СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ НЕСАНКЦИОНИРОВАННОГО ИСКАЖЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 2003 года по МПК G01R21/06 G01R19/00 

Изобретение относится к области контроля качества электрической энергии и может быть использовано при всестороннем оперативном контроле и измерении качества электроэнергии в силовых и слаботочных электрических сетях, а также при разработке многофункциональных счетчиков энергии нового поколения, выполняющих одновременно функции измерения энергии, подлежащей оплате при коммерческих взаимоотношениях между ее поставщиком и получателем, контроля качества электроэнергии с идентификацией источников несанкционированного (недопустимого договорами или ГОСТом) искажения качества с количественной оценкой искажения.

Известные по публикациям устройства контроля качества определяют характеристики напряжения, связанные с несимметрией, несинусоидальностью, частотой, например в [1, 2, 3], не фиксируя зачастую недопустимость несимметрии и (или) нелинейности нагрузки пользователя, при которых в условиях изношенности и ограниченности мощностей существующих сетей искажается симметрия и синусоидальность питающих напряжений, и другие получатели вынуждены использовать некачественную электроэнергию.

Дело усугубляется тем, что при несимметричной нагрузке появляется активная мощность обратной и (или) нулевой последовательностей основной гармоники, а при нелинейности нагрузки - активная мощность высших гармоник фазы с отрицательным знаком, то есть направленные от нагрузки получателя, которые могут распространяться по сетям и попадать к другим получателем, имеющим симметричные и (или) линейные нагрузки [4, 5]. В этом случае виновный в искажении получатель при использовании существующих счетчиков, измеряющих активную энергию, будет недоплачивать за электроэнергию (потери несет поставщик), а сторонний получатель, оплачивая некачественную и не нужную ему энергию, переплачивать, неся потери, так как счетчики алгебраически суммируют все составляющие активной энергии.

Положительность же указанных мощностей указывает на потенциальную виновность в искажении качества поставщика, не сумевшего обеспечить качественного электропитания или допустившего несанкционированную несимметрию и (или) нелинейность нагрузок других получателей.

Но истинный виновный может быть заявлен лишь при выходе за допустимые пределы вводимых ГОСТом [6, с. 15-17] коэффициентов обратной или нулевой последовательностей основной гармоники и коэффициента искажения синусоидальности для каждой фазы.

Нагрузки получателя и качество поставляемой электроэнергии изменяются в течение суток, поэтому важно обеспечить постоянно действующий мониторинг качества энергии с указанием источников возможного искажения и временной привязкой, осуществляемый с помощью многофункционального счетчика нового поколения. Как часть проблемы разработки такого счетчика является создание способа выявления источников несанкционированного искажения с временной привязкой и его количественной оценкой.

Заявителю не известны публикации, связанные с постановкой и решением этого вопроса в таком объеме.

Указанная задача решается тем, что в точке контроля качества энергии получателя через нормативные промежутки времени производятся контрольные измерения периодических кривых напряжений и токов всех фаз, каждая из которых представляется в виде нескольких дискретных мгновенных значений, получаемых за период с помощью датчиков напряжения или тока; и для каждого контрольного измерения все периодические кривые напряжений и токов раскладываются в ряд Фурье на установленное ГОСТом число гармоник, потом для основной гармоники рассчитываются напряжения, токи и активные мощности прямой, обратной и нулевой последовательностей, соответствующих разложению фазных напряжений и токов на симметричные составляющие, и коэффициенты обратной и нулевой последовательностей и для каждой фазы вычисляются активные мощности высших гармоник и коэффициент искажения синусоидальности; затем для каждого контрольного измерения производится анализ качества энергии по отдельности для обратной и нулевой последовательностей основной гармоники и по каждой фазе для суммы высших гармоник с учетом соответствующих активных мощностей и коэффициентов по единому правилу: при нахождении коэффициента в допустимых пределах несанкционированного искажения качества нет, а при выходе коэффициента за допустимые пределы при отрицательности соответствующей мощности виновным в несанкционированном искажении является получатель электроэнергии, при ее положительности - поставщик, причем отрицательность активной мощности обратной и (или) нулевой последовательностей основной гармоники свидетельствует о несимметрии нагрузки получателя, а отрицательность суммы активных мощностей высших гармоник фазы свидетельствует о нелинейности нагрузки, и результаты анализа для контрольных измерений запоминаются; если виновным в искажении является поставщик электроэнергии, можно произвести аналогичные измерения и расчеты для других получателей одновременно или последовательно по мере перехода от одного объекта анализа к другому.

