Способы оценивания параметров синусоидальных характеристик

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Автоматика и системы управления»

Способы оценивания параметров синусоидальных характеристик

Отчет по преддипломной практике

Студент гр. 23

Е. В. Васильева

Омск 2017



Введение

Качество электроэнергии зависит от огромного числа факторов, изменяющих показатели сверх установленных нормативами пределов. Так, напряжение может оказаться завышенным из-за аварии на подстанции. Заниженные значения появляются в вечернее время суток или в летний сезон, когда люди возвращаются домой и включают телевизоры, электрические плиты, сплит-системы.

Качество электроэнергии требуется выражать количественными показателями для оценки питающей сети. Провайдеры обязаны поддерживать соответствие ГОСТам таких характеристик, как колебание напряжения и частоты. В зависимости от подключенных потребителей значения основных показателей меняются, что может при значительных их отклонениях приводить к выходу из строя бытовых приборов.

Задачи, решаемые различными средствами контроля в электрических сетях, сводятся к трем: учет электроэнергии, контроль показателей качества электроэнергии и регистрация событий в электрических сетях.



1. Задача контроля качества электроэнергии и обзор соответствующих стандартов

1.1 Обзор стандартов и требований

1.1.1 Обзор ГОСТа

Качество электроэнергии согласно ГОСТам может незначительно колебаться. В очень плохих питающих сетях потребителям приходится пользоваться стабилизаторами напряжения. Контроль над характеристиками возложен на Роспотребнадзор, куда можно обращаться при возникающих несоответствиях. Качество электроэнергии может зависеть от следующих факторов:

-суточных колебаний, связанных с неравномерным подключением потребителями либо с влиянием приливов и отливов на морских станциях;

- изменениями воздушной среды: влажности, образование льда на питающих проводах;

- изменением ветра, когда питание вырабатывают ветровики;

- качеством проводки, со временем она изнашивается.

Количественная величина и погрешности отклонения параметров устанавливаются согласно ГОСТ. Качество электроэнергии прописано в документе 32144-2013. Потребовалось узаконить эти показатели из-за риска возгорания приборов потребителя, а также нарушения функционирования электроприборов чувствительных к перепадам напряжения установок. Последние устройства распространены в медицинских учреждениях, научных центрах, на военных объектах.

Показатели качества электроэнергии обновлены в 2013 году в связи с развитием рынка сбыта энергии и появлением новых электронных устройств. Рассматривать электричество в рамках его поставки следует как продукцию, соответствующую определённым критериям. При отклонении установленных характеристик к провайдерам может применяться административная ответственность. Если же по вине колебаний входящего напряжения пострадали или могло пострадать люди, то может возникнуть уже уголовная ответственность.

Параметры качества электроэнергии влияют на длительность работы подключаемых устройств, часто это становится критично на производствах. Падает производительность линий, увеличивается расход энергии. Так на валу двигателей снижается вращающий момент при падении значений показателей питающей сети. Укорачивается срок службы ламп освещения, световой поток ламп становится меньше либо мерцает, что сказывается на выпускаемой продукции в теплицах. Существенное влияние оказывается на процессы других биохимических реакций.

Согласно законам физики, снижение напряжения при неизменной нагрузке на валу двигателя приводит к стремительному росту тока. Это, в свою очередь, приводит к сбоям в работе защитных выключателей. В результате плавится изоляция, в лучшем случае горят плавкие предохранители, в худшем безвозвратно портятся обмотки двигателей, элементы электроники. При аналогичных обстоятельствах электросчетчик начинает вращаться с большей скоростью. Хозяин помещения терпит убытки.

Что же содержит ГОСТ? Качество электроэнергии определяется характеристиками трёхфазных сетей и распространенных в быту цепей частотой 50 Гц:

-установившееся значение отклонения напряжения определяет величину характеристики, при которой потребители могут функционировать без сбоя. Устанавливается нижний нормальный предел от 220 В это 209 В и верхний равен 231 В;

-размах изменения входного напряжения представляет собой разность величин действующей и амплитудной. Замеры производят за цикл перепада параметра;

-доза фликера подразделяется на кратковременную в пределах 10 минут и длительную, определяемую 2 часами. Обозначает степень восприимчивости человеческого глаза к мерцанию света, причиной которого стало колебание питающей сети;

-импульсное напряжение описывается временем восстановления, имеющего разную величину в зависимости от причины возникновения скачка;

-коэффициенты для оценки качества питающей сети: по искажению синусоидальности, значения временного перенапряжения, гармонических составляющих, несимметричности по обратной и нулевой последовательностях;

-интервал провала напряжения определяется периодом восстановления параметра, установленного согласно ГОСТ;

-отклонение питающей частоты приводит к повреждениям электрических частей и проводников [2].

