автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Развитие методики определения фактического вклада при оценке качества электрической энергии в точке общего присоединения

На правахрукописи

Тульский Владимир Николаевич

РАЗВИТИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАКТИЧЕСКОГО ВКЛАДА ПРИ ОЦЕНКЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТОЧКЕ ОБЩЕГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ

Специальность: 05.14.02 Электростанции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2004

Работа выполнена на кафедре электроэнергетических систем МОСКОВСКОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА (Технического университета) Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Илья Ильич Карташев Официальные оппоненты - доктор технических наук

Юрий Станиславович Железко кандидат технических наук Кужекин Иван Прохорович Ведущая организация - Управление по надзору в электроэнергетике

Федеральной службы по экологическому, техническому и атомному надзору, г. Москва, Китайгородский проезд, д. 7

Защита состоится "17" декабря 2004 г. час. Оо мин. в аудитории Г -200 на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная, 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан "_"_2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.03

к. т. н., доцент Бердник Е. Г.

ZOOS- Ц 3 W

G3> ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Реформирование отечественной электроэнергетики направлено на организацию и развитие новых экономических отношений. Одним из главных принципов новой организации является использование рыночных отношений и конкуренции ь качестве одного из основных инструментов формирования устойчивой системы удовлетворения спроса на электроэнергию, при условии обеспечения надлежащего качества и минимума стоимости электроэнергии. Одним из главных показателей эффективности производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии в таких условиях является обеспечение качества электрической энергии (КЭ). С этих позиций все участники электроэнергетического рынка несут ответственность за обеспечение качества электрической энергии.

Гражданский кодекс Российской федерации обязывает энергоснабжающие организации поставлять потребителю электроэнергию, качество которой отвечает требованиям Государственных (национальных) стандартов и договоров энергоснабжения. Эти же условия нашли свое отражение в «Федеральном законе об электроэнергетике». Закон определяет ответственность энергосбытовых организаций и поставщиков электроэнергии перед потребителями за надежность обеспечения их электрической энергией и ее качество в соответствии с техническими регламентами и иными обязательными требованиями.

Согласно Федеральному Закону «Об основах технического регулирования» технические регламенты устанавливают «существенные требования», обеспечивающие наряду с другими объектами регулирования электромагнитную совместимость технических средств в системах электроснабжения.

Так, технический регламент «Об электромагнитной совместимости» устанавливает перечень низкочастотных кондуктивных помех, характеризующих КЭ по его показателям, нормируемым национальным стандартом (ГОСТ 13109-97) «Электромагнитная совместимость. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Проведенные исследования качества электрической энергии в системах электроснабжения различных классов напряжения и обзор иностранной литературы показали, что степень влияния субъектов энергетического рынка на качество электроэнергии действительно существенна. Поэтому и возникает необходимость ограничения влияния на качество электроэнергии как энергоснабжающими организациями (поставщиками), так и потребителем на границе их раздела. Сторона, превысившая эти ограничения, рассматривается как виновник ухудшения качества электроэнергии. Такая задача должна решаться путем измерений фактического влияния (вклада) каждой стороны в уровень показателей качества электроэнергии (ПК^) в контрольной, точке сравнения его с допустимым ограничением.

Зная виновника, можно воздействовать на него путем разработки мероприятий по ограничению его отрицательного влияния на КЭ. Такие мероприятия, например, могут регламентироваться договором энергоснабжения и обязывать виновную сторону либо применять технические средства по ограничению уровня вносимых им помех, либо компенсировать тот ущерб, который он наносит другим подсистемам.

Можно выделить несколько технико-экономических причин необходимости измерения фактического вклада:

1) Выявление потребителей и их электроприемников, влияние которых в точке общего присоединения приводит к ухудшению КЭ;

2) Управление режимом работы электроприемников путем введения мероприятий, направленных на обеспечение КЭ;

3) Регулирование договорных отношений между энергоснабжающей организацией и потребителем, в части влияния сторон на КЭ на границе их раздела.

В такой постановке оценка ФВ может быть проведена только на основе результатов измерения, т.е. инструментальным путем, что на сегодняшний день представляется методически нерешенным.

