Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методы и средства автоматизированного контроля показателей качества электроэнергии 25
1.1 Краткий обзор известных методов и средств контроля показателей качества электроэнергии 25
1.2 Классификация вероятностных распределений контролируемых показателей качества электроэнергии 29
1.3 Обобщенные блок-схемы статистических анализаторов качества электроэнергии 33
1.4. Статистический анализатор отклонений напряжения АОН 39
1.5 Статистический анализатор колебаний напряжения АКОН 45
1.6 Статистический анализатор отклонений частоты АОЧ 52
1.7 Статистический анализатор колебаний частоты и фазы АКЧФ 58
1.8 Статистический анализатор
коэффициента несимметрии АКН 66
1.9 Параллельный статистический анализатор отклонений и колебаний напряжения АОКН-74
1.10 Входные преобразователи
статистических анализаторов ПКЭ 77
1.11 Разработка, реклама, внедрение и метрологическое обеспечение опытных образцов приборов для контроля ПКЭ 85
1.12 Выводы 93
Глава 2 Методы и средства многомерного статистического исследования параметров электрической нагрузки 94
2.1 Причины завышения расчетных электрических нагрузок 94
2.2 Метод обследования электрических нагрузок 100
2.3 Многомерный статистический анализатор усредненной мощности нагрузки АМН-МУ 103
2.4 Многомерный статистический анализатор сглаженной эффективной мощности нагрузки АМН-МСЭ 110
2.5 Многомерный статистический анализатор усредненной мощности нестационарной нагрузки АМН-МУ 115
2.6 Метод расчета электрических нагрузок 126
2.7 Автомат для выбора токоведущих элементов по нагреву 129
2.8 Выводы 142
Глава 3 Моделирование процессов изменения напряжения, тока, мощности в СЭС 143
3.1 Анализ известных методов моделирования 143
3.2 Обобщенная блок-схема устройств для моделирования процессов в СЭС 145
3.3 Устройство для формирования
перерывов питающего напряжения 148
3.4 Устройство для определения критической длительности выбросов и провалов напряжения 150
3.5 Устройство для моделирования периодических выбросов, провалов и колебаний напряжения с монотонным изменением параметров 155
3.6 Устройство для поверки статистических анализаторов колебаний, выбросов и провалов напряжения 160
3.7 Устройство для поверки статистических анализаторов колебаний частоты и фазы напряжения 162
3.8 Цифро-аналоговое устройство для моделирования напряжения, тока, мощности 167
3.9 Устройство для получения физической модели тока нагрузки 173
3.10 Устройство для получения физической модели полной мощности нагрузки 177
3.11 Метод моделирования реализаций случайных процессов 184
3.12 Имитатор случайных изменений постоянного напряжения . 187
3.13 Имитатор случайных изменений переменного напряжения . 193
3.14 Двумерный статистический анализатор уровня и производной напряжения 200
3.15 Датчики случайных двоичных чисел 205
3.16 Внедрение методов и средств моделирования процессов в электрических сетях : 220
3.17 Выводы 221
Глава 4 Методы оценки влияния резкопеременных изменений НАП ряжения на электрооборудование 223
4.1 Влияние резкопеременных изменений напряжения на работу электрооборудования 223
4.2 Метод автоматизированного определения критических значений характеристик резкопеременных изменений напряжения 227
4.3 Обобщенный метод дифференцированной оценки влияния колебаний напряжения на различное электрооборудование по их размаху и длительности 229
4.4 Обобщенный метод дифференцированной оценки влияния выбросов и провалов напряжения на различное электрооборудование по площади превышения уровней анализа 231
4.5 Обобщенный метод дифференцированной оценки влияния выбросов и провалов напряжения на различное электрооборудование по длительности превышения уровней анализа 234
4.6 Обобщенный метод дифференцированной оценки интегральных характеристик электрооборудования по начальным вероятностным моментам напряжения сети или тока нагрузки 235
4.7 Статистический анализатор двумерной функции распределения размаха и длительности колебаний напряжения АКОН-РД 238
4.8 Многоуровневый статистический анализатор длительности выбросов и провалов напряжения АВПН-МД 240
4.9 Многоуровневый статистический анализатор площади выбросов и провалов напряжения АВПН-МП 245
4.10 Устройство для определения начальных вероятностных моментов любого порядка 251
4.11 Статистический анализатор функции моментов случайного процесса САФМ 255
4.12 Выводы 262
Заключение 264
Литература
- Классификация вероятностных распределений контролируемых показателей качества электроэнергии
- Метод обследования электрических нагрузок
- Устройство для определения критической длительности выбросов и провалов напряжения
- Обобщенный метод дифференцированной оценки влияния выбросов и провалов напряжения на различное электрооборудование по площади превышения уровней анализа
Введение к работе
Актуальность темы. Экспериментальные исследования показывают, что требования ГОСТ 13109-97 на качество электроэнергии часто не выполняются. Это приводит к перерасходу электроэнергии на 10-15% и материальному ущербу из-за отказов электрооборудования (ЭО).
В связи с несовершенством существующих методов расчета электрических нагрузок реальная загрузка трансформаторов на предприятиях составляет всего 25 – 30 %, что приводит к неоправданному перерасходу стали и обмоточных материалов.
Наибольшие сложности возникают при исследовании резкопеременных про-цессов изменения напряжения сети и тока (мощности) нагрузки. Случайный харак-тер указанных величин требует применения статистических методов и использова-ния специализированной аппаратуры для автоматизации исследований. Однако существующие методы и средства определения параметров резкопеременных процессов недостаточно точны и оперативны.
