СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЯ, ИСКАЖАЮЩЕГО ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В УЗЛЕ ЭНЕРГОСНАБЖАЮЩЕЙ ОРГАНИЗАЦИИ, И ЕГО ВКЛАДА В ИСКАЖЕНИЕ Российский патент 2005 года по МПК G01R21/00 

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано при организации коммерческих отношений энергоснабжающей организации и потребителей электрической энергии в условиях ухудшенного ее качества в части несимметрии и несинусоидальности.

Известен способ определения потребителя, ухудшающего качество электрической энергии, в котором сравнивают значения показателей качества электрической энергии при отключенном и включенном потребителе [Правила присоединения потребителя к сети общего назначения по условиям влияния на качество электроэнергии, Главгосэнергонадзор, 1991 г.]. Этот способ позволяет выявить источник искажения и его вклад в искажение в конкретный момент времени. Однако, при этом фиксируют показатели качества электрической энергии в узле до подключения потребителя, которые в дальнейшем считают неизменными, что не совсем корректно, а изменения параметров качества электрической энергии после подключения нового потребителя объясняют влиянием только последнего подключенного потребителя. На самом деле параметры качества электрической энергии в узле претерпевают постоянные изменения в течение всего времени энергоснабжения и эти изменения зависит от всех искажающих нагрузок. Отследить происшедшие изменения вклада каждой искажающей нагрузки в искажение в узле этот способ не позволяет.

Известен способ определения потребителя, ухудшающего качество электрической энергии, в котором определяют угол между током искажающего параметра через нагрузку и напряжением искажающего параметра в узле сети, к которому эта нагрузка подключена [Методика контроля и анализа качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения, главное управление по государственному энергетическому надзору, РФ, Москва, Екатеринбург, 1995 г.], и по характеру этого угла определяют, является ли потребитель искажающей нагрузкой. Этот способ в условиях большого количества искажающих нагрузок не позволяет корректно определить по углу конкретную искажающую нагрузку, так как если величина и фаза тока определяются конструктивными особенностями нагрузки и напряжением основной (промышленной частоты), то величина и фаза напряжения определяется совокупным влиянием всех источников искажающих токов. Таким образом, искажающий ток нагрузки и напряжение искажающего параметра в узле, к которому подключена нагрузка, практически не зависят друг от друга и по углу между ними невозможно определить точно, генерирует ли исследуемая нагрузка искажающий ток либо потребляет.

Известен способ определения потребителя, ухудшающего качество электрической энергии, в котором измеряют искажающие токи нагрузок и напряжения искажающего параметра в узле, в котором подключены эти нагрузки. По замеренным токам и напряжениям определяют мощность искажения в каждом потребителе и по полярности мощности определяют, генерирует ли исследуемая нагрузка искажение или потребляет [патент США №5508623]. Этот способ взят за прототип. Способ позволяет определить источник искажения параметра качества электрической энергии в случае, когда источник искажения в узле один, однако не позволяет получить объективную оценку его доли в искаженном параметре в условиях большого количества искажающих нагрузок и не позволяет корректно определить по характеру искажающей мощности конкретную искажающую нагрузку, так как если величина и характер искажающей мощности определяется конструктивными особенностями нагрузки и напряжением основной (промышленной частоты), то величина и фаза напряжения определяется совокупным влиянием всех источников искажающих мощностей. Таким образом, искажающая мощность нагрузки и напряжение искажающего параметра в узле, к которому подключена нагрузка, практически не зависят друг от друга и по характеру искажающей мощности невозможно определить точно, генерирует ли исследуемая нагрузка искажение или потребляет.

Техническая задача изобретения состоит в определении источника искажения параметра качества электрической энергии (источников токов обратной и нулевой последовательностей основной частоты и токов высших гармоник) и его доли в искаженном параметре (доли в несимметрии и несинусоидальности напряжений) по результатам измерений искажающих токов нагрузок и напряжения искажающего параметра в узле, в котором подключены эти нагрузки.