Заявленный способ может сопровождаться количественной оценкой степени искажения качества электроэнергии путем сравнения несанкционированной и санкционированной энергий, для чего на каждом контрольном измерении лишь для положительных активных мощностей рассчитываются приращения активных энергий на временном интервале между рассматриваемым и предыдущим контрольными измерениями, потом суммированием приращений активных энергий обратной и (или) нулевой последовательностей основной гармоники, если источник искажения - несимметрия питания, и (или) положительной суммарной энергии высших гармоник фаз, если источник искажения - несинусоидальность, при виновности поставщика в несанкционированном искажении определяется приращение несанкционированной энергии, причем при отсутствии этого искажения или виновности получателя такое приращение принимается равным нулю, и суммированием приращений всех положительных энергий (прямой, обратной и нулевой последовательностей основной гармоники, а также высших гармоник всех фаз) за вычетом приращения несанкционированной энергии рассчитывается приращение санкционированной энергии на рассматриваемом временном интервале, а затем подлежащая оплате санкционированная и неоплачиваемая несанкционированная энергии вычисляются прибавлением их приращений к значениям этих энергий на предыдущем контрольном измерении.

Такой способ может быть использован в многофункциональных счетчиках электроэнергии нового поколения, позволяющих выполнять по данным измерений расчеты всех требуемых ГОСТом показателей качества, например отклонение частоты от номинальной, с разделением санкционированной и несанкционированной электроэнергий, с указанием виновного в несанкционированном искажении качества энергии и его количественной оценкой.

Пояснение сущности изобретения.

Контрольные измерения напряжений и токов фаз выполняются с помощью датчиков напряжения и тока через определенные промежутки времени, задаваемые требуемой точностью и техническими возможностями реализующих аппаратных средств. Снятие на каждом контрольном измерении периодических кривых напряжений и токов, представляющих геометрическое место всех мгновенных значений соответствующего напряжения или тока за период, осуществляется измерением через равные промежутки времени за период мгновенных значений, число которых зависит от требуемой точности и возможностей элементной базы. Для каждой кривой рационально измерение нескольких десятков, лучше 80-100 точек за период.

Разложение каждой кривой в ряд Фурье означает нахождение действующих значений и начальных фаз гармоник кратных между собой частот [7, с. 550]: для кривых напряжений -U₍₁₎, ϕ_(1)u, U₍₂₎, ϕ_(2)u ..., а для кривых тока -I₍₁₎, ϕ_(1)iI₍₂₎, ϕ_(2)i ..., значения которых определяются численным интегрированием, например методом Симпсона [7, с. 391]. Максимальное число гармоник может варьироваться. Например, ГОСТ [6, с. 15] предусматривает 40 гармоник.

Выполнение процедуры разложения в ряд Фурье предусматривает численное определение точного периода Т как интервала времени, через который начинают повторяться мгновенные значения кривой, однозначно определяющего частоту f= 1/T.

Разложение фазных напряжений и токов основной гармоники на симметричные составляющие производится по формулам [8], записанным в комплексном виде едино для напряжении и токов

где комплексы фазных напряжений или токов; комплексы прямой, обратной и нулевой последовательностей соответственно, единичный комплексный множитель a = e^j2π/3.
Рассчитанные комплексы последовательностей для основной гармоники однозначно определяют действующие значения и начальные фазы: напряжения -U₁₍₁₎, ϕ_1(1)u, U₂₍₁₎, ϕ_2(1)u, U₀₍₁₎, ϕ_0(1)u и тока -I₁₍₁₎, ϕ_1(1)i, I₂₍₁₎, ϕ_2(1)i, I₀₍₁₎, ϕ_0(1)i. По ним затем вычисляются активные мощности последовательностей

Суммарная активная мощность высших гармоник каждой фазы

где l - индекс гармоники; l_max - наибольшее число рассматриваемых гармоник.

Коэффициенты обратной К₂₍₁₎, нулевой K₀₍₁₎ последовательностей основной гармоники и искажения симметрии фазы К_и(все - в %) определяются ГОСТом [6, с. 15-17 ] как
К₂₍₁₎=100U₂₍₁₎/U_фном; (4)
К_о=100U_о(1)/U_фном; (5)

где U_фном - номинальное фазное напряжение. ГОСТ [6] лимитирует их наибольшие допустимые значения - К_2д, К_0д и К_ид. Выход указанных в (4)÷(6) коэффициентов за наибольшие допустимые значения определяет несанкционированное искажение качества электроэнергии.

Выявление источников несанкционированного искажения производится постоянно, при каждом контрольном измерении. Анализ результатов, которые в числе прочих данных могут быть представлены графически или таблично по отдельности для обратной и нулевой последовательностей основной гармоники и для суммы высших гармоник каждой фазы, позволяет выявить истинную причину искажения качества энергии с временными привязками и избежать множество юридических конфликтов.