Требования к повышению качества электроэнергии обусловлены распростра-нением сложного электронного оборудования, АСУ ТП, роботов, вычислительной техники, станков с числовым программным управлением, чувствительных к изме-нениям напряжения питающих сетей. Внедрение в производство мощных прокат-ных станов, дуговых сталеплавильных печей большой мощности, прессов, свароч-ных машин и другой резкопеременной нагрузки существенно ухудшает качество электроэнергии.
Организация совместной работы указанных электроприемников (ЭП) требует оперативного контроля показателей качества электроэнергии (ПКЭ) и исследо-вании их влияния на работу сетей и ЭО с целью выбора наиболее эффективных мероприятий по регулированию напряжения.
В связи с изложенным является актуальным решение двух проблем: создания методов и средств оперативного контроля ПКЭ, а также оценки влияния резкопеременных ПКЭ на ЭО.
Из-за несовершенства существующих методов расчета электрических нагру-зок силовые трансформаторы, кабели и другие токоведущие элементы (ТЭ) систем электроснабжения (СЭС) выбираются со значительным запасом. Повышение за-грузки трансформаторов всего на 1% в масштабах страны позволило бы отказаться от продукции целого трансформаторного завода, а эффект от такого мероприятия составил бы сотни миллионов рублей.
Существующая методика получения экспериментальных данных об электрических нагрузках и их обработки устарели; эти данные также приводят к завышению расчетной нагрузки. Поэтому актуальной является проблема как накопления новой информации о параметрах электрической нагрузки, так и проведения обследования нагрузок по новой методологии.
Эффективное исследование случайных процессов изменения различных фи-зических величин в СЭС возможно с применением методов моделирования, кото-рые начали развиваться в энергетике в конце сороковых годов. Применение теории моделирования позволяет решать задачи исследования процессов изменения пара-метров режимов в СЭС путем построения систем автоматизированного проектиро-вания (САПР), автоматизированных систем научных исследований (АСНИ) и испытания и контроля объектов (АСКИО). Такой подход при решении обычно позволяяет существенно снизить трудозатраты и время получения нужных резуль-татов, а в некоторых случаях оказывается единственно возможным.
Поэтому решение проблемы моделирования в реальном масштабе времени резкопеременных процессов изменения тока, мощности нагрузки, напряжения сети приобретает особую актуальность.
Актуальность диссертационной работы также подтверждается уровнем научно-исследовательских работ (НИР), выполненных по теме диссертационной работы в соответствии с планом экономического и социального развития РСФСР на 1982 г., утвержденным Постановлением СМ РСФСР № 606 от 9.11.81 г., планом комплекс-ной научно-технической программы (КНТП) ГКНТ СМ СССР ОЦ.003 (этап И2 за-дания 03 подпрограммы 0.01.13.Ц), утвержденным Постановлением ГКНТ Госпла-на СССР № 473/249 от 12.12.80 г., планом КНТП Госстандарта СССР 1012.02.86 (задания 01.01.08 и 01.01.09 раздела 01), утвержденным Постановлением Госстан-дарта СССР № 147 от 28.11.85 г., отраслевыми планами НИР Минэнерго СССР на 1982 год (позиция 13/02069) и 1984 г. (позиция 36/02117), планом КНТП Минвуза СССР «Потери энергии и их компенсация», утвержденным приказом Минвуза СССР № 443 от 28.04.80 г., планом региональной КНТП «Дон» на 1997 – 2000 гг. (Развитие народного хозяйства Ростовской области вузовской наукой).
Работа выполнялась в соответствии с планом НИР ЮРГТУ (НПИ) как раздел научного направления «Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов и повышение эффективности работы электроэнергетических систем», утвержденного Минвузом РСФСР 22.04.86 г., в рамках раздела «Теория вероятностей и математическая статистика» перечня № 2727п-П8 в области приоритетных направлений фундаментальных исследований, а также раздела «Системы математического моделирования» перечня № 2728п-П8 в области критических технологий федерального уровня, утвержденного Правительственной комиссией по научно-технической политике России 21 июля 1996 г.
Значительный вклад в обоснование актуальности, постановку и решение ряда задач развиваемого автором научного направления внесли такие ученые как Азарь-ев Д.И., Астахов В.И., Баркан Я.Д., Бахвалов Ю.А., Бобнев М.П., Брагин С.М., Будзко И.А., Бусленко Н.П., Вагин Г.Я., Веников В.А., Волобринский С.Д., Гладкий В.С., Гнеденко Б.В., Гурвич И.С., Гутенмахер Л.И., Денисенко Н.А., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Иванов В.С., Каждан А.Э., Каялов Г.М., Константинов Б.А., Кудрин Б.И., Куренный Э.Г., Маркушевич Н.С., Мирский Г.Я., Музыченко А.Д., Никифорова В.Н., Окунцов Е.И., Пухов Г.Е., Сазыкин В.Г., Салтыков В.М., Солдат-кина Л.А., Степанов В.П., Тропин В.В., Фокин Ю.А., Цветков Э.И., Четвериков В.Н., Шидловский А.К. и другие, зарубежные авторы Ailleret P., Aro Martti, Bigi S., Dzierzanowski W., Fenalio P.I., Gaussens P., Glimn A.E., Htnen Mauri, Kendall P.Y., Kimura H., Lanner V., Martzlof F.D., Meynaud, Missen L.G.,Senn P., Tendon M.L., Torseke P.E., Van Ness J.E., Watson J.F., Wehrli Berhard, Zinguzi T. и другие.