Указанный технический результат достигается тем, что с заданной дискретностью в течение заданного времени или во время любых переключений в схеме измеряют для искажающего параметра значения напряжения на шинах и тока потребителя, затем каждое измерение соотносят со всеми остальными и рассчитывают на основании измерений сопротивление неискажающей нагрузки каждого потребителя, подключенного через соединительный элемент к узлу, рассчитывают ток искажения искажающей нагрузки каждого потребителя и определяют долю искажающей нагрузки каждого потребителя в искаженном параметре качества электрической энергии.

Отличие от прототипа заключается в новой форме определения источника искажения параметра качества электрической энергии и его доли в искаженном параметре качества электрической энергии. Это обуславливает соответствие технического решения критерию новизна.

С точки зрения качества электрической энергии всех участников системы электроснабжения можно разделить на три условные группы:

- Только источники искажений (выпрямительная нагрузка металлургических заводов, тяговая нагрузка железной дороги и т.п.);

- Только потребители искажений (синхронные, асинхронные двигатели, генераторы, конденсаторные батареи, реакторы и т.п.);

- Смешанная нагрузка, т.е. содержащая как источники так и потребители искажений.

Организационная проблема участников системы электроснабжения по вопросам качества электрической энергии заключается в следующем: а) необходимо отделить источники искажений (виновников ухудшения показателей качества электрической энергии) от потребителей искажений (пострадавших от ухудшенного качества электрической энергии), б) необходимо взять с источников искажений оплату за внесенное искажение и справедливо распределить ее среди потребителей искажений.

Рассмотрим работу системы электроснабжения, в которой имеются генераторы, источники искажения (несимметричные и несинусоидальные потребители) и неискажающие потребители (асинхронные и синхронные двигатели). Источники искажения считаем идеальными источниками токов. Потребители искажений моделируем проводимостями.

Так как элементы сети и все математические преобразования линейны, то применяется метод наложения, при этом каждый вид искажения рассматривается отдельно.

Для i-ого узла системы электроснабжения с несколькими разноплановыми потребителями имеем схему замещения, изображенную на Фиг.1. На схеме электроснабжающая организация и потребители замещаются эквивалентными источниками тока искажения (I_j) и проводимостями неискажающих нагрузок (Y_j). При этом ток I_c учитывает влияние сети и других искажающих нагрузок, не принадлежащих к узлу i.

Токи искажения (I_j) - это токи, создаваемые искажающим оборудованием потребителя. Проводимости нагрузок Y_j - это проводимости неискажающего оборудования потребителей.

Для схемы на Фиг. 1 напряжение искажения определяется по формуле:

Здесь для каждого искажающего потребителя имеем его долю в напряжении искажения:

Разделив долю каждого искажающего потребителя на напряжение искажения, получим в относительных единицах его долю в этом напряжении:

В выражении (3) за базу принята геометрическая сумма всех искажающих токов. При такой базе относительная величина доли искажения может принимать значения больше единицы, что не очень удобно. Целесообразно за базу принять арифметическую сумму токов. Это не повлияет на соотношение долевых вкладов, но в то же время суммарная величина вклада не будет превышать единицу.

Обычно определены величины нормально и предельно допустимых значений напряжений искажения. Если считать, что токи искажения заданы в Договорах с каждым потребителем i-ого узла, тогда можно определить нормально и предельно допустимые суммарные проводимости узла, обеспечивающие при этих токах нормально и предельно допустимые напряжения искажения:

В выражении (4) U^доп является скалярной величиной, а искажающие токи - комплексами, таким образом, полная проводимость будет определяться геометрической суммой токов искажения.

Допустимую расчетную проводимость для j-того узла определим из выражения:

В этом выражении Д_i - скалярная величина, что позволяет принять:

где ϕ_j,расч и - углы расчетных допустимых значений проводимостей для j-той и суммарной соответственно.

В этом случае, приняв за ось отсчета, Yдопj,расч

можно рассматривать как проекцию фактической проводимости j-ого потребителя на данную ось, при которой обеспечивается Таким образом, задачей потребителя является создание таких Yдопj,факт, чтобы их проекции на ось Y∑доп,расч были равны Yдопj,расч. Величину в этом случае можно определить из выражения:

Расчетная проводимость устанавливается каждому потребителю, имеющему искажающее оборудование, и имеет следующий смысл: каждый искажающий потребитель участвует в создании напряжения искажения этой проводимостью и как только фактическое напряжение искажения в узле превысит нормально (предельно) допустимое, то каждому искажающему потребителю вводятся добавки к тарифу, каждому неискажающему - скидки, каждому смешанному потребителю - скидки или надбавки в зависимости от коэффициента K^тар:

Для неискажающего потребителя Y_рас=0, имеется только Y_факт, поэтому ему начисляется только скидка к тарифу в соответствии с величиной K^тар.

