автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Исследование процессов в электрических сетях: методы, средства, детерминированные и вероятностные модели

На правах рукописи

Ермаков Владимир Филиппович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ: МЕТОДЫ, СРЕДСТВА, ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ И ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МОДЕЛИ

Специальность 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы

Автореферат диссертации в виде монографии на соискание ученой степени доктора технических наук

НОВОЧЕРКАССК 2004

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий и городов» ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Салтыков Валентин Михайлович,

доктор технических наук, профессор Степанов Валентин Павлович,

доктор технических наук, профессор Тропин Владимир Валентинович,

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Научно-исследовательский институт электроэнергетики» (ОАО «ВНИИЭ»)

Защита диссертации состоится "21" октября 2004 г. в 10 часов в 107 ауд. главного корпуса на заседании диссертационного совета Д 212.304.01 при ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, Новочеркасск, ул.Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».

Автореферат разослан "15" сентября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.304.01,

Г.Я.Пятибратов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность научного направления. Результаты экспериментальных

исследований свидетельствуют о повсеместном невыполнении требований ГОСТ 13109-97 на качество электроэнергии. Это приводит к перерасходу электроэнергии на 10-15% и значительному ущербу вследствие отказов электрооборудования (ЭО). В связи с несовершенством существующих методов расчета электрических нагрузок реальная загрузка трансформаторов на предприятиях составляет 25-30 %, что обуславливает значительный перерасход стали и проводникового материала.

Особую сложность представляет собой исследование резкопеременных процессов изменения напряжения сети и тока (мощности) нагрузки. Случайный характер указанных величин требует применения статистических методов и использования специализированной аппаратуры для автоматизации исследований. Существующие методы и средства определения параметров резкопеременных процессов недостаточно точны и оперативны.

Требования к повышению качества электроэнергии обусловлены распространением сложного электронного оборудования, АСУ ТП, роботов, вычислительной техники, станков с числовым программным управлением, чувствительных к изменениям напряжения питающих сетей. Внедрение в производство мощных прокатных станов, дуговых сталеплавильных печей большой мощности, прессов, сварочных машин и другой резкоперементюй нагрузки существенно ухудшает качество электроэнергии. Организация совместной работы указанных электроприемников (ЭП) возможна при оперативном контроле показателей качества электроэнергии (ПКЭ) и исследовании их влияния на работу сетей и ЭО для выбора наиболее эффективных мероприятий по регулированию напряжения.

Из-за несовершенства существующих методов расчета электрических нагрузок силовые трансформаторы, кабели и другие токоведущие элеменгы (ТЭ) систем электроснабжения (СЭС) выбираются со значительным запасом. Повышение загрузки 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.

Эффективное исследование случайных процессов изменения различных физических величин в СЭС возможно с применением методов моделирования, которые начали развиваться в энергетике в конце сороковых годов. Применение теории моделирования позволяет решать задачи исследования процессов изменения параметров режимов в СЭС путем построения систем автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированных систем научных исследований (АСНИ) и испытания и контроля объектов (АСКИО). Такой подход при решении одних задач позволяяет существенно снизить трудозатраты и время получения нужных результатов, а при решении других задач оказывается единственным. Актуальным в этой области является решение проблемы моделирования в реальном масштабе времени резкопеременных процессов изменения напряжения сети.

БИБЛИОТЕКА С.ПсгфЬ»г

оэ ^

Актуальность диссертационной работы подтверждается уровнем планирования научно-исследовательских работ (НИР), выполненных по теме под руководством Ермакова В.Ф. по плану экономического и социального развития РСФСР на 1982 г., утвержденному Постановлением СМ РСФСР № 606 от 9.11.81 г., плану комплексной научно-технической программы (КНТП) ГКНТ СМ СССР ОЦ.ООЗ (этап И2 задания 03 подпрограммы 0.01.13.Ц), утвержденному Постановлением ГКНТ Госплана СССР № 473/249 от 12.12.80 г., плану КНТП Госстандарта СССР 1012.02.86 (задания 01.01.08 и 01.01.09 раздела 01), утвержденному Постановлением Госстандарта СССР № 147 от 28.11.85 г., отраслевым планам НИР Минэнерго СССР на 1982 год (позиция 13/02069) и 1984 г. (позиция 36/02117), плану КНТП Минвуза СССР «Потери энергии и их компенсация», утвержденному приказом Минвуза СССР № 443 от 28.04.80 г., плану региональной КНТП «Дон» на 1997 -2000 гг. (Развитие народного хозяйства Ростовской области вузовской наукой).

Работа выполнялась по плану НИР ЮРГТУ (НПИ) в качестве раздела научного направления «Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов и повышение эффективности работы электроэнергетических систем», утвержденного Минвузом РСФСР 22.04.86 г., в соответствии с разделом «Теория вероятностей и математическая статистика» перечня № 2727п-П8 в области приоритетных направлений фундаментальных исследований и разделом «Системы математического моделирования» перечня № 2728п-П8 в области критических технологий федерального уровня, утвержденных Правительственной комиссией по научно-технической политике России 21 июля 1996 г.

Обоснование актуальности, постановка и решение ряда задач развиваемого автором научного направления было выполнено в работах советских ученых Д.И. Азарьева, С.М. Братина, Г.Л. Вагина, В.А. Веникова, И.С. Гурвича, И.В. Жежеленко, Ю.С. Железко, Г.М. Каялова, Б.И. Кудрина, Э.Г. Куренного, Г.Л. Мирского, Г.Е. Пухова, В.М. Салтыкова, В.П. Степанова, Ю.Л. Фокина, А.К. Шидловского и др., и зарубежных авторов P.L. Ailleret, P. Gaussens, P.Y. Kendall, H. Kimura, M.L. Tendon и др.

Автором продолжена работа в области разработки статистических методов автоматизированного исследования случайных процессов изменения напряжения, тока и мощности в электрических сетях, в рамках научного направления решено 5 взаимосвязанных проблем.

Цель работы. Разработка статистических методов и средств автоматизированного исследования напряжения, тока и мощности в электрических 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 поставлены и решены проблемы:

- автоматизированного контроля и накопления информации о ПКЭ и параметрах электрической нагрузки (ПЭН);

- обобщенной оценки влияния резкопеременных изменений напряжения на режимы работы и параметры ЭО;

- определения расчетной мощности резкопеременной нагрузки;

- моделирования резкопеременных изменений напряжения, тока и мощности нагрузки в электрических сетях переменного и постоянного тока.

На защиту выносятся:

- классификация 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 напряжения по их размаху и длительности, а также выбросов и провалов напряжения по их площади и длительности;

- метод автоматического определения критических значений характеристик резкопеременных изменений напряжения (амплитуды, площади, длительности выбросов и провалов), приводящих к отказу ЭО;

- метод определения расчетной мощности (тока) нагрузки с учетом инерционности процесса нагрева и нелинейности параметров токоведущих элементов систем электроснабжения;

- обобщенные блок-схемы одномерных, условных и многомерных статистических анализаторов случайных процессов, а также устройств для аналогового и физического моделирования детерминированных и случайных процессов изменения напряжения, тока и мощности в сетях переменного и постоянного тока;

- комплекс устройств для моделирования и статистического анализа случайных процессов в электрических сетях, разработанных на базе предложенных блок-схем.

Область и объект исследований. Предметом исследований являются процессы 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 конечных элементов, активные и пассивные методы теории планирования эксперимента, широко применялись эвристические методы синтеза микроэлектронных и гибридных устройств, предназначенных для моделирования и статистического анализа случайных процессов в электрических сетях.