Автором продолжена работа в области разработки методов моделирования и статистического исследования случайных процессов изменения напряжения, тока и мощности в электрических сетях, причем в рамках темы диссертации решено 5 взаимосвязанных проблем.
Цель работы. Разработка методов моделирования и статистического иссле-дования случайных процессов изменения напряжения, тока и мощности в электри-ческих сетях СЭС, позволяющих повысить точность выводов при исследовании резкопеременных процессов и осуществить наиболее обоснованный выбор мероприятий по оптимизации качества электроэнергии для снижения ее расхода и повышения надежности работы ЭО, а также повысить загрузку трансформаторов и токоведущих элементов.
В диссертации рассмотрены и решены следующие взаимосвязанные проблемы:
проблема автоматизированного контроля ПКЭ;
проблема накопления информации о параметрах электрической нагрузки (ПЭН);
проблема обобщенной оценки влияния резкопеременных изменений напряжения на режимы работы и параметры ЭО;
проблема определения расчетной мощности резкопеременной нагрузки;
проблема моделирования резкопеременных изменений напряжения, тока и мощности нагрузки в электрических сетях переменного и постоянного тока.
На защиту выносятся:
методика классификации вероятностных распределений различных ПКЭ и ПЭН, которые необходимо измерять при контроле качества электроэнергии и исследованиях электрической нагрузки;
методы автоматизированного контроля ПКЭ и ПЭН;
методы обобщенной оценки влияния на различное ЭО колебаний напря-жения по их размаху и длительности, а также выбросов и провалов напряжения по их площади и длительности;
метод определения срока службы ЭО по начальным вероятностным моментам соответствующего порядка напряжения сети или тока нагрузки;
аналитический и аппаратный методы определения расчетной мощности (тока) нагрузки с учетом инерционности процесса нагрева и нелинейности параметров токоведущих элементов систем электроснабжения;
метод многомерного статистического анализа нестационарной мощности нагрузки;
метод моделирования случайных процессов с заданным двумерным зако-ном распределения ординаты и производной;
метод формирования случайных равномерно распределенных двоичных чисел;
обобщенные блок-схемы одномерных, условных и многомерных статис-тических анализаторов случайных процессов, а также устройств для аналогового и физического моделирования детерминированных и случайных процессов измене-ния напряжения, тока и мощности в сетях переменного и постоянного тока;
комплекс устройств для моделирования и статистического анализа случай-ных процессов в электрических сетях, разработанных на базе предложенных блок-схем;
датчики равномерно распределенных случайных двоичных чисел.
Область и объект исследований. Предметом исследований являются про-цессы изменения напряжения, тока и мощности в электрических сетях СЭС и параметры ЭО.
Методы исследований. При выполнении работы использовались методы теории вероятностей и математической статистики, аппаратурного исследования случайных процессов, математического анализа, векторной алгебры, теории конеч-ных элементов, теории планирования эксперимента, широко применялись эвристи-ческие методы синтеза микроэлектронных и гибридных устройств для моделиро-вания и статистического анализа случайных процессов в электрических сетях.
Научная новизна работы. В работе предложены:
а) методы: автоматизированного контроля ПКЭ; многомерного исследования электрических нагрузок; оценки влияния на ЭО колебаний напряжения по их раз-маху и длительности, а также выбросов и провалов напряжения по их площади и длительности; определения срока службы ЭО по начальным вероятностным момен-там соответствующего порядка напряжения сети или тока нагрузки; определения расчетной мощности (тока) нагрузки с учетом инерционности процесса нагрева и нелинейности параметров токоведущих элементов СЭС; многомерного статисти-ческого анализа нестационарной мощности нагрузки; моделирования случайных процессов; формирования случайных равномерно распределенных двоичных чисел;
б) алгоритмы получения эмпирических функций распределения ПКЭ; прове-дения многоуровневого статистического анализа площади и длительности выбро-сов и провалов напряжения; многомерного статистического анализа мощности на-грузки, усредненной на различных интервалах; разделения и многомерного статис-тического анализа стационарной и нестационарной составляющих мощности нагрузки; моделирования детерминированных и случайных процессов изменения напряжения в сети переменного тока: прямоугольных, ступенчатых, треугольных и трапециевидных изменений с варьируемыми амплитудой, крутизной, длитель-ностью возмущений и пауз между ними; получения физических моделей процессов изменения полной мощности (тока) нагрузки индивидуальных и групповых ЭП;
в) обобщенные блок-схемы одномерных, условных и многомерных статис-тических анализаторов случайных процессов, а также устройств для аналогового и физического моделирования детерминированных и случайных процессов изме-нения напряжения, тока и мощности в сетях переменного и постоянного тока;
Практическая полезность. На основе проведенных теоретических исследо-ваний для реализации предложенных методов созданы:
а) комплекс приборов для автоматизированного контроля ПКЭ: статисти-ческие анализаторы отклонений напряжения АОН, колебаний напряжения АКОН, коэффициента несимметрии АКН, длительности провалов напряжения АДПН, отклонений частоты АОЧ, колебаний частоты и фазы АКЧФ, параллельный статис-тический анализатор отклонений и колебаний напряжения АОКН-П; анализаторы позволяют автоматически получать гистограммы и функции распределения (ФР) измеряемых ПКЭ и предназначены для контроля соответствия качества электро-энергии в сетях промышленных предприятий и энергосистем нормативам ГОСТ 13109-97; применение приборов существенно снижает трудоемкость контроля ПКЭ, повышает его оперативность, точность, позволяет снизить потери электро-энергии в сетях и повысить надежность работы электрооборудования СЭС;
б) многомерный статистический анализатор усредненной мощности на-грузки АМН-МУ, предназначенный для получения семейств ФР усредненной на различных интервалах мощности нагрузки; его применение позволяет в результате обследования электрических нагрузок уточнить значения коэффициента максиму-ма, учитывая различный сглаживающий эффект процесса нагрева выбираемых токопроводов в зависимости от их сечения, а также определить фактический коэф-фициент загрузки токоведущих элементов, установленных в действующих СЭС;
в) устройства для моделирования резкопеременных процессов изменения на-пряжения и полной мощности (тока) в сетях переменного и постоянного тока; мощ-ные имитаторы перерывов питающего напряжения, циклических выбросов и прова-лов напряжения с заданными параметрами, выбросов, провалов и колебаний напря-жения с монотонно изменяющимися параметрами; прецизионные имитаторы для поверки статистических анализаторов колебаний, выбросов и провалов напряже-ния, а также колебаний частоты и фазы; аналоговые и гибридные моделирующие устройства, используемые в составе САПР и АСНИ, позволяют решить ряд проект-ных и научно-исследовательских задач СЭС, мощные имитаторы используются для исследования влияния изменений напряжения сети на ЭО, прецизионные имитато-ры предназначены для метрологического обеспечения анализаторов АКОН, АДПН, АКЧФ, средства поверки которых серийно не выпускаются.