Процедура анализа качества электроэнергии заключается в выполнении пяти однотипных групп сравнений, в каждой группе анализируются один коэффициент и одна активная мощность: 1) коэффициент и активная мощность обратной последовательности основной гармоники; 2) коэффициент и активная мощность нулевой последовательности основной гармоники; 3) ÷5) по отдельности для каждой фазы коэффициент искажения синусоидальности и суммарная активная мощность высших гармоник.

Правило выявления виновных в искажении качества для каждой группы сравнений единое: при выходе коэффициента за допустимые пределы положительность анализируемой мощности указывает на виновность поставщика, отрицательность - получателя, причем отрицательность активной мощности обратной и (или) нулевой последовательностей основной гармоники свидетельствует о несимметрии нагрузки получателя, а отрицательность суммы активных мощностей высших гармоник одной или нескольких фаз - о нелинейности нагрузки.

Любая активная энергия рассчитывается для положительных активных мощностей соседних контрольных измерений суммированием приращения энергии на рассматриваемом временном интервале и значения энергии на предыдущем контрольном измерении
W_t = ∫P(t)dt = W_t-1+ΔW_t.
Количественная оценка степени искажения качества электроэнергии за любое время работы может быть получена сравнением санкционированной и несанкционированной энергией. Санкционированная энергия - часть переданной получателю суммарной энергией, качество которой отвечает нормативным документам и договорам между поставщиком и получателем, несанкционированная - энергия недопустимого (несоответствующего документа) качества.

Рассчитываемое лишь при виновности в искажении качества энергии поставщика приращение несанкционированной энергии ΔW_H: при несимметрии питания по обратной и (или) нулевой последовательностей основной гармоники
ΔW_Н = ΔW+2

+ΔW+o; (8)
при несинусоидальности питающих напряжений
ΔW_H = ΔW+Aв+ΔW+Bв+ΔW+Cв, (9)
где ΔW+2, ΔW+0, ΔW+Aв, ΔW+Вв, ΔW+Cв - приращения энергий, определяемые положительными значениями активных мощностей, соответствующих обратной (индекс 2), нулевой (индекс 0) последовательностям основной гармоники, суммарной мощности высших гармоник каждой фазы (индексы А, В, С).

Если виновный в искажении качества - получатель электроэнергии, или если несанкционированного искажения качества нет, приращение
ΔW_H=0 (10)
Приращение санкционированной энергии
ΔW_C = ΔW₁+ΔW+2

+ΔW+0+ΔW+Aв+ΔW+Bв+ΔW+Cв-ΔW_H, (11)
где ΔW₁ - приращение энергии, соответствующее активной мощности прямой последовательности основной гармоники.

Санкционированная и несанкционированная энергии за рассматриваемое время работы определяются суммированием приращений по всем интервалам.

Анализ научно-технической литературы показал, что отсутствуют способы выявления источников искажения качества электроэнергии с указанной совокупностью признаков. Следовательно, предложение отвечает условию новизны.

Кроме того, цель изобретения достигается всей введенной совокупностью признаков, которая в указанном сочетании не обнаружена. Поэтому предложение отвечает условию изобретательского уровня.

Предложенный способ может быть реализован как в виде самостоятельного устройства, так и в составе многофункционального счетчика электроэнергии. Реализующее устройство должно содержать по числу фаз три (или меньшее число с возможностью переключения на разные фазы) датчика напряжения, например потенциометры, и три (или меньше при возможности переключения на другие фазы) датчика тока, например, проходные трансформаторы тока или шунты, два или больше аналого-цифровых преобразователей (АЦП), два возможных мультиплексора для переключения датчиков на другие фазы, микропроцессор и различные цифровые блоки, включая цифровой и сигнальный процессоры, набираемые из серийно выпускаемых отечественной или зарубежной промышленностью комплектов, различные виды памяти, дисплей, принтер, таймер, клавиатура. Все узлы могут быть созданы на доступной элементной базы.

Список литературы
1. Птицын О. В., Кузнецов И.Ю. Устройство для контроля качества электроэнергии, RU 2024877 C1, опубликован в БИ, 1994, 23.

2. Ермаков В. Ф. Устройство для оперативного контроля текущей мощности нагрузок электропотребителей, RU 2066056 C1, опубликован в БИ 1996, 24.

3. Вакуленко А.Г. и др. Многофункциональная программно-аппаратная система мониторинга электрических характеристик. - "Промышленная энергетика", 1998, 3.

4. Соколов В.С., Чернышова Н.В. Предложение по инженерному решению проблемы качества электрической энергии. - "Промышленная энергетика", 2001, 8, с. 51-53.

