Введение к работе
Актуальность проблемы. На современных промышленных предприятиях количество и качество выпускаемой продукции зависит от надешости электроснабжения и качества электроэнергии. Ухудшение качества электроэнергии обусловлено широким применением преобразовательной техники и новими электротехнологиями на промышленных предприятиях, которые приводят к появлению высших гармоник и несимметричным режимам в трехфазных сетях. Низкое качество электроэнергии отрицательно сказывается на работе релейной защиты, автоматики, аппаратуры связи, приводит к уменьшению срока службы изоляции кабелей, электрических машин и трансформаторов. Особое внимание следует обратить на го, что низкое качество электроэнергии приводит к сбоям в работе вычислительной техники, которая занимает ведущее место на гибких автоматизированных производствах, где вычислительные машины и микропроцессоры используются в технологическом цикле. На таких предприятиях народно-хозяйственный ущерб от низкого качества электроэнергии будет значительно выше, чем на обычных предприятиях. Это объясняется тем, что вычислительная техника чрезвычайно чувствительна л нестабильности питающего напряжения, и информация, хранящаяся в ОВМ, может быть потеряна. Это влечот-за собой нарушение технологического процесса на предприятии и приводит к браку выпускаемой продукции. Следует также отметить, что вопросы качества электроэнергии и элпктропотреб.гения взаимосвязаны. Это объясняется тем, что при низком качестве электроэнергии появляются значительные погрешности, в в отдельных случаях невозможен правильный учет электроэнергии.
Из вышесказанного следует, что проблема повышения качества электрической энергии в системах электроснабжения весьма актуальна .
В теорию и практику контроля и регулирования качества электрической энергии и электропотробления в системах электроснабжения промышленных предприятий значительный вклад внесли ученые Д.А. Арзамасцев, Г.Я. Вагин, В.И. Гордеев, И.В. Нежеленко, В.И. Идельчик, B.C. Каханович, Б.И. Кудрин, В.Г. Кузнецов, Э.Г. Куреними, А,В. Праховник, В.И. Старостин, В.В. Шевченко, А.К. Шидловский, В.И. Вуцхий, а также производственные и научные коллективы ИЭД АН УССР, МЭИ, КПИ, МаШ, Тяжпромэлектропроект, НЭТИ, НГИ, ВНИИЭ, РІЖ, МнПИ, УТИ и другие.
Анализ разработок контроля и регулирования качества элек-
троэнергии и электропотребления позволяет сделать следующие выводы:
исследования и разработки по созданию устройств и систем оценки показателей качества электроанергии и учета электропотребления ведутся изолированно. Однако учитывая, что эти задачи необходимо решать для одних и тех же объектов, используя одинаковые источники информации, их следует решать комплексно ;
техническая реализация результатов исследований осуществляется по двум направлениям: разработка прецизионных приборов для учета электропотребления и контроля показателей качества электроэнергии и создание многоцелевых устройств или систем;
использование для учета электроэнергии индукционных счетчиков вносит в систему большую погрешность, определяемую, с одной сторони, влиянием отклонения параметров КЭ от нормируемых, а с другой - следствием низкого класса точности счетчиков. Следовательно, для эффективного решения этой задачи следует испольэоьать цифровую обработку информации ;
существующие методы позволяют производить симметрирование и компенсацию реактивной мощности при стабильной либо при переменной нагрузке, когда сигналами управления являются пульсирующая мощность, ток однофазной нагрузки, реактивная мощность. Однако все эта варианты решают одну из частных задач и не могут обеспечить решение общей задачи симметрирования и уравновешивания токов и напряжений и компенсации реактивной мощности. Поэтому необходима единая теория синтеза параметров симметрирующих устройств для общей модели трехфазной сети с произвольно изменяющимися во времени нагрузками, в которой имеется несимметрия токов и напряжений, при одновременной компенсации реактивной мощности;
нагрузки в сети изменяются по случайному закону, поэтому для оценки ПКЭ и режимов электропотребления могут использоваться км методы, основанные на точечных измерениях, так и методы, основанные на анализе временных рядов. Использование обоих методов правомерно;
информационно-измерителыше и управляющие система, предназначенные для оперативной обработки информации о качестве электроэнергии или электропотребления, можно разбить на две группы. К первой группе относятся устройства с жесткой логикой, ко второй устройства, выполненные на базэ стандартных тачисотгельних средств.