Всего для практического использования по теме работы разработано 40 устройств различного назначения.
Внедрение. По выполненным под руководством автора 10 хоздоговорам в эксплуатацию ОАО "Ростовэнерго", ПО "Атоммаш", "Ростсельмаш", "Каменский машзавод", и других промышленных предприятий внедрено 9 комплексов приборов для контроля качества электроэнергии, отдельных приборов комплекса и ряд других устройств. Всего в производство внедрено 14 изобретений с суммарным экономическим эффектом по данным ЦСУ СССР 1,4 млн. руб. (в ценах 1990 года).
Авторское свидетельство № 455489 в 1978 году внедрено по отрасли в серийное производство п/я А-3283. Частотомер промышленного напряжения Ч3-90 производится серийно Хозрасчетным центром «Интеграл»; сертификат соответст-вия выдан Российской Академией наук.
С 1994 г. по 2008 г. по данным Роспатента РФ использовано 33 изобретения.
Результаты диссертации внедрены в проектную практику ОАО ВНИПИ «Тяжпромэлектропроект», а также нашли применение в учебном процессе Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского поли-технического института) при разработке и совершенствовании лекционных курсов "Качество электроэнергии в промышленных сетях" и "Вероятностно-статистичес-кие методы в электроэнергетике" и при создании учебных лабораторий с аналогич-ными названиями. В учебный процесс кафедры "Электроснабжение промышлен-ных предприятий и городов" ЮРГТУ (НПИ) внедрено 11 изобретений автора.
Апробация. Результаты работы прошли апробацию на научно-технических конференциях (НТК), ВДНХ, ВВЦ, в конкурсах научных работ:
а) докладывались и обсуждались на 76 НТК, симпозиумах и семинарах (всего опубликовано 117 докладов), в том числе на 17 международных, 35 всесоюзных, 3 республиканских, 7 региональных, 3 областных и 11 внутривузовских: Между-народных НТК "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2000, 2001, 2002, 2006, 2008 гг.; "Моделирование. Теория, методы и средства", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2001, 2002, 2008, 2009 гг.; "Совре-менные энергетические системы и комплексы и управление ими", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2001, 2002, 2003, 2006, 2008, 2009 гг.; "Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2001, 2008 г.; "Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проекти-рование и схемотехника, теория и вопросы применения", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2005 г.; «Энергосбережение, энергетическое оборудование и системы технической диагностики», Ростов на-Дону, ВЦ «ВертолЭкспо», 2008; «Релейная защита и автоматика энергосистем», Москва, ВВЦ, 2008; III Всесоюзном симпозиуме "Проб-лемы создания пре-образователей формы информации", Киев, институт кибернети-ки АН УССР, 1976 г.; Всесоюзных научных семинарах "Кибернетика электричес-ких систем", Москва, МЭИ, 1976, 1981, 1987, 1988 гг.; "Кибернетика электрических систем: Электроснабжение промышленных предприятий", Гомель, ГПИ, 1991 г.; Донецк, ДПИ, 1983 г.; Ростов-на-Дону, РИИЖТ, 1973 г.; Киев, КПИ, 1982 г.; Новочеркасск, НПИ, 1980, 1981,1984, 1987,1988, 1992,1993, 1995,1996, 1998, 2000, 2002 гг.; на Всесоюзных НТК и семинарах, проводимых в Москве МДНТП: "Новая техника в электроснабжении и электрооборудовании промышленных предприятий» 1975 г.; "Новые электронные приборы и устройства", 1976, 1982 гг.; "Качество электрической энергии в сетях промышленных предприятий и меропрятия по его обеспечению", 1977 г.; "Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в промышленности", 1981 г.; "Электрические нагрузки и электропотребление в новых условиях хозяйствования", 1989 г.; Всесоюзных НТК "Моделирование электро-энергетических систем", Баку, Азинефтехим, 1982 г.; Рига, ФЭИ АН Лат. ССР, 1987 г.; "Бенардосовские чтения", Иваново, ИЭИ, 1985, 1992 гг.; "Технико-экономические проблемы оптимизации режимов электропотреб-ления промышленных предприятий", Челябинск, УДНТП, 1984, 1991 гг.; "Эффек-тивность и качество электро-снабжения промышленных предприятий", Жданов, ЖдМИ, 1983 г.; "Электробезопасность и надежность эксплуатации электрообору-дования", Калининград–Светлогорск, фирма "Балтик легис интернешнл", 1991 г.; Республиканских НТК "Методы и средства повышения качества электрической энергии", Киев, ИЭД АН УССР, 1976 г.; "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике", Иваново, ИЭИ, 1991 г.; Всероссийских семинарах "Пути повышения надежности электроснабжения потребителей", Москва, ОРГРЭС, 1996 г. и других НТК;
б) демонстрировались на Международных выставках "Метрология-86", Москва, 1986 г.; "Телеком-87", Женева, 1987 г.; ВДНХ СССР, Москва, 19811983, 1985, 1986, 1990, 1991 гг.; ВВЦ РФ, Москва, 1993 1996 гг.;
в) представлялись на Всесоюзные конкурсы научных работ, проводимые Центральным правлением НТОЭ и ЭП, Ленинград, 1981, 1985 гг.