1.1.2 Фиксируемое отклонение входной величины

Показатели качества электроэнергии стараются сделать соответствующими установленным номиналам, прописанным в законодательных актах. Внимание уделяется погрешностям, возникающим при замерах напряжения и частоты. Если имеются погрешности, то можно обращаться в надзорные органы, чтобы привлечь к ответственности поставщика электричества.

Общие требования к качеству электроэнергии включают параметр отклонения питающего напряжения, который подразделяют на две группы:

- нормальный режим, когда отклонение составляет ±5 %;

- предел допустимого режима установлен для колебаний ±10 %. Это составит для сети 220 В минимальный порог 198 В и максимальный 242 В.

Восстановление напряжения должно происходить во временной интервал не более двух минут.

1.1.3 Нормы качества питающей сети

Нормы качества электроэнергии содержат надзор за таким параметром, как колебание составляющих напряжения. Он устанавливает разницу между верхним порогом амплитуды и нижним. Учитывая, что допуски отклонения параметра от установленного укладываются в предел ±5 %, то размах предельный режим не может превышать ±10 %. Питающая сеть 220 В не может колебаться более или менее 22 В, а 380 В работает нормально в границах ±38 В.

Результирующий размах колебаний напряжения рассчитывается по следующему выражению (формула 1).

(1.1)

В нормативах результаты указываются в % согласно расчетам:

(1.2)

Система качества электроэнергии включает замеры дозы фликера. Этот показатель фиксирует специальный прибор -- фликерметр, который снимает амплитудно-частотную характеристику. Полученные результаты сравнивают с кривой чувствительности зрительного органа.

ГОСТом установлены допустимые пределы изменения дозы фликера:

- кратковременные колебания показатель не должен быть выше 1,38;

- длительные изменения должны укладываться в значение параметра 1,0.

Если речь идет о верхнем пределе показателя цепи ламп накаливания, то требуется, чтобы результат попал в следующие границы:

- кратковременные колебания -- показатель установлен равным 1,0;

- продолжительные изменения параметра -- 0,74.

Измерения качества электроэнергии предусматривают замеры такой составляющей, как импульсы питающего напряжения. Он объясняется резкими спадами и подъемами электричества в пределах выбранного интервала. Причинами такого явления может быть одновременная коммутация большого числа потребителей, влияние электромагнитных помех из-за грозы.

Установлены периоды восстановления напряжения, не влияющие на работу потребителей:

-причины перепадов -- это гроза и другие природные электромагнитные помехи. Период восстановления равен не более 15 мкс;

- если импульсы появились из-за неравномерной коммутации потребителей, то период намного больше и равен 15 мс.

Наибольшее число аварий на подстанциях происходит по причине удара молнии в установку. Сразу страдает изоляция проводников. Величина перенапряжения может достигать сотен киловольт. Для этого предусмотрены защитные приспособления, но иногда они не выдерживают, и наблюдается остаточный потенциал. В эти моменты неисправность не возникает благодаря прочности изоляции.

Измеренный параметр описывают как провал напряжения, укладывающийся в границы ±0,1Unominal за интервал в несколько десятков миллисекунд. Для сети 220 В изменение показателя допускается до 22 В, если 380 В, то не более 38 В. Глубина спада рассчитывается согласно выражению:

(1.3)

Продолжительность спада рассчитывается согласно выражению:

, (1.4)

где Tk -- это период, когда напряжение уже восстановилось, а Tn-- точка начала отсчета, момент когда произошло падение напряжения.

Контроль качества электроэнергии обязывает учитывать частоту появления провалов, определяемую по формуле 1.5:

(1.5)

где определяется как количество спадов в установленное время при глубине ДUn и продолжительности ДТn , а М - общий счет спадов в течение выбранного периода.

Параметр продолжительность спада входной величины требуется для оценки надежности подводящей энергии в количественном выражении. На этот показатель может влиять периодичность аварий на подстанции из-за халатности персонала, молний. Результатом исследования провалов становятся прогнозы по степени отказа в рассматриваемой сети.

