СПОСОБ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ УРОВНЯ НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ Российский патент 2005 года по МПК H02J3/26 G01R29/16 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для контроля и организации активного воздействия на уровень несимметрии напряжения и тока в электроэнергетических системах трехфазного исполнения, отличающихся низким качеством электрической энергии.

Симметрия напряжений означает равенство фазных (линейных) напряжений между собой. При этом угол сдвига фаз между ними при трехфазном исполнении соответствующей электроэнергетической системы должен быть равен 120°.

Симметрия токов подобным образом означает равенство этих токов между собой и угол сдвига фаз между ними при трехфазном исполнении соответствующей электроэнергетической системы равен 120°.

Нарушение симметрии напряжений и токов отрицательно сказывается на функционировании электроизмерительных приборов, цепей автоматического и информационного обеспечения, электрических двигателей, трансформаторов, линий электропередач и прочего электротехнического оборудования.

Действующим в России межгосударственным стандартом ГОСТ 13109-97 “Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения” [1] предписано оценивать лишь несимметрию линейных напряжений. При этом для оценивания несимметрии напряжения стандартом вводятся коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности и коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Действительно, зная величины линейных напряжений, можно судить и о фазных. Любое изменение фазного напряжения отразится на величине линейного. Оценивание уровня несимметрии напряжения лишь по линейному напряжению может быть достаточным для пассивного контроля означенной здесь проблемы. Для активного контроля уровня несимметрии напряжения, когда необходимо совершенно точно установить наиболее вероятный с точки зрения оптимального решения объект воздействия для соответствующих корректирующих устройств. Очевидно, что изменение лишь одного фазного напряжения неизбежно вызовет изменение двух линейных. Поэтому для формирования активного воздействия на уровень несимметрии напряжения необходима информация и о фазных напряжениях.

Кроме того, результативность активного воздействия на уровень несимметрии напряжения не может быть действенной без учета уровня несимметрии токов. Мало того, без информации об уровне несимметрии токов невозможна достоверная и объективная оценка качества электрической энергии в современных электроэнергетических системах, насыщенных нелинейными элементами.

В современных электроэнергетических системах несимметрия напряжений и токов, как правило, сопровождается несинусоидальностью этих величин. Этот факт тоже необходимо учитывать при организации активного контроля уровня несимметрии напряжений и токов.

В качестве корректирующих устройств здесь следует подразумевать результаты любых технических решений, направленных на уменьшение уровня несимметрии напряжений и токов. Большинство этих решений направлено на уменьшение различия величин фазных напряжений между собой, линейных напряжений между собой, токов между собой [2]. Именно в этом аспекте и следует рассматривать проблему формирования активного контроля уровня несимметрии напряжений и токов.

Задачей изобретения является создание способа автоматизированного активного контроля напряжений и токов.

Технический результат достигается тем, что выполняется контроль уровня несимметрии не только линейных, но и фазных напряжений и токов на частоте каждой гармонической составляющей путем простого сравнения соответствующих величин с использованием средств вычислительной техники. В результате такого контроля при необходимости формируется управляющий сигнал для соответствующих корректирующих устройств.

Процессу формирования сигнала управления корректирующими устройствами предшествует пассивный контроль уровня несимметрии соответствующих характеристик электрической энергии.

На фиг.1 и 2 показаны варианты структурных схем алгоритма пассивного контроля уровня несимметрии этих характеристик. На фиг.3 показана структурная схема алгоритма активного контроля уровня несимметрии линейных напряжений, на фиг.4 представлена структурная схема алгоритма активного контроля фазных напряжений, а на фиг.5 - токов.

Исходными данными для осуществления активного контроля уровня несимметрии напряжений и токов являются временные характеристики каждого линейного и фазного напряжения и тока. Для того чтобы выполнить необходимый анализ, эти характеристики необходимо представить в виде совокупности дискретных величин. Для этого лучше всего использовать аналого-цифровой преобразователь многоканального исполнения.

Из сказанного следует, что для осуществления контроля уровня несимметрии в узле электроэнергетической системы трехфазного исполнения требуется 9-канальный аналого-цифровой преобразователь. Это в том случае, если линия электропередач вблизи исследуемого узла электроэнергетической системы выполнена без расщепления проводов. В противном случае число необходимых для исполнения поставленной задачи каналов аналого-цифрового преобразователя удваивается, утраивается, учетверяется и так далее в зависимости от количества расщеплений.