По результатам апробации и внедрения работы автор награжден серебряной и 2 бронзовыми медалями ВДНХ СССР, 3 медалями "Лауреат ВВЦ" РФ, стал лауреатом I и III премий Центрального правления НТОЭ и ЭП, в 1986 г. ему присвоено звание заслуженного изобретателя РСФСР.
Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 1 научной монографии, 37 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах и 38 патентах на изобретения.
Всего по теме опубликовано 267 работ, создано 145 изобретений, защищенных авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ; 94 работы выполнены само-стоятельно и опубликованы без соавторов; выпущено 10 отчетов о НИР; подано 10 заявок на выдачу патента на изобретение, в которых представлены группами 40 изобретений.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четы-рех глав и списка литературы, приложений. Объем работы – 385 страниц, включая 93 рисунка и 8 таблиц. Список литературы содержит 581 наименование.
Классификация вероятностных распределений контролируемых показателей качества электроэнергии
Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 1 научной монографии, 37 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах и 38 патентах на изобретения.
Всего по теме опубликовано 267 работ, создано 145 изобретений; 94 работы выполнены самостоятельно и опубликованы без соавторов; выпущено 10 отчетов о НИР; подано 10 заявок на изобретение.
В большинстве случаев соавторами совместных работ являются аспиранты (Гудзовская В.А. - защитила диссертацию в 2001 г., Черепов В.И., Ха-мелис Э.И., Джелаухова Г.А., Решетников Ю.М.), соискатели ученой степени кандидата технических наук (Федоров B.C., Прокопенко А.Г.) и студенты (Демура В.В., Приз М.В., Свеколкин Д.А., Семыкин К.В., Скворцов В.В.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Объем работы -385 страниц, включая 93 рисунка и 8 таблиц. Список литературы содержит 581 наименование.
Во введении обоснована актуальность работы, дана ее общая характеристика, сформулированы цель и задачи.
В первой главе предлагаются методы и средства автоматизированного контроля показателей качества электроэнергии. Рассматриваются известные технологии и средства контроля качества электроэнергии, исследуются их особенности, указываются недостатки. Предложена классификация вероятностных распределений различных показателей качества электроэнергии (гистограммы, одномерные и двумерные функций распределения), которые целесообразно измерять при контроле ПКЭ. Для получения указанных вероятностных распределений предложены обобщенные блок-схемы приборов, на базе которых разработаны статистические анализаторы качества электроэнергии: отклонений напряжения, колебаний напряжения, коэффициента несимметрии, длительности провалов напряжения, отклонений частоты, колебаний частоты и фазы.
Вторая глава посвящена разработке методов и средств автоматизированного исследования параметров электрической нагрузки. Исследуется существующая технология обследования электрических нагрузок. Анализируются причины завышения расчетной мощности нагрузки, определяемой по методу упорядоченных диаграмм. Предлагается новая методология обследования электрических нагрузок, в основу которой положен метод многомерного статистического исследования нагрузки, усредненной на различных интервалах времени или сглаженной с различными постоянными времени. Для реализации метода разработаны многомерные статистические анализаторы: усредненной мощности нагрузки, сглаженной эффективной мощности нагрузки, нестационарной мощности нагрузки. Предложен запатентованный способ автоматизированного получения коэффициента максимума полной мощности нагрузки Нм в виде регрессионных зависимостей HM(SC) от средней мощности нагрузки Sc для токоведущих элементов различных типов. Предложен инерционный метод определения расчетной мощности нагрузки, учитывающий инерционность процесса нагрева и нелинейность параметров токоведущих элементов.
Третья глава посвящена решению проблемы моделирования процессов изменения напряжения, тока, мощности, температуры токоведущих элементов в системах электроснабжения. Анализируются преимущества и недостатки аналогового, цифрового и физического методов моделирования. Делается вывод о наибольшей перспективности гибридного моделирования, при котором используются принципы цифрового, аналогового и физического моделирования. В качестве варианта гибридной вычислительной системы в работе предлагается обобщенная блок-схема устройств для моделирования процесс-сов изменения напряжения, тока, мощности в системах электроснабжения. На базе обобщенной блок-схемы разработано 5 групп моделирующих устройств: 1) мощные имитаторы: перерывов питающего напряжения; циклических выбросов и провалов напряжения с заданными параметрами; выбросов, провалов и колебаний напряжения с монотонно изменяющимися параметрами; 2) прецизионные имитаторы колебаний, выбросов и провалов напряжения, а также колебаний частоты и фазы напряжения; 3) цифро-аналоговое устройство для моделирования напряжения, тока, мощности; 4) устройства для моделирования процессов изменения полной мощности и тока нагрузки в сетях постоянного и переменного тока; 5) имитаторы случайных процессов изменения напряжения в сетях постоянного и переменного тока. Предложен метод моделирования реализаций случайных процессов по двумерной функции распределения уровня и производной ординат, сохраняющий в процессе-модели не только статические (как в традиционных методах), но и динамические свойства процесса-оригинала. Для сбора информации о процессе-оригинале разработан статистический анализатор уровня и производной напряжения. Предложен метод формирования последовательностей случайных двоичных чисел путем суммирования по модулю два разрядов чисел исходных последовательностей. Разработано несколько вариантов запатентованных датчиков случайных чисел.