Научная новизнаработы. В работе предложены:

а) методы: автоматизированного контроля ПКЭ; автоматизированного исследования электрических нагрузок; автоматического пределения критических значений характеристик резкопеременных изменений напряжения (амплитуды, площади, длительности выбросов и провалов), приводящих к отказу ЭО; оценки

влияния на ЭО колебаний напряжения по их размаху и длительности; определения расчетной мощности (тока) нагрузки с учетом инерционности процесса нагрева и нелинейности параметров токоведущих элементов СЭС;

б) способы получения статистических распределений ПКЭ; проведения многоуровневого статистического анализа площади и длительности выбросов и провалов напряжения; многомерного статистического анализа мощности нагрузки, усредненной на различных интервалах; моделирования детерминированных и случайных процессов изменения напряжения в сети переменного тока: прямо-угольных,ступенчатых, треугольных и трапециевидных изменений с варьируемыми амплитудой, крутизной, длительностью возмущений и пауз между ними; получения физических моделей процессов изменения полной мощности (тока) нагрузки индивидуальных и групповых электроприемников в сети переменного тока;

в) обобщенные блок-схемы одномерных, условных и многомерных статистических анализаторов случайных процессов, а также устройств для аналогового и физического моделирования детерминированных и случайных процессов изменения напряжения, тока и мощности в сетях переменного и постоянного тока;

Практическая полезность. На основе проведенных теоретических исследований для реализации предложенных методов созданы:

а) комплекс приборов для автоматизированного контроля ПКЭ: статистические анализаторы отклонений напряжения АОН, колебаний напряжения АКОН, коэффициента несимметрии АКН, длительности провалов напряжения АДГШ, отклонений частоты АОЧ, колебаний частоты и фазы АКЧФ, параллельный статистический анализатор отклонений и колебаний напряжения АОКН-П; анализаторы позволяют автоматически получать гистограммы и функции распределения (ФР) измеряемых ПКЭ и предназначены для контроля соответствия качества электроэнергии в сетях промышленных предприятий и энергосистем нормативам ГОСТ 13109-97; применение приборов существенно снижает трудоемкость контроля ПКЭ, повышает его оперативность, точность, позволяет снизить потери электроэнергии в сетях и повысить надежность работы электрооборудования СЭС;

б) многомерный статистический анализатор усредненной мощности нагрузки АМН-МУ, предназначенный для получения семейств ФР усредненной на различных интервалах мощности нагрузки; его применение позволяет в результате обследования электрических нагрузок уточнить значения коэффициента максимума, учитывая различный сглаживающий эффект процесса нагрева выбираемых токопроводов в зависимости от их сечения, а также определить фактический коэффициент загрузки токоведущих элементов, установленных в действующих СЭС;

в) устройства для моделирования резкопеременных процессов изменения напряжения и полной мощности (тока) в сетях переменного и постоянного тока; мощные имитаторы перерывов питающего напряжения, циклических выбросов и провалов напряжения с заданными параметрами, выбросов, провалов и колебаний напряжения с монотонно изменяющимися параметрами; прецизионные имитаторы для поверки статистических анализаторов колебаний, выбросов и провалов напряжения, а также колебаний частоты и фазы; аналоговые и гибридные моделирующие

устройсгва, используемые в составе САПР и АСНИ, позволяют решить ряд проектных и научно-исследовательских задач СЭС, мощные имитаторы используются для исследования влияния изменений напряжения сети на ЭО, прецизионные имитаторы 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 друтих 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 1983 году внедрено по отрасли в серийное производство п/я А-3283.

Результаты диссертации внедрены в проектную практику ОАО ВНИПИ «Тяжпромэлектропроект», а также нашли применение в учебном процессе ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) при разработке и совершенствовании лекционного курса "Качество электроэнергии в промышленных сетях" и при создании учебной лаборатории с аналогичным названием. В учебный процесс кафедры "Электроснабжение промышленных предприятий и городов" ЮРГТУ (НПИ) внедрено 11 изобретений автора.

Апробация. Результаты работы прошли апробацию:

а) докладывались и обсуждались на 65 научно-технических конференциях (НТК), симпозиумах и семинарах (всего сделано 97 докладов), в том числе на 9 международных, 35 всесоюзных, 2 республиканских, 5 региональных, 3 областных и 11 внутривузовских: Международных НТК "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2000,2001,2002 гг.; "Моделирование. Теория, методы и средства", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2001, 2002 гг.; "Современные энергетические системы и комплексы и управление ими", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2001, 2002 гг.; "Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2001 г.; III Всесоюзном симпозиуме "Проблемы создания преобразователей формы информации", Киев, институт кибернетики АН УССР, 1976 г.; Всесоюзных научных семинарах "Кибернетика электрических систем", Москва, МЭИ, 1976, 1981, 1987, 1988 гг.; "Кибернетика электрических систем: Электроснабжение промышленных предприятий", Ростов-на-Дону,РИИЖТ, 1973 г.; Новочеркасск, НПИ, 1980, 1981, 1984, 1987, 1988, 1992, 1993, 1995, 1996, 1998, 2000, 2002 гг.; Киев, КПИ, 1982 г.; Донецк, ДПИ.1983 г.; Гомель, ГПИ, 1991 г.; 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 предприя-

тий 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 электроэнергетических систем", Баку, Азинефтсхим, 1982 г.; Рига, ФЭИ АН Лат. ССР, 1987 г.; "Бенардосовские чтения", Иваново, ИЭИ, 1985, 1992 гг.; "Технико-экономические проблемы оптимизации режимов электропотребления промышленных предприятий", Челябинск, УДНТП, 1984,1991 гг.; "Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий", Жданов, ЖдМИ, 1983 г.; "Электробезопасность и надежность эксплуатации электрооборудования", 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.; Всероссийском семинаре "Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики", Москва - Вышний Волочок, РГУНГ, 2000 г. и других НТК;

б) демонстрировались на Международных выставках "Метрология-86", Москва, 1986 г.; "Телеком-87", Женева, 1987 г.; ВДНХ СССР, Москва, 1981-1983, 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 Центратьного правления НТОЭ и ЭП, в 1986 г. ему присвоено звание заслуженного изобретателя РСФСР.

Публикации, Основные научные результаты диссертации опубликованы в 1 научной монографии, 36 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах и 38 патентах на изобретения.

Всего по теме опубликовано 240 работ, получено 100 авторских свидетельств и патентов; 94 работы выполнены самостоятельно и опубликованы без соавторов; выпущено 10 отчетов о НИР; подано 10 заявок на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация в виде научной монографии /75/ состоит из предисловия, введения, четырех разделов и списка литературы. Объем работы - 288 страниц, включая 58 рисунков и 2 таблицы. Список литературы содержит 125 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении и предисловии обоснована актуальность работы, дана ее общая характеристика, сформулированы цели и задачи.

В первом разделе работы предлагаются методы и средства автоматизированного эксплуатационного контроля ПКЭ.

Методическими указаниями Минэнерго СССР РД 34.15.501-88 по контролю и анализу качества электрической энергии, а также в соответствии с требованиями ГОСТ 13109-97 предполагается статистический анализ контролируемых ПКЭ.

Единственным прибором такого рода был выпускавшийся Рижским опытным заводом ПО "Союзэнергоавтоматика" статистический анализатор качества напряжения САКН, предназначенный для измерения гистограммы отклонений напряжения. Недостатки анализатора САКН — низкая надежность, большие вес и погрешность, ограниченное число каналов и малая емкость канальных счетчиков, неудобство в эксплуатации — обусловлены устаревшей электромеханической базой.

Выпущенные Житомирским ПО "Электроизмеритель" измерители отклонений напряжения Ф4330 и 43203, несимметрии 43204 и несинусоидальности 43250 в сочетании с измерителем статистических характеристик 43401 позволяют получать статистические распределения отклонений напряжения, коэффициентов нулевой и обратной последовательности, несинусоидальности кривой напряжения, п-ной гармонической составляющей. Недостатками этих приборов являются большие размеры, вес, стоимость, что в основном обусловлено многомодульным исполнение приборов для контроля ПКЭ. Громоздкость прибора Ф4330 также объясняется использованием в нем трансформаторного преобразователя числа фаз (ТПЧФ). Приборы 43203 и 43204 за счет использования в их схемах аналоговых активно-емкостных фильтров симметричных составляющих имеют значительную погрешность при отклонениях и колебаниях частоты контролируемого напряжения.

Приборы для контроля отклонений и колебаний частоты, а также длительности провалов напряжения серийно не выпускаются. Для контроля размахов колебаний напряжения Методическими указаниями РД 34.15.501.88 рекомендуется использовать осциллографы Н-115. В процессе ручной обработки записей производится измерение размахов колебаний напряжения, их статистическая сортировка в зависимости от значений размаха и определение средних частот или интервалов между колебаниями. Недостатками метода осциллографирования являются большая трудоемкость, высокая стоимость, невысокая точность и низкая оперативность.

Разработки последних 2-3 лет (Pecypc-UF, Эрис-КЭ.02, ОМСК, Парма РК6.05, ППКЭ-1-50 и др.) представляют собой измерители и регистраторы ПКЭ и для статистической обработки информации в них предусмотрено подключение к ПЭВМ через последовательный порт. Это обуславливает громоздкость и высокую стоимость получения статистической информации о ПКЭ.

