автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Измерение несимметрии напряжений в трехфазных электрических сетях

На правах рукописи

ООЗ166332

ВАРЛАМОВ Юрий Владимирович

ИЗМЕРЕНИЕ НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИИ В ТРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0 3 ДПР 2003

ПЕНЗА 2008

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Чернецов Владимир Иванович.

Официальные оппоненты- доктор технических на}«, доцент

Нефедьев Дмитрий Иванович; кандидат технических наук, доцент Юрманов Валерий Анатольевич.

Ведущее предприятие - федеральное государственное унитарное

предприятие "Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов" (г Пенза).

Защита диссертации состоится 24 апреля 2008 г, в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212 186.02 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу 440026, г Пенза, ул Красная, 40.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" и на сайте университета \т\у.ргщг;и ги

Автореферат разослан 22 марта 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор (ус Светлов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Наиболее широкое применение в системах электроснабжения нашли трехфазные электрические сети (ЭС) Однако при несимметрии трехфазной системы напряжений появляются напряжения обратной и нулевой последовательностей. Это приводит к изменениям значений фазных и междуфазных напряжений, смещению нейтрали трехфазной системы. Как следствие, растут потери активной мощности, ускоряется старение изоляции, возникают опасные вибрации из-за знакопеременных вращающих моментов, увеличиваются пульсации выпрямленного напряжения, возрастает вероятность ошибок релейной защиты и погрешность электросчетчиков и т д

Электрическая энергия согласно Федеральному закону № 184-ФЗ отнесена к группе товарной продукции, и на нее распространяются все требования по качеству. Превышение нормально допустимых и, тем более, предельных значений показателей качества электроэнергии (ПКЭ), определяемых ГОСТ 13109-97, ведет к увеличению брака выпускаемой продукции, ухудшению условий труда, экологической обстановки и др. Сертификация электрической энергии должна проводиться более чем по 40 параметрам, к основным из которых относятся и контроль ПКЭ по несимметрии трехфазной системы напряжений Поэтому разработка методов и средств измерения коэффициентов несимметрии по обратной и нулевой последовательностям напряжений трехфазных ЭС является, несомненно, актуальной.

Вместе с тем современное программное и аппаратное обеспечение, наличие новых достижений в области цифровой обработки сигналов предоставляют возможности по дальнейшему совершенствованию средств измерения параметров ПКЭ, в том числе и параметров несимметрии трехфазных напряжений.

Цель работы - разработка способов и алгоритмов измерения коэффициентов несимметрии трехфазных ЭС по фазовым сдвигам между фазными и междуфазными напряжениями, упрощающих проектирование и построение приборов и систем мониторингового контроля показателей качества электроэнергии.

В соответствии с этим решаются следующие основные задачи— исследование и анализ состояния математического и программно-аппаратного обеспечения процессов измерения параметров не-

симметрии сетевого напряжения и разработка новых, более простых в реализации способов и алгоритмов измерения показателей несимметрии напряжений в трехфазных ЭС, использующих информацию о фазовых сдвигах между фазными и междуфазными напряжениями;

- синтез математических моделей разработанных алгоритмов обработки измерительной информации, исследование погрешностей и выработка алгоритмов коррекции их влияния;

- исследование алгоритмов измерения показателей несимметрии трехфазного сетевого напряжения методами статистического имитационного моделирования на ЭВМ, апробация разработанных методик анализа и доведение их до практического применения путем использования в хоздоговорных научно-исследовательских работах и в учебном процессе.

Методы исследований Основные результаты получены с использованием методов математического анализа, методов линейной алгебры, методов теории графов, численных методов математики и цифровой фильтрации, методов статистического имитационного моделирования на ЭВМ и методов теории планирования экспериментов и обработки данных Соответствующие теоретические исследования проводились с использованием сред программирования MathCAD, Simulink и Power System Blockset.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- показано, что с точки зрения метрологии измерения ПКЭ в трехфазных сетях реализуют собой косвенные способы измерений и, следовательно, не требуют реализации абсолютных измерений с точностью до меры напряжения; достаточно измерить, как минимум, отношения действующих значений напряжений;

- предложены новые способы и алгоритмы измерения коэффициентов несимметрии по обратной и нулевой последовательностям напряжений в трехфазных ЭС, основанные на прямых измерениях фазовых сдвигов фазных и междуфазных напряжений, существенно упрощающих как реализацию собственно средств измерения (СИ) ПКЭ при допустимых согласно ГОСТу значениях погрешностей измерений, так и проблемы гальванической развязки СИ от ЭС высокого напряжения, поскольку требуется выделять только моменты перехода через нуль исследуемых напряжений,

- разработаны имитационные модели процесса измерения, исследовано влияние погрешностей измерений и предложены схемы коррекции влияния погрешностей; адекватность моделей подтверждена результатами имитационного статистического моделирования на ЭВМ.

Практическая ценность исследования состоит в разработке методики инженерного проектирования блока измерения коэффициентов несимметрии для СИ ПКЭ, а также МаШСАБ-программ имитационного статистического моделирования процессов обработки измерительной информации с целью определения ожидаемой погрешности измерения. Представленные в работе результаты, а также методики и программы позволяют решать практически весь комплекс задач по проектированию приборов и систем на базе ПЭВМ для измерения и контроля показателей несимметрии в трехфазных низковольтных и высоковольтных ЭС

Реализация и внедрение Результаты исследований использованы: в хоздоговорных и научно-исследовательских работах, внедренных в виде методик и программ в подразделениях ЗАО «Энергосервис», ООО «Вирон», ООО «ДИО», ООО «Вектор», ООО НПП «Энерготехника» и ОАО «Пензаэнерго»; при изготовлении макетного образца блока измерения коэффициентов несимметрии, использованного для текущего и оперативного контроля в ЗАО «Пензенская горэлектросеть» в составе промышленной передвижной электролаборатории ППУ-З. Разработанные методы исследования параметров ЭС используются на кафедрах Пензенского государственного университета и подразделениях Пензенского филиала Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства (РГУИТП) при выполнении хоздоговорных НИР и в учебном процессе.

Результаты внедрения подтверждены соответствующими документами

На защиту выносятся:

1. Способы измерения несимметрии по обратной и нулевой последовательностям напряжений в трехфазных ЭС, основанные на измерениях фазовых сдвигов фазных и междуфазных напряжений.

2. Алгоритмы оценки коэффициентов несимметрии напряжений в трехфазных сетях по обратной и нулевой последовательностям и ме-

тодики имитационного статистического моделирования разработанных алгоритмов

3 Анализ влияния погрешностей измерений и синтеза математических алгоритмов, корректирующих влияние инструментальных погрешностей, методы расчета ожидаемых погрешностей измерения на основе имитационного статистического моделирования

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных симпозиумах «Надежность и качество», г. Пенза, 2006-2007, на международных симпозиумах «Новые технологии в образовании, науке и экономике», о-в Тенерифе (Испания), 2007, г Порторож (Словения), 2007, а также на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского государственного университета и Пензенского филиала РГУИТП

Публикации По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 8 статей (из них одна в издании, рекомендованном ВАК), 2 тезиса докладов

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 114 источников Общий объем работы - 144 машинописных листа.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, кратко охарактеризовано состояние проблемы, сформулированы научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, цели и задачи исследования

В первой главе рассматриваются методологические аспекты измерения параметров, характеризующих несимметрию трехфазного сетевого напряжения. Согласно ГОСТ 13109-97 несимметрия трехфазных напряжений характеризуется коэффициентами несимметрии по обратной последовательности К2ц и нулевой последовательности Коц . Суммарная нагрузка отдельных потребителей содержит до 35-40 % несимметричных нагрузок Так, в дуговых сталеплавильных печах К2и - до 40 %, на тяговых подстанциях переменного тока -

до 24,5 %, на сварочных машинах - до 1-5 % и т. п. Имея достаточно строгое описание нагрузок потребителей, по результатам изменения данных коэффициентов можно с высокой степенью вероятности определить основных виновников ухудшения качества электроэнергии Следует также отметить, что в трехфазных ЭС с нулевым проводом экономия по стоимости провода может достигать до 70 % от общих потерь, обусловленных несимметрией напряжений

Исследовано влияние на режимы передачи электроэнергии различного рода несимметричных нагрузок при разных вариантах подключения по трехпроводным (четырехпроводным для измерения ) линиям ЭС к генерирующим электростанциям с учетом различных комбинаций схем включения типа «звезда» и «треугольник» Очевидно, что в простейших случаях, когда нагрузки симметричны и мощности центров питания бесконечны, проблема описания режимов передачи электроэнергии не представляет особых затруднений Но при нарушении этих условий требуются специальные методы математического описания

Определены операторы для разных схем включения, которые позволяют описать процессы, происходящие в трехфазных ЭС как при симметричной по фазам нагрузке, так и при несимметричной

Рассмотрены ограничения, допускаемые ГОСТ 13109-97, по применению упрощенных формул расчета коэффициентов несимметрии по обратной и нулевой последовательностям напряжений в сравнении с основным (базовым) методом, что позволяет определить общие требования, которым должны удовлетворять СИ.