Четвертая глава посвящена разработке многомерных методов оценки влияния на электрооборудование резкопеременных изменений напряжения. Для проведения исследований используется метод автоматизированного определения критических значений характеристик резкопеременных изменений напряжения, приводящих к нарушению нормального режима работы электрооборудования различного типа. На основании анализа эмпирических данных, накопленных с помощью метода, а также полученных ранее другими авторами, разработаны обобщенные многомерные методы дифференцированной оценки влияния на электрооборудование: 1) колебаний напряжения по размаху и длительности; 2) выбросов и провалов напряжения по длительности превышения различных уровней анализа; 3) выбросов и провалов напряжения по площади превышения различных уровней анализа. Для реализации указанных методов разработаны многомерные статистические ана 19 лизаторы: размаха и длительности колебаний напряжения; площади выбросов и провалов напряжения; длительности выбросов и провалов напряжения. Предложен метод определения срока службы электрооборудования по вероятностным начальным моментам напряжения сети или тока нагрузки соответствующего порядка и в общем виде - по функции моментов случайных процессов. Метод реализуется с помощью устройства для определения начальных вероятностных моментов любого порядка или, в общем случае, многомерного статистического анализатора функции моментов.
Метод обследования электрических нагрузок
При имитации переменных токов нагрузки в устройстве необходимо использовать двойной набор элементов, соответственно, для моделирования активной и реактивной составляющих.
Выходы распределителей 3-4, соответствующие нулевым ступеням тока нагрузки, ко входам коммутаторов тока 15 - 18 не подключаются. Устройство работает следующим образом. При нажатии на кнопку 8 переводится в единичное состояние триггер 5, подавая со своего прямого выхода управляющее напряжение на входы ГПИ 1 - 2.
Генераторы начинают работать, приводя в действие РУ 3 - 4. По выходам распределителей начинает сканировать единичное напряжение, которое через переключатели 11-14 поочередно прикладывается к управляющему входу коммутаторов 15 — 18.
Например, в первый момент времени управляющее единичное напряжение присутствует на первом выходе РУ 3 (на остальных выходах РУ 3 при этом присутствует нулевое напряжение).
Это напряжение через переключатель 11 прикладывается к управляющему входу коммутатора 15, который замыкает цепь для тока первой ступени/ц, протекающего от ИП 26 через резистор 19 и амперметр 23.
В это же время единичное напряжение с первого выхода РУ 4 через переключатель 13 приложено к управляющему входу коммутатора 17, который замыкает цепь для тока первой ступени 12\, протекающего от ИП 26 через резистор 21 и амперметр 24.
Суммарный ток, потребляемый от ИП 26 и протекающий через амперметр 25, равен В том случае, если частоты ГПИ 1-2 оказываются не кратными друг другу или если необходимо многократное повторение цикла суммарного графика нагрузки, то элементы 5, 6, 9 - 10 устройства в работе не используются.
Устройство применимо для моделирования больших токов нагрузки, достигающих сотен и тысяч Ампер.
В этом случае в нем должны использоваться коммутаторы тока 15 — 18 и сопротивления 19-22 достаточно большой мощности, а амперметры заменяются датчиками (трансформаторами) тока. В качестве коммутаторов 15-18 могут применяться контакторы или вакуумные выключатели.
В качестве резисторов наиболее удобны нагревательные элементы типа ТЭН-2,0 - ТЭН-6,3, могут также применяться регулировочные резисторы электроприводов [503] или резисторы специального изготовления.
В качестве реактансов используются радиоэлектронные конденсаторы и дроссели, а при большой мощности - промышленные конденсаторные батареи или их элементы и реакторы [503].
Устройство для получения физической модели полной мощности нагрузки Далее описывается устройство [450], предназначенное для получения физической модели полной мощности нагрузки группы электроприемников, имеющих индивидуальные графики ступенчатой формы
На рис.3.12 приведена схема устройства, которое разработано по обобщенной блок-схеме, приведенной на рис.3.1.
Схема содержит 2п (где п — число моделируемых графиков нагрузки индивидуальных ЭП) идентичных каналов 1—3, предназначенных для моделирования активной и реактивной составляющих процессов изменения полной мощности нагрузки индивидуальных ЭП, трансформатор 4 и двухполу-периодный диодный мост 5.
Каждый канал устройства, например, канал 1, содержит ГПИ 6, РУ 7, наборное поле переключателей 8-16, элементы ИЛИ 17 — 19, оптроны 20 -22, симисторы 23 - 25, сопротивления 26 - 28.