На основании систематизации сведений о влиянии ПКЭ на различные ЭП, нормативов ГОСТ 13109-97, а также рекомендаций Методических указаний РД 34.15.501-88 по регулированию напряжения и оптимизации качества электрической энергии предлагается следующая классификация вероятностных распределений различных ПКЭ, которые целесообразно измерять при контроле качества электроэнергии /42/:

1) плотность распределения вероятностей Дх) (где х - обобщенное обозначение различных ПКЭ) установившихся отклонений напряжения 5иу и отклонений частоты ДГ (рис.1, где хд], Хд2 - допустимые пределы ПКЭ, Рцд[, Р„д2- вероятность выхода ПКЭ за допустимые пределы);

2) дополнительную функцию распределения вероятностей F1(x) уровня фликера Р, коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения Кот коэффициента n-ной гармоничесхой составляющей Ки(п), коэффициентов обратной Ки и и нулевой K0U последовательности напряжений, являющуюся характеристикой непрерывных случайных процессов (рис.2, где = Р(х > Хд) - интегральная вероятность выхода ПКЭ за допустимый предел хД);

3) дополнительную функцию распределения вероятностей Ft(x) колебаний частоты 5f, длительности выбросов At, и провалов At„ напряжения, являющуюся характеристикой импульсных случайных процессов; по измеренной ФР может быть получена зависимость значений ПКЭ от средней частоты превышения Бц уровней анализа, которой удобнее пользоваться на практике (рис.3, где Fa - средняя частота превышения допустимого значения ПКЭ Хд, полученная по экспериментальной зависимости 1).

Поскольку по ГОСТ 13109-97 интервал между соседними колебаниями напряжения должен быть больше 30 мс (иначе два соседних колебания напряжения рассматриваются как одно колебание), то при контроле колебаний напряжения необходимо измерять:

4) условную дополнительную функцию распределения размаха колебаний н а и р я ;Fi(5Ut )Uty+i > 30 uc> Щ У ю с я характеристикой импульсного случайного процесса колебаний напряжения; на практике также целесообразно использовать зависимость размахов колебаний напряжения от их средней

частоты превышения Б уровней анализа, получаемую из измеренной условной ФР (рис.3, где 2 — зависимость допустимых размахов колебаний напряжения от их частоты по ГОСТ 13109-97).

Исследования Вагина ГЛ. и Гурвича И.С. показали, что размахи колебаний, выбросы и провалы напряжения различной длительности, а также площади по-разному влияют на сварочные установки и качество электросварки, ЭВМ, системы управления тиристорными преобразователями и другое ЭП. В связи с этим целесообразно выделить пятую группу вероятностных распределений ПКЭ, которые следует измерять:

5) двумерную дополнительную функцию распределения вероятностей (ДФР) Б1(х, у) (где х, у - обобщенные обозначения двух параметров ПКЭ) размаха 5и, и длительности ^ колебаний напряжения, длительности выбросов ДЦ и провалов Д^ напряжения, а также площади выбросов и провалов напряжения, за различные уровни анатиза и, являющуюся характеристикой импульсных случайных процессов (рис.4).

Учитывая, что эксплуатационный контроль качества электроэнергии может производиться в электрических сетях с различным характером производства, в которых в общем случае ПКЭ могут подчиняться различным законам распределения, для получения перечисленных выше плотности распределения вероятностей и функций распределения вероятностей ПКЭ наиболее целесообразно применять универсальный способ их определения: из эмпирических распределений — гистограммы и дискретной ФР.

Для получения гистограмм и одномерных дискретных ФР ПКЭ предлагается обобщенная блок-схема статистических анализаторов качества электроэнергии, изображенная на рис.5, дискретных ДФР ПКЭ - на рис.6 /49/.

Исследуемое переменное напряжение сети и(1) преобразуется входным преобразователем (ВП) в постоянное напряжение, пропорциональное действующему значению контролируемого напряжения и(1). Блок выделения (БВ) показателя качества электроэнергии непрерывно выделяет контролируемый ПКЭ х(1), который с помощью квантователя (К) подвергается равномерному амплитудному квантованию и превращается им в последовательность дискретных случайных величин Х(1). Значение числа X определяет номер канала блока памяти (БП); в каждом из каналов БП накапливаются статистики контролируемого ПКЭ, соответствующие определенному разряду измеряемых статистических распределений, всего в БП накапливается статистический ряд из I элементов (по числу разрядов измеряемых гистограмм и ФР). Блоком управления (БУ) осуществляется синхронизация работы всех блоков схемы, а также производится выборка: при исследовании непрерывных случайных процессов изменения ПКЭ интервал выборки задается постоянным ДТ = То, а при исследовании импульсных случайных процессов изменения ПКЭ выборка формируется через произвольные интервалы времени ДТ самим анализи-

руемым процессом - в моменты появления, прохождения или окончания импульсного ПКЭ (колебания напряжения и частоты, выброса и провала напряжения).

После окончания времени Та статистического анализа (которое может быть равным часу, смене, суткам, неделе) по данным БП строятся гистограммы и дискретные ФР контролируемых ПКЭ. По дискретным статистическим распределениям, используя известные методы аппроксимации опытных распределений теоретическими, могут быть получены вероятностные распределения ПКЭ, изображенные на рис. 1 — 3.

Блок-схема, изображенная на рис.6, работает по следующему алгоритму.

Исследуемое переменное напряжение и(1) преобразуется ВП в постоянное и^). Напряжение и(1) преобразуется равномерным квантователем К1 в число У(0, пропорциональное одной из размерностей измеряемого распределения ПКЭ (например, уровням анализа и). Совокупность элементов БВ ПКЭ и К2 (равномерный квантователь) выделяется число Х(1), пропорциональное другой размерности измеряемого распределения (например, длительности выбросов за различные уровни анализа). Совокупность чисел X и У определяет ряд канатов БП, в которых накапливаются статистики при очередной выборке ПКЭ. Блок памяти БП содержит матрицу канатов из К х I элементов, по содержимому которых после окончания статистического анализа строятся дискретные ДФР контролируемых ПКЭ. По дискретным статистическим распределениям получаются вероятностные распределения, изображенные на рис.4.

На базе предложенных обобщенных блок-схем, используя методы теории аппаратурного исследования случайных процессов, разработанной Мирским ГЛ., и эвристические методы, для эксплуатационного контроля качества электроэнергии были разработаны: статистические анализаторы отклонений напряжения АОН /16/, колебаний напряжения АКОН /1, 21/, отклонений частоты АОЧ /32/, колебаний частоты и фазы АКЧФ /34/, коэффициента несимметрии АКН /39/, параллельный статистический анализатор отклонений и колебаний напряжения напряжения АОКН-П /5, 20/; статистический анализатор размаха и длительности колебаний напряжения АКОН-РД /11/; многоуровневые статистические анализаторы длительности выбросов и проватов напряжения АВПН-МД/36/, а также площади выбросов и провалов напряжения АВПН-МП /35/ за различные уровни анатиза

Анатизаторы позволяют автоматически получать гистограммы установившихся отклонений напряжения биу, отклонений частоты ДГ, одномерные функции распределения коэффициента обратной К2и и нулевой КОи последовательности, колебаний частоты условную ФР размахов колебаний напряжения

511,, двумерные функции распределения размаха и длительности ^ колебаний напряжения, уровня и и длительности А1 выбросов и проватов напряжения, а также уровня и и площади 8 выбросов и проватов напряжения. Приборы предназначены для контроля соответствия качества электроэнергии в сетях промышленных пред-

приятии и энергосистем нормативам ГОСТ 13109-97, оценки влияния ПКЭ на 30, выбора мероприятий по регулированию напряжения; их применение существенно снижает трудоемкость контроля ПКЭ, повышает его оперативность и точность. Анализаторы выполнены на микроэлектронной элементной основе в портативном исполнении, имеют малые размеры и массу. В частности, в анализаторе ЛКН это достигнуто также и за счет использования электронного преобразователя числа фаз (ЭПЧФ) /28/ вместо ТПЧФ. Анализатор АОКН-П /5, 20/ позволяет одновременно контролировать два ПКЭ - отклонения и колебания напряжения.