Облили недостатком '-.отем пзрвсЛ труппы .vt.vi- to.* го, *;го прі наманений параметров системі! олектрос":*:'?-'л'і..>' '),л>дг>:о ч..чо:.:>
перепрограммировать эти системы. В диалоговом режиме о ЭВМ эти систем» не работают, и перевод в этот режим требует сложной конструктивной доработки. В этом случав система вырождается в ЭВМ. Ко второй группе относятся системы, использующие в своей структуре стандартную вычислительную технику. Использование стандартных вычислительных средств более перспективно, чем специализированных. Это объясняется их универсальностью: единые входные устройства ; унификация процедур обработки информации ; возможность работа как в последовательном, так и в параллельном режиме измерения и контроля параметров ; единые выходные устройства и устройства отображения информации. Стандартные вычислительные средства удобней в обслуживании, позволяют использовать стандартные программы для межмашинного обмена информацией, а также возможно их включение в архитектуру АСУ предприятия, на котором система используется.
На основании проведенного анализа можно сделать внвод, что создание методов и средств контроля и регулирования качества электроэнергии и элекгропотребдения, обладающих высокой помехозащищенностью, евиной теории синтеза параметров симметрирующих устройств для общей модели трехфазной сети при стохастических параметрах нагрузки с одновременной компенсацией реактивной мощности позволит эффективно решить проблему повышения качества электроэнергии и минимизации электропотребления.
Решение данной проблемы проводилось в рамках исследований по всесоюзной целевой программе "Экономия энергии" (направление 2, задание 02.74).
Цель работы заключается в разработке методов и средств контроля показателей качества электроэнергии и э.чектротютребления и построение на их базе управляющих устройств, позволяющих при наличии в сети высших гармоник осуществить симметрирование и регулирование реактивной мощности в реальном масштабе времени и тем самим обеспечить условия для внедрения новых технологий, критичных к качеству электрической эноргии.
Вышеуказанная цель работы определила необходимость решения следующих задач.
I. Задача по разработке методов контроля и регулирования качества электроэнергии, облпдргачггх высокой помехозащищенностью, попводи'.'іі'іей обеспечить необходимую точность и оперативность и, как следствие, достоверность и надежность управлении: показателями» качества зл^кт^ознетігии.
2. Задача создания общей теории синтеза параметров симмет
рирующих устройств для общей модели трехфазной сети с произволь
но изменяющейся во времени нагрузкой, в которой имеются несимме
трия токов и напряжений, при одновременной компенсации реактив-,
ной мощности.
Следует отметить, что вопроси качества электроэнергии и электропотребления взаимосвязаны. Это обусловлено тем, что при низком качестве электроэнергии появляются значительные погресно-сти, которые снижают достоверность учета электроэнергии.
3. Задача создания системы, позволяющей одновременно конт
ролировать и управлять показателями качества электрической энер
гии и электропотребления. Разработка такой системы потребует ре
шения следующих вопросов:
разработка методов измерений в условиях стохастического характера нагрузки сети;
разработка методов оперативной обработки информации в информационно-измерительных системах с использованием стандартных вычислительных средств.
Научная новизна заключается в следующем.
-
Разработаны цифровые методы и средства контроля нзсиммо-трии"токов и напряжений в трехфазных сетях при наличии в них высших гармоник на основе корреляционной обработки сигналов на базе дискретного преобразования Фурье в реальном масштабе времени.
-
Разработаны цифровые методы и средства контроля коэффициента несинусоидальности кривой напряжения и коэффициента П -й гармонической составляющей тока и напряжения, основанных на корреляционной обработке сигналов на базе дискретного преобразования Фурье в реальном масштабе времени.
-
Разработан цифровой метод измерения малых уровней коэффициента амплитудной модуляции.
-
Разработаны методы и средства коррекции качества электрической энергии путем симметрирования трехфазных трехпроводн'хс и четырехпроводных сетей при изменении нагрузок по случайному закону с одновременной компенсацией реактивной мощности, когда информационными параметрами корректирующих устройств являются токи нулевой и обратной последовательностей, проводимости, активные и реактивные мощности, токи и напряжения фаз нагрузки.
-
Проведена оценка погрешности и устойчивости процесса симметрирования трехфазных сетей.