Статистика позволяет делать приближенные выводы о стабильности подачи электрической энергии. Провайдеру электричества предоставляются рекомендуемые данные для проведения профилактических мероприятий на установках.

1.1.4 Отклонение частоты

Соблюдение частоты в определенных границах относится к необходимому требованию потребителя. При снижении показателя на 1 %, потери составляют более 2 %. Это выражается в экономических затратах, снижение производительности предприятий. Для обычного человека это приводит к повышенным суммам в квитанциях по оплате за электричество.

Скорость вращения асинхронного двигателя напрямую зависит от частоты питающей сети. Нагревающие ТЭНы имеют меньшую производительность при снижении параметра меньше 50 ГЦ. При завышенных значениях может происходить повреждение потребителей либо других механизмов, не рассчитанных на высокий момент вращения.

Отклонение частоты может повлиять на работу электроники. Так на экране телевизора возникают помехи при изменении показателя на ±0,1Гц. Кроме визуальных дефектов, возрастает риск вывода из строя микроэлементов. Методом борьбы с отклонениями качества электроэнергии выступает введение резервных питающих узлов, позволяющих в автоматическом режиме восстанавливать напряжение в установленные промежутки времени.

Для нормальной работы питающей сети введен контроль следующих коэффициентов:

- несинусоидальности кривой напряжения. Искажение синусоиды происходит за счет мощных потребителей: ТЭНов, конвекционных печей, сварочных аппаратов. При отклонениях этого параметра снижается срок службы обмоток двигателей, нарушается работа релейной автоматики, выходят из строя приводные системы на тиристорном управлении;

- временного перенапряжения является количественной оценкой импульсного изменения входной величины;

- n-ой гармоники является характеристикой синусоидальности получаемой на входе характеристики напряжения. Расчетные значения получают из табличных данных для каждой гармоники;

- несимметрия входной величины по обратной или нулевой последовательности важно учитывать для исключения случаев неравномерного распределения фаз. Такие условия возникают чаще при обрыве питающей сети, подключенной по схеме звезды или треугольника.

Повышение качества электроэнергии нужно проводить в определенные законом сроки. Но защиту своего оборудования потребитель вправе выстраивать применением следующих средств:

- стабилизаторы питания гарантируют поддержание входной величины в указанных границах. Достигается качественная энергия даже при отклонениях входной величины более чем на 35 %;

- источники бесперебойного питания предназначены для поддержания работоспособности потребителя в течение установленного промежутка времени. Питание приборов происходит за счет накопленной энергии в собственной батарее. При отключении электричества, бесперебойники способны поддерживать работоспособность аппаратуры целого офиса в течение нескольких часов;

- приборы защиты от скачков напряжения работают по принципу реле. После превышения входной величины установленного предела происходит размыкание цепи.

Все виды защиты приходится комбинировать для обеспечения полной уверенности в том, что дорогостоящая техника останется целой во время аварии на подстанции.

Одним из существенных факторов, определяющих конструктивные требования к системе измеренияприборов контроля качества электроэнергии, используемую элементную базу, систему электропитания, возможности хранения и передачи результатов измерения, равно как и наблюдение за ними в процессе измерений, является процедура измерений - постоянная (непрерывная) или периодическая.

Действующая нормативная документация ориентирует на периодический контроль качества энергии с различными интервалами между очередными контрольными измерениями. Так длительность непрерывных измерений прибора контроля качества электроэнергии с целью контроля выполнения требований этого стандарта определяется 24 ч как обязательная и 7 суток как рекомендуемая. Периодичность контроля качества энергии составляет в зависимости от вида ПКЭ от 2 раз в год до 1 раза в два года. При сертификации электроэнергии периодический контроль в КЭ в сетях электроснабжаюших организаций должен проводиться не реже 1 раза в год, т.е. 3 раза за время действия сертификата на электроэнергию.

1.2 Обзор существующих методов и приборов оценивания частоты и характеристик гармоник трехфазного электрического сигнала

синусоидальный сигнал сеть частота

1.2.1Алгоритмы оценки частоты

Алгоритмы для определения частоты однотонального сигнала: пять интерполяционных метода (метод Якобсена, два метода Макледода, два метода Квина и метод корреляционных функций. Метод корреляционных функций показал наилучшие результаты в отличие от остальных методов на протяжении всего диапазона сигнал-шум (однако он имеет наибольшую вычислительную сложность).