Во во втором разделе предлагаются методы и средства автоматизированного исследования ПЭН.

В соответствии с Методическими указаниями по обследованию электрических нагрузок промышленных предприятий ЦЕНТОЭП, разработанными под руководством Каялова Г.М. и утвержденными в 1964 г., предписывается проводить исследования электрических нагрузок вручную, используя счетчики активной и реактивной энергии с фиксацией их показаний через 30 минут. После обработки результатов измерений строится упорядоченная диаграмма (УД) мощности Р30, усредненной на получасовых интервалах времени, следующих друг за другом. В качестве расчетной принимается максимальная получасовая мощность Рм, полученная из УД.

Как показано в работах Кудрина Б.И., определение расчетной мощности нагрузки о методу упорядоченных диаграмм дает завышенные результаты от 20 до 350 %. Объясняется это тем, что в качестве расчетной принимается максимальная модель графика нагрузки с нарастающими ординатами. Действительная расчетная мощность нагрузки Рд из-за фактически неупорядоченного следования ординат реального процесса изменения мощности нагрузки, а также инерционности тепловых процессов в ТЭ СЭС, практически всегда оказывается ниже расчетной мощности Рр, определенной по методу УД. В редких случаях Рр может оказаться заниженной, поскольку значения усредненной мощности нагрузки Р30 для резкопере-меиных процессов сильно зависит от того, ках расположены на временной оси границы получасовых интервалов усреднения. Второй причиной завышения или занижения Рр является тот факт, что токопроводы различного сечения имеют постоянную нагрева от 2 до 90 минут; т.е. лишь в частном случае для постоянной нагрева т=10 мин можно было бы считать существующий метод точным.

Для снижения погрешности определения расчетной мощности целесообразно использовать метод многомерного экспериментального статистического исследования нагрузки /65/. Для реализации метода на рис.7 предлагается схема многомерного статистического анализатора усредненной мощности нагрузки АМН-МУ /37/.

Рис.7

Схема работает по следующему алгоритму.

Датчиком мощности (ДМ), в качестве которого используются счетчики. электроэнергии с телеметрическим выходом, вырабатываются импульсы, частота ¡(1;) которых пропорциональна текущей мощности Р(1;) нагрузки. На выходе усреднителя (У) появляется число Рд,, которое пропорционально мощности нагрузки, усредненной на небольшом (продолжительностью в несколько секунд) промежуточном интервале усреднения Д1 (см. рис.8). В блоке выделения параметра (БВП) осуществляется выделение исследуемого параметра мощности нагрузки, например, мощности Рт, усредненной на интервале Т. Блоком управления-таймером (БУ-Т) осуществляется синхронизация работы всех блоков, а также формируется ряд значений интервала усреднения Т. Совокупность чисел Рт и Т определяет, ряд каналов блока памяти БП, в которых накапливаются статистики при очередной выборке исследуемого параметра, выполняемой через промежуточный интервал усреднения Ди Блок памяти БП содержит матрицу канатов из Кх1 элементов, по содержимому которых после окончания статистического анализа строится дискретная ДФР исследуемого параметра электрической нагрузки, а также определяется среднее значите нагрузки Рс

Рис.8

Анализатор выполнен на микроэлектронной элементной основе в портативном исполнении. Его применение в результате исследования электрических нагрузок позволяет уточнить значения коэффициентов максимума, учитывая различный сглаживающий эффект процесса нагрева выбираемых токопроводов в зависимости от их сечения, а также определить коэффициент загрузки ТЭ, установленных в действующих сетях.

Рассмотрим мегод автоматизированного исследования параметров электрической нагрузки /65/.

Выбрав наиболее загруженную смену, проводят исследование параметров нагрузки одного электроприемника (ЭП) или группы однородных ЭП. С помощью двух многомерных статистических анализаторов усредненной мощности нагрузки АМН-МУ параллельно проводят статистический анализ активной РТК и реактивной QТК мощностей нагрузки, усредненных на различных интервалах времени Тк (где к = 1+16 — номер интервала усреднения Т) длительностью от нескольких минут до нескольких часов. После достаточно длительного накопления информации по содержимому канатов блока памяти анализаторов определяется среднее значение активной Рс и реактивной Qc мощностей нагрузки ЭП, а также строится семейство из "2к" дискретных одномерных ФР мощностей нагрузки РТК и QТК. Каждая дискретная ФР аппроксимируется одним из извсстпых методов наиболее близким теоретическим законом распределения. После этого определяют максимальные значения усредненной мощности нагрузки РМК и QMK, которые могут быть превышены с заданной допустимой вероятностью (например, Рдоп = 0,05). Затем по известным формулам определяются среднее значение Sc, а также ряд максимальных значений SMK полной мощности группы ЭП.

По точкам SMK, используя известные методы аппроксимации, строят зависимость SM (Г) - см. рис.9, на котором приведены две зависимости SMК и SМ2, соответствующие различным группам ЭП. Зависимостям SM1 и SM2 соответствуют различные средние мощности Sc1> $С2. По справочным данным может быть получена зависимость постоянной нагрева т от номинальной мощности ЭП Рн В работах Куренного Э.Г. показано, что с достаточно высокой точностью выполняется соотношение Т = 2,25 т. В связи с этим на рис.9 строим обратные зависимости SH1(T) и SH2(T) > соответствующие различным типам ТЭ СЭС. По точкам пересечения зависимости SH1(T) и кривых SM1(T), SM2(T) находят значения расчетной мощности Sp1 и Sp2, соответствующие одному типу ТЭ и разным нагрузкам. Аналогично могут быть получены значения расчетной мощности нагрузки для ТЭ другого типа.

Коэффициент максимума полной мощности нагрузки определяют по формуле

Рис.9 Рис.10

После накопления достаточно большого объема экспериментальных данных для определенного производства и определенной группы однородных ЭП могут быть получены значения коэффициента максимума полной мощности нагрузки в виде регрессионных зависимостей для ТЭ различных типов (рис.10).

При исследовании нестационарной нагрузки целесообразно использовать метод /46/ и многомерный статистический анализатор нестационарной мощности нагрузки АМН-МУН /59/. При этом диапазон интервалов усреднения стационарной составляющей мощности нагрузки задается равным ДТ+16ДТ (см. рис.8), а нестационарной -

Анализ причин завышения расчетной мощности нагрузки, проведенный в работах Куренного Э.Г. и Шидловского А.К., а также в работе автора /31/, показывает, что при диапазоне погрешности от -20 до +220 % в основном она достигается за счет неучета инерционности процесса нагрева проводника - эта составляющая погрешности может иметь значение от 0 до 180 %. Как показызает практика, моделирование процесса изменения температуры проводника на стадии расчета приводит к необходимости учета ряда ограничений: по типу корреляционной функции, спектру нагрузки и т.д.

Далее предлагается метод определения расчетной мощности нагрузки /56/, при реализации которого предполагается моделирование и статистический анализ процесса изменения температуры ТЭ проводить на стадии обследования электрических нагрузок /65/, что позволяет снять ряд ограничений на стадии расчета и повысить его точность.

Расчет выполняется следующим образом.

1) По известной формуле определяют среднее значение полной мощности нагрузки группы

2) В том случае, если вся группа состоит из однородных ЭП, то расчетная групповая полная мощность определяется по формуле

врггадаЗ-вд, (2)

где Нм(8сх) — значение коэффициента максимума, определяемое по рис.10 для данного типа ЭП в зависимости от суммарной средней мощности.

3) В том случае, если вся группа ЭП является разнородной, то вначале по рис.10 находят соответствующие значения КМ Нм в функции от суммарной средней полной мощности нагрузки всех ЭП - Н,,^^, Н„2(5С2),...

4) Затем определяют расчетную мощность нагрузки по формуле

5Р = НИ1(ЭС1) ■ 8с1+ Ни2(Зс2) • вй + ... + Ни](5с1) • , (3)

где 8С1, 8Й,.., - соответственно, суммарные мощности 1-й, 2-й, ..., ]-й групп однородных ЭП.

Формула (3) является приближенной, поскольку в ней не учтено различное направление векторов расчетных мощностей 1-й, 2-й,..., ¡-й групп однородных ЭП (см. рис. 11), модули которых определяются по формулам:

В общем случае расчет выполняется по точной формуле (ее целесообразно использовать при размахе значений утлов ф для различных групп однородных ЭП более 30 °)

Бр = БрГСОБф,-?) + БргсозСфг-чр) +...+8и-со5((р|-чр), (5)

где (р - угол расчетной мощности Бр.