Показано, что реализация основного (базового) метода, заключающегося в использовании в качестве промежуточных измеряемых величин действующих значений напряжения (ДЗН) междуфазных и фазных напряжений, достаточно сложна Подобное затруднение объясняется тем, что приходится решать проблемы, во-первых, одновременного измерения ДЗН этих величин, во-вторых, гальванической развязки силовых цепей высокого напряжения и измерительных, а в-третьих, сложной вычислительной обработки измеренных величин При использовании же более простого (аппроксимирующего) метода, также рекомендуемого ГОСТ 13109-97 в качестве допустимого, лишь несколько снижается объем вычислительных операций

В результате проведенного анализа приборного обеспечения задач измерения и контроля ПКЭ отмечается, что продвижение на российский рынок иностранных приборов, сертифицированных по стандартам ИСО 9000 и внесенных в Государственный реестр средств измерений, встречает большие трудности из-за их высокой цены. Отечественные средства измерений ПКЭ также отличаются высокой ценой, по совокупности параметров зачастую не обеспечивают требования стандартов в полном объеме и, как правило, неудобны в эксплуатации из-за необходимости использования громоздкой аппаратуры (трансформаторов тока, напряжения, делителей тока, напряжения и т. п ), что особенно неудобно при измерениях в высоковольтных ЭС

При проектировании измерительных приборов предлагается пойти по пути создания агрегатированных средств измерений на базе персональных компьютеров. В диссертационной работе рассмотрена обобщенная структурная схема измерителя для оценки показателей качества электроэнергии трехфазных ЭС, которая содержит устройства гальванической развязки; датчики напряжения (тока); мультиплексор (коммутатор аналоговых сигналов датчиков), аналого-цифровой преобразователь напряжения (АЦП), интерфейс и персональный компьютер

Важно отметить, что набор датчиковой аппаратуры легко может быть адаптирован под конкретно решаемые задачи измерения ПКЭ. Например, в случае измерения показателей несимметрии для трехфазных сетей по нулевой последовательности, необходимо использовать пять датчиков напряжения три - для измерения междуфазных напряжений и два - для измерения фазных напряжений, как это требует ГОСТ 13109-97

С практической точки зрения наиболее целесообразным представляется применение в измерителе интерфейса типа USB Этот вариант является достаточно простой возможностью реализации средств измерений на базе компьютеров типа «ноутбук».

Таким образом, основным звеном, определяющим метрологические характеристики измерителя в целом и существенно влияющим на эффективность алгоритмов обработки измерительной информации, является тракт аналого-цифрового преобразования В качестве базового предлагается скоростной универсальный аналого-цифровой (или цифроаналоговый) преобразователь - логический анализатор на шину USB 2.0.

Во второй главе рассматриваются способы измерения коэффициента К2ц несимметрии напряжений по обратной последовательности для трехфазных ЭС без нулевого провода

Рекомендуемые ГОСТом способы оценки значений коэффициентов несимметрии трехфазных сетей реализуют косвенные методы измерений, предусматривающие вычисление К2и по результатам прямых измерений промежуточных величин - действующих значений междуфазных напряжений Вместе с тем анализ приведенных в ГОСТе формул, по которым производят вычисление К2и, показывает, что стандартные способы могут быть модифицированы и улучшены в плане упрощения схемной реализации и метрологического обеспечения Данный вывод основан на том, что оценки К-щ можно получить, используя иные промежуточные величины, допускаемые стандартом и получаемые также в результате прямых измерений.

Способы оценки значений коэффициентов К2ц по виду промежуточных измеряемых физических величин можно разделить на три группы

1. Способы с измерением действующих значений междуфазных напряжений, что соответствует основным (включая базовый) нормативным требованиям ГОСТа.

2 Логометрические способы, основанные на промежуточных измерениях отношений действующих значений междуфазных напряжений.

3. Способы, предусматривающие прямые измерения фазовых сдвигов между анализируемыми междуфазными напряжениями.

Относительно способов первой группы заметим, что в ГОСТе описан математически точный базовый способ и с целью сокращения объема вычислительных операций предложены его аппроксимации, использующие для определения значения коэффициента несимметрии по обратной последовательности напряжений в процентах в г'-м наблюдении формулу

где 11Ащ 1)г, IIвс(1)1 и ^СА{\)1 ~ ДЗН междуфазных напряжений, ^нб(1)г и ^нм(1)г ~ наибольшее и наименьшее из междуфазных напряжений.

Результаты исследований показали, что погрешность измерений по аппроксимирующему способу согласно формуле (1) относительно базового не превышает ±0,2 % Поэтому аппроксимирующий способ

измерения, реализуемый согласно формуле (1), принят далее за основной, как наиболее удобный с учетом существенного уменьшения объема вычислений по сравнению с иными предлагаемыми способами измерения

Для объяснения принципа действия логометрических способов измерения формулу (1) можно привести к виду

20,7

ииб(\)1 ины(\)1 иАВ(\)г иАВ(\)1

£ш=~т---_------л

11 ивс(\)1 | Уело*

иАВ(\)г иАВ(\)1

(2)

Анализ алгоритма измерения по формуле (2) показывает, что при измерении несимметрии К2ц трехфазных ЭС имеется возможность решить метрологические проблемы, связанные с необходимостью использования при измерениях меры напряжения В логометриче-ском способе очевидна возможность использования в качестве меры одной из промежуточных измеряемых величин, например, действующего значения напряжения иАВ^)г. При этом погрешность измерения К-2ц будет, естественно, меньше, так как она определяется отношениями погрешностей измерения действующих значений остальных междуфазных напряжений к действующему значению междуфазного напряжения, используемого в качестве меры

Как показывает практика, основным недостатком известных способов является сложность практической реализации Рассмотренные способы измерения по определению требуют измерений ДЗН, что представляет собой достаточно непростую техническую задачу. Сложность практической реализации существенно возрастает при измерениях в высоковольтных электрических сетях, где требуется

применять вносящие дополнительную погрешность при измерениях ДЗН сложные в изготовлении, дорогие металлоемкие элементы гальванической развязки (измерительные трансформаторы, делители напряжения, масштабные преобразователи и т п.) с целью согласования по входу с измерительными приборами и обеспечения электробезопасности При синусоидальных измеряемых сигналах и сигналах с малой нелинейностью в формуле (1) действующие значения напряжений иав(1)1 > VВс(\)1 и иС4(1)г корректно заменить на амплитудные, что, как показано в работе, не вызовет существенных изменений оценок К2и,.

С целью устранения указанных недостатков предложен способ, существенно упрощающий реализацию СИ при уменьшении объема вычислительных процедур и обеспечивающий расширение функциональных возможностей Для пояснения сути способа рассмотрим векторные диаграммы междуфазных напряжений, которые представлены на рис 1

Рис 1 Векторные диаграммы междуфазных напряжений

Для образующего векторную диаграмму треугольника ААБС выполняется известная теорема синусов Применив данную теорему и проведя соответствующие преобразования, получим формулу следующего вида-

К2 иг =186

втср^ — БШ фс втфд + бш фс

(3)

которая позволяет вычислять К2ц по результатам измерений разности фаз междуфазных напряжений.

