СПОСОБ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА Российский патент 2004 года по МПК H02J3/01 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано как составная часть комплексного активного контроля всех показателей качества электрической энергии.

В практике использования электрической энергии колебания принято оценивать лишь по напряжению. Такую оценку можно считать объективной, если принять, что электроэнергетические системы состоят лишь из линейных элементов, когда форма тока практически не отличается от формы напряжения. Но о современных электроэнергетических системах, в состав которых входит все больше и больше нелинейных элементов, такого сказать нельзя. Поэтому в современных электроэнергетических системах наряду с оценкой колебаний напряжения для объективного контроля качества напряжения следует оценивать и колебания тока.

Колебаниями напряжения и тока считают кратковременные (протяженностью до одной минуты) отклонения этих величин от номинальных значений. Причем эти отклонения должны быть установившимися. Поэтому длительность оценивания уровней колебаний напряжения и тока должна быть не менее десяти минут. Только при соблюдении этих условий можно рассчитывать на объективность суждения о состоянии уровней колебаний напряжения и тока.

Согласно требованиям действующего межгосударственного стандарта ГОСТ 13109-97 “Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего пользования” [1] колебания напряжения оцениваются двумя показателями качества электрической энергии: размахом изменения и дозой фликера. Подобными показателями следует оценивать и колебания тока.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу автоматизированного активного контроля колебаний напряжения и тока можно назвать фликерметр [2]. Подобное техническое решение реализовано в приборе ЭРИС-КЭ.02, разработанном в ООО “Энергоконтроль”. Однако этот прибор предназначен лишь для пассивного контроля показателей качества электрической энергии, то есть лишь для регистрации количественных характеристик этих показателей и, в лучшем случае, для регистрации соответствия или несоответствия их своим нормативным значениям.

Задачей изобретения является формирование алгоритма автоматизированного активного контроля колебаний напряжения и тока, то есть создание алгоритма формирования сигнала управления устройствами, предназначенными для корректировки уровней колебаний напряжения и тока. Такими устройствами могут быть, например, сглаживающие устройства.

Технический результат достигается тем, что исходными данными для алгоритма активного контроля колебаний напряжения и тока являются аналоговые кривые этих характеристик электрической энергии, преобразованные в аналого-цифровом преобразователе в совокупность дискретных значений, из которых следует получить действующие значения напряжения и тока за половину периода изменения этих величин на частоте основной гармонической составляющей, необходимые для получения сведений о количественной оценке размаха изменений напряжений и тока, а также при использовании амплитудно-частотной характеристики зрительного анализатора человека - дозы фликера напряжения и тока. При нарушении нормативных величин этих показателей качества электрической энергии формируется сигнал управления соответствующими корректирующими устройствами. Автоматизация активного контроля колебаний напряжения и тока обеспечивается при использовании средств вычислительной техники.

Для определения уровня колебания напряжения здесь вполне приемлемы рекомендации действующего на территории России межгосударственного стандарта [1].

Размах колебаний межгосударственный стандарт рекомендует определять по формуле

где U_i и U_i+1 - действующие значения двух соседних экстремумов кривой напряжения; U_ном - действующее номинальное значение анализируемого напряжения.

Используемые в формуле (1) напряжения U_i и U_i+1 представлены своими действующими значениями, определенными на каждом полупериоде основной частоты. Процедура определения этих значений может быть реализована при выполнении вычислений по формуле

где Т₀ - период изменения основной гармонической составляющей напряжения; u - мгновенное значение анализируемого напряжения.

При реализации контроля размаха колебания напряжения в данном случае, когда предусматривается предварительное разложение аналоговых значений напряжения и тока в дискретные уже на начальном этапе анализа, математическую формулировку для определения действующего значения напряжения (2) можно представить в ином виде:

где N₀ - число квантований (дискретных значений) за период изменения основной гармонической составляющей анализируемого напряжения; u_p - величина напряжения при р-ом квантовании; Δt - величина одного квантования, определяемая по формуле

Формула (3) с учетом равенства (4) предстанет в виде

Определение действующих значений анализируемого напряжения за каждую половину периода изменения основной гармонической составляющей этого напряжения должно выполняться в течение десяти минут. Затем необходимо зафиксировать факты кратковременных (менее одной минуты) отклонений напряжения от своего номинального значения. Если длительность отклонения напряжения превышает одну минуту, то здесь следует говорить об ином показателе качества электрической энергии, а именно об отклонении напряжения.