Последние десять лет усилия широких кругов специалистов направлены на решение задач по улучшению КЭ в электрических сетях всех классов напряжения. Значительный вклад в решение рассматриваемых проблем внесли отечественные ученые: Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Зыкин ФА, Майер В.Я., Иванов B.C., Кузнецов В.Г., Курбатский В.Г., Кучумов Л.А., Смирнов С. С., Соколов В.И., Соколов B.C.. Работы зарубежных ученых представлены на международных конференциях CIGRE (Group 36) и CIRED (Session 2). Были разработаны несколько методов оценки фактических вкладов нелинейных потребителей, один из которых представлен в Методических указаниях по контролю и анализу качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения (Часть 1 и 2 РД 153-34.0-15.501-(00)01).

Цели работы

1. Разработать метод, который должен быть ориентирован на применение средств измерения; результаты измерения должны рассматриваться как исходные данные для расчета текущего значения фактического вклада с применением специальных алгоритмов.

2. Разработать алгоритм обработки результатов измерения с целью оценки фактического вклада.

3. Оценить погрешности метода, обусловленные многообразием параметров режима нелинейной нагрузки, в сравнении с условиями, заданными базовыми методами.

4. Разработать алгоритм оценки фактического вклада подсистем на длительных интервалах наблюдения установленных ГОСТ 13109-97.

5.. _ Осуществить апробацию метода и дать оценку его практического системах различного класса напряжения.

Методика проведения исследований

Методика проведения выполненных исследований основана на теории электрических цепей, математического моделирования, с применением экспериментальных исследований в действующих системах электроснабжения различных классов напряжения с использованием современных средств измерения.

Достоверность полученных результатов

Базируется на фундаментальных положениях общей теории электротехники с учетом практического опыта эксплуатации объектов электроэнергетики, включая крупные энергосистемы. В работе определена область применения предлагаемой методики. Выявлены основные факторы, влияющие на инструментальную и методическую погрешность определения фактического вклада. Разработанная методика оценки фактического вклада апробирована при измерениях в действующих системах электроснабжения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе анализа существующих методов определения фактического вклада разработана методика и алгоритм, отличающиеся тем, что:

- предложен метод непрерывного и длительного определения фактического вклада, как мгновенного на каждом шаге значения измеряемого на заданном интервале наблюдения;

- методика может быть реализована с помощью современных средств измерения показателей качества электрической энергии;

2. Показано, что принятая в методике эквивалентная схема замещения (метод эквивалентных источников) адекватно отображает режим системы, содержащей источники искажения, в условиях одностороннего формирования приращения тока искажения.

3. Показано, что погрешность оценки фактического вклада определяется соотношением приращений токов источников и входных сопротивлений подсистем, и тем меньше, чем стабильнее входные параметры и чем больше отношение приращений токов источников.

4. Предложены оперативные приемы снижения методической погрешности определения фактического вклада путем изменения шага измерения.

5. Предложен способ определения допустимого вклада, основанный на результатах измерений, учитывающий реальные условия формирования показателя качества электрической энергии и обеспечивающий его установленное нормативное значение.

6. Разработанная методика апробирована на результатах практических измерений, полученных с применением современных средств измерения, в действующих системах электроснабжения 0,4-10 кВ, по которым определены фактические вклады потребителя и энергоснабжающей организации в точке общего присоединения.

Практическая значимость работы и её реализация

Предложенная методика позволяет достоверно определять фактические вклады по коэффициенту л-ой гармонической составляющей напряжения и коэффициенту искажения синусоидальной формы кривой напряжения любых подсистем, что должно использоваться: в электрических системах, содержащих мощные нелинейные нагрузки; при технико-экономическом обосновании мероприятий, направленных на обеспечение качества электроэнергии; а также при совершенствовании коммерческих взаимоотношений в области учета электроэнергии между энергоснабжающими организациями и потребителями.

Апробация работы

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на VII, VIII Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (г. Москва, МЭИ, 2001-2002 годы); на трех научно-практических конференциях "Метрология электрических измерений в электроэнергетике" (г. Москва, ВНИИЭ, 2001-2003 гг.); на всероссийской научно-технической конференции "Энергосистема: управление, качество, безопасность" (26-28 сентября 2001г., Екатеринбург: УГТУ-УПИ); 17th INTERNATIONAL CONFERENCE AND EXHIBITION ON ELECTRICITY DISTRIBUTION (Barcelona 12-15 May 2003).

Публикации

Основные научные положения диссертации изложены в шести опубликованных работах.