При анализе уровня несимметрии тока и напряжения в узле электроэнергетической системы шестифазного исполнения требуется минимум 27-канальный аналого-цифровой преобразователь.

Но чаще всего в практике электроснабжения промышленных и иных объектов используются электроэнергетические системы трехфазного исполнения. Поэтому для дальнейшего рассмотрения следует принять именно трехфазную электроэнергетическую систему.

Анализу такого рода особенно в современных электроэнергетических системах, отличающихся пониженным качеством электрической энергии, должен предшествовать анализ уровня несинусоидальности линейных и фазных напряжений и токов. При этом следует руководствоваться рекомендациями патента на изобретение №2122186 “Способ количественной оценки субгармонических и дробных высших гармонических составляющих периодически изменяющихся величин” [3].

Так формируются исходные данные для реализации предлагаемого здесь алгоритма анализа уровня несимметрии напряжений и токов.

Конечная цель такого алгоритма - формирование сигнала управления соответствующими корректирующими средствами. Для выявления необходимости формирования такого контроля нужно оценить существующий до активного вмешательства уровень несимметрии напряжений и токов, то есть выполнить пассивный контроль соответствующих показателей качества электрической энергии.

Согласно рекомендациям действующего международного стандарта [1], а также ряда публикаций соответствующей тематики уровень несимметрии напряжений и токов оценивают обычно, используя понятия о напряжениях и токах прямой, обратной и нулевой последовательностей. При этом количественная оценка нормативных требований к уровню несинусоидальности напряжения межгосударственным стандартом задается в виде коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности k_2U и коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности k_0U. Уровень несимметрии токов этим стандартом, к сожалению, не оценивается.

Количественные величины напряжений и токов прямой, обратной и нулевой последовательностей часто определяют, используя применяемую в методе симметричных составляющих методику разложения основных характеристик электрической энергии на указанные составляющие. Причем при несинусоидальных режимах потребления электрической энергии это разложение есть смысл выполнять для частоты каждой гармонической составляющей напряжения и тока.

Разложение несимметричной системы линейных напряжений на симметричные составляющие прямой, обратной и нулевой последовательностей на частоте ν-той гармонической составляющей, обозначаемые здесь соответственно символами Uν_л1, Uν_л2, Uν_л0, следует вычислять по формулам:

где α=e^j120° - оператор поворота; - изображения на комплексной плоскости действующих значений линейных напряжений на частоте ν-той гармонической составляющей.

Несимметричную трехфазную систему фазных напряжений следует раскладывать подобным образом:

где - изображения на комплексной плоскости действующих значений фазных напряжений на частоте ν-той гармонической составляющей.

Несимметричную трехфазную систему токов на частоте ν-той гармонической составляющей можно представить так:

где - изображения на комплексной плоскости действующих значений токов на частоте ν-той гармонической составляющей.

Действующее значение линейного напряжения прямой последовательности определяется как геометрическая сумма действующих значений всех линейных напряжений этой последовательности на всех зарегистрированных в спектре соответствующего напряжения гармонических составляющих:

Аналогично определяются действующие значения линейных напряжений обратной и нулевой последовательностей:

Подобным образом определяются и действующие значения фазных напряжений и токов прямой, обратной и нулевой последовательностей:

Далее приступают к определению коэффициентов несимметрии напряжений обратной и нулевой последовательностей. Причем в этом случае надлежит определять указанные коэффициенты и для линейного, и для фазного напряжений:

Здесь следует определять и коэффициенты несимметрии токов обратной и нулевой последовательностей:

Теперь следует определиться с величиной допустимых значений этих коэффициентов и приступить к проверке соответствия анализируемых показателей качества электрической энергии своим нормативным значениям:

где σ_2Uл и σ_0Uл, - допустимые значения коэффициентов несимметрии линейных напряжений обратной и нулевой последовательности; σ_2Uф и σ_0Uф - допустимые значения коэффициентов несимметрии фазных напряжений обратной и нулевой последовательности; σ_2I и σ_0I - допустимые значения коэффициентов несимметрии токов обратной и нулевой последовательности.