Далее по формуле (1) можно определить величины размаха зафиксированных колебаний напряжения.

Проверку соответствия вычисленных размахов колебаний напряжения целесообразно выполнять, исходя из неравенства

где kδ_U - нормативное значение размаха колебаний напряжения.

Подобного рода вычисления следует выполнять и для оценивания размаха колебаний тока.

Процедуру оценивания размаха колебания тока следует начинать с определения действующих значений анализируемого тока за каждую половину периода изменения основной гармонической составляющей по формуле

где i_p - величина тока при р-ом квантовании.

Затем следует определить размахи зафиксированных колебаний тока:

где I_i и I_i+1 - действующие значения двух соседних экстремумов тока; I_i+1 - действующее номинальное значение анализируемого тока.

Далее следует выполнить проверку соответствия вычисленных по формуле (8) размахов колебаний тока своим нормативным значениям:

где kδ_I - нормативное значение размаха колебаний тока.

Нарушение неравенств (6) или (9) является причиной формирования сигнала управления соответствующими корректирующими устройствами или сигнала для выполнения иных технических или организационных мероприятий.

Несколько сложней дело обстоит с оценкой дозы фликера.

Судя по определению, приведенному в действующим межгосударственном стандарте [1], оказывается, что фликер есть субъективное восприятие человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети, питающей эти источники.

Из этого же источника информации следует, что доза фликера есть мера восприимчивости человека к воздействию фликера за установленный промежуток времени.

Здесь же сказано, что время восприятия фликера есть минимальное время для субъективного восприятия человеком фликера, вызванного колебаниями напряжения определенной формы.

Здесь, видимо, уместно сделать поправку относительно того, что колебания светового потока вызваны колебаниями электрической энергии, которая характеризуется не только напряжением, но и током.

Доза фликера должна измеряться фликерметром. Реализация этого прибора при автоматизированном активном контроле колебаний напряжения и тока чрезвычайно затруднена. Здесь следует пойти по пути поиска аналитического определения дозы фликера. Положение осложняется субъективным характером этого показателя качества электрической энергии.

В этом случае есть смысл воспользоваться амплитудно-частотной характеристикой зрительного анализатора человека. Однако эта характеристика, как правило, носит сугубо индивидуальный характер. Здесь, видимо, уместно воспользоваться усредненной амплитудно-частотной характеристикой, приведенной в [2]. Подобная характеристика продублирована на фиг.1.

В данном случае одна из самых приемлемых формулировок для определения дозы фликера по напряжению может быть представлена так:

где q(f) - значение ординаты амплитудно-частотной характеристики зрительного анализатора человека при частоте колебаний ƒ; T_u - период измерения дозы фликера ψ_tSU.

Минимальный период измерения для определения по формуле (10) кратковременной дозы фликера согласно действующему в настоящее время межгосударственному стандарту определяется интервалом времени в 10 (десять) минут. Размах колебаний, судя по изложенному выше, измеряется тоже за такой же интервал времени.

Речь о дозе фликера может идти лишь в том случае, если за этот период измерения зарегистрировано несколько колебаний напряжения. Только в этом случае можно судить о частоте этих колебаний и определить ее по формуле

где n - число колебаний напряжения за период измерения, равный не менее 10 (десяти) минутам и оцениваемый в секундах.

Именно по этой частоте и следует из амплитудно-частотной характеристики, изображенной на фиг.1, определять необходимую для формулы (10) ординату.

Размах колебаний напряжения согласно рекомендациям действующего межгосударственного стандарта определяется за каждую половину периода изменения основной гармонической составляющей этого напряжения. Если частота основной гармонической составляющей напряжения равна 50 (пятидесяти) герцам, то половина ее периода составит 10 (десять) миллисекунд; в интервал времени, равный 10 (десяти) минутам, входит 60000 (шестьдесят тысяч) таких полупериодов.

С учетом сказанного формулу (10) можно представить в более приемлемом для данного случая виде:

где k - количество зарегистрированных за цикл измерений размахов колебаний напряжения δU.

Далее после определения численного значения кратковременной дозы фликера следует проверить его соответствие своему нормативному значению по неравенству

где kΨ_SU - нормативное (допустимое) значение кратковременной дозы фликера по напряжению.

Нарушение этого неравенства является поводом для формирования сигнала управления соответствующими техническими и организационными мероприятиями.

При выполнении условия (13) есть смысл проверить стабильность этого показателя качества электрической энергии и определить длительную дозу фликера. Для этого необходимо продолжить процедуру описанных выше измерений.