-
Проведена оценка погрешностей и помехозащищенности кср-
реляционных способов обработки сигнала при измерении симметричных составляющих трехфазной сети.
7. Разработаны оперативню средства контроля И регулирова-п:',:т эжистропотребления в системе электроснабжения промышленных предприятий.
Методы исследований. Исследования проводились с использованием теории информации, теории вероятностей и случайных про-посссб, теории функции комплексного переменного, теории линей-г.'.ух и дискретных систем, методов математического моделирования.
Основнім положения, вшооимиэ на защиту.
-
ГТомехозащищеннне методы контроля симметричных составлявших, базирующиеся на корреляционной обработке сигналов, в основу которой положено дискретное преобразование Фурье.
-
единая общая теория синтеза параметров симметрирующих устройств для общей модели трехфазной сети с произвольно изменя-!х;ойся во времени нагрузкой, в которой имеется несимметрия токов к напряжений, при одновременной компенсации реактивной мощности.
-
Методика оценки погрешностей и помехозащищенности корреляционного способа обработки сигнала при контроле несимметрии напряжений трехфазной сети.
-
Методика определения погрешности симметрирования трех-фязных сетей и методика определения количества циклов симметрирования ; устойчивость этого процесса при получения требуемого значения погрешности.
-
Оперативные алгоритмы управления симметрокомпенсирующим устройством по следующим информационным величинам: токам нулевой и обратной последовательностей ; действительным токам нагрузки ; прсподкмоетям и меншостям фаз нагрузки.
-
Методика цифрового измерения малого уровня нелинейных искажений напряжений на базо корреляционной обработки сигнала.
-
Методика измерения активной и реактивной мощности со статистической обработкой данных.
-
Синтез структуры информационно-управляющей системы контроля и регулирования показателей качества электроэнергии и элек-тронотребления.
Достоверность научных результатов и теоретических положений п работе основаны на корректности исходных посылок. Правильность полученных аналитических выражений, позволяющих синтезировать схемы симчптрнрущих устройств, подтверждается решением ряда стандартных численных примеров, результаты которых совпадают с
результатами аналогичных примеров, приведенных в литературе. Работоспособность полученных в работе алгоритмов подтверждается действующей информационно-управляющей системой контроля и регулирования качества электроэнергии и электропотребления.
Практическая ценность и реализация результатов работа.
Практическая ценность работы состоит в разработке следующих практических методик:
методики синтеза схем симметрирующих устройств для трехпровод-нюс и четырехпроводных сетей систем электроснабжения;
методики управления параметрами симметрирующих и симметроком-пенсирующих устройств, когда информационными величинами являются: токи нулевой и обратной последовательностей, действительные токи нагрузки, проводимости и мощности фаз нагрузки ;
методики оценки погрешности и устойчивости процесса симметрирования трехфазных сетей ;
методики контроля следующих показателей качества электроэнергии: несимметрии напряжений и токов ; нелинейных искажений напряжений ; отклонений частоты ;
методики контроля активной и реактивной мощностей;
методики обработки статистической информации по группированным данным ;
методики оценки погрешностей и помехозащищенности цифровых методов контроля несимметрии напряжений.
Разработанные автором методики контроля и регулирования показателей качества электроэнергии и электропотребления использованы при разработке и изготовлении информационно-измерительных комплексов, внедренных в ПЭО Харьковэнерго. Годовой экономический эффект от внедрения систем составил 530,1 тыс. рублей.
Материалы диссертации используются в учебном процессе Харьковского инженерно-педагогического института при подготовке студентов по специальности 10.04.
Публикации и апробация работы. Основное содержание работы опубликовано в 51 печатной работе, в которые вошли 17 статей, 20 авторских свидетельств, 14 тезисов докладов на конференциях. Материалы диссертации вошли в 4 отчета по научно-исследовательским работам.
Отдельные разделы докладывались на Всесовзкі.'х >\ республиканских конференциях.
Структура и объе:; работа. Дкссертацискч.чя \-у'я:\\ состоит ;п введэния, тести разпелте. зр.к.точэккя, сшкь» хіітст-'.,;>.; м i:p.v,"~
жения с актами о внедрении. Диссертация содержит 280 страниц, из них 208 страниц основного текста, 41 иллюстрацию и список использованной литературы, включающий 250 наименований.
