обработки данных при стандартном дискретном преобразовании Фурье в случае резко несинусоидальных зависимостей измеряемых сигналов тока и напряжения и изменении промышленной частоты (основной гармоники) даже в пределах, обусловленных допуском ГОСТ 13109-97;

-- пожароопасностью систем изоляции и охлаждения.

1. ОСОБЕННОСТИ И ПАРАМЕТРЫ УНИВЕРСАЛЬНОГО КОМПЛЕКСНОГО УСТРОЙСТВА

1.1 Принцип построения

На кафедре электрофизики Московского энергетического института (технического университета) с 1998 г. проводятся комплексные исследования проблем мониторинга ПКЭ и учета электроэнергии, в результате которых разработан принцип построения высоковольтного комплексного измерительного устройства (КИУ) на напряжение до 750 кВ, свободный от вышеназванных недостатков, и создан действующий макет устройства на линейное напряжение 220 кВ. Принцип построения и конструкция устройства защищены свидетельствами авторского права [1-4] и описаны в [5-6]. Особенность построения КИУ -- осуществление измерений и цифровая обработка сигналов на стороне высокого потенциала фазных проводов линии передачи, что позволяет применить в качестве первичных датчиков тока и напряжения низковольтное оборудование. Применение низковольтных ТТ и датчиков напряжения на порядок повышает надежность системы, точность измерений и снижает стоимость устройства, в том числе и проведения операции поверки измерительной системы.

Конструктивно КИУ включает в себя 1 -- конденсатор (применен стандартный высоковольтный конденсатор), служащий опорой измерительного блока КИУ и являющийся нижним плечом емкостного делителя напряжения; 2 -- конденсатор низковольтного плеча делителя, формирующий низковольтное емкостное плечо делителя напряжения; 3 -- корпус измерительного блока (клетка Фарадея) решает задачу экранирования и обеспечивает защиту узлов обработки данных от внешних погодных факторов; 4 -- измерительный ТТ -- датчик тока (стандартный ТТ на напряжение 10 кВ, применяемый по прямому назначению), устанавливаемый в защитный экран для уменьшения влияния электрического поля и магнитных полей токов соседних фаз; 5 -- ТТ блока питания, обеспечивающий отбор мощности из сети высокого напряжения для блока питания электронных узлов КИУ (ТТ типа ТЛШП-10-1 на номинальный ток 3000 А, с двух обмоток которого снимается мощность до 100 В-А); 6-- фазный провод, в разрыве которого устанавливается КИУ; 7 -- измерительный модуль, включающий в себя блоки аналоговой и цифровой обработки данных; 8 -- приемопередатчик, обеспечивающий, при гальванической развязке между КИУ и центром сбора данных (ЦСД), двунаправленную радиолинию для передачи параметров качества и количества электроэнергии, а также сигналов управления и контроля за процессом измерения; 9 -- антенну приемопередатчика.

АСКУЭ с применением КИУ имеет традиционную иерархическую структуру, обеспечивающую оперативные и достоверные измерения, передачу, хранение и визуализацию данных.

1.2 Особенности цифровой обработки

Создание КИУ потребовало разработки специального алгоритма цифровой обработки сигналов[7~8], так как для контроля ПКЭ необходимо вычислять спектры временных зависимостей тока и напряжения в масштабе реального времени при случайном спектральном составе сигналов и при непостоянстве частоты первой гармоники (в соответствии с ГОСТ 13109-97 частота первой гармоники может изменяться в пределах 50+0,4 Гц). Разработанный алгоритм позволяет определять ПКЭ в соответствии с требованиями стандарта и удовлетворить по точности учета электроэнергии требованиям рынка, т.е. превзойти по параметрам эксплуатируемые в высоковольтных сетях аналогичные системы.

Алгоритм обеспечивает определение частоты /0 основной гармоники (которая является не только важным показателем качества электроэнергии, но и основой измерения ее спектрального состава) с абсолютной погрешностью, не превышающей по модулю величину 0,01 Гц. При этом погрешность вычисления мгновенной мощности с учетом погрешностей первичных датчиков, погрешности аналоговой и цифровой обработки сигнала не превышает 1 %, а погрешность вычисления спектра 40 гармоник характеризуют кривые.

