автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование и разработка многоканального анализатора качества электроэнергии повышенной точности

ВВЕДЕНИЕ.

1 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ.

1.1 Анализ показателей качества электроэнергии и вспомогательных параметров.

1.2 Анализ последствий ухудшения качества электроэнергии.

1.3 Электротехнические характеристики и функциональные возможности оборудования для диагностики качества электроэнергии.

1.3.1 ИВК «Омск».

1.3.2 ИВК «Омск-М».

1.3.3 Парма РК 3.01.

1.3.4 Парма РК 6.05.

1.3.5 ППКЭ 1-50.

1.3.6 ППКЭ 1-5ОМ.

1.3.7 Ресурс UF.•.

1.3.8 Энергомонитор 3.3.

1.3.9 Эрис КЭ.01.

1.4 Постановка задачи исследования.

1.5 Результат сравнительного анализа электротехнических характеристик и функциональных возможностей оборудования.

1.6 Выводы.

2 СИНТЕЗ АЛГОРИТМА ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ДАННЫХ.

2.1 Постановка задачи исследования.

2.2 Построение алгоритма цифровой фильтрации.

2.3 Доказательство сходимости алгоритма.

2.4. Структурная схема блока цифровой фильтрации.

2.5 Выводы.

3 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ.

3.1 Постановка задачи исследования.

3.2 Применение алгоритма интерполяции функций сплайнами.

3.3 Применение алгоритма быстрого преобразования Фурье.

3.4 Расчетные формулы.

3.4.1 Расчет отклонений напряжения.

3.4.2 Расчет колебаний напряжения.

3.4.3 Расчет коэффициентов искажения синусоидальности.

3.4.4 Расчет коэффициентов несимметрии.

3.4.5 Расчет отклонений частоты.

3.4.6 Расчет провалов напряжения.

3.4.7 Расчет импульсов напряжения.

3.4.8 Расчет коэффициентов временного перенапряжения.

3.5 Выводы.

4 ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СОЗДАННОГО АНАЛИЗАТОРА КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ И РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕСТОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.

4.1 Анализ технических требований, предъявляемых к диагностическому оборудованию повышенной точности. Постановка задачи исследования.

4.2 Структурная схема разработанного оборудования.

4.3 Составные элементы разработанного оборудования.

4.4 Результаты тестовых измерений.

4.5 Выводы.

На современном этапе технологического развития общества качеству электроэнергии придается огромное значение. Электроэнергия используется для создания практически всех видов продукции, а ее качество оказывает существенное влияние на экономические показатели производства и качество выпускаемых изделий.

Показатели и нормы качества электроэнергии (КЭ) в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц установлены Государственным стандартом ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Измерение показателей качества электроэнергии (ГЖЭ) осуществляется устройствами, получившими название анализаторов качества электроэнергии (АКЭ). Эти устройства не только измеряют параметры потребляемой электроэнергии, на основании которых делаются выводы об эффективности её использования, но и являются одними из основных инструментов энергетического менеджмента и аудита.

Используемые на практике АКЭ существенно различаются как по набору измеряемых параметров, так и по частоте их регистрации.

Простейшие анализаторы измеряют количественные параметры - ток, напряжение, мощность, энергию, частоту и мало отличаются от многофункциональных тестеров.

По мере роста класса устройств в список измеряемых параметров добавляются характеристики КЭ, причем анализаторы высокого класса являются сложными и дорогостоящими приборами.

Как правило, для большинства из существующих устройств (даже высокого класса) анализ зарегистрированных значений ПКЭ проводится в режиме off-line, что очень часто является совершенно недостаточным. На современном этапе развития техники и технологий требуются устройства, умеющие производить анализ ПКЭ в режиме реального времени, обладающие значительным объемом памяти, большой точностью и высокой скоростью. Работа над созданием таких устройств активно ведется как в нашей стране, так и за рубежом.