В формуле (5) необходимо использовать утлы <р-р соответствующие расчетным мощностям Бр1, если такой информации нет, то их средние значения.

Метод не требует учета каких-либо ограничений, для его реализации должны быть лишь накоплены данные о ИМ(8С) для различных производств и ЭП. При известных графиках нагрузки ЭП для определения расчетной мощности может использоваться специальный автомат для выбора ТЭ СЭС по нагреву /38, 51/, который работает следующим образом.

Устройством /8,23,26,74/, входящим в автомат, моделируется процесс изменения суммарного полного тока 1(1) группы ЭП. С помощью набора инерционных звеньев с различными постоянными времени Т; и коэффициентами усиления Ку процесс изменения тока нагрузки 1(1) преобразуется в процесс изменения температуры ТЭ Л Автомат методом конечных приращений получает решение нелиней-

ного дифференциального уравнения нагрева, учитывающего зависимость постоянной нагрева Т и сопротивления тоководущих элементов Ы от температуры Ф:

■Он - длительно допустимая температура ТЭ;

а - температурный коэффициент сопротивления ТЭ.

При запуске автомата моделируемый процесс изменения тока нагрузки 1(1) поочередно пропускается через инерционные звенья с различными постоянными времени до получения решения.

Поскольку моделирование может выполняться ускоренно в несколько порядков раз, то выбор соответствующего ТЭ СЭС осуществляется за несколько секунд.

Третий раздел посвящен моделированию процессов изменения напряжения, тока, мощности в СЭС.

Методы моделирования процессов изменения напряжения, тока, мощности в СЭС могут быть использованы для решения многих из поставленных в докладе задач: моделирование электрических нагрузок и процесса изменения температуры токопроводов с целью выбора по нагреву элементов СЭС на стадии проектирования; моделирование искажений напряжения сети с целью исследования влияния качества электроэнергии на параметры ЭО, а также с целью поверки приборов для контроля ПКЭ и т.д. В зависимости от решаемой задачи могут использоваться методы детерминированного или вероятностного моделирования процессов.

Методы цифрового моделирования имеют два основных недостатка: 1) параметры процессов, протекающих в реальной СЭС параллельно во времени, на ЦВМ рассчитываются последовательно; 2) из-за взаимного влияния процессов друг на друга с целью достижения необходимой точности моделирования приходится прибегать к ряду итераций. В результате, несмотря на высокое быстродействие ЦВМ, время расчета каждой ординаты процесса столь сильно возрастает, что оказывается невозможным моделирование в реальном масштабе времени. Известно, что при линейном увеличении размерности задачи машинное время моделирования нелинейно возрастает.

Аналоговое моделирование позволяет существенно повысить быстродействие имитации параллельно протекающих процессов, что дает возможность решить ряд задач в реальном масштабе времени.

А-

2

НО

(6)

1Н -номинальный ток итого ТЭ;

При использовании цифрового и аналогового методов невозможно решение ряда задач, например, такой задачи, как поверка статистических анализаторов контроля ПКЭ.

Для решения многих задач удобно использовать физическое моделирование. В работах Азарьева Д.И. и Веникова ВЛ. широко используется физическое моделирование энергетических систем и их элементов (электрических генераторов и двигателей, трансформаторов, линий электропередачи). Актуальным является разработка методов и средств физического моделирования процессов в электрических сетях, поскольку известные технические решения имеют узкие функциональные возможности, невысокую точность и ограниченное быстродействие.

Как показано в работах Пухова Г.Е., наиболее перспективным в энергетике является гибридное моделирование, при котором используются принципы цифрового, аналогового и физического моделирования. Гибридные вычислительные системы (ГВС) и цифро-аналого-физические комплексы (ЦАФК) имеют широкие функциональные возможности, максимальное быстродействие, высокую точность.

Одним из вариантов ГВС является предлагаемая в докладе обобщенная блок-схема устройств для моделирования процессов изменения напряжения, тока, мощности в СЭС /72/ (рис. 12).

Рис. 12

Схема содержит следующие блоки. Блок управления БУ осуществляет запуск устройства и, если оно имеет циклический режим работы, его остановку. Генератор (Г), в качестве которого может использоваться прецизионный генератор синусоидальных колебаний напряжения, силовая сеть напряжением 220 В частотой 50 Гц, в частном случае источник постоянного напряжения. Цифровой блок (БЦ), в качестве которого может использоваться цифровой конечный автомат, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), персональная ЭВМ. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), вариантами которого могут быть гибридное устройство с использованием цифровых элементов и операционных усилителей; ЦАП в интегральном исполнении; ЦАП, весовые разрядные сопротивления которого выбираются достаточно мощными, рассчитанными на использование в сети 220 В, и коммутируются тиристорами. Исполнительный элемент (ИЭ) представляет собой трансформатор.

На базе обобщенной блок-схемы разработаны моделирующие устройства, которые можно разбить на 5 групп:

1) мощные имитаторы перерывов питающего напряжения /12/, циклических выбросов и провалов напряжения с заданными параметрами /14/, 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)/15,19/;

2) прецизионные имитаторы колебаний, выбросов и провалов напряжения /29/, а также колебаний частоты и фазы напряжения /50/;

3) цифро-аналоговое устройство для моделирования напряжения, тока, мощности/8,10/;

4) устройства для моделирования процессов изменения полной мощности и тока нагрузки в сетях постоянного и переменного тока/23,26,74/.

5) имитаторы случайных процессов изменения напряжения в сетях постоянного и переменного тока/67,68/.

Мощные имитаторы в составе АСКИО /73/ используются для исследования влияния изменений напряжения сети на ЭО. Прецизионные имитаторы предназначены для метрологического обеспечения анализаторов АКОН, АВПН, АКЧФ, средства поверки которых серийно не выпускаются. Устройства, относящиеся к 3 и 4 группам и используемые в составе САПР и АСНИ, позволяют решить ряд проектных и научно-исследовательских задач СЭС (например, /38,51/).

Моделирующие устройства работают в следующих режимах:

1) однократном - в этом случае при запуске вырабатывается единичное изменение параметра; 2) циклическом - в этом случае параметры процессов обычно изменяются монотонно в каждом цикле до определенного максимального значения; 3) по любому другому алгоритму, заложенному в ПЗУ, в том числе по случайному закону /67,68/.

При имитации процессов в сети переменного тока осуществляется модуляция синусоидального напряжения (сетевой или любой другой частоты, например, при ускоренном моделировании процессов) по закону, заложенному в БЦ. Процесс модуляции осуществляется различными методами. В мощных имитаторах изменений напряжения в качестве исполнительного элемента используются трансформаторы с управляемым коэффициентом трансформации. В прецизионных маломощных имитаторах модуляция входного синусоидального напряжения постоянной амплитуды осуществляется с помощью стандартного ЦАП, на цифровой вход которого с выхода ПЗУ последовательно подаются коды модуляции. При моделировании полной мощности нагрузки имитация ее ортогональных составляющих осуществляется с помощью двух специальных ЦАП, весовые сопротивления двоичных разрядов одного из этих ЦАП имеют активный характер, другого - реактивный.

Четвертый раздел посвящен разработке многомерных методов оценки влияния на электрооборудование резкопеременных изменений напряжения.

Исследования, проведенные Вагиным Г.Л., Гурвичем И.С., Тэндоном МЛ. и другими учеными, показали, что колебания, выбросы и провалы напряжения различной длительности и площади по-разному влияют на ЭО. Актуальным является продолжение работ в этом направлении с целью выявления спектра ЭО, на которое отрицательно влияют указанные характеристики изменяющегося напряжения, а также исследование влияния на параметры ЭО других характеристик напряжения сети (крутизны изменений напряжения, возмущений напряжения различной формы, амплитуды и т.п.), исследование влияния на ЭП серии возмущений и т. п.

Для проведения таких исследований предлагается метод автоматизированного определения критических значений характеристик резкопеременных изменений напряжения, приводящих к нарушению нормального режима работы единичных ЭП различного типа /73/. Сущность метода заключается в том, что на зажимах исследуемого ЭП (или его физической модели) с помощью мощных имитаторов моделируются возмущения напряжения определенной формы с монотонно изменяющимся значением определенной характеристики (амплитуды выброса или провала; размаха колебания; площади и длительности этих изменений напряжения и т.д.) до тех пор, пока не нарушится его работоспособность, после чего процесс моделирования возмущений прекращается, а критическое значение характеристики отображается на цифровом табло имитатора.