Значения моделируемых токов нагрузки задаются сопротивлениями 26 - 28, которые имеют те же соотношения, что и значения разрядов в двоичном числе: 1:1/2:1/4:1/8 и т.д. В частности, в изображенном на рис.3.12 примере реализации устройства (а также при дальнейшем рассмотрении алгоритма работы устройства) моделируемые токи нагрузки задаются в каждом канале 1-3 тремя сопротивлениями 26 - 28, значения которых соотносятся, как 1:1/2:1/4. Число сопротивлений 26 - 28 в каждом канале может быть большим и выбирается из соображений допустимой погрешности воспроизведения моделируемых графиков тока (мощности) нагрузки, которая определяется формулой
Устройство для определения критической длительности выбросов и провалов напряжения
Короткий импульс с прямого выхода одновибратора 6 воздействует на управляющий вход ключа 20, который, открываясь, замыкает цепь разряда конденсатора 18 через резистор 19. Учитывая, что сопротивление резистора 19 очень мало (оно на 3 - 4 порядка меньше сопротивления входного резистора 17), напряжение интегратора 3 быстро спадает до нуля.
Импульсом с инверсного выхода одновибратора 6 содержимое счетчика 8 увеличивается на единицу.
Аналогичная операция повторяется на следующем интервале ti — t3, на котором интеграл U3 вновь нарастает от нуля до U5
Блоком деления 10 выполняется операция деления числа TVg на Ng — выходной код БД 10 пропорционален измеряемому моменту [i . Значение момента непрерывно отображается на цифровом индикаторе 11.
Б. Вариант применения устройства для определения начальных моментов функции у = ф(х) от случайного аргумента х.
Устройство работает так же, как и в варианте А. Однако ЦБП 13 в этом случае используется в качестве функционального преобразователя, обеспечивающего на выходе код в соответствии с формулой: На индикаторе 11 отображается значение момента Цку. Статистический анализатор функции моментов случайного процесса САФМ
Далее описан статистический анализатор функции моментов САФМ [544, 545], предназначенный для получения функции моментов M\JJc) случайного процесса x(t) - зависимости значений моментов рц в функции от их порядка к, а также функции моментов М у(к) любой функции у = (р(х) от случайного аргумента х.
Анализатор разработан по обобщенной блок-схеме, приведенной на рис. 1.6. Схема анализатора приведена на рис.4.10. Схема содержит входной зажим 1, ФП 2, п (где п — максимальный порядок определяемых анализатором начальных моментов) аналоговых блоков памяти (АБП) 3 - 5, п интеграторов 6 - 8, п аналоговых компараторов 9-11, ИОН 12, п+\ одновибраторов 13 - 16, п D-триггеров 17-19, дешифратор 20, коммутатор 21, ГПИ 22 - 24, двоичные счетчики 25 - 27, ЦБП 28 и 29, БД 30, индикатор 31, РУ 32, управляющий триггер 33. В предлагаемом далее частном варианте реализации анализатора схема ФП 2 содержит АЦП 34, ЦБП 35, ЦАП 36, ИОН 37. Функциональные возможности анализатора зависят от варианта выполнения ФП 2 и, в частности, от содержимого ЦБП 35.
Этот код прикладывается к группе младших разрядов адресного входа ЦБП 35, который в этом варианте применения анализатора используется в качестве степенного преобразователя.
Причем ЦБП 35 выполнен многоканальным, в каждом его канале (или области памяти) записана степенная функция к-той степени (где к = 1 ... п): в первой области памяти записана функция первой степени, во второй - второй степени и т.д. Номер области и, соответственно, порядок степени к, задается выходным кодом счетчика 25, приложенным, в частности, к группе старших разрядов адресного входа ЦБП 35.
Обработка информации осуществляется анализатором в динамическом режиме, поступающие с выхода ГПИ 22 импульсы приводят к непрерывной смене выходного кода счетчика 25.
Начнем рассмотрение работы анализатора с произвольного момента времени, в который выходной код АЦП 34 равен 00000010 (при 8-разрядном исполнении АЦП), а выходной код счетчика 25 равен 0001 (при варианте выполнения анализатора с п = 16).
С этого момента работает первый канал анализатора. При этом на выходе ЦБП 35 появляется цифровой код
В середине очередного такта ГПИ 22 по переднему фронту его выходного импульса запускается управляющий одновибратор 16, который своим выходным импульсом стробирует дешифратор 20 и коммутатор 21.
Поскольку к управляющему входу дешифратора 20 приложен код 0001, то в момент стробирования на его первом выходе появляется импульс. Этот импульс на короткое время открывает информационный вход АБП 3, в котором запоминается напряжение U36.
Выходное напряжение АБП 3 прикладывается ко входу интегратора 6, напряжение на выходе которого начинает изменяться с этого момента по формуле ,
U6=K2 \x\t)dt, (4.26) где Гц - начальный момент интегрирования интегратора 6 первого канала анализатора; t\2 - конечный момент интегрирования, при котором интеграл U6 достигает единичного значения Un, задаваемого ИОН 12; К2 - постоянный коэффициент пропорциональности.
По заднему фронту выходного импульса ГПИ 22 содержимое счетчика 25 увеличивается на единицу и становится равным 0010.
С этого момента работает второй канал анализатора, определяющий начальный момент второго порядка.
При появлении следующего очередного импульса ГПИ 22 запускается одновибратор 16. Поскольку к управляющему входу дешифратора 20 с выхода счетчика 22 приложен код 0010, то на втором выходе дешифратора появляется короткий импульс, вписывающий в АБП 4 напряжение U36 .
В третьем такте ГПИ 22 выходной код счетчика 25 становится равным ООП, в результате чего в работу вступает третий канал анализатора, определяющий момент третьего порядка и т.д.
Далее в режиме непрерывного сканирования в соответствии с изменениями исследуемого случайного процесса x(t) обновляется информация в АБП 3-5, выходные напряжения которых интегрируются соответственно интеграторами своих каналов 6-8.