Представленный способ измерения математически точно совпадает с аппроксимативным (основным) способом, описанным уравнением (1).

С целью сокращения объема вычислительных операций можно использовать упрощенную оценку коэффициента несимметрии по обратной последовательности напряжений, которая для /-го наблюдения будет определяться формулой

К

2 и%

186-

(4)

Фш+Фг./+Фс/

где - множество условных фазовых сдвигов {фа/, , фс; } между межфазными напряжениями в точках подключения фаз А, В и С. Идея использования формулы (4) строится на основании известной тригонометрической теоремы, согласно которой против большего угла треугольника всегда лежит большая сторона.

С помощью стандартных МаЛСАБ-программ были разработаны модели, описывающие процесс определения К2ц по способам (3), (4) и (1). Были проведены идентификация разработанных моделей и исследования погрешностей измерения представленных способов согласно формулам (3) и (4) относительно способа (1). Получена погрешность (г - номер испытания) оценки несимметрии (в %), приведенная на рис. 2.

0.5

Л/

-0.5

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

г

Рис. 2. Погрешность измерений по способу (4) относительно формулы (1)

Полученные результаты исследования соответствуют требованиям по точности, допустимым по стандарту.

В третьей главе рассматриваются способы измерения коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности. Согласно требованиям ГОСТа определение данного показателя качества электрической энергии осуществляется по результатам прямых измерений ДЗН не только междуфазных напряжений {/¿В(1)»>

Vвс( 1)/ и ' но и ДВУ* фазных напряжений и^у и V■

При измерении коэффициентов несимметрии Коц применение логометрических способов измерений затруднено из-за сложностей соответствующих математических преобразований. Однако определение значения К^и по измеренным значениям фазовых сдвигов между фазными и междуфазными напряжениями оказывается возможным. Предлагается способ оценки несимметрии трехфазных сетей, включенных по четырехпроводной линии электропередач, по результатам прямых измерений пяти фазовых сдвигов. Алгоритм измерения поясняется векторными диаграммами фазных и междуфазных напряжений, показанных на рис. 3.

л

Рис. 3. Векторные диаграммы ДЗН фазных и междуфазных напряжений

Из диаграмм (см. рис. 3), используя теорему синусов, можно составить систему уравнений

иВС =иАВ _ иСА эт фд эшфс эт щ

^ _ иАВ _ ив

БШР

вш-

2тс

эта

которая связывает ДЗН соответствующих напряжений с фазовыми сдвигами

Из соотношения (5) получается выражение для вычисления коэффициента несимметрии напряжения по нулевой последовательности Кциг в процентах по результатам /-го наблюдения

К,

ОС/фг

:100а/3

Лрг + (-^фг ~ ЗСфг )

ЗШфс

(6)

где

8т2фш-51П2фг,; зт2фсг

/

51П2 аг-5м2рг

БШ

22я

г -

'-'фг

2 ' 48имр51_

эт2 фсг

1 вш ф^+эт <ры

эт2 фсг

^ вт2 аг 81п2(2Л/3)

1-

бш2 аг + вт2 (Зг Л эт2(2я/3)

Разработаны имитационные модели в формате пакета программ МаЛСАБ алгоритмов измерения К^и по аппроксимативному методу согласно ГОСТу и по предлагаемому на основе измерения значений фазовых сдвигов, который получается по алгоритму (6)

Достоверность полученного результата иллюстрируется на рис 4 Здесь представлены результаты статистических исследований в виде абсолютных значений погрешности сравниваемых способов измерения с помощью таких промежуточных величин, как ДЗН, и фазовых

сдвигов между фазными и междуфазными напряжениями, где к -число статистических испытаний.

2 10

1 10

А2к

-110

-2 10

-3 10

Рис. 4. Погрешность оценок предлагаемого способа относительно базового, в %

В данной работе оценка погрешностей измерений несимметрии нулевой последовательности осуществлялась с учетом влияния случайных изменений в пределах ± 5 % модулей векторов фазных напряжений ид и IIв по равномерному закону. Так, например, при статистическом анализе допускаемого по ГОСТу аппроксимативного (взятого за основной) способа измерений при числе выборок Я = 500 получены результаты оценки К0ц , иллюстрируемые на гистограмме рис. 5.

Приведенная гистограмма имеет асимметричный вид, и практически не удается подобрать закон распределения, по которому ее можно было бы идентифицировать.

Вместе с тем алгоритмы вычислений дают очень большие значения погрешностей, соизмеримые с нормативно допустимыми лимитами по несимметрии. Подобное происходит из-за того, что при реализации аппроксимативного алгоритма оценки несимметрии не соблюдается симметрия междуфазных напряжений, которая согласно ГОСТ 13109-97 необходима для корректного применения указанного алгоритма.

2.99

¡Ш

Рис. 5. Гистограмма распределения коэффициента несимметрии Каи1

Четвертая глава посвящена комплексному исследованию требований, предъявляемых к метрологическим характеристикам АЦП и алгоритмам обработки информации при измерении коэффициентов несимметрии трехфазных напряжений применительно к структурной схеме измерителя, описанной в первой главе.

Оценены требования к погрешностям Ъи измерения ДЗН фазных и междуфазных напряжений. При этом показано, что измерения ДЗН должны выполняться с относительной погрешностью, которая получается из условия

т. е. для выполнения требований ГОСТа погрешность измерения Ъи должна быть менее 0,025 %. Следует отметить, что измерение ДЗН переменного напряжения с погрешностью 0,025 % представляет серьезные аппаратурные проблемы. Кроме того, необходимость учета влияния погрешностей, вносимых устройствами гальванической развязки, ограничивает применение базового способа только для стационарных условий эксплуатации.

Для способов, использующих измерения фазовых сдвигов фазных и междуфазных напряжений, установлено, что требования к абсолютной погрешности Лф измерения фазовых сдвигов ограничиваются соотношениями

тах{8л:2гу}-205гу>

(7)

Откуда следует, что в реальных случаях абсолютная погрешность

о

измерения фазы должна быть не хуже 7-10 [рад]. Последнее весьма существенно, так как реализация измерителей фазы (временного интервала), имеющих требуемую точность, не представляет особых затруднений и легко обеспечивается, например, цифровыми измерительными приборами

С использованием специально разработанных MathCAD-npor-рамм для рассмотренных выше способов измерения несимметрии по фазовым сдвигам было проведено исследование влияния высших гармоник сетевого напряжения на оценки несимметрии трехфазных сетей При этом установлено, что, если требования ГОСТ 13109-97 по качеству электроэнергии выполняются, то погрешностью, обусловленной влиянием несинусоидальности, с практической точки зрения можно пренебречь

Показано, что устройства гальванической развязки не будут вносить дополнительной погрешности при использовании для измерения фазы моментов перехода фазных напряжений через ноль, фиксируемых, например, с помощью оптоэлектронных элементов Использование современных достижений оптоэлектроники позволяет существенно сократить затраты на аппаратную реализацию соответствующих средств измерений Например, известные оптоэлектронные пары (www optekinc com) при цене 25-30 $ позволяют осуществлять гальваническую развязку напряжений до 75-100 кВ.

Результаты исследований показали, что имеются методологические возможности совершенствования и упрощения способов измерения коэффициентов несимметрии напряжений в трехфазных электрических сетях, например, за счет использования результатов измерения отношений напряжений или фазовых сдвигов между напряжениями.

Проверка результатов исследования проводилась как аналитическими методами, так и методами моделирования на ЭВМ с использованием пакетов MathCAD 13 и MATLAB 6.5. Компьютерные технологии, в основе которых лежат прикладные пакеты, предоставляют возможность более глубокого изучения вопросов, связанных с проектированием и эксплуатацией электроэнергетических систем. Выработаны рекомендации по применению разработанных способов

измерения коэффициентов несимметрии трехфазных электрических сетей, предложенные методики, алгоритмы и программы моделирования ИС позволяют рассчитать ожидаемые метрологические характеристики. Это позволяет качественно изменить и существенно улучшить технологию исследований, перевести их в виртуальную действительность и осуществить необходимые исследования с получением количественных результатов.