Объём и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 37 наименований, и двух приложений. Диссертационная работа изложена на 134 страницах текста, содержит 40 рисунков, 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено общей характеристике работы, актуальности темы диссертации и описанию общей структуры работы.

Первая глава посвящена анализу действующей нормативно-правовой базы в области решаемой задачи. По результатам измерений, проведенных автором в течение полутора лет, дан анализ состояния качества электрической энергии в электрических сетях. Сформулированы технико-экономические причины необходимости определения фактического вклада. Показана актуальность проблемы определения фактического вклада.

Проведен обзор отечественных и зарубежных современных методов определения фактического вклада, что позволило определить их достоинства и недостатки. В результате проведенного анализа сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена анализу условий формирования вклада и требования к ним.

За основу метода определения фактического вклада взят метод, эквивалентных источников тока (рис.1). Показано, что такая схема замещения наглядно отражает двусторонние отношения между различными подсистемами электрической сети и позволяет вывести выражения, определяющие фактические вклады каждой из сторон по напряжению, току и мощности.

Рис. 1 Эквивалентная схема двух подсистем, содержащих источники искажения

Проведена оценка достоверности представления системы электроснабжения в виде эквивалентной схемы замещения. Для этого составлена схема замещения расчета высших гармоник для участка сети 500/220 кВ, содержащего выпрямительные агрегаты, и рассчитаны ее параметры. Проведен расчет по методу узловых напряжений, сформирован массив исходных данных в детерминированном виде, когда значения источников тока в схеме замещения изменяются не одновременно. Полученные по результатам расчетов классическими методами значения токов и напряжений высших гармоник приняты в качестве исходных эталонных данных для проверки достоверности при использовании методов эквивалентных источников тока и метода, предлагаемого в Методических указаниях по контролю и анализу качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения (Часть 2 РД 153-34.0-15.501-01).

Показано, что метод эквивалентных источников тока отображает режим СЭС в ее произвольной точке и применим с принятыми ограничениями для оценки фактического вклада подсистемы в этой точке. Показано, что метод, приведенный в действующих методических указаниях по контролю и анализу, обладает методической погрешностью.

Доказано, что погрешность разрабатываемого метода зависит от соотношений приращений токов источников и соотношений входных сопротивлений подсистем и тем меньше, чем стабильнее входные параметры и чем больше отношение приращений токов источников (рис. 2).

о

НО 5 ■5-10 □ 10-15 □ 15 :0 «:0-25 025-30

Рис. 2 Зависимость погрешности определения входного сопротивления от соотношений и ^у2-

Проведеиа оценка области применения метода, которая определяется коэффициентом корреляции (р) между напряжением искажения в контролируемой точке и передаваемой мощностью. Расчеты, выполненные по результатам реальных измерений, показали, что фактический вклад может быть определен с задаваемой погрешностью в диапазоне изменения 0,8>,о>-0,8. Определение фактического вклада за пределами этого диапазона (/?-»±1) свидетельствует об одностороннем влиянии подсистемы на уровень ПКЭ. В этом случае оценка фактического вклада может быть получена непосредственно по результатам измерения. Обзор современных средств измерения ПКЭ показал, что они позволяют оценить текущее значение фактического вклада на произвольном интервале времени.

Третья глава посвящена разработке методики оценки фактического вклада и степени виновности в точке общего присоединения.

Оценка фактического вклада и степени виновности отдельных подсистем по коэффициенту гармонической составляющей и по коэффициенту искажения синусоидальности формы кривой напряжения включает в себя пять этапов (рис. 3):

Рис. 3 Этапы оценки фактического вклада.

Формирование базы исходных данных

В процессе контроля КЭ формируются массивы исходных данных, как результат непрерывных измерений в течение не менее чем 24 часов, с заданным шагом, например 3 секунды. Результаты проведенных измерений, должны сохраняться в памяти прибора. Размерность каждого массива, по истечении суток будет составлять т=28800 значений, как результат измерений в одной фазе.

Контроль выполнения требований ГОСТ 13109-97

Контроль соответствия по Км[т] и Ки[т] требованиям ГОСТ 13109-97, выполняется по результатам 24-часовых измерений в соответствии с методикой.