Предложенный метод, являясь методом активного эксперимента, по сравнению с методом пассивного эксперимента (при котором исследования проводятся в действующих электрических сетях с пассивным длительным ожиданием требуемых значений характеристик возмущений напряжения) позволяет значительно быстрее накопить необходимую статистику. Основным назначением метода является исследование влияния резкопеременных изменений напряжения на ЭП, имеющие пороговую (релейную) чувствительность к этим возмущениям; к таким ЭП относятся устройства релейной защиты и автоматики, элементы систем управления, устройства, выполненные на интегральных схемах. Однако метод может использоваться и для оценки влияния напряжения сети на интегральные характеристики ЭП (например, срок службы) - в этом случаев в цифровой блок имитаторов закладываются алгоритмы циклических или случайных изменений моделируемого напряжения с известными вероятностными характеристиками законов распределения, и испытания, в которых одновременно участвует большое количество ЭП, проводятся достаточно длительное время.

Для оценки влияния на различное ЭО реальных возмущений напряжения действующей электрической сети предлагаются следующие обобщенные методы.

Рассморим обобщенный многомерный метод дифференцированной оценки влияния на ЭО колебаний напряжения, имеющих различные размах 5и( и длительность ^ /58/. При этом можно выделить три основных момента:

1) С помощью статистического анализатора АКОН-РД /11/ определяется характеристика напряжения контролируемой сети - дополнительная ДФР размаха 5и( и длительности ^ колебаний напряжения Р^Зи^

2) Используя известные данные, а также, в случае необходимости, используя метод /73/, получают характеристику подключенного к сети ЭО — критическую длительность размаха ^ для каждой ьтой группы ЭО, имеющего одинаковую длительность

3) Выполняют совместное рассмотрение характеристик сети и ЭО (рис. 13), проводя сечение поверхности ДФР Б! плоскостью, перпендикулярной оси 01, и пересекающей ее в точке , и получая при-этом условную дополнительную ФР по которой может оцениваться влияние размахов колебаний на-пряжения на нгую группу ЭО. При этом автоматически исключаются из рассмотрения все размахи колебаний, дли-тельность которых меньше

Такую операцию повторяют для всех типов подключенного к сети ЭО.

Обобщенным метод назван потому, что по одной вероятностной характеристике напряжения питающей сети может быть выполнена оценка влияния колебаний напряжения различной длительности на весь спектр подключенного к сети ЭО.

Рассмотрим обобщенный многомерный метод дифференцированной оценки влияния на ЭО выбросов и провалов напряжения различной площади /61/:

1) С помощью многоуровневого статистического анализатора АВПН-МП /35/ одновременно измеряют две характеристики напряжения питающей сети: дополнительные ДФР площади выбросов 8В и провалов 8п напряжения за различные уровни анализа и - Р; (Б,, Ц) и И] (Бц, Ц).

2) Используя известные данные и метод /73/, получают характеристики подключенного к сети ЭО - критический уровень питающего напряжения и критическую площадь выброса (или провала питающего напряжения за критический уровень для каждой нгой группы однородного ЭО.

3) Выполняют совместное рассмотрение характеристик сети и ЭО (см. рис.14, на котором приведена ДФР Р1(8в,и); при рассмотрении ДФР Р1(8п,и) порядок расчета аналогичный), в результате чего определяется ожидаемая частота отказов ьтой группы ЭО из-за воздействия на него выбросов напряжения по формуле

Уото =Утах • и,Д О)

где ут - частота превышения выбросами напряжения нулевого уровня и с

По аналогичной формуле оценивается воздействие на ЭО провалов напряжения различной площади.

Аналогично может быть описан обобщенный многомерный метод дифференцированной оценки влияния на ЭО выбросов и провалов напряжения различной длительности /54/:

1) С помощью многоуровневого статистического анализатора АВПН-МД /36/ одновременно измеряются дополнительные ДФР длительности выбросов и провалов за различные уровни анализа

2) Используя известные данные и метод /73/, определяют критический уровень ик питающего напряжения и критическую длительность выброса Д^ (или провала Д^) питающего напряжения за критический уровень.

3) В результате совместного рассмотрения характеристик сети и ЭО определяют ожидаемую частоту отказов ьтой группы однородного ЭО из-за воздействия на него выбросов напряжения по формуле

У<ша =Утвх •РКД^.и.О, (8)

где - частота превышения выбросами напряжения нулевого уровня и с

нулевой длительностью

По аналогичной формуле оценивается воздействие на ЭО провалов напряжения различной длительности.

Интегральная оценка влияния изменяющегося случайным образом напряжения сети на срок службы отдельных типов ЭО может быть выполнена по начальному вероятностному моменту напряжения соответствующего порядка /53/ с помощью устройства /52/, а на весь спектр подключенного к сети ЭО - аналогичным образом по функции моментов случайных процессов /40,66,71/.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Предложена классификация вероятностных распределений различных ПКЭ, которые целесообразно измерять при контроле качества электроэнергии.

2. Предложены обобщенные блок-схемы статистических анализаторов качества электроэнергии, предназначенных для получения гистограмм, а также одномерных, условных и двумерных функций распределения ПКЭ.

3. Разработаны статистические анатизаторы отклонений напряжения АОН, колебаний напряжения АКОН, коэффициента несимметрии АКН, отклонений частоты АОЧ, колебаний частоты и фазы АКЧФ; параллельный статистический анализатор отклонений и колебаний напряжения АОКН-П; статистический анализатор размаха и длительности колебаний напряжения АКОН-РД; многоуровневые статистические анализаторы длительности выбросов и провалов напряжепия ЛВПН-МД, а также площади выбросов и провалов напряжения АЛВПН-МП за различные уровни анализа

4. Статистические анализаторы, указанные в п.З, позволяют реализовать предложенные в диссертации: а) метод автоматизированного контроля ПКЭ и б) обобщенные многомерные методы дифференцировшшой оценки влияния на ЭО колебаний напряжения по их размаху и длительности, а также выбросов и прозалов напряжения по их длительности и площади. Преимуществом методов является возможность оценки соответствия ПКЭ норматизам ГОСТ 13109-97 и оценки влияния колебаний, выбросов и провалов на весь спектр подключенного к сети ЭО по единичному измерению соответствующей вероятностной характеристики изменений напряжения.

5. Предложен метод автоматизированного исследования параметров электрических нагрузок. Для реализации метода разработан многомерный статистический анализатор усредненной на различных интервалах мощности нагрузки. Применение анализатора позволяет в результате обследования электрических нагрузок определять значения коэффициентов максимума полной мощности нагрузки Нм, представив их в виде регрессионных зависимостей от средней полной мощности Sc.

6. Предложен метод определения расчетной мощности нагрузки, учитывающий инерционность процесса нагрева токоведуших элементов. Метод позволяет определять расчетную мощность без неоправданного запаса, исключив ряд ограничений, используемых ранее; особенно эффективно применение метода при расчете резкопеременной нагрузки.

7. Предложены способы моделирования процессов изменения напряжения (прямоугольных, ступенчатых, треугольных и трапециевидных изменений с варьируемыми амплитудой, крутизной, длительностью возмущений и пауз между ними), а также способы получения физических моделей процессов изменения полной мощности (тока) нагрузки индивидуальных и групповых электроприемников в сети переменного тока.

8. Разработаны:

- мощные имитаторы изменений напряжения сети, с использованием которых реализован предложенный в работе метод автоматического определения критических значений характеристик резкопеременных изменений напряжения (амплитуды и длительности размахов колебаний, площади и длительности выбросов и провалов), приводящих к нарушению нормального режима работы ЭО;

- гибридные цифро-аналоговые устройства для моделирования процессов изменения напряжения, а также полной мощности и тока нагрузки в сетях переменного и постоянного тока, которые используются в составе САПР и АСНИ и позволяют решить ряд проектных и научно-исследовательских задач СЭС, например, осуществить выбор токоведущих элементов СЭС по нагреву и т.д.

- прецизионные имитаторы колебаний, выбросов и провалов напряжения, а также колебаний частоты и фазы, предназначенные для метрологического обеспечения анализаторов АКОН, АВПН и АКЧФ, средства поверки которых серийно не выпускаются.