Обобщенная структурная схема описанного здесь пассивного контроля уровня несимметрии напряжений и токов представлена на фиг.1. Судя по этой фигуре, исходная информация сюда поступает из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на блок ГАР, где выясняется спектральный состав анализируемых характеристик. Далее при планомерном использовании равенств (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11), (12), (13), (14), (15), (16), (17), (18) и неравенств (19), (20), (21), (22), (23), (24) выясняется необходимость активного воздействия на уровень несимметрии напряжений и токов.

Если в контролируемой электроэнергетической системе сравнительно низкий уровень несинусоидальности напряжений и токов, то пассивный контроль уровня несимметрии можно осуществлять лишь по характеристикам электрической энергии на частоте основной гармонической составляющей, как и допускается действующим стандартом [1]. ГОСТом 13109-97 уровень несимметрии напряжения предлагается определять более обобщенно при посредстве единых коэффициентов несимметрии напряжений обратной и нулевой последовательностей.

Так, действующее значение прямого напряжения последовательности здесь предлагается определять следующим образом:

где U_1AB, U_1BC и U_1CA - действующие значения линейных (межфазных) напряжений основной частоты.

Действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты предлагается определять так:

Действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты рекомендуется определять так:

где U_1A и U_1B - действующие значения фазных напряжений на частоте основной гармонической составляющей.

Коэффициенты несимметрии напряжений обратной и нулевой последовательностей в этом случае определятся из формул

Именно количественные величины этих коэффициентов нормируются ГОСТом 13109-97 для систем электроснабжения общего назначения. Соответствие фактического уровня несимметрии напряжений в этом случае проверяется так:

где σ_2U и σ_0U - допустимые межгосударственным стандартом значения коэффициентов обратной и нулевой последовательностей.

Обобщенная структурная схема такого пассивного контроля уровня несимметрии напряжений представлена на фиг.2. Здесь видно, что исходная информация поступает из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на блок ГАР, где выясняется спектральный состав анализируемых характеристик. Далее при планомерном использовании равенств (25), (26), (27), (28), (29) и неравенств (30) и (31) выясняется необходимость активного воздействия на уровень несимметрии напряжений и токов.

Результаты пассивного контроля уровня несимметрии основных характеристик электрической энергии, в частности, факты превышения установленных заранее нормативных значений соответствующих показателей качества электрической энергии дают право приступить к активному контролю уровня несимметрии этих характеристик.

Поскольку несимметрия напряжений и токов проявляется в виде нарушения равенств между фазными или линейными напряжениями и токами, то имеет смысл оценивать уровень несимметрии соответствующих величин путем их простого сравнения. Это необходимо и для формирования сигнала управления соответствующими корректирующими устройствами.

Прежде всего теперь необходимо определиться, какая пара или какие пары линейных или фазных напряжений, а может быть, токов несут ответственность за нарушение нормативных значений уровня несимметрии анализируемых характеристик электрической энергии.

Для этого нужно определиться с количественным уровнем допустимого нарушения этого неравенства, превышение которого крайне нежелательно. Эту величину лучше всего определять в процентах в виде допустимой относительной погрешности:

где А_max и A_min - наибольшее и наименьшее значения из пары действующих значений линейных или фазных величин напряжения или тока.

Назвать эту величину можно уровнем несимметрии того или иного напряжения или тока.

Допустимый уровень несимметрии линейного напряжения обозначим символом σ_лU, фазного - σ_фU, тока - σ₁.

Действующие значения напряжений и токов определятся из геометрического суммирования полученных в аналого-цифровом преобразователе дискретных величин. Так, действующие значения линейных напряжений получатся следующим образом:

где U_ABр, U_BCр и U_CAр - дискретные значения линейных напряжений при р-том квантовании; N - количество квантований в течение одного периода изменения анализируемой величины.

Действующие значения фазных напряжений определятся так:

где U_Ap, U_Bр и U_Cp - дискретные значения фазных напряжений при р-том квантовании.

Действующие значения фазных токов определятся так:

где I_Ap, I_Bp и I_Cp - дискретные значения токов при р-том квантовании.

Уровень несимметрии линейных напряжений при условии

определится и установится его соответствия допустимой величине так:

При нарушении этого неравенства можно делать вывод о несоответствии уровня несимметрии своим нормативным требованиям и приступить к разработке соответствующих мероприятий.

При условии

вывод о соответствии уровня несимметрии своим нормативным требованиям можно сделать после проверки выполнения неравенства

При условии

обязательна проверка неравенства

А при условии

нужна проверка неравенства

Следующая пара линейных напряжений предполагает следующие варианты.