1.3 Особенности аппаратных средств

При разработке КИУ решена сложная задача [9] обеспечения электропитанием аппаратуры на стороне высокого потенциала с отбором мощности (до 100 Вт) от тока в фазном проводе во всем диапазоне изменения (на 25 дБ) токов контролируемого фазного провода высоковольтной ЛЭП.

Блок питания КИУ - автономный источник бесперебойного питания (АИБП) - не требует обслуживания в течение всего поверочного интервала (минимум 1 год). АИБП создан на базе двух обмоток ЮР ТТ типа ТЛШП и имеет в своем составе аккумуляторную батарею емкостью З6 Ач.

КИУ обеспечен системой временной синхронизации измерений параметров электрической энергии на всех порталах региона с помощью глобальной навигационной спутниковой системы [10]. На данный момент в эксплуатации находятся Американская система GPS (Global Positioning System) и вводится в эксплуатацию Российская ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система).

Несмотря на то, что орбитальная группировка системы ГЛОНАСС не выведена в полном объеме, решение задачи синхронизации возможно и при текущем состоянии группировки.

Для синхронизации времени с помощью глобальных навигационных спутниковых систем в КИУ применен специализированный навигационный приемник. Радиоканал КИУ реализован [11] на коммерческом оборудовании Cisco со стандартным интерфейсом с дальностью передачи до 3 км в дуплексном режиме, что обеспечивает как передачу данных, так и автоматический режим периодического контроля функционирования аналоговых и цифровых блоков устройства.

2. ПРИМЕНЕНИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ДОЛЕВОГО ВКЛАДА СУБЪЕКТОВ СЕТЕЙ

2.1 Проблема определения долевого вклада

В случае несоответствия ПКЭ нормативным требованиям возникает коммерчески обоснованная задача поиска источника искажений, т.е. виновной стороны. Решение задачи требует выявления вклада каждого субъекта сети в ухудшение качества электроэнергии и этим -- отделение пострадавших от виновных в ухудшении качества электроэнергии. При этом возникает экономический стимул на поддержание качества электроэнергии в виде системы скидок/надбавок [12], закрепленной договором между потребителем и производителем электроэнергии.

Определение степени влияния каждого субъекта сети на показатели качества электроэнергии является одной из самых сложных задач, связанных с электроснабжением. Действующий нормативный документ (РД 153-34.0-15.502-2002 «Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего пользования. Часть 2. Анализ качества электрической энергии»), в основе которого -- анализ «изменения тока в линии» или метод «приращений», разработанный Никифоровой В.Н. - весьма спорный и непригодный для объективной оценки ситуации.

Недостатки метода: 1) принципиально эпизодический характер выявления источника искажений ПКЭ с последующей пролонгацией до срока следующей проверки; 2) основан на измерениях изменений токов в линиях присоединений в узле с «приписывание» причины измененного режима одному из субъектов сети. Главный недостаток метода -предположение о том, что на интервале измерения происходят изменения либо тока искажения со стороны потребителя, либо со стороны энергосистемы. В действительности, как отмечено в [13], токи могут изменяться одновременно и независимо, а в [14] показано, что изменения взаимно зависимы.

2.2 Особенности алгоритма на базе КИУ

Предлагаемый подход основан на применении алгоритма расчета цепей с распределенными параметрами и заключается в представлении напряжения на нагрузке в виде суммы прямой и обратной волн на каждой гармонике сети. Хотя линии электропередачи классифицируются как «электрически короткие» и характеризуются наличием явно выраженной компоненты стоячей волны, однако применить к анализу режима в них подход цепей с распределенными параметрами можно. Исходными данными при этом являются спектры напряжения и тока на нагрузке, что просто и с высокой точностью измеряется с применением современных систем мониторинга, а также первичные параметры линий передачи, выраженные, например, в виде волновых сопротивлений линии на каждой из гармоник.