Для определения длительной дозы фликера весь комплекс измерений кратковременной (десятиминутной) дозы фликера следует повторить еще 11 (одиннадцать) раз, то есть цикл измерений увеличивается до двух часов. Количественно длительная доза фликера по напряжению определяется по формуле

где Ψ_tSUi - кратковременная доза фликера по напряжению на i-ом интервале времени.

Длительная доза фликера по напряжению обычно нормируется. Проверка соответствия этого показателя качества электрической энергии осуществляется неравенством

где kΨ_LU - максимально допустимое значение длительной дозы фликера по напряжению.

Так определяются доза фликера по напряжению, а также ее длительность.

Колебания тока тоже оказывают воздействие на зрительный анализатор человека. В современных электроэнергетических системах, как уже указывалось выше, колебания тока могут не повторять колебания напряжения. Поэтому имеет смысл оценивать и дозу фликера по току.

Дозу фликера по току следует оценивать по аналогично изложенной методике. В этом случае формулы (10), (12) и (13) несколько видоизменятся.

Так, начальная формулировка для определения дозы фликера по току имеет вид

Для данного случая кратковременную дозу фликера по току есть смысл определять так:

где k - количество зарегистрированных за цикл измерений размахов колебаний тока δI.

Перед описываемой процедурой должно быть установлено нормативное значение кратковременной дозы фликера по току kΨ_SI.

Проверка соответствия фактической кратковременной дозы фликера по току ее нормативному значению выполняется по неравенству

Длительная доза фликера по току формируется из двенадцати последовательных измерений кратковременных доз фликера:

где Ψ_tSIi - кратковременная доза фликера по току на i-том интервале времени.

Для длительной дозы фликера тоже следует устанавливать нормативные значения, проверка соответствия которым должна выполняться согласно неравенству

где kψ_LI - максимальное допустимое значение длительной дозы фликера по току.

На фиг.2 представлена структурная схема оценки уровня колебания напряжения, а на фиг.3 - структурная схема оценки уровня колебания тока. В этих схемах приняты следующие обозначения: i и j - текущие полупериоды анализируемой характеристики; k - число текущих одноминутных интервалов времени; t и n - текущие номера зарегистрированных колебаний анализируемой характеристики за десятиминутный интервал, в данном случае напряжения; L - номер десятиминутного интервала времени измерения.

Таким представляется алгоритм активного контроля уровня колебаний напряжения и тока, который реализуется при современном развитии вычислительной техники. При этом следует иметь в виду, что амплитудно-частотная характеристика зрительного анализатора человека должна быть задана заранее, хотя бы в том виде, как это представлено на фиг.1, и храниться в памяти соответствующего процессора.

Источники информации

1. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения: ГОСТ 13109-97. - Минск: Межгосударственный Совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1998. - 31 с.

2. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 168 с.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в процессе измерения и контроля основных показателей качества электрической энергии. Технический результат состоит в автоматизации процессов измерения и активного контроля колебаний напряжения и тока. Для достижения технического результата осуществляют измерение колебаний напряжения, которые представляют в виде аналоговых кривых основных характеристик электрической энергии. Определяют действующие значения напряжения и тока за половину периода изменения этих величин на частоте основной гармонической составляющей, которые используют для получения сведений о количественной оценке размаха изменений напряжений и тока, а также при определении амплитудно-частотной характеристики зрительного анализатора человека - дозы фликера напряжения и тока. При превышении нормативных величин показателей качества электрической энергии формируется сигнал управления соответствующими корректирующими устройствами. 3 ил.

Способ автоматизированного активного контроля колебаний напряжения и тока, выполняемый с помощью средств вычислительной техники, заключающийся в сравнении фактических размахов колебаний и доз фликера напряжения и тока с нормативными значениями этих величин, отличающийся тем, что процедуре определения фактических размахов колебаний и доз фликера напряжения и тока предшествует преобразование аналоговых значений напряжения и тока в дискретные, выявление среднегеометрических значений напряжения и тока за каждые половину периода их изменения, а затем выявляется факт колебания напряжения и тока, определяется размах их колебаний и с помощью амплитудно-частотной характеристики зрительного анализатора человека определяются кратковременные, а затем длительные дозы фликера напряжения и тока, а при превышении фактическими величинами размахов колебаний и доз фликера напряжения и тока своих нормативных значений формируется сигнал управления корректирующими устройствами.