Основные результаты и выводы

1 Проведены исследование и анализ состояния математического и программно-аппаратного обеспечения процессов определения коэффициентов несимметрии по нулевой и обратной последовательностям напряжений Показано, что определение значений коэффициентов несимметрии трехфазных напряжений реализует косвенные методы измерений. При этом все множество способов оценки значений коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности можно по виду промежуточных измеряемых физических величин разделить на три группы 1) способы с измерением действующих значений междуфазных напряжений; 2) логометрические способы, 3) способы, предусматривающие прямые измерения фазовых сдвигов между анализируемыми междуфазными напряжениями Способы же оценки значений коэффициентов несимметрии напряжений по нулевой последовательности по виду промежуточных измеряемых физических величин можно разделить на две группы 1) способы с измерением действующих значений фазных и междуфазных напряжений; 2) способы, предусматривающие прямые измерения фазовых сдвигов фазных и междуфазных напряжений

2. Предложены новые способы и алгоритмы измерения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательностям напряжений, основанные на прямых измерениях фазовых сдвигов фазных и междуфазных напряжений, существенно упрощающие как решение проблемы гальванической развязки с сетями высокого напряжения, так и реализацию средств измерения при допустимых согласно ГОСТу значениях погрешностей измерений

3 Синтезированы математические и имитационные модели разработанных алгоритмов измерения коэффициентов несимметрии трехфазных сетей, проведены статистические исследования и осуществ-

лена идентификация законов распределения методических погрешностей измерения. Установлено, что случайные величины характеризуются сложными законами распределения из-за сложности применяемых функциональных зависимостей.

4. Определены требования к средствам измерений несимметрии, показано, что при оценке по действующим значениям фазных и междуфазных напряжений погрешности измерения ДЗН должны быть не более 0,025 %, а при оценке по сдвигам фаз исследуемых напряжений абсолютная погрешность измерения фазовых сдвигов не должна превышать 7 10~3 рад, обоснованы требования к параметрам элементов функциональных схем измерительных устройств.

5 Результаты диссертационной работы получены в ходе выполнения хоздоговорных НИР Пензенского государственного университета и Пензенского филиала Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства и внедрены на ряде предприятий в виде использования методик обработки информации и программ для решения комплекса задач по проектированию аппаратной части и алгоритмов виртуальных приборов и систем для измерения и контроля показателей качества электроэнергии в трехфазных сетях. Результаты исследования нашли применение в учебном процессе Пензенского государственного университета

Список публикаций по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Варламов, Ю. В Совершенствование способов измерения несимметрии трехфазных электрических сетей / Ю. В. Варламов // Вестник Самарского государственного университета Сер. «Технические науки» -2007 -№2(20) - С 52-55

Публикации в других изданиях

2 Варламов, Ю. В Моделирование в среде MATLAB приборов для измерения качества электроэнергии в трехфазных сетях / Ю. В. Варламов // Надежность и качество- тр Междунар. симп — Пенза • Изд-во Пенз. гос ун-та, 2006. - Т. 1 - С. 378

3 Варламов, Ю В Совершенствование способов измерения несимметрии трехфазных электрических сетей / Ю В Варламов, В. И Чер-

нецов // Надежность и качество тр. Междунар. симп. - Пенза . Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. - Т 1 - С. 379.

4. Варламов, Ю В Оценки по несимметрии показателей качества трехфазных электрических сетей / Ю, В Варламов, В И. Чернецов // Надежность и качество тр Междунар. симп - Пенза • Изд-во Пенз гос.ун-та, 2007 -Т 2 - С. 14-16

5 Варламов, Ю В Требования нормативных документов к оценке ПКЭ трехфазных электроэнергетических сетей / Ю. В Варламов, M А. Кожевников, В И. Чернецов // Надежность и качество тр Меж-дунар симп. - Пенза Изд-во Пенз гос ун-та, 2007 - Т. 1. -С 327-329

6. Варламов, Ю В. Способ измерения фазового сдвига с использованием биспектральных представлений / Ю В. Варламов, П. В. Михо-тин, М. В. Чернецов // Надежность и качество- тр. Междунар симп -Пенза Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. - Т. 1. - С. 329-330.

7 Варламов, Ю. В Требования к погрешностям измерений напряжений при оценке несимметрии трехфазных сетей / Ю. В. Варламов // Электромагнитная совместимость и качество электрической энергии межвуз. сб. науч тр - Вып 3 - Пенза • ИИЦ ПТУ, 2007. -С.118-121

8 Варламов, Ю. В. Исследование приборов для измерения качества электроэнергии в трехфазных сетях методом моделирования в среде MATLAB / Ю В Варламов // Электромагнитная совместимость и качество электрической энергии . межвуз. сб. науч тр -Вып. 3. - Пенза • ИИЦ ПТУ, 2007 - С. 147-152.

9. Варламов, Ю В Требования к погрешностям измерений при оценке несимметрии трехфазных электроэнергетических сетей / Ю. В Варламов, В. И Чернецов // Новые технологии в образовании, науке и экономике тр XVI Междунар. симп, Тенерифе (Испания) -M . МГИРЭА, 2007. - С. 15-18

10. Варламов, Ю. В Инновационные проекты контроля показателей качества электроэнергии трехфазных сетей / Ю. В Варламов, В И Чернецов // Новые технологии в образовании, науке и экономике • тр XVII Междунар. симп., Порторож (Словения) - M : ИИЦ Фонда поддержки вузов, 2007 - С 52-55.

Варламов Юрий Владимирович

Измерение несимметрии напряжений в трехфазных электрических сетях

Специальность 05 11 01 - Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

Редактор Я Ю Пшеницына Технический редактор Н А Вьялкова Корректор Я А Сиделъникова Компьютерная верстка Р Б Бгрдншовой

ИД №06494 от 26 12 01

Сдано в производство 20 03 08 Формат 60x84^/16 Бумага писчая Печать офсетная Уел печ л 1,16 Заказ №181 Тираж 100 Издательство Пензенского государственного университета 440026, Пенза, Красная, 40

Список аббревиатур и сокращений

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ТРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ.

1.1 Общие сведения.

1.2 Постановка задачи оценки ПКЭ трехфазных сетей.

1.3 Основные теоретические положения . 23 1. 4 Требования нормативных документов по оценке несимметрии трехфазных напряжений

1.4.1 Определение коэффициента несимметрии по обратной последовательности напряжений

1.4.2 Определение коэффициента несимметрии по нулевой последовательности напряжений

1.4.3 Общие требования при измерениях ПКЭ . . 3 9 1. 5 Обобщенная структурная схема измерителя

Выводы по 1-й главе.

Глава 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА НЕСИММЕТРИИ ПО ОБРАТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ.

2.1. Общие сведения.

2.2. Исследование способа определения КНОП с промежуточным измерением ДЗН

2.3. Способы определения КНОП по отношениям междуфазных напряжений

2.4. Способ определения КНОП по фазовым сдвигам междуфазных напряжений

2.5. Исследование погрешностей измерений коэффициентов КНОП.

Выводы по 2-й главе.

Глава 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА НЕСИММЕТРИИ ПО НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

3.1 Общие сведения.

3.2 Исследование способа определения КННП с измерением ДЗН.

3.3 Способы определения КННП по фазовым сдвигам напряжений

3 . 4 Исследование погрешностей определения

КННП по фазовым сдвигам напряжений . 92 Выводы по 3-й главе.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ В ТРЕХФАЗНЫХ СЕТЯХ

4.1 Общие сведения.

4.2 Допустимые погрешности измерения действующих значений напряжения

4.3 Допустимые погрешности измерения фазовых сдвигов между напряжениями

4.4 Методологические возможности исследования трехфазных ЭС средствами расчета и моделирования на ЭВМ.