Если

то должно выполняться неравенство

Если

то должно быть

Аналогичным образом выполняется проверка соответствия уровня несимметрии фазных напряжений своей нормативной величине.

Если

то должно быть

А если

то

Если

то должно быть

А если

то

Если

то должно выполняться неравенство

А если

то

Уровень несимметрии тока проверяется подобным образом.

Если

то соответствие уровня несимметрии тока своим нормативным значениям определятся так:

Если же

то соответствие уровня несимметрии тока своим нормативным значениям определяется несколько иначе:

И далее.

Если

то должно быть

Если

то должно быть

Если

то должно быть

Если

то должно быть

Очевидно, что нарушение неравенств (54), (56), (58), (60), (62) и (64) уже по своей сути предполагают нарушение неравенств (44), (46), (48), (50) и (52). Проверка степени соответствия тех и других неравенств здесь необходима для подбора целесообразного способа активного воздействия на уровень несимметрии напряжения.

Однако, сам факт нарушения неравенств (44), (46), (48), (50), (52), (54), (56), (58), (60), (62), (64), (66), (68), (70), (72), (74) или (76) вовсе не означает, что необходимо сразу же приступить к формированию управляющего сигнала для соответствующего корректирующего устройства. Ведь совершенно не исключено, что одна из причин повышения уровня несимметрии напряжения и тока заключается в факте присутствия в спектрах анализируемых характеристик гармонических составляющих, имеющих частоты, отличные от основной, с неравными амплитудами и различными сдвигами гармонических составляющих относительно начального момента анализа упомянутых характеристик. Этот факт может иметь место даже в том случае, когда уровень несинусоидальности соответствующих напряжения и тока удовлетворяют своим нормативным требованиям. Тогда для снижения уровня несимметрии анализируемой характеристики электрической энергии может оказаться достаточным формирование управляющего сигнала для корректирующего устройства, с помощью которого возможно снижение доли присутствия напряжения или тока соответствующей частоты.

Чтобы выяснить наличие указанного факта, необходимо определиться с величиной нормативных значений уровней несимметрии линейных и фазных напряжений и токов на частотах всех возможных здесь гармонических составляющих и оценить соответствие фактических уровней несимметрии указанных величин с этими нормативными значениями.

Нормативные величины допустимых уровней линейных и фазных напряжений и токов на частотах гармонических составляющих не должны превышать нормативные величины. В крайнем случае, нормативные величины линейных и фазных напряжений и токов на частотах v-тых гармонических составляющих, определяемые в процентах в виде допустимой относительной погрешности,

можно принять равной определенной заранее для действующих значений анализируемых характеристик. Тем не менее, здесь есть смысл определить для вновь вводимых нормативных величин новую символику: предельно допустимый уровень линейного напряжения на частоте ν-той гармонической составляющей обозначим символом σν_лU, фазного напряжения - σν_фU, тока - σν_I.

В равенстве (77) символы Аν_max и Аν_min означают наибольшее и наименьшее значения из пары линейных или фазных величин напряжения или тока на частоте v-той гармонической составляющей.

Уровень несимметрии линейных напряжений на частоте ν-той гармонической составляющей при условии

определится с проверкой соответствия своей допустимой величине так:

При условии

вывод о соответствии уровня несимметрии напряжения на частоте ν-той гармонической составляющей можно сделать после проверки неравенства

При условии

необходима проверка неравенства

А при ином условии

следует проверить неравенство

Если

то должно быть

Если

то должно выполняться следующее условие:

Аналогичные неравенства должны выполняться и для фазных напряжений ν-той гармонической составляющей.

Если

то должно быть

Если, наоборот,

то для поддержания допустимого уровня несимметрии фазных напряжений на частоте ν-той гармонической составляющей необходимо соблюдение неравенства

При

необходимо, чтобы соблюдалось неравенство

А при

необходимо, чтобы было

Если

то должно быть

А если

то для сохранения допустимого уровня несимметрии фазного напряжения на частоте ν-той гармонической составляющей нужно, чтобы было

Соответствие уровня несимметрии тока на частоте v-той гармонической составляющей своему допустимому значению проверяется подобным образом.