В качестве исследуемого сигнала рассмотрим периодический сигнал с периодом и спектром, ограниченным N-ойгармоникой и белым шумом :

где - амплитуда v-й гармоники, - фаза v-й гармоники.

Для определения номера отсчета истинной частоты сигнала необходимо определить параметр д, который определяет отклонение номера истинной частоты сигнала от номера максимума ДПФ. Номер отсчета и истинная частота определяются по следующим формулам 1.7 и 1.8:

(1.7)

(1.8)

где - частота дискретизации, а - число точек ДПФ.

Все методы, кроме метода корреляционных функций, являются интерполяционными алгоритмами для нахождения параметров сигнала. Суть метода интерполирования является нахождение промежуточных значений величины по имеющемуся дискретному набору известных значений, то есть кривая построенной функции должна точно пройти через имеющиеся точки данных.

В методе Якобсена положение максимального коэффициента сигнала находится с использованием двух смежных коэффициентов ДПФ. В качестве интерполируемой функции выступает квадратичная функция, графиком которой является парабола, и он очень близок к спектру функции исследуемого сигнала (вершина параболы и максимальное значение спектра делят графики пополам).

Параметр в методе Якобсена определяется по формуле 1.9:

(1.9)

Используя формулы (1.7-1.8) определяем номер отсчета частоты и частоту сигнала.

Для исследуемой функции сигнала формируется набор эталонов. Для этого необходимо определить базовую точку, вокруг которой будут создаваться эталоны (обозначим ее через K). Она выбирается из ближайших целых значений частоты измеряемого сигнала. Также необходимо определить шаг, с которым будут формировать эталоны (обозначим его через h). Затем на промежутке произведем формирование эталонов. Для этого спектр оконной функции необходимо сдвигать вправо и влево с шагом h в пределе заданного промежутка и определять 5 точек вокруг базовой точки К. Далее производится анализ на наличие связи в точках между параметрами взвешенного сигнала и эталона, т.е. производиться определение коэффициента корреляции.

Возможность смещать спектр на заданную величину без изменения амплитудного спектра обеспечивается свойством ДПФ. Согласно данному свойству необходимо спектр окна домножить на величину . Таким образом, получается набор эталонных множеств из M точек , каждая точка которого вычисляется по правилу:

	,	(1.10)

где .

Пусть имеется сигнал . Наложим на данный сигнал некоторое окно ,имеющее отличное от нуля значение на временном отрезке ,со спектром для ограничения длительности этого сигнала. В качестве оконной функции автор метода использует окно Кайзера.

Процесс наложения окна представляет собой домножение неограниченного во времени сигнала на ограниченную во времени функцию . Процесс наложения показан на рисунке 1.

Таким образом, в результате наложения окна на сигнал получается новый, ограниченный во времени, сигнал:

	.	(1.11)

а) б)

Рисунок 1 - а) Вид сигнала до наложения на него окна;

б) Вид сигнала после наложения на него окна

Далее производится анализ на наличие связи в точках между параметрами взвешенного сигнала (множеством ) и эталоном (множество ), т.е. производиться определение коэффициента корреляции.

Соответственно, необходимо из набора эталонов Wj выбрать тот, который наиболее точно соответствует множеству Y. Когда эталоны формируются достаточно часто, модуль v-ой гармоники определяется по формуле 1.12:

	.	(1.12)

Наибольшее значение показывает на пару эталон-сигнал и, соответственно, на величину отклонения д от базовой точки. Частота сигнала определяется как разность значений К и д.

1.2.2 Приборы оценивания характеристик гармоник

Современная тенденция развития измерительной техники состоит в интеграции в одном устройстве практически всех измерительных задач. Отсюда следует, что дальнейшим развитием систем контроля электроэнергии является создание многофункциональных измерительных комплексов для контроля сигналов в электросети (МИК). Указанное устройство должно иметь развитую подсистему коммуникации и быть включено в сеть передачи данных.

Современные системы контроля энергосистем строятся на основе цифровой технологии DWE, при которой аналоговые сигналы, поступающие от традиционных устройств (измерительные трансформаторы, датчики, сенсоры и т. д.) преобразовываются в цифровой вид как можно ближе к источнику их зарождения.