Для искажающего потребителя Y_факт=0, поэтому ему начисляется добавка к тарифу в соответствии с величиной K^тар.

У смешанного потребителя имеются как Y_расч, так и Y_факт, поэтому для него рассчитывается К^тар, и если знак у коэффициента будет отрицательный, то начисляется надбавка, если положительный - скидка к тарифу.

Схема, изображенная на Фиг.1, достаточно условна. Обычно потребители подключены к точке общего присоединения через какую-то связь, чаще всего через трансформатор, сопротивление которого равно Z_Tj, а Y_Tj=1/Z_Tj. Схема замещения, соответствующая этому случаю, изображена на Фиг.2.

Напряжение искажения в точке общего присоединения для схемы на Фиг.2 может быть определено по формуле:

Здесь для каждого искажающего потребителя имеем его долю в напряжении искажения:

Разделив долю каждого искажающего потребителя на напряжение искажения, получим в относительных единицах его долю в этом напряжении:

В этом случае при определении доли Д_j - величину:

считаем эквивалентным током данного потребителя, а величину:

эквивалентным током остальных потребителей. Тогда выражение, определяющее долю потребителя, примет вид:

По аналогии с вышеизложенным подходом можно определить нормально и предельно допустимые суммарные проводимости узла, обеспечивающие нормально и предельно допустимые напряжения искажения:

Установим расчетную долю проводимости каждого потребителя, включая и потребителей, имеющих смешанную нагрузку, в нормально допустимой суммарной проводимости узла (для предельно допустимого случая аналогично):

Аналогично тому, как это предлагалось выше, устанавливается расчетная проводимость каждому потребителю, имеющему искажающее оборудование. Как только фактическое напряжение искажения в узле превысит нормально (предельно) допустимое, то каждому искажающему потребителю вводятся надбавки к тарифу, каждому неискажающему - скидки, каждому смешанному потребителю - скидки или надбавки в зависимости от коэффициента К^тар:

Способ реализуют следующим образом.

Проводимости (Y_j=1/Z_j) и токи искажения (I_j) для исследуемого искажающего параметра каждого потребителя определяем по результатам расчетов или измерений реальных режимов сети по выражениям:

где U' - напряжение в i-ом узле сети в первом режиме;

U’’ - напряжение в i-ом узле сети во втором режиме;

I’_Tj - ток в j-ом трансформаторе в первом режиме;

I’’_Tj - ток в j-ом трансформаторе во втором режиме;

Z_тj - сопротивление j-ого трансформатора.

или

Определяют долевые вклады потребтелей в искажение исследуемого параметра по выражению:

В приложении приведены, иллюстрирующие данную методику, результаты расчетных экспериментов по определению долевых вкладов потребителей в искажение на частоте 11 гармоники для схемы, изображенной на Фиг.2. Расчеты проводились с испльзованием программного комплекса “Качество”, созданного на кафедре Электрических станций сетей и систем ИрГТУ. Для определения токов и напряжений в узлах сети, необходимых для получения проводимостей неискажающих нагрузок и искажающих токов, было рассчитано несколько режимов на частоте 11 гармоники (Приложение, таблица 3). Далее в соответствии с изложенной методикой были определены долевые вклады каждого из искажающих потребителей в ухудшение ПКЭ (Приложение, таблица 5).

Таким образом можно сделать вывод о том, что разработан и математически реализован наиболее полный способ и методика для определения виновников ухудшения ПКЭ и определения их долевых вкладов. Проведенные рассчетные эксперименты подтверждают эффективность данной методики и достоверность получаемых результатов.

Приложение

1. Проведен расчет несинусоидального режима на частоте 11 гармоники по программе “Качество” ИрГТУ для схемы, приведенной на Фиг.2. Параметры схемы на частоте 11 гармоники в таблице 1.