При достижении выходным напряжением интегратора, например, интегратора 7 второго канала, выходного напряжения ИОН 12 U\2 срабатывает компаратор 10, запуская своим выходным напряжением одновибратор 14.
Короткий импульс с прямого выхода последнего воздействует на вход сброса интегратора 7, в результате чего его выходное напряжение спадает до нуля - компаратор 10 отпускает, возвращаясь в исходное состояние.
Одновременно импульсом с инверсного выхода одновибратора 14 устанавливается в единичное состояние D-триггер 18, выходное единичное напряжение которого прикладывается ко второму входу коммутатора 21.
В очередном цикле работы счетчика 25 его выходной код становится равным 0010. В этом случае к выходу коммутатора 21 подключается его второй вход; в момент стробирования коммутатора на его выходе появляется импульс, который переводит в единичное состояние триггер 33.
При этом триггер снимает единичное напряжение со входа установки нуля РУ 32 - последний из состояния покоя переходит в рабочее состояние, при котором по его выходам начинает сканировать единичное управляющее напряжение.
В результате на единицу увеличивается содержимое второго канала анализатора, хранящееся в ЦБП 28 по адресу 0010.
Вторым каналом ЦБП 28 подсчитывается количество N2 единичных квантов интеграла А, определяемых интегратором 7 второго канала на интервалах времени t2\ h(i+l) Аналогично формуле (4.21) можно записать формулу для определения анализатором второго начального момента
Обобщенный метод дифференцированной оценки влияния выбросов и провалов напряжения на различное электрооборудование по площади превышения уровней анализа
Предложена классификация вероятностных распределений ПКЭ, которые необходимо измерять при контроле качества электроэнергии. Классификация выполнена на основании обобщения и систематизации сведений о влиянии ПКЭ на различные ЭП, нормативов ГОСТ 13109-97, а также рекомендаций Методических указаний РД 34.15.501-88 и 153-34.0-15.501-00 по контролю и анализу качества электрической энергии.
Предложены обобщенные блок-схемы статистических анализаторов качества электроэнергии, с помощью которых могут быть получены одномерные и двумерные вероятностные распределения ПКЭ, рекомендуемые указанной в п.1 классификацией.
Предложен метод многомерного статистического анализа нестацио нарной мощности нагрузки, при котором получают ДФР стационарной и не стационарной составляющих мощности нагрузки, усредненной на различных интервалах времени.
Для реализации метода разработан многомерный статистический анализатор усредненной мощности нестационарной нагрузки АМН-МУН.
Предложен метод определения расчетной мощности (тока) нагрузки с учетом инерционности процесса нагрева и нелинейности параметров токо-ведущих элементов СЭС. Метод расчета базируется на новом многомерном методе обследования электрических нагрузок, отличается простотой и не требует учета каких-либо ограничений.
Разработан автомат для выбора токоведущих элементов по нагреву, который решает нелинейное дифференциальное уравнение нагрева ТЭ методом конечных элементов и путем перебора за несколько секунд выбирает нужное сечение.
Предложена обобщенная блок-схема устройств для моделирования процессов изменения напряжения, тока, мощности в электрических сетях.
На базе обобщенной блок-схемы разработаны моделирующие устройства, которые можно разбить на 5 групп: мощные имитаторы перерывов питающего напряжения, циклических выбросов и провалов напряжения с заданными параметрами, выбросов, провалов и колебаний напряжения с монотонно изменяющимися параметрами (прямоугольных, ступенчатых, треугольных и трапециевидных изменений напряжения с варьируемыми амплитудой, крутизной, длительностью возмущений и пауз между ними); прецизионные имитаторы колебаний, выбросов и провалов напряжения, а также колебаний частоты и фазы напряжения; цифро-аналоговое устройство для моделирования напряжения, тока, мощности; устройства для моделирования процессов изменения полной мощности и тока нагрузки в сетях постоянного и переменного тока. имитаторы случайных процессов изменения напряжения в сетях постоянного и переменного тока.
Предложен метод моделирования случайных процессов на базе обратной функции ДФР уровня и производной ординат. Метод обеспечивает высокую точность имитации благодаря сохранению в модели двух взаимосвязанных параметров процесса-оригинала -ординаты и скорости ее изменения, а также качеству генерации двоичных случайных чисел встроенным ДСЧ.
Предложен анализатор уровня и производной напряжения АУПН, позволяющий накапливать и хранить исходную информацию для реализации предложенного метода моделирования случайных изменений напряжения в электрических сетях. Разработаны аппаратная и программная реализации АУПН.
Предложен метод формирования двоичных равномерно распределенных случайных чисел на основе применения операции сложения по модулю 2 исходных последовательностей двоичных чисел (как случайных, так и детерминированных). Метод характеризуется повышенным качеством последовательностей получаемых псевдослучайных двоичных чисел по равновероятности и некоррелированности.
Разработано несколько запатентованных вариантов датчиков случайных двоичных чисел, реализующих предложенный метод их формирования.
На основании анализа и обобщения сведений о влиянии резкопере-менных изменений напряжения (колебаний, выбросов и провалов напряжения) на работоспособность подключенного к питающей сети электрооборудования предложены обобщенные методы дифференцированной оценки влияния на ЭО:
На основании анализа и обобщения сведений о влиянии изменяю щихся напряжения сети или тока нагрузки на электрооборудование предложен обобщенный метод дифференцированной оценки интегральных характеристик ЭО (например, срока службы) по начальным вероятностным моментам напряжения сети или тока нагрузки.