Допускается определять соответствие нормам стандарта по суммарной продолжительности относительного времени выхода измеренных значений данного показателя за нормально (П) и предельно (72) допустимые значения. При этом качество электрической энергии по коэффициенту гс-ой гармонической составляющей напряжения считают соответствующим требованиям стандарта, если

Результатом работы данного этапа является логическая величина:

GOST=№ram - присваивается если нормативные требованиям по результатам суточных измерений выполняются по всем Т1<5% и Т2=0%;

GOST=JhMb - присваивается, если нормативные требования по результатам суточных измерений не выполняются хотя бы по одной гармонике.

Оценка доминирующего влияния

Если величина СШТ=Ложь, тогда для каждой гармоники проводится расчет коэффициента корреляции между мощностью нагрузки ^[ж] и напряжением и-ой гармонической составляющей Щ^т], по формуле:

1

О с СТ„

и,

=—"УиыЛт] - математическое ожидание (среднее т~ " """ т т

значение) соответственно передаваемой мощности и напряжения «-ой

где

им'

гармоники;

и

среднеквадратическое отклонение этих же параметров; дай — количество элементов в массиве.

Результатом выполнения данного этапа является значение коэффициента корреляции р, в диапазоне от -1 до +1. Метод расчета фактического вклада выбирается в зависимости от этого значения.

Расчет фактического вклада

Схема замещения в точке контроля имеет вид, представленный на рис. 1., где принято, что поток мощности основной частоты направлен от подсистемы 8\ к подсистеме 81. Это же направление принимается за положительное направление тока в общей ветви.

Входными величинами для выполнения данного этапа являются:

- коэффициент корреляции /г,

- напряжения и-ой гармонической составляющей и^т];

- токи я-ой гармонической составляющей 1м[т];

- мощности нагрузки на основной частоте 5(1)[»г].

Значение коэффициента корреляции, лежащее в диапазоне О,8<0<1, соответствует функциональной зависимости (рис. 4) между изменением передаваемой мощности и напряжением искажения в точке общего

присоединения, например линейной вида

Рис. 4 Диаграмма зависимости Ц,,)^^))

Тогда для определения постоянных величин а и Ъ составляется система уравнений по известным выражениям:

Тогда:

(2)

(3)

(4)

(5)

Значение фактического вклада подсистемы 51 в данном случае на каждом шаге измерения равно:

ип[т] = а, (6)

Фактический вклад подсистемы 52 на каждом шаге измерения равен:

(7)

Значение коэффициента корреляции, лежащее в диапазоне -1^><-0,8, соответствует режиму, когда в подсистеме 52 нет источников искажения.

В этом случае, значение фактического вклада подсистемы 51 на т-и шаге измерения равно напряжению £/(„)[»»], измеренному в точке контроля на п-ов. гармонике:

и^[т] = им[т], (8)

Фактический вклад подсистемы 52 на т-и шаге измерения равен:

¡У5,И = 0. (9)

Если -0,8<р<0,8, то зависимость между рассматриваемыми величинами носит размытый характер. В этом случае фактический вклад определяется по методу эквивалентных источников тока, в три этапа (рис. 5):

Этап 1: Формирование массива приращений напряжений ДС/Сп>[/] и токов Д/(„ Д/].

___1___

Этап 2: Формирование массивов значений средних входных сопротивлений 2$\[48\ и 2&[48] на 30 минутных интервалах._

_I_

_Этап 3: Расчет фактических вкладов._

Рис. 5 Последовательность определения фактического вклада методом эквивалентных источников тока

Этап 1: В алгоритме данного этапа используются следующие величины: и{П)\т] и/(л)[т] - массивы измеренных значений напряжений и токов; к - счетчик элементов массивов £/(„,[го] и /(п)[т];

1 - счетчик элементов в формируемых массивах приращений напряжений Аи токов Д/,„)[/];

- значения фиксируемых экстремумов массивов Вводится логическая функция "ЗИАК(/(л)[^];/(„)[^+1])", которая соответствует "ИСТИНЕ", если разница -/<„,[£ +1] имеет положительный знак. Если разница 1{п)[к]-1(„)[к +1] имеет отрицательный знак - "ЛОЖЬ",.

Массив приращений напряжений Д£/(л)[/] и токов Д/(„)[/] формируется по следующему алгоритму:

{ Начало | к-1

1-0

/1(и£--зьак</„й к-ц)

Рис. 6 Алгоритм формирования массива приращений напряжений и токов

Результатом выполнения данного этапа являются массивы приращений напряжений и токов

Этап 2: По полученным результатам формируется массив сопротивлений по выражению:

ад]

В зависимости от знака активной составляющей для каждого значения Z|c[[], полученный массив разбивают на два, принимая 2$/[/]=чЕу7], если ЯеС^) < 0, и если (Яе^) > 0).