В результате выполнения работы организовано новое научное направление, в составе которого решено 5 взаимосвязанных проблем, предложено 8 методов, разработано 40 устройств различного назначения, внедрено в производство 25 изобретений, в том числе 1 — в серийное производство, с суммарным экономическим эффектом 1,4 млн рублей (в ценах 1990 г.).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Ермаков В.Ф. Устройство для статистического контроля колебаний напряжения в электрических сетях //Проблемы создания преобразователей формы информации: Материалы III Всесоюз. симпозиума. - Киев: Наукова думка, 1976. -4.1.-С. 180-186.

2. Ермаков В.Ф. Статистический анализатор колебаний напряжения //Изв. вузов. Электромеханика -1976. -№ 3. - С. 334 - 338.

3. Ермаков В.Ф., Каялов Г.М. Измерение дисперсии случайного физического процесса //Изв. вузов. Электромеханика- 1976.-№ 12.-С. 1394- 1395.

4. Ермаков В.Ф. Устройство для выделения нарастающих и спадающих колебаний напряжения в электрических сетях //Изв. вузов. Электромеханика -1976. - № 3 . - С. 334 -338.

5. А.с. 662944 СССР, МКИ 006Р 15/36. Анализатор качества напряжения /В.Ф.Ермаков. - 1979, Бюл. № 18.

6. Ермаков В.Ф. Устройство для статистического контроля колебаний напряжения //Промышленная энергетика. - 1981.-№ 1.-С. 35-36.

7. Ермаков В.Ф., Каждан А.Э. Анализ систематической погрешности анализатора колебаний напряжения АКОЫ-2 //Промышленная энергетика. - 1981. -№2. -С. 29 -30.

8. Ермаков В.Ф. Получение группового графика нагрузки на электронной модели //Изв. вузов. Электромеханика. -1981. — № 2. - С. 221 - 224.

9. Ермаков В.Ф., Теребаев В.В. Быстродействующий преобразователь переменного напряжения в постоянное //Изв. вузов. Электромеханика. - 1981. - № 8. -С. 934-935.

10. Ах. 903911 СССР, МКИ 0060 7/62. Устройство для моделирования мощности нагрузки электроприемников /В.Ф.Ермаков. —1982, Бюл. № 4.

11. Ах. 920741 СССР, МКИ 006Р 15/36. Статистический анализатор величины и длительности колебаний напряжения /В.Ф.Ермаков. — 1982, Бюл. № 14.

12. Ах. 928627 СССР, МКИ НОЗК 5/156. Устройство для формирования перерывов питающего напряжения /В.Ф.Ермаков и В.И. Черепов. - 1982, Бюл. № 18.

13. Ермаков В.Ф. Анализатор гистограммы производной напряжения //Изв. вузов. Энергетика. - 1982. - № 8. - С. 109 - 112.

14. Ах. 959270 СССР, МКИ НОЗК 5/00. Устройство для определения параметров выбросов напряжения /В.Ф.Ермаков и В.ИЛерепов. - 1982, Бюл. № 34.

15. Ермаков В.Ф., Черепов В.И. Устройство для моделирования циклических выбросов и провалов напряжения с монотонно нарастающей длительностью //Изв. вузов. Электромеханика. -1982. - № 9. - С. 1113 - 1114.

16. Ах. 993469 СССР, МКИ НОЗК 13/20. Статистический анализатор отклонений напряжения /В.Ф.Ермаков. -1983, Бюл. № 4.

17. Ермаков В.Ф., Черепов В.И. Статистический анализатор выбросов и провалов напряжения //Изв. вузов. Электромеханика. -1983. -№ 3. - С. 97-100.

18. Ермаков В.Ф. Помехоустойчивый анализатор колебаний напряжения //Изв. Сев.-Кавк. науч. центра высш. шк. Техн. науки. - 1983. - № 2. - С. 70-72,

19. Ах. 1064439 СССР, МКИ НОЗК 5/00. Устройство для моделирования выбросов и размахов напряжения с монотонным изменением параметров /В.Ф. Ермаков и В.ИЛерепов. - 1983, Бюл. № 48.

20. Ах. 1076913 СССР, МКИ 006Р 15/36. Параллельный статистический анализатор отклонений и колебаний напряжения /В.Ф.Ермаков. - 1984, Бюл. № 8.

21. Ах. 1092423 СССР, МКИ 001Я 23/16. Статистический анализатор условной функции распределения размахов колебаний напряжения/В.Ф.Ермаков. - 1984, Бюл.№ 18.

22. Ах. 1104530 СССР, МКИ 006Р 15/36. Анализатор гистограммы отклонений напряжения /В.Ф.Ермаков. -1984, Бюл. № 27.

23. А.с. 1111184 СССР, МКИ 0060 7/62. Устройство для моделирования мощности нагрузки электроприемников /В.Ф.Ермаков и А.М.Романов. - 1984, Бюл. №32.

24. Ах. 1114965 СССР, МКИ 001Я 21/00. Устройство для измерения избыточной мощности энергопотребителя /В.Ф.Ермаков. -1984, Бюл. № 32.

25. А.с. 1262524 СССР, МКИ 006Б 15/36. Статистический анализатор отклонений напряжения сети /В.Ф.Ермаков. - 1986, Бюл. № 37.

26. А.с. 1322331 СССР, МКИ 0060 7/62. Устройство для получения физической модели тока нагрузки группы электроприемников /В.Ф.Ермаков. -

1987, Бюл. №25.

27. А.с. 1365096 СССР, МКИ 006Б 15/36, 001Я 23/16. Статистический анализатор условной функции распределения размахов колебаний напряжения /В.Ф.Ермаков, Э.И.Хамелис. - 1988, Бюл. № 1.

28. А.с. 1394367 СССР, МКИ Н02М 5/14. Электронный преобразователь числа фаз многофазного напряжения /В.Ф.Ермаков. - 1988, Бюл. № 17.

29. А.с. 1443143 СССР, МКИ Н03К 5/00. Устройство для поверки статистических анализаторов колебаний, выбросов и провалов напряжения /В.Ф.Ермаков. -

1988, Бюл. №45.

30. А.с. 1478161 СССР, МКИ 001Я 29/16. Устройство для определения напряжения прямой и обратной последовательности /В.Ф.Ермаков, Е.И.Окунцов. -1988, Бюл. № 1.

31. Ермаков В.Ф. Анализ составляющих погрешности определения расчетной электрической нагрузки /Электрические нагрузки и .электропотребление в новых условиях хозяйствования: Материалы семинара. - М.: МДНТП, 1989. - С. 93-96.

32. А.с. 1485145 СССР, МКИ 001Я 23/02. Система для измерения отклонений частоты промышленного напряжения /В.Ф.Ермаков. - 1989, Бюл. № 21.

33. Ермаков В.Ф., Хамелис Э.И. Быстродействующий преобразователь переменного напряжения в постоянное //Изв. вузов. Электромеханика. - 1989. - № 11.-С.64-68.

34. А.с. 1633427 СССР, МКИ 0С№ 15/36. Статистический анализатор колебаний частоты и фазы напряжения /В.Ф.Ермаков. - 1991, Бюл. № 9.

35. А.с. 1667105 СССР, МКИ 006Б 15/36. Многоуровневый статистический анализатор площади выбросов и провалов напряжения /В.Ф.Ермаков. - 1991, Бюл. № 28.

36. А.с. 1674156 СССР, МКИ 006Б 15/36. Анализатор длительности выбросов и провалов напряжения /В.Ф.Ермаков. -1991, Бюл. № 32.

37. Патент 1730641 СССР, МКИ 006Б 15/36. Многомерный статистический анализатор мощности нагрузки /В.Ф.Ермаков. - 1992, Бюл. № 16.

38. Ермаков В.Ф. Автомат для выбора токопроводов по нагреву //Промышленная энергетика. - 1992. - № 7. - С. 30 - 32.

39. Патент 1780048 РФ, МКИ 001Я 29/16. Устройство для определения коэффициента несимметрии трехфазного напряжения/В.Ф.Ермаков и В.В.Скворцов. -1992,Бюл.№45.

40. Ермаков В.Ф. Обобщенный метод оценки интегральных характеристик электрооборудования по параметрам напряжения и тока сети //Изв. вузов. Электромеханика. - 1992. - № 6. - С. 73-74.