Одной из важных функций при выполнении преобразований аналоговых сигналов тока и напряжения в цифровой поток в устройствах DWE является глобальная синхронизация тактов измерений тока и напряжения, выполняемая с использованием сигналов точного времени. При выполнении указанной синхронизации обеспечивается привязка тактов измерения к временной отметке получения сигнала синхронизации с точностью не хуже ±4 микросекунды. В качестве источников сигналов для синхронизации тактов измерений могут выступать спутниковые системы GPS или ГЛОНАСС.

На основании предложенных подходов была предложена структура многофункционального измерительного комплекса, реализованного по технологии DWE (рисунок 2). МИК состоит из гальванически изолированных модулей первичной и вторичной обработки информации МПОИ и МВОИ.



Рисунок 2 - Структурная схема МИК, реализованного по технологии DWE

К входам ВхI и ВхU подключаются датчики тока и напряжения, которые могут быть выполнены для измерения тока в виде шунта, трансформатора тока или пояса Роговского, а для измерения напряжения в виде трансформатора напряжения или резистивного делителя. Модуль первичной обработки информации может быть расположен в высоковольтной зоне непосредственно рядом шунтом или делителем напряжения, имея с ними гальваническую связь. Для осуществления гальванической развязки передача данных между модулями первичной и вторичной обработки информации осуществляется по волоконно-оптической линии связи ОВЛС. Питание модуля первичной обработки информации осуществляется с помощью изолирующего источника питания ИИП, который осуществляет питание модуля первичной обработки информации для предотвращения повреждения всего устройства высоким напряжением при прямом подключении счётчика к измерительному токовому шунту.

Модуль вторичной обработки информации имеет встроенный источник питания, который может подключаться к бортовой сети электроподвижного состава. Интерфейсы позволяют обмениваться данными с системой сбора данных электроподвижного состава или тяговой подстанции. МИК содержит модуль радиосвязи УКВ, модуль GPS/ГЛОНАСС, каждый из которых соединен с соответствующей антенной АНТ1, АНТ2 и модулем вторичной обработки информации.

Обработанные данные поступают по волоконно-оптической линии связи ВОЛС в модуль вторичной обработки информации МВОИ. В этом модуле осуществляется вторичная обработка полученных данных, т.е. регистрация, архивация, хранение, а также передача по запросу стационарным устройствам сбора и подготовки данных с помощью модуля радиосвязи УКВ и антенны АНТ1 или устройствам сбора данных через интерфейсы. Регистрация показаний потребления электроэнергии для подвижного состава в зависимости от тарифной зоны производится с помощью модуля GPS/ГЛОНАСС и антенны АНТ2. Регистрация с учётом временных тарифов осуществляется с помощью встроенных часов реального времени, синхронизируемых системой GPS или ГЛОНАСС.

Применение предлагаемого МИК позволит обеспечить как учет электрической энергии на тягу поездов, так и регистрацию графиков тока, напряжения, потребления и рекуперации активной, реактивной и полной мощности, параметров качества электрической энергии.

На основании схемы, показанной на рисунке 2, разработан МИК для использования на электроподвижном составе (ЭПС), предназначенный для учета электрической энергии на ЭПС, контроля качества электрической энергии. Измерительная цепь по напряжению подключается к частотно-компенсированному высоковольтному резистивному делителю, измерительная цепь по току подключается к токовому шунту.

Для учета параметров электроэнергии по различным часовым зонам в приборе есть часы реального времени, по показаниям которых по заранее введенным данным в программу организованы временные накопители.

В МИК установлен приемник системы глобальной навигации ГЛОНАСС (GPS), который позволяет вести раздельный учет параметров электроэнергии в зависимости от географического местонахождения электроподвижного состава.

Данные с прибора и персональных карт памяти переносятся в единый компьютер по контролю параметров электроэнергии, где проводится дальнейшая обработка этих данных и их анализ.



Библиографический список

1 СТП ОмГУПС-1.2-2005. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные: общие требования и правила оформления текстовых документов. - Омский Государственный Университет Путей Сообщения. Омск, 2005. 28 с.

2ГОСТ Р 32144-2013. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

3 С.Н. Чижма, Е.А. Альтман, Д.А. Елизаров/Анализ точности алгоритмов оценки частоты сигналов в тяговой сети.

4 В.Т. Черемисин, С.Н. Чижма, А.А. Хряков/ Многофункциональный измерительный комплекс для ЭПС и тяговых подстанций.

5 С.Н. Чижма/Новые показатели искажения синусоидальности сигналов в электрических сетях.

Размещено на Allbest.ru

...