4.4.1 Исследование влияния случайных погрешностей на результат определения КННП стандартными методами.

4.4.2 Исследование влияния случайных погрешностей методом имитационного моделирования

Выводы по 4-й главе.

В настоящее время все более пристальное внимание уделяется проблеме электромагнитной совместимости (ЭМС) в электроэнергетических системах, которая трактуется как комплексная организационно-техническая задача обеспечения качества электроэнергии в электрических сетях общего назначения [35, 91, 103.106]. В действующих международных и национальных стандартах [2.4, 11, 40.64] уровни электромагнитной совместимости регламентируют значения кондуктивных электромагнитных помех для координации требований по допустимым уровням помех, вносимым техническими средствами электроснабжающей организации и потребителями электрической энергии, и уровням помех, воспринимаемым чувствительными к воздействию помех техническими средствами (с целью обеспечения их нормального функционирования) . Кондуктивные помехи проявляются в виде отклонений кривой напряжения сети от синусоидальной, несимметрии напряжений в трехфазных сетях и т.п. [3 6] и измеряются непосредственно в точках общего присоединения .

В связи с переходом России на рыночные отношения требования к средствам учета и передачи электроэнергии ужесточились. Электроэнергия становится важнейшим товаром во внутренних и межгосударственных экономических отношениях. Поэтому в решении проблемы стандартизации в области электромагнитной совместимости принимают участие как международные организации: ИСО -Международная организация по стандартизации (1г^егпаtional Organization for Standardization - ISO) ; МЭК -Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission - IEC); международные групповые объединения: CEN - Европейский комитет по стандартизации; CENELEC - Европейский комитет по стандартизации в области электротехники; профессиональные организации: IEEE - Институт инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE); IEA - Ассоциация электронной промышленности (США), так и национальные органы по стандартизации: ANSI (США), JISC (Япония), AFNOR (Франция), BSI (Великобритания), DIN (ФРГ), Госстандарт (Россия) и др.

Указанные проблемы решаются совместными усилиями таких субъектов как: энергоснабжающие организации, потребители - виновники в ухудшении качества энергии и потребители, применяющие устройства и системы, чувствительные к отклонениям от нормированных показателей качества энергии. Эффективное решение задач по обеспечению качества электроэнергии позволяет в комплексе упростить и смягчить технические и, в конечном итоге, юридические противоречия между субъектами. В соответствии с Федеральным Законом № 18 4-ФЗ все расчеты за электроэнергию входят в сферу государственного метрологического контроля и надзора.

Энергосбытовые организации заинтересованы как в более точном учете и контроле качества электроэнергии, так и в оперативной и достоверной информации о ее потреблении, что обуславливает потребность в современных высокоточных способах и средствах измерений

СИ) параметров электроэнергии, определяющих ее качество .

В настоящей диссертационной работе основное внимание уделяется вопросам совершенствования систем для измерения и контроля показателей качества электроэнергии в трехфазных сетях, которые по современной концепции представляют собой важные подсистемы автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) и автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ).

Состояние проблемы обуславливается двумя обстоятельствами: во-первых, электрическая энергия является одним из основных современных и перспективных энергоносителей, и, во-вторых, в соответствии со статьей 7 Закона Российской Федерации от 13 августа 1997 г. № 1013 утвержден «Перечень товаров, подлежащих обязательной сертификации», в который занесена и электрическая энергия. Таким образом, «качество», как важный параметр торговой продукции, стал для электроэнергии определяющим, поскольку круг потребителей данного товара очень широк: от физических лиц до крупнейших промышленных предприятий и целых отраслей. От качества электроэнергии зависит жизнь и здоровье потребителей, функционирование высококачественного офисного, медицинского, измерительного, производственного оборудования .

Выход показателей качества электроэнергии (ПКЭ) за допустимые пределы приводит к нарушению работоспособности оборудования и отключению ответственных нагрузок, что приводит к материальному и моральному ущербу. В других случаях выход ПКЭ за пределы нарушает экономичные оптимальные режимы работы оборудования, что приводит к увеличению потребления электроэнергии и является скрытым повышением стоимости электроэнергии .

За нарушение ПКЭ введена ответственность в виде штрафных санкций в объеме до 25 % от тарифа на электроэнергию как к некачественному товару, нанесшему ущерб потребителю; можно выставить требования о материальном и моральном возмещении.

Отсутствие действенного контроля за значениями ПКЭ не дает возможности пострадавшим потребителям получить материальную компенсацию от энергоснабжающей организации, транспортирующей и продающей произведенную электроэнергию.

Статьи 542 и 543 (часть вторая) Гражданского Кодекса Российской Федерации возлагают ответственность за поддержание качества электроэнергии как на энерго-снабжающие организации, так и на потребителя электроэнергии. С одной стороны, качество электроэнергии, подаваемой энергоснабжающей организацией, должно соответствовать требованиям, установленным государственными стандартами и иными обязательными правилами, предусмотренным договором энергоснабжения. С другой стороны, потребитель обязан обеспечивать надлежащее техническое состояние эксплуатируемых электрических сетей, приборов и оборудования для обеспечения ЭМС с сетями внешнего электроснабжения.

Требования к качеству электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения регламентируются ГОСТ 13109-97 [36], среди которых можно выделить следующие основные показатели качества:

1. установившееся отклонение напряжения;

2. размах изменения напряжения;

3. доза фликера;

4. длительность провала напряжения;

5. коэффициент искажения синусоидальности;

6. коэффициент п-ой гармонической составляющей;

7. коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;

8. коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности;

9. импульсное напряжение;

10. коэффициент временного перенапряжения;

11. отклонение частоты.

При этом обязательной сертификации подлежат только шесть ПКЭ - 1,5,6,7,8,11. Однако по «Временному порядку сертификации электрической энергии» в настоящее время сертификация электроэнергии ведется по двум параметрам: провалам напряжения и частоте. Это объясняется отсутствием средств (СИ) измерения ПКЭ, которые обеспечивали бы требуемые точности измерения [3 6] при простоте использования, наладки и эксплуатации. Имеющиеся же СИ очень дороги, неудобны в транспортировке и поэтому не нашли широкого применения на практике .

В связи с этим не снимается актуальность вопроса построения приборов для измерения и контроля других ПКЭ и, в частности, для измерения таких важных показателей, как коэффициент несимметрии напряжений обратной последовательности и коэффициент несимметрии напряжений нулевой последовательности, которые специфичны для трехфазных электроэнергетических сетей (ЭЭС) . Важность измерения и контроля указанных параметров обуславливается широким применением трехфазных ЭЭС для транспортировки электроэнергии из-за их известных достоинств.

По пути построения приборов контроля всех показателей качества электроэнергии, которые предусматриваются ГОСТом, идут практически все разработчики и производители соответствующей аппаратуры: ООО «ВиФТесТ», ОАО «ВНИИЭ», ООО «НПФ «Солис-С», «АББ ВЭИ Метроника» (Москва); НПП «Энерготехника» (Пенза); НПП «Марс-Энерго», ООО «Парма» (Санкт-Петербург); ОАО «Концерн Энергомера» (Ставрополь), Hioki (Япония), НТ Italia (Италия) и др. Вместе с тем, стремление к универсальности пока что, на наш взгляд, является сдерживающим фактором широкого распространения и внедрения так необходимых приборов контроля ПКЭ.

Основание для проведения работы. Работа выполнена в соответствии с планами проведения и реализации инициативных х/д НИР Пензенского государственного университета и Пензенского регионального центра высшей школы (ПРЦВШ) (филиала) Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства (РГУИТП) по заказам предприятий РАО энергетики и электрификации «ЕЭС России» в рамках федеральной целевой программы "Энергосберегающая электротехника" (Постановление Правительства РФ №.341 от 23.03.1996 г.), а также в рамках основных направлений программы "Энергосбережение" Минобразования России до 2005 г.

Актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, диктуется следующими обстоятельствами.

Во-первых, в настоящее время существует настоятельная потребность рынка в средствах сертификации качества электрической энергии в трехфазных ЭЭС как товара по показателям, характеризующим несимметрию напряжений.