Все это свидетельствует о том, что диссертационная работа является весьма актуальной.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ГОУ ВПО «МГУС» по теме ГБ ФИИС 01.05 - «Исследование и разработка аппаратуры для диагностики качества электроэнергии», ГРНТИ 45.53.00, РК-0120.0 509261.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка многоканального анализатора качества электроэнергии повышенной точности, основанного на современной микроэлектронной элементной базе, а также алгоритмов цифровой обработки измерительных данных в,режиме реального времени.

В соответствии с этим были поставлены и решены следующие основные задачи работы:

4.5 Выводы

1. В состав разработанного и созданного многоканального анализатора качества электроэнергии повышенной точности входят следующие структурные элементы:

• блок преобразования входящих сигналов;

• микроконтроллер;

• блок автономного питания;

• дополнительная FLASH-память;

• блок цифровой фильтрации;

• гальваническая развязка;

• внешние интерфейсы.

2. Преобразование входящих сигналов осуществляется с помощью прецизионных делителей напряжения 1776-С67 компании CADDOCK Electronics.

3. В качестве микроконтроллера используется микросхема ADuC841 фирмы ANALOG DEVICES, ориентированная на применение в прецизионных системах съема информации.

4. Гальваническая развязка электрических цепей осуществляется по цифровым линиям.

5. Для подключения оборудования к компьютеру используются интерфейс RS232.

6. В анализаторе реализован рекуррентный алгоритм фильтрации измерительных данных, разработанный во второй главе диссертации.

7. Анализатор обладает возможностью измерения всех показателей качества электроэнергии, требуемых ГОСТом 13109-97:

6Uy, 8Ut, Ки, Кщп) для п — 2,3,.,51, тт, Кпт,, А / , А? , (7 , j^C •

2с/' ои7 •> 1 п имп' пер (У

8. Анализатор обладает возможностью измерения вспомогательных параметров электроэнергии

FdU,, At. . 5С/, F, At Л,Д t • t 9 г,* + 1' п» п» имп0,5' пер С/'

9. Анализатор обладает возможностью проведения непрерывного (до нескольких месяцев и более) мониторинга параметров электрической сети.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена важная научно-техническая задача, состоящая в исследовании и разработке многоканального анализатора качества электроэнергии повышенной точности, основанного на современной микроэлектронной элементной базе, а также алгоритмов цифровой обработки измерительных данных в режиме реального времени.

При этом получены следующие основные результаты:

1. Осуществлен сравнительный анализ электротехнических характеристик и функциональных возможностей наиболее распространенного в России оборудования для диагностики качества электроэнергии. Показано, что электротехнические характеристики и функциональные возможности обследованного оборудования не позволяют измерять все показатели качества электрической энергии, требуемые ГОСТом 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

2. Рассмотрены и проанализированы причины ухудшения качества электроэнергии. Показано, что процесс производства, транспортировки, распределения и потребления электрической энергии существенно влияет на качество электроэнергии. Показано, что в результате ухудшения качества электроэнергии: сокращается срок службы электрооборудования; возникают дополнительные материальные и финансовые потери; происходит разрушение рабочих проводников, изоляции и сокращается срок их службы; ухудшаются технические характеристики электрооборудования; происходит необоснованное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей, возникают помехи в сетях телекоммуникаций.

3. Осуществлен синтез рекуррентного алгоритма цифровой фильтрации измерительных данных на основе разработанного для анализа качества электроэнергии варианта алгоритма фильтрации Калмана-Бьюси. Показано, что последовательность отфильтрованных данных, полученная в результате работы алгоритма цифровой фильтрации измерительных данных, отражает процесс, наблюдаемый в электрической сети, значительно точнее. Доказано, что разработанный алгоритм цифровой фильтрации является сходящимся. Разработана структурная схема аппаратной реализации алгоритма цифровой фильтрации измерительных данных.

4. Разработана и реализована методика расчета показателей качества электроэнергии в режиме реального времени, использующая алгоритм интерполяции функций квадратичными сплайнами и алгоритм быстрого преобразования Фурье.