Так, если

то указанное соответствие будет соблюдаться, если выполняется неравенство

Если же

то соответствие уровня несимметрии тока на частоте ν-той гармонической составляющей будет проверяться несколько иначе:

Если

то необходимо, чтобы было

Если

то должно быть

Если

то должно быть

Если же

то необходимо соблюдение неравенства

При нарушении неравенств (79), (81), (83), (85), (87), (89), (91), (93), (95), (97), (99), (101), (103), (105), (107), (109), (111) или (113) следует приступить к формированию управляющего соответствующими корректирующими устройствами сигнала.

На фиг.3 приведена структурная схема алгоритма анализа уровня несимметрии линейных напряжений, на фиг.4 приведена структурная схема алгоритма анализа несимметрии фазных напряжений, а на фиг.5 - уровня несимметрии токов в узле трехфазной электроэнергетической системы. Исходными данными для этих алгоритмов служат результаты пассивного предварительного контроля уровня несимметрии анализируемых характеристик электрической энергии (фиг.1 или 2). Здесь проверка соответствия уровня несимметрии напряжений и токов своим нормативным требованиям сопровождается регистрацией случаев нарушения этих требований в блоке Ф. В блоке Ф>0 считываются все факты подобных нарушений и при наличии таковых начинается процесс формирования сигнала для управления соответствующими корректирующими устройствами.

Здесь следует отметить, что в качестве корректирующих устройств в данном случае могут быть использованы не только симметрирующие устройства, но и устройства, предназначенные для снижения уровня несинусоидальности напряжения и тока.

Так может быть реализован автоматизированный активный контроль уровня несимметрии напряжений и токов. Такая реализация вполне возможна при использовании средств вычислительной техники (процессор и аналого-цифровой преобразователь).

Источники информации

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

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

3. Способ количественной оценки субгармонических и дробных высших гармонических периодически изменяемых величин / Г.А.Большанин, И.Н.Охлопков, С.В.Видерников, Е.А.Безносов, А.В.Манахов, С.А.Зимарев, М.А.Алферов. - Патент Россия №2122186, МКИ 6 G 01 J 3/28. - Братский индустриальный институт, №96112228/25; заявл. 14.06.96; опубл. 20.11.98.

Способ может быть использован для контроля и организации активного воздействия на уровень несимметрии напряжения и тока в электроэнергетических системах трехфазного исполнения, отличающихся низким качеством электрической энергии. Контролируют уровень несимметрии по обратной и нулевой последовательности как линейных, так и фазных напряжений и токов на частоте каждой гармонической составляющей. Выясняют, на какой частоте происходит нарушение симметрии анализируемых характеристик. На основании полученных сведений формируют сигнал управления корректирующими устройствами. 5 ил.

Способ автоматизированного активного контроля уровня несимметрии напряжений и токов, заключающийся в объединении процессов количественной оценки спектрального состава линейных и фазных напряжений и токов, пассивного контроля уровня несимметрии линейных или фазных напряжений и токов и формирования сигналов управления соответствующими корректирующими устройствами, исходными данными для которого являются сведения об аналоговых кривых линейных и фазных напряжений и токов анализируемой электроэнергетической системы в дискретном виде, выполняемый с использованием средств вычислительной техники, отличающийся тем, что пассивный контроль уровней несимметрии линейных и фазных напряжений и токов выполняется с целью оценивания соответствия коэффициентов несимметрии линейных и фазных напряжений и токов по обратной последовательности, а также коэффициентов несимметрии линейных и фазных напряжений и токов по нулевой последовательности своим заранее установленным нормативным значениям, причем определение линейных и фазных напряжений и токов прямой, нулевой и обратной последовательностей проводится с учетом спектрального состава анализируемых характеристик электрической энергии, а в качестве альтернативного решения в электроэнергетических системах, отличающихся низким уровнем несинусоидальности напряжений и токов, пассивный контроль выполняется на основании анализа линейных напряжений на частоте основной гармонической составляющей, при нарушении установленных нормативных значений количественной оценки уровней несимметрии формируется сигнал управления соответствующими корректирующими устройствами, для чего в результате сравнения действующих значений анализируемых величин выясняется линейные или фазные напряжения или токи несут ответственность за нарушение уровня несимметрии анализируемых характеристик электрической энергии, затем в результате сравнения ответственных за нарушение уровня несимметрии линейных или фазных напряжений или токов каждой гармонической составляющей выясняется, на какой частоте происходит нарушение симметрии анализируемых характеристик, а далее на основании полученных сведений формируется сигнал управления соответствующими корректирующими устройствами.