Во-вторых, в известных средствах измерений показателей качества трехфазных сетей имеются возможности по их совершенствованию и обеспечению более эффективного измерения требуемых ГОСТом показателей.

В-третьих, при решении проблем электромагнитной совместимости и оценке показателей качества электроэнергии существует целый ряд нерешенных или не нашедших удовлетворительного решения задач измерения коэффициентов несимметрии по математическому, алгоритмическому и программному обеспечению, к решению которых до сих пор не приступали из-за ограничений соответствующего алгоритмического и аппаратного обеспечения.

Предмет исследований.

1. Методы построения приборов и систем для измерения коэффициентов несимметрии на базе персональных компьютеров.

2. Алгоритмы преобразования и математические модели влияния методических и инструментальных погрешностей измерения на результат измерения показателей несимметрии в трехфазных электрических сетях (ЭС).

3. Оценки эффективности методов и алгоритмов обработки информации в средствах измерения электроэнергетических параметров и параметров, характеризующих несимметрию трехфазных систем передачи сетевого напряжения .

Методы исследований включают в себя: методы математического анализа, методы линейной алгебры, методы теории графов, численные методы математики и цифровой фильтрации, методы статистического имитационного моделирования на ЭВМ и методы теории планирования экспериментов и обработки данных. Соответствующие теоретические исследования проводились с использованием сред программирования MathCAD, Simulink и Power System Blockset.

Цель работы - разработка способов и алгоритмов измерения коэффициентов несимметрии трехфазных ЭС по фазовым сдвигам между фазными и междуфазными напряжениями, упрощающих проектирование и построение приборов и систем мониторингового контроля показателей качества электроэнергии.

В соответствии с этим решаются следующие основные задачи: исследование по источникам научно-технической информации информационных аспектов и анализ состояния математического, алгоритмического, программного и аппаратного обеспечения приборов и систем для контроля и измерения параметров несинусоидальности сетевого напряжения; разработка новых способов и алгоритмов определения несимметрии трехфазных ЭЭС; разработка схем измерения; исследование компонент измерительных приборов и систем для мониторингового контроля несимметрии напряжений в трехфазных ЭЭС;

- исследование погрешностей СИ различных типов, синтез математических моделей и разработка алгоритмов обработки измерительной информации, снижающих влияние инструментальных погрешностей;

- исследование эффективности алгоритмов измерения показателей несимметрии трехфазного сетевого напряжения путем статистического имитационного моделирования на ЭВМ; апробация разработанных методик анализа, рекомендаций и алгоритмов обработки информации и доведение их до практического применения при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ и в учебном процессе.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- обоснована возможность измерения ПКЭ в трехфазных сетях с помощью косвенных измерений, использующих, как минимум, отношения действующих значений напряжений и не требующих определения действующих значений фазных и междуфазных напряжений;

- разработаны новые способы измерения несимметрии напряжений в трехфазных сетях, основанные на прямых измерениях фазовых сдвигов фазных и междуфазных напряжений; - обоснована перспективность применения алгоритмов, основанных на измерениях фазовых сдвигов, существенно упрощающих реализацию СИ ПКЭ при допустимых согласно ГОСТ значениях погрешностей измерений и решающих проблему гальванической развязки измерительных цепей, поскольку требуют выделять только нули функций, описывающих трехфазные напряжения;

- предложены имитационные модели разработанных алгоритмов измерения и исследовано влияние методических погрешностей; подтверждена адекватность моделей результатами имитационного статистического моделирования на ЭВМ;

- разработана обобщенная структурная схема СИ для измерения показателей качества электроэнергии в трехфазных электроэнергетических сетях; предложен и исследован способ реализации СИ на базе универсального модуля иБВЗООО.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Обоснование структурной схемы системы для мониторингового контроля показателей качества электроэнергии в трехфазных сетях на базе ПЭВМ.

2. Способы измерения несимметрии трехфазных ЭЭС на основе отношений действующих значений и фазовых сдвигов фазных и междуфазных напряжений.

3. Алгоритмы оценки коэффициентов несимметрии напряжений в трехфазных сетях по обратной и нулевой последовательностям и методики имитационного статистического моделирования на ЭВМ.

4. Решение задач анализа влияния методических погрешностей измерений и синтеза математических моделей, учитывающих влияние инструментальных погрешностей .

5. Измерительные приборы и устройства контроля параметров несимметрии трехфазных сетей и методы расчета ожидаемых погрешностей измерения на основе имитационного статистического моделирования.

Практическое значение результатов работы заключается в разработке способов, алгоритмов и функциональных схем СИ несимметрии трехфазных напряжений, а также Ма^САЭ-программ имитационного статистического моделирования алгоритмов обработки информации и исследования погрешностей. Представленные в работе результаты информационного поиска, а также методики и программы позволяют решать практически весь комплекс задач по проектированию аппаратной части и алгоритмов приборов и систем на базе ПЭВМ для измерения и контроля показателей качества электроэнергии в трехфазных сетях.

Реализация и внедрение. Диссертация представляет собой обобщение хоздоговорных научно-исследовательских работ, в выполнении которых автор принимал участие в Пензенском госуниверситете и в Пензенском филиале Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства. В данных НИР решались методологические и технические вопросы проектирования приборов и систем на базе персональных компьютеров для измерения и контроля показателей качества электроэнергии по коэффициентам несимметрии трехфазных сетей.

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в виде методик и программ в подразделениях ЗАО "Энергосервис", ООО "Вирон", ООО "ДИО", ООО "Вектор", ООО НПП "Энерготехника", ОАО "Пензаэнерго", макетного образца измерителя, используемого для текущего и оперативного контроля напряжения в передвижных электролабораториях ППУ-3 ЗАО "Горэлектросеть". Разработанные методы исследования ЭЭС также используются на кафедрах Пензенского госуниверситета и подразделениях ПРЦВШ (филиала) РГУИТП при выполнении хоздоговорных НИР и в учебном процессе.

Результаты внедрения подтверждены соответствующими документами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных симпозиумах "Надежность и качество", г. Пенза, 2006-2007 гг., на международных симпозиумах «Новые технологии в образовании,, науке и экономике», Тенерифе (Испания), 2007, Порторож (Словения), 2007, а также на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского госуниверситета и Пензенского филиала РГУИТП.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе: 8 статей, 2 тезисов докладов [22 . .31] .

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения , 4-х глав, заключения и приложения. Основной текст изложен на 14 4 листах. Библиография -114 наименований.

Выводы по 4-й главе

1. Получены оценки требований к средствам измерений несимметрии посредством действующих значений междуфазных напряжений; показано, что в этом случае требуемый размер погрешности измерения ДЗН в задачах оценки значений несимметрии напряжений в трехфазных сетях должен быть не более 0.025 %.

2. Получены аналитические оценки требований к средствам измерений несимметрии посредством сдвигов фаз между исследуемыми междуфазными и фазными напряжениями; определены требования к допустимому размеру абсолютной погрешности измерения фазовых сдвигов; показано, что значение абсолютной погрешности измерения з фазовых сдвигов не должно превышать 7*10 рад, что соответствует частоте опорных импульсов фазометра порядка 5 0 кГц; обоснованы требования к параметрам функциональных схем блоков измерительных систем.

3. Разработана методика исследования разработанных средств измерения несимметрии трехфазных электрических сетей посредством имитационного моделирования на ЭВМ; разработан и исследован ряд программ моделирования, реализованных средствами пакетов MATLAB и MathCAD.

Заключение

В соответствии с целями и задачами диссертационной работы были получены следующие основные результаты.

1.Показано, что, согласно требований ГОСТ, при оценке коэффициентов несимметрии в трехфазных электрических сетях реализуются косвенные способы измерений и, следовательно, не требуется реализация абсолютных измерений с точностью до меры действующего значения напряжения; все множество способов оценки значений коэффициентов несимметрии по виду промежуточных измеряемых физических величин можно разделить на три группы: 1) способы с измерением действующих значении фазных и междуфазных напряжений; 2) логометрические способы, предусматривающие измерения отношений действующих значений междуфазовых напряжений и 3) способы, предусматривающие прямые измерения фазовых сдвигов между междуфазными и фазными напряжениями.