5. Соколов В.С. и др. Проблемы установления размера ответственности за ухудшение качества электрической энергии и пути их решения. - "Промышленная энергетика", 2000, 8, с. 52-58.

6. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск: "Издательство стандартов", 1998. - 29 с.

7. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1964. - 608 с.

8. Зевеке. Г.В. и др. Основы теории цепей. М. - Л.: Энергия, 1965. - 487 с.

Использование: при оперативном контроле и измерении качества энергии в силовых и слаботочных сетях, при разработке многофункциональных счетчиков нового поколения, выполняющих одновременно функции измерения подлежащей оплате энергии, контроля качества электроэнергии с идентификацией источников искажения качества и количественной оценкой искажения. Технический результат заключается в создании способа выявления источников несанкционированного искажения качества электроэнергии с временной привязкой и его количественной оценкой. Датчики осуществляют контрольные измерения мгновенных напряжений и токов фаз, затем производится их гармонический анализ и разложение напряжений и токов основной гармоники на симметричные составляющие, рассчитываются активные мощности последовательностей основной гармоники и суммарные мощности высших гармоник фаз, а также коэффициенты обратной и нулевой последовательностей и искажения синусоидальности. Знаки и величины составляющих активной мощности с учетом этих коэффициентов позволяют выявить источник искажения и рассчитывать оплачиваемую санкционированную и несанкционированную энергии. 1 з.п.ф-лы.

1. Способ выявления источников несанкционированного искажения качества электроэнергии несимметричными и (или) нелинейными нагрузками ее получателя или вследствие снабжения поставщиком некачественной энергией при коммерческих расчетах, при котором в точке контроля качества энергии получателя через нормативные промежутки времени производятся контрольные измерения периодических кривых напряжений и токов всех фаз, каждая из которых представляется в виде нескольких дискретных мгновенных значений, число которых зависит от требуемой точности, получаемых за период с помощью датчиков напряжения или тока; и для каждого контрольного измерения все периодические кривые напряжений и токов раскладываются в ряд Фурье на установленное ГОСТом число гармоник, потом для основной гармоники рассчитываются напряжения, токи и активные мощности прямой, обратной и нулевой последовательностей, соответствующих разложению фазных напряжений и токов на симметричные составляющие, и коэффициенты обратной и нулевой последовательностей, и для каждой фазы вычисляются суммарные активные мощности высших гармоник и коэффициент искажения синусоидальности; затем для каждого контрольного измерения производится анализ качества энергии по отдельности для обратной и нулевой последовательностей основной гармоники и по каждой фазе для суммы высших гармоник с учетом соответствующих указанным последовательностям и высшим гармоникам фаз активных мощностей и коэффициентов по единому правилу: при нахождении коэффициента в допустимых пределах несанкционированного искажения качества нет, а при выходе любого коэффициента за допустимые пределы при отрицательности соответствующей ему мощности виновным в несанкционированном искажении является получатель электроэнергии, при ее положительности - поставщик, причем отрицательность активной мощности обратной и (или) нулевой последовательностей основной гармоники свидетельствует о несимметрии нагрузки получателя, а отрицательность суммы активных мощностей высших гармоник любой фазы свидетельствует о нелинейности нагрузки, и результаты анализа для контрольных измерений запоминаются; если виновным в искажении является поставщик электроэнергии, можно произвести аналогичные измерения и расчеты для других получателей одновременно или последовательно по мере перехода от одного объекта анализа к другому. 2. Способ по п. 1, при котором для количественной оценки степени искажения качества электроэнергии путем сравнения несанкционированной и санкционированной энергии на каждом контрольном измерении лишь для положительных активных мощностей рассчитываются приращения активных энергий на временном интервале между рассматриваемым и предыдущим контрольными измерениями; потом суммированием приращений активных энергий обратной и (или) нулевой последовательностей основной гармоники, если источник искажения - несимметрия питания, и (или) положительной суммарной энергии высших гармоник фаз, если источник искажения несинусоидальность, при виновности поставщика в несанкционированном искажении определяется приращение несанкционированной энергии, причем при отсутствии этого искажения или виновности получателя такое приращение принимается равным нулю, и суммированием приращений всех положительных энергий: прямой, обратной и нулевой последовательностей основной гармоники, а также высших гармоник всех фаз, за вычетом приращения несанкционированной энергии рассчитывается приращение санкционированной энергии на рассматриваемом временном интервале, а затем подлежащая оплате санкционированная и неоплачиваемая несанкционированная энергия вычисляются прибавлением их приращений к значениям этих энергий на предыдущем контрольном измерении.