41. Патент 1836692 СССР, МКИ 006Р 15/36. Многомерный статистичесхий анализатор сглаженной эффективной мощности нагрузки /В.Ф.Ермаков. - 1993, Бюл. №31.

42. Ермаков В.Ф. Классификация вероятностных распределений показателей качества электроэнергии //Изв. вузов. Электромеханика. - 1993. - № 6. - С. 39 - 41.

43. Ермаков В.Ф., Хамелис Э.И. Статистический анализ выбросов и провале напряжения при наличии нестационарных составляющих исследуемого процесса //Изв. вузов. Электромеханика. -1993. - № 6. - С. 59 - 60.

44. Ермаков В.Ф., Хамелис Э.И. Статистический анализатор условной функции распределения размахов колебаний напряжения //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 1994. - № 1-2. - С. 81 - 88.

45. Ермаков В.Ф., Окунцов Е.И. Получение условной функции распределения выбросов и провалов напряжения сети //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 1994. - № 1-2. - С. 88 - 94.

46. Ермаков В.Ф. Метод статистического анализа нестационарных случайных процессов //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 1994. - № 3-4. - С. 12 - 15.

47. Ермаков В.Ф. Гудзовская В А. Метод моделирования случайных равномерно распределенных двоичных чисел //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 1994. -№ 3-4. - С. 15 -18.

48. Ермаков В.Ф. Гудзовская В.А. Сравнительный анализ аппарагурного моделирования равномерно распределенных случайных двоичных чисел //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -1994. - № 3-4. - С. 18 - 28.

49. Ермаков В.Ф. Обобщенные блок-схемы статистических анализаторов качества электроэнергии //Изв. вузов. Электромеханика. - 1995. -№ 1-2. - С.124-125.

50. Патент 2028725 РФ, МПК Н03К 12/00. Устройство для поверки статистических анализаторов колебаний частоты и фазы напряжения /В.Ф.Ермаков. - 1995, Бюл. № 4.

51. Патент 2036513 РФ, МПК 0060 7/62.Устройство для моделирования изменения мощности нагрузки и температуры токоведущих элементов систем электроснажения /В.Ф.Ермаков. - 1995, Бюл. № 15.

52. Патент 2041496 РФ, МПК 006Р 17/18. Устройство для определения начальных моментов любого порядка /В.Ф.Ермаков. - 1995, Бюл. № 22.

53. Ермаков В.Ф. О целесообразности определения вероятностных моментов в электроэнергетике//Изв.вузов.Сев.-Кавк.регион.Техн.науки.-1996.- № 1—СЗ 8—43.

54. Ермаков В.Ф. Обобщенный метод дифференцированной оценки влияния выбросов и провалов напряжения на различное электрооборудование //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 1996. - № 1. - С. 164 -167.

55. Патент 2053550 РФ, МПК 006Р 17/18. Двумерный статистический анализатор уровня и производной напряжения /В.Ф.Ермаков, В.А.Гудзовская. - 1996, Бюл. № 3.

56. Ермаков В.Ф. Метод расчета электрических нагрузок //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн.науки. -1996. - № 2. - С. 85 - 92.

57. Ермаков В.Ф., Гудзовская ВЛ. Метод моделирования случайных функций и его реализация (Часть 1: Метод и средства получения исходной информации о процессе-оригинале) //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн.науки. - 1996. - № 2. -С. 93-101.

58. Ермаков В.Ф., Черепов В.В. Обобщенный метод дифференцированной оценки влияния колебаний напряжения на различное электрооборудование // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 1996. - № 2. - С 178 - 180.

59. Патент 2060542 РФ, МПК 006Р 17/18. Многомерный статистический анализатор усредненной мощности нестационарной нагрузки /В.Ф.Ермаков. - 1996, Бюл. № 14.

60. Ермаков В.Ф., Гудзовская ВА. Метод моделирования случайпых функций и его реализация (Часть 2: Средства реализации метода для получения процесса-модели) //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн.науки. - 1996. - № 3. - С.80-92.

61. Ермаков В.Ф. Обобщенный метод дифференцированной оценки влияния выбросов и провалов напряжения на электрооборудование по их площади //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -1996. - № 3. - С. 117 - 120.

62. Ермаков В.Ф., Гудзовская ВЛ. Датчики случайных чисел с равномерным распределением//Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн.науки.- 1996.-№ 4.- С. 28-32.

63. Патент 2074396 РФ, МКИ 001Я 19/22. Быстродействующий преобразователь переменного напряжения в цифровой код отклонения /В.Ф.Ермаков, Э.И.Ха-мелис. -1997, Бюл. № 6.

64. Ермаков В.Ф., Черепов В.В. Экспериментальное исследование влияния провалов напряжения питающей сети на работу электроприемников // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 1997. - № 1. - С 3 8 - 41.

65. Патент 2092859 РФ, МПК 00№ 21/00. Способ автоматизированного исследования параметров электрической нагрузки /В.Ф.Ермаков. -1997, Бюл. № 28.

66. Патент 2092897 РФ, МПК 006Р 17/18. Статистический анализатор функции моментов Ермакова В.Ф. /В.Ф.Ермаков. -1997, Бюл. № 28.

67. Патент 2099785 РФ, МПК 0060 7/52. Прецизионный имитатор реализаций случайных изменений постоянного напряжения /В.Ф.Ермаков и В.А.Гудзовская. -1997,Бюл. № 35.

68. Патент 2099863 РФ, МПК Н03К 12/00. Имитатор реализаций случайных изменений переменного напряжения /В.Ф.Ермаков и В.А.Гудзовская. -1997, Бюл. №35.

69. Патент 2103725 РФ, МПК 006Р 7/58. Датчик случайных чисел с равномерным распределением /В.Ф.Ермаков, В.А.Гудзовская. - 1998, Бюл. № 3.

70. Патент 2103726 РФ, МПК 006Р 7/58. Датчик случайных чисел с равномерным распределением повышенной точности /В.Ф.Ермаков, ВА.Гудзовская. -1998, Бюл. № 3.

71. Патент 2178202 РФ, МПК 006Р 17/18. Статистический анализатор функций моментов случайных процессов /В.Ф.Ермаков. - 2002, Бюл. № 1.

72. Ермаков В.Ф. Обобщенная блок-схема устройств для моделирования детерминированных и случайных процессов в электрических сетях //Материалы II Междунар. науч.-практ. конф. "Моделирование. Теория, методы и средства", г. Новочеркасск, 5 апреля 2002 г.: В 4 частях /Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). -Новочеркасск: ООО ТЕМП", 2002. - Ч. 4. - С. 20 - 23.

73. Ермаков В.Ф., Черепов В.И. Метод автоматического определения критических значений характеристик резкопеременных изменений напряжения, приводящих к отказу электрооборудования //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2002. - Спецвыпуск. - С. 115 - 116.

74. Ермаков В.Ф. Средства получения физических моделей тока и мощности резкоперемеиной нагрузки //Изз. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2002. -Спецвыпуск. - С. 116.

75. Ермаков В.Ф. Исследование процессов в электрических сетях: методы, средства, детерминированные и вероятностные модели. - Ростов-на-Дону. Изд-во Рост, ун-та, 2003. - 288 с.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит: в 3 - идея вычитания из исследуемого процесса задаваемого среднего значения, уточняемого в конце анализа; в 7 - расчет погрешности на ЭВМ; в 9, 12, 14, 15, 17, 19, 23, 27, 30, 33, 39, 44, 45, 55, 62, 63, 67, 68, 69, 70 -постановка задачи, разработка блок-схемы устройства, идеи технических решений; в 43,47 - постановка задачи, участие в разработке методов; в 48 - обоснование методики сравнения качества моделирования двоичных чисел; в 57,58,60,73 - постановка задачи исследований, разработка основных положений методов; в 64 — обоснование методики проведения экспериментов, аппроксимация опытных данных.

м 16J 52

Ермаков Владимир Филиппович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ЭЛ ЕКТРИЧЕСКИХСЕТЯХ: МЕТОДЫ, СРЕДСТВА, ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ И ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МОДЕЛИ

Автореферат

Подписано в печать 13.09.2004. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 2. Уч.-изд, л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 1086.

Типография ЮРГТУ (НПИ) 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132 Тел., факс (863-52) 5-53-03 E-mail: tvpographv(5).novoch.ru