2.Предложены новые способы и алгоритмы измерения коэффициентов несимметрии по обратной последовательности и по нулевой последовательности напряжений в трехфазных электрических сетях, основанные на прямых измерениях фазовых сдвигов междуфазных и фазных напряжений;

3.Показано, что применение прямых измерений фазовых сдвигов при оценке несимметрии существенно упрощает реализацию измерителя при допустимых согласно ГОСТ значениях погрешностей; существенно упрощается решение проблемы гальванической развязки, что весьма актуально при измерениях в высоковольтных сетях электроснабжения, т.к. не требуются громоздкие и имеющие невысокую точность высоковольтные трансформаторы, а достаточно выделить моменты перехода напряжений через ноль.

4.Разработана обобщенная структурная схема измерителя показателей качества электроэнергии по несимметрии в трехфазных электрических системах на базе универсального модуля иэвЗООО; определены требования к основным элементам измерительного прибора.

5.Разработаны имитационные модели алгоритмов измерения коэффициента несимметрии с использованием средств пакетов Ма^САБ и МАТЬАВ и проведено исследование методических и случайных погрешностей измерений для различных способов; осуществлена идентификация законов распределения методических погрешностей измерения; установлено, что случайные погрешности характеризуются сложными законами распределения, проведена оценка максимальных значений случайных погрешностей.

6.Показано, что для обеспечения требуемой по ГОСТУ точности оценки коэффициентов несимметрии погрешность измерения ДЗН междуфазных и фазных напряжений должна быть не более 0.025%, а при оценке коэффициентов несимметрии посредством сдвигов фаз погрешность измерения фазовых сдвигов не должна превышать 7*10~3 рад, что соответствует частоте заполнения импульсов фазометра всего 50 кГЦ.

7.Результаты диссертационной работы получены в ходе выполнения х/д НИР Пензенского государственного университета и Пензенского филиала Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства и нашли внедрение в виде использования методик обработки информации и программ для решения комплекса задач по проектированию аппаратной части и алгоритмов виртуальных приборов и систем для измерения и контроля показателей качества электроэнергии в трехфазных сетях на ряде предприятий города Пенза; научные результаты диссертации нашли применение в учебном процессе Пензенского государственного университета .

1. Bertram В., Constanda С., Struthers A. Integral methods in science and endineering. Boca Raton, London, New York, Washington, D.C.: Chapman & Hall/CRC, 2000, 360 p.

2. Ebbige W. Part 1 Definitions and Standards

3. CENELEC, Electronic components and applications, Vol.2, № 1, 1979, p. 49-52.

4. EN 50 006 CENELEC recomendations for power quality.

5. Evers H.W. Part 3 Voltadge fluctuation and flicker, - Electronic components and applications, Vol.2, № 3, 1980, p. 143-149.

6. Horowitz P., Hill W. Laboratory Manual for The Art of Electronics. London: CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS, 1981, - 816 p.6 SU 1308947, 07.05.1987.7 SU 1361494, 23.12.1987.

7. US 5378979 A (ALLENBREDEY COMPANY), 03.01.1995.

8. US 6397157 B1 (GENERAL ELECTRIC COMPANY), 03.01.1995.

9. USB 3 000 Универсальный скоростной АЦП/ЦАП/ логический анализатор на шину USB 2.0. Руководство пользователя и программиста. Rev.A, Dec, 2004.

10. EN 50160 Стандарт Евросоюза на качество электроэнергии.

11. Анализ электрических цепей методом сигнальных графов: Учебное пособие // Под. Ред. В.И.Чернецова, Авторы: Медведева С.Н., Михотин В.Д., Пискарев С.П. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002, с.

12. Анисимов В. И. Топологический расчет электронных схем. JI. : Энергия, 1977, - 240 с.

13. Ануфриев И.Е., Смирнов A.B., Смирнов E.H. МАТLAB 7. М.: ООО «Эликтан», - 2005, 756 с.

14. Аррилага Дж., Бредли Д., Боджер П. Гармоники в электрических системах. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 319 с.

15. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники.- М.: Энергия, 1970

16. Бахмутский В.Ф., Гореликов Н.И., Кузин Ю.Н. Опто-электроника в измерительной технике. М.: Машиностроение, - 1979, - 152 с.

17. Батищев В.И., Мелентьев B.C. Цифровые методы измерения интегральных характеристик периодических сигналов. Самара: изд-во СамГТУ, 2002 г. - 95 с.

18. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. М.: Высшая школа, 1978. -528 с.

19. Болынев JI.H., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука, 1965. - 420 с.

20. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Гос. изд-во техн.-теор. лит-ры, 1955, - 608 с.

21. Варламов Ю.В. Моделирование в среде MATLAB приборов для измерения качества электроэнергии в трехфазных сетях. Тр. Межд. симп. «Надежность и качество». - Пенза: Изд. ЛГУ, т.1, 2006, С. 378.

22. Варламов Ю.В. Совершенствование способов измерения несимметрии трехфазных электрических сетей. Тр. Межд. симп. «Надежность и качество». - Пенза: Изд. ПГУ, 2006, С. 379.

23. Варламов Ю. В., Чернецов В.И. Оценки по несимметрии показателей качества трехфазных электрических сетей. / Тр. Межд. симп. "Надежность и качество".- Пенза: Изд. ПГУ, т. 2, 2007, С. 14-16.

24. Варламов Ю. В., Чернецов В.И. Инновационные проекты контроля показателей качества электроэнергии трехфазных сетей. / Тр. XVII Межд. симп. "Новые технологии в образовании, науке и экономике", Пор-торож (Словения), 2007, С. 52-55.

25. Варламов Ю. В. Совершенствование способов измерения несимметрии трехфазных электрических сетей / Вестник Самарского государственного университета. Серия "Технические науки", №2(20)-2007. С.52-55.

26. Волгин Л.И. Основы метрологии, оценка погрешностей измерений, измерительные преобразователи. М. : МГУС, 2002. - 129 с.

27. Германн И. Электротехника. Том. IV, Получение и распределение электрической энергии. М.: Гостех-издат, 1928, 216 с.

28. Гмурман В.Е. Введение в теорию вероятностей и математическую статистику. М.: Высшая школа, 1966. - 326 с.

29. ГОСТ 13109-87 Электрическая энергия. Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения. М.: Изд-во стандартов, 1988 .

30. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск: Изд-во Межгосстандарт, 1997. - 30 с.

31. ГОСТ 14014-82 Приборы и преобразователи измерительные напряжения, тока, сопротивления. М.: Изд-во стандартов, 1982.

32. ГОСТ 20.57.406-81 Комплексная система контроля качества. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1981.

33. ГОСТ 23222-7 8 ГСИ Нормируемые метрологические и точностные характеристики. М. : Изд-во стандартов, 1982.

34. ГОСТ 3037 6-95 Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к динамическим изменениям напряжения сети электропитания. Технические требования и методы испытаний.

35. ГОСТ 8.009-84 Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. М. : Изд-во стандартов, 1984, - 18 с.

36. ГОСТ Р 50745-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Системы бесперебойного питания. Устройства подавления сетевых импульсных помех. Требования и методы испытаний». Взамен ГОСТ Р 50745-95

37. ГОСТ Р 51317.3.8-99 (МЭК 61000-3-8-97) «Совместимость технических средств электромагнитная. Передача сигналов по низковольтным электрическим сетям. Уровни сигналов, полосы частот и нормы электромагнитных помех».

38. ГОСТ Р 51317.4.11-99 (МЭК 61000-4-11-94) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к динамическим изменениям напряжения электропитания. Требования и методы испытаний». Взамен ГОСТ 30376-95 / ГОСТ Р 50627-93

39. ГОСТ Р 51317.4.12-99 (МЭК 61000-4-12-97) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к колебательным затухающим помехам. Требования и методы испытаний».