Таблица 1Ветвь схемыАктивное сопротивление (Ом)Реактивное сопротивление (Ом)1-20.3321.11-30.3321101-40.6631321-51.3271541-100.33244

Параметры нагрузок для 11 гармоники в таблице 2.

Таблица 2Номер узлаТок (кА)Фаза тока (град.)Проводимость активная (мкСим)Проводимость реактивная (мкСм)2(6)0.0530754233(7)0.0760597184(8)0.0680497155(9)0.14542513

Мощность питающей энергосистемы (узел № 10) на основной частоте составляет P+jQ=90.57+j13.42 (МВт, MBАр).

2. Выполнен расчет трех режимов (таблица 3).

Режим 1. Параметры схемы и нагрузок соответствуют исходным.

Режим 2 На искажающей нагрузке в узле №3 произведено увеличение тока до 0.17 кА.

Режим 3. По отношению к режиму 2 на искажающей нагрузке в узле №4 произведено увеличение проводимости до 1402+j15 мкСм.

Таблица 3ПараметрыРежим 1Режим 2Режим 3U(узел 1)кВ-8.330+j 8.564-11.730+j 11.410-10.989+j 11.921I(1-2)кА0.0494+J0.01830.0519+j 0.01610.05134+j 0.0157I(1-3)кА0.042+j 0.05250.l+j 0.13340.0999+j 0.1331I(1-4)кА0.0179+j 0.05350.0194+j 0.0520.0323+j 0.0364I(1-5)кА0.078+j 0.0620.0793+j 0.06050.079+j 0.06I(1-10)кА-0.1885-j0.186-0.0251-j 0.262-0.2625-j 0.2456

3. По результатам режимов №1 и №2 по выражениям (16 и 15) определены токи и проводимости нагрузок в узлах 2, 4, 5, 10 (таблица 4).

По результатам режимов №2 и №3 по выражениям (16 и 15) определены токи и проводимости нагрузок в узлах 2, 3, 5, 10 (таблица 4)

Таблица 4№ узлаПо режимам 1 -2По режимам 2-3 I(кА)Y(мкСм)I (кА)Y(мкСм)2(6)0.0433+ j 0.0248750+J200.0428+ j 0.0246752+J203(7)  0.0948+ j0.14693+J804(8)0.01774+ j 0.0565473+J70  5(9)0.0781+ j 0.0604432+j 1030.0779+ j 0.0594640+j22010-0.000044+ j 0.00024992+j 11230-0.00039+ j 0.0007190+j 11250

4. По результатам расчета токов и проводимостей по выражению (18) определены долевые вклады каждого потребителя в искажение на частоте 11 гармоники (таблица 5).

Таблица 5Номер узлаДолевой вклад в искажение60.13670.46680.16290.260100.004

С заданной дискретностью в течение заданного времени или во время любых переключений в схеме измеряют для искажающего параметра значения напряжения на шинах в данном узле сети и токов в трансформаторе каждого потребителя. Определяют сопротивление неискажающей нагрузки каждого потребителя. Определяют ток искажения искажающей нагрузки каждого потребителя. Соотносят полученные для данного потребителя значения со значениями, полученными для всех потребителей, и рассчитывают долю искажающей нагрузки каждого потребителя по зависимости, приведенной в формуле изобретения. 2 ил., 5 табл.

Способ определения потребителя, искажающего показатели качества электрической энергии в узле энергоснабжающей организации, и его вклада в искажение, в котором с заданной дискретностью в течение заданного времени или во время любых переключений в схеме измеряют для искажающего параметра значения напряжения U' в первом режиме и U'' во втором режиме на шинах в данном узле сети и токов в трансформаторе каждого j-ого потребителя I'_Tj в первом режиме и I''_Tj во втором режиме, отличающийся тем, что определяют сопротивление неискажающей нагрузки каждого потребителя, подключенного через элемент с сопротивлением Z_Tj в узле, по выражению

определяют ток искажения искажающей нагрузки каждого потребителя по выражению

и определяют долю искажающей нагрузки каждого потребителя в искаженном параметре качества электрической энергии по выражению

где Y_j=1/Z_j, Y_Tj=1/Z_Tj,.