При таком подходе можно в каждый момент времени в точке общего присоединения (ТОП) определить амплитуды (или мощности) прямой и обратной волн и на основе сравнения их значений выявить источник ухудшения качества электроэнергии. Для количественной оценки свойств субъекта электрической сети в плане ухудшения качества электроэнергии на к-й гармонике сети предлагается, например, принять отношение (энергетический показатель)

Этому соответствует случаи, когда модуль сдвига начальных фаз напряжения и тока на зажимах нагрузки превышает 90°. Проведенное сравнение [15] коэффициентов гармонической составляющей напряжения в ТОП, полученных с применением алгоритма, установленного в нормативном документе РД 153-34.0-15.502-2002, и предлагаемого алгоритма расчета цепей с распределенными параметрами указывает на их качественное совпадение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

КИУ комплексно решает задачу контроля показателей качества (в соответствии с ГОСТ 13109-97) и учета электроэнергии при точности не хуже 1 % и достоверности результатов благодаря специально разработанным алгоритмам цифровой обработки сигналов, обеспечивающим единство измерений при обработке реальных сигналов сложной формы в условиях изменения частоты колебаний в пределах 50+1 Гц. КИУ предназначено для замены существующего парка первичных датчиков их альтернативными решениями, свободными от недостатков штатных измерительных трансформаторов.

КИУ предназначено для использования как производителями, так и потребителями энергии и не требует для установки вспомогательных сооружений. Перспективы широкого внедрения КИУ определяются и его низкой стоимостью. Внедрение же КИУ, позволяет осуществить оперативный контроль за состоянием электрических процессов субъектов электрических сетей в режиме мониторинга с применением для количественной оценки энергетического показателя Q '.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Модуль обработки сигналов с датчиков тока и напряжения в масштабе реального времени. Свид. РФ офиц. per. программы для ЭВМ № 2003611816 зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ, М., 30.06.03 г.

2. Автоматизированная система контроля и учета электроэнергии. Патент РФ № 2229724, БИ № 5 от 20.02.2004 г.

3. Автоматизированная система контроля и учета электроэнергии. Патент РФ № 2229760, БИ № 15 от 27.05.2004 г.

4. Автономное автоматическое комплексное измерительное устройство контроля и учета электроэнергии в режиме реального временит в сетях высокого напряжения. Патент № 73492, БИ №14 от 20.05.2008 г.

5. Геворкян В.М., Казанцев Ю.А., Михалин С.Н. Автономное устройство контроля качества и измерения количества электрической энергии на высоком напряжении линии передачи // VIII симпозиум «Электротехника 2010», МО, 2005 г. Тезисы докладов. С. 166-167 (рус); С. 294-295 (англ.).

6. Комплексное измерительное устройство автоматизированной системы учета количества и контроля качества электрической энергии в высоковольтных сетях /А.В. Бунин, В.М. Геворкян, Ю.А. Казанцев и др.// ЭЛЕК-ТРО. М.: Изд. «Электрозавод» Per. № 004102 Минпечати,

2005. № 1.С. 32-37.

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

8. Михалин С.Н., Геворкян В.М. Прецизионное измерение частоты основной гармоники полигармонических сигналов // Вестник МЭИ. 2005. № 2. С. 115 - 118.

9. Геворкян В.М., Яшин И.А. Блок питания для измерительного устройства высокого напряжения. Принцип построения // Новости Электротехники. 2009. №1 (55). С. 36-39.

10. Геворкян В.М., Яшин И.А. Проблема синхронизации времени в устройствах системы контроля и измерения электрической энергии // Вестник МЭИ,2008. № 5. С. 94-100

11. Система приема-передачи данных автономного комплексного измерительного устройства автоматической системы контроля ПК электроэнергии в сетях высокого напряжения/А.В. Бунин, В.М. Геворкян, Ю.А. Казанцев и др.: сборник докладов Девятой Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности, ЭМС-2006. С-Петербург, БИТУ, 2006. С. 443-448.

12. Железко Ю.С. О нормативных документах в области качества электроэнергии и условий потребления реактивной мощности //Электрические станции. 2002. № 6.

13. Гамазин СИ., Петрович В.А., Никифорова В.Н. Определение фактического вклада потребителя в искажении параметров качества электрической энергии // Промышленная энергетика. 2003. № 1.

14. Геворкян В.М., Михалин С.Н. Проблема учета фактического вклада субъектов электрических сетей в искажение параметров качества электрической энергии // Технологии ЭМС. 2007. № 1 (20). С. 3-10

15. Геворкян В.М., Трошин П.В. Сравнение методов оценки фактического вклада субъектов электрических сетей в искажение качества электрической энергии // Промышленная энергетика. 2008. № 7. С. 46-50.

Размещено на Allbest.ru