40. ГОСТ Р 51317.4.2-99 (МЭК 61000-4-2-95) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний». Взамен ГОСТ 29191-91

41. ГОСТ Р 51317.4.3-99 (МЭК 61000-4-3-95) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к радиочастотному электромагнитному полю. Требования и методы испытаний». Взамен ГОСТ 3037595 / ГОСТ Р 50008-92

42. ГОСТ Р 51317.4.4-99 (МЭК 61000-4-4-95) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к наносекундным импульсным помехам. Требования и методы испытаний». Взамен ГОСТ 29156-91

43. ГОСТ Р 51317.4.5-99 (МЭК 61000-4-5-95) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии. Требования и методы испытаний». Взамен ГОСТ 30374-95 / ГОСТ Р 50007-92

44. ГОСТ Р 51317.4.6-99 (МЭК 61000-4-6-96) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к кондуктивным помехам, наведенным радиочастотными электромагнитными полями. Требования и методы испытаний».

45. ГОСТ Р 51317.6.2-99 (МЭК 61000-6-2-99) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых в промышленных зонах. Требования и методы испытаний».

46. ГОСТ Р 51317.6.3-99 (МЭК 61000-6-3-96) «Совместимость технических средств электромагнитная. Поме-хоэмиссия от технических средств, применяемых в жилых, коммерческих зонах и производственных зонахс малым энергопотреблением. Нормы и методы испытаний» .

47. ГОСТ Р 51317.6.4-99 (МЭК/СИСПР 61000-6-4-97) «Совместимость технических средств электромагнитная. Помехоэмиссия от технических средств, применяемых в промышленных зонах. Нормы и методы испытаний».

48. ГОСТ Р 51318.14.2-99 (СИСПР 14-2-97) «Совместимость технических средств электромагнитная. Помехоустойчивость бытовых приборов, электрических инструментов и аналогичных устройств. Требования и методы испытаний».

49. ГОСТ Р 51318.15-99 (СИСПР 15-96) «Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные от электрического светового и аналогичного оборудования. Нормы и методы испытаний». Взамен ГОСТ 21177-82

50. ГОСТ Р 51329-99 (МЭК 61543-95) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устройства защитного отключения, управляемые дифференциальным током (УЗО-Д), бытового и аналогичного назначения. Требования и методы испытаний».

51. ГОСТ Р 51516-99 (МВК 60255-22-4-92) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость измерительных реле и устройств защиты к наносе-кундным импульсным помехам. Требования и методы испытаний».

52. ГОСТ Р 51522-99 (МЭК 61326-1-97) «Совместимость технических средств электромагнитная. Электрическое оборудование для измерения, управления и лабораторного применения. Требования и методы испытаний» .

53. ГОСТ Р 51524-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Системы электрического привода с регулируемой скоростью вращения. Требования и методы испытаний».

54. ГОСТ Р 51525-99 (МЭК 60255-22-2-96) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость измерительных реле и устройств защиты к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний» .

55. ГОСТ Р 5152 6-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование для дуговой сварки. Требования и методы испытаний».

56. ГОСТ Р 51527-99 (МЭК 60478-3-89) «Совместимость технических средств электромагнитная. Стабилизированные источники питания постоянного тока. Кондук-тивные электромагнитные помехи. Нормы и методы испытаний» .

57. Граф П. 1200 схем. М.: Мир, 1989, - 918 с.

58. Гук М. Аппаратные средства IBM-PC. Энциклопедия. -СПб.: Питер, 2000, 815 с.

59. Гультяев А. К. MATLAB 5.3. Имитационное моделирование в среде 'Windows: Практическое пособие. — СПб.: КОРОНА принт, 2001. 400 с.

60. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. JI. : Энергия, 1980, - 248 с.

61. Дьяков А.Ф. Основа устойчивой работы ЕЭС России -отечественное оборудование и новейшие технологии. Энергетик, № 3, 2001, - С. 5-7.

62. Дьяконов В. П. MATLAB 6.5 SP17 Simulink 5.6 в математике и моделировании. М.: ООО «Эликтан», -2005.

63. Управление качеством электроэнергии. М. : изд-во МЭИ. 2006, 320 с.

64. Кетков Ю.Л., Кетков А.Ю., Щульц М.М. MATLAB 7 программирование численные методы. М. : ООО «Элик-тан», - 20 05.

65. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1970, -720 с.

66. Краус М., Вошни Э. Измерительные информационные системы. М.: Мир, 1975, - 310 с.8 4 Кудрявцев Е.М. Mathcad 2000 Pro. М.: ДМК Пресс, 2001. - 576 с.

67. Михотин В.Д. Проектирование помехоустойчивых АЦП: Учеб. пособие. Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1984, - 88 с.

68. МУ 34-70-179-87 Методические указания. Информационно-измерительные системы. Анализ состояния метрологического обеспечения в системе Минэнерго СССР. Организация и порядок проведения.

69. Мэзон С., Циммерман Г. Электронные цепи, сигналы и системы/ Пер. с англ. под ред. А.А.Соколова. М.: Изд-во иностр. лит., 1969, - 619 с.

70. Нефедьев Д.Н. Методы и средства измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей в электроэнергетике. Дисс. докт. техн. наук. Пенза: Пензенский госуниверситет, 2006, 405 с.

71. Образцов B.C., Айзатулин Ф.Н. Счетчики электрической энергии с функциями измерения ПКЭ, Измерение.RU, №4, 2001, - С. 7 - 13.

72. Образцов B.C., Дубинский Д.Е. Новый счетчик серии АЛЬФА A3: коммерческий учет и контроль параметров качества электроэнергии. Энергетик, № 3, 2001, -С. 43 .

73. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники. Киев: Вища школа, 1976, -432 с.

74. Плис А.И., Сливина H.A. MathCAD-2000 Математический практикум для экономистов и инженеров: Учеб. пособие. М. : Финансы и статистика, 2000, - 656 с.

75. Потемкин В. Г. Система инженерных и научных расчетов MAT LAB 5.x: В 2 т. М.: Диалог-МИФИ, 1999.

76. Рабинер П., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978, - 848 с.

77. Раннев Г.Г., Тарасенко А.П. Методы и средства измерений: Учебник для вузов М.: Изд.центр "Академия", 2004 г. - 336 с.

78. Салтыков В.М., Салтыкова O.A. Электромагнитная совместимость дуговых сталеплавильных печей в системах электроснабжения: Учеб. пособ. Тольятти: Кассандра, 1998, - 88 с.

79. Справочник по проектированию электроснабжения // Под ред. Ю.Г.Барыбина и др. М.: Энергоатомиздат, 1990.

80. Суднова В.В. Качество электроэнергии. М.: ЗАО «Энергосервис», 2000. - 80 с.

81. Федеральный Закон № 184-ФЗ «Об обеспечении единства измерений»

82. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость/ М.: Энергоатомиздат, 1995. - 293 с.

83. Хемминг Р.В. Численные методы. М.: Наука, 1972, -420 с.

84. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники (в 2-х томах) М.: Мир, - 1986.

85. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. М.: Энергия, 1974, - 320 с.

86. Цифровые методы измерения сдвига фаз// А.С.Глинченко, С.С.Кузнецкий, А.М.Финштейн, М.К.Чмых. Новосибирск: Наука, 1979, 288 с.

87. Чернецов В.И. Развитие теории и совершенствование унифицирующих измерительных преобразователей для параметрических датчиков. Дисс. докт. техн. Наук. - Пенза: Пенз. гос. ун-т, 2000, - 568 с.

88. Чернецов В.И., Шаповал В.А. Проблема электромагнитной совместимости и информационные технологии. Сб. науч. тр. Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии,

89. Пенза: Информационно-издательский центр Пенз. гос. ун-та. 2001, С. 5-7.

90. Шахов Э.К., Михотин В.Д. Интегрирующие развертывающие преобразователи напряжения. М. : Энергоатомиздат, 1986, - 146 с.

91. Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства, -М.: Высшая школа, 1981, 335 с.