5. Осуществлена реализация в режиме реального времени расчетных схем и формул, регламентированных ГОСТом 13109-97: расчет отклонений напряжения; расчет колебаний напряжения; расчет коэффициентов искажения синусоидальности напряжения; расчет коэффициентов несимметрии напряжений; расчет отклонений частоты; расчет провалов напряжения; расчет импульсов напряжения; расчет коэффициентов временного перенапряжения. Расчет осуществляется, как для основной гармонической составляющей, так и для высших частотных составляющих.

6. Создан действующий образец многоканального анализатора качества электроэнергии повышенной точности. Полученные результаты тестовых измерений показывают, что разработанный и реализованный рекуррентный алгоритм фильтрации измерительных данных не только существенно повышает точность измерений, но и значительно сокращает время выхода процесса измерений к исследуемому значению показателя качества электроэнергии.

7. Показано, что разработанный анализатор качества электроэнергии обладает не только более высокими характеристиками по точности измеряемых параметров, но и более широкими функциональными возможностями, по сравнению с АКЭ, существующими на отечественном рынке. Основное содержание диссертации опубликовано в работах: [47], [48], [60], [61], [62], [63], [71], [72], [74], [78], [98].

1. Государственный стандарт ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

2. Белоусов В.Н., Железко Ю.С. Отражение в договорах на электроснабжение вопросов качества электроэнергии и условий потребления и генерации реактивной энергии // Электрические станции. 1999, № 1. С. 29-33.

3. Соколов В. С., Ермилов М. А,, Серков А. В., Громов А. В., Чернышова Н. В. Проблемы установления размера ответственности за ухудшение качества электрической энергии и пути их решения. // «Промышленная энергетика». 2000, № 8. С.41- 46.

4. Методические указания по контролю и анализу качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения РД 153-34.015.502-2002. Министерство энергетики Российской Федерации, Москва, 2002 г.

5. Железко Ю. С. Присоединение потребителей к электрическим сетям общего назначения и договорные условия в части качества электроэнергии // Промышленная энергетика. 2003, № 6. С. 16-20.

6. Государственный стандарт ГОСТ 23875-88 «Качество электрической энергии. Термины и определения».7. www.e-audit.ru

7. Spielregeln zur Primaren und Sekundaren Frequenz- und Wirkleistungsre-gelung in UCPTE. Union fur die Koordinirung der Erzeugung und des Transportes elektrischer Energie. Uberarbeiitung 20 Marz 1998.

8. S. Peeran, Т. Barclay, К. Sanborn, R. Schnorr von Carolsfeld, M. Shields, «Fault analysis through power quality metering», IEEE Industry Applications Magazine, vol. 5, № 2, pp. 28- 31, March- April 1999.

9. Жежеленко KB. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. М.: Энергоатомиздат, 1986. -168 с.

10. Иванов B.C., Соколов В.И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1987. 336 с.

11. Распопов Е.В. Электрические системы в сети. Качество электроэнергии и его обеспечение. М.: СЗПИ, 1990. - 127 с.

12. Антипов А. П. и др. Качество электроэнергии в электрических сетях и способы его обеспечения. М.: МЭИ, 1992. - 87 с.

13. Суднова В.В. Качество электрической энергии. М.: Энергосервис, 2000. - 80 с.

14. M.F. McGranaghan, «Trends in power quality monitoring», IEEE Power Engineering Review, vol. 21, № 10, pp. 172- 177, 2000.

15. Сапунов M.B. Вопросы качества электроэнергии. 11 Новости электротехники. 2001, № 4(10), C.21- 23; № 5(11),C.34.

16. А.К. Khan, «Monitoring power for the future», Powering Engineering Journal, vol. 15, № 2, pp. 81- 85, April 2001.

17. Карташев И.И., Зуев Э.Н. Качество электроэнергии в системах электроснабжения. Способы его контроля и обеспечения. М.: Издательство МЭИ, 2001. - 170 с.

18. Масленников Г.К., Дубинский Е.В. Обеспечение качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения. // Энергосбережение. -2002, №1. С. 32 38.

19. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. М.: Энергоатомиздат, 2000. - 331 с.21.