Образующиеся "пустые" элементы массивов входных сопротивлений заполняют средним арифметическим значением, которое оценивается по имеющимся значениям ряда по выражению:

(И)

^преО

значение сопротивления из массива (¿¡¡Щ)

пустому", - значение сопротивления из массива

где

предшествующее ,

следующего за "пустым". После заполнения, полученные массивы входных сопротивлений разбивают на интервалы усреднения, соответствующие, например, 30 минутам, для каждого из которых находят среднее значение сопротивления подсистемы 81 и подсистемы 52:

(12)

где N и М — количество элементов на 30 минутных интервалах, соответственно в массивах

Таким образом, за 24 часа формируется два массива входных сопротивлений, каждый из которых включает 48 элементов. Каждый элемент этих массивов соответствует среднему входному сопротивлению подсистемы на 30 минутном интервале.

Этап 3: Формируются массивы фактических вкладов по напряжениям двух подсистем как вектора:

где - массивы измеренных значений напряжений и токов, а

- массивы средних получасовых значений входных сопротивлений каждой подсистемы.

Таким образом, результатом расчета фактических вкладов являются два массива описывающие их изменение во времени на суточном

интервале с шагом измерения.

Определение виновника ухудшения КЭ

Общепринято, что любая из подсистем рассматривается виновной, если для нее Фактический Вклад>Допустимого Вклада. При этом допустимый вклад устанавливается на длительный период, предусмотренный договором энергоснабжения. Фактический вклад рассчитывается по результатам не менее чем суточных непрерывных измерений с учетом неоднородности состава искажающей нагрузки на различных интервалах таких суточных измерений. Рассчитанное таким образом усредненное значение фактического вклада принимается как окончательное, по которому и устанавливается степень виновности подсистемы как на период проведенных измерений, так и на последующий. Договором устанавливается периодичность таких измерений.

Очевидно, что такой подход обусловлен только ограниченными возможностями измерений. В условиях изменений состояния подсистем, что нельзя не учитывать, такой подход необъективен.

В условиях применения современных средств измерения с их возможностями непрерывных и длительных измерений с накоплением результатов в течение не менее 30 суток определение фактического вклада и, следовательно, виновности подсистемы может быть выполнено на 30 минутных интервалах. На рис. 7 схематично показаны возможные распределения фактического вклада и его соотношение с допустимым вкладом в условиях, когда ПКЭ в точке контроля как превышает, так и не превышает нормированное значение. На рисунке также приведены как постоянные значения нормированных стандартом ПКЭ и установленный допустимый вклад.

в г

Рис. 7 Графики изменения ПКЭ и ФВ (возможные варианты)

Из анализа рисунков, отражающих, реальные ситуации следует:

- Фактический вклад на отдельных интервалах может превышать допустимый вклад (ФВ>ДВ), при этом требования ГОСТ по результатам суточных измерений выполняются (Т1<5%, Т2=0%);

- В тех же условиях требования ГОСТ не выполняются (Т1>5% и/или Т2>0%);

- Фактический вклад на отдельных интервалах не превышает допустимый вклад (ФВ<ДВ) и требования ГОСТ выполняются (Т1<5%, Т2=0%);

- Фактический вклад не превышает допустимый вклад (ФВ<ДВ), но требования ГОСТ не выполняются.

Очевидно, в первом случае нет оснований считать рассматриваемую подсистему виновной, так как требования ГОСТ выполняются. Во втором случае не менее очевидна виновность подсистемы в ухудшении КЭ в точке общего присоединения. В третьем случае отсутствуют причины рассматривать вопрос о виновности. В четвертом случае виновной должна быть признана другая подсистема, и дальнейший анализ КЭ необходимо выполнять именно в ее пределах.

Из сказанного следует:

- объективную оценку ФВ необходимо проводить ежесуточно, учитывая реальный график его изменения;

- контроль соотношения ФВ>ДВ или ФВ<ДВ необходимо выполнять аналогично контролю КЭ, т.е. за каждые истекшие сутки сравнивая значение ФВ, соответствующее его 95% вероятности, с фиксированным значением ДВ.

Такой подход дает все основания, в случае применения санкций к виновной подсистеме, взыскивать с нее неустойку в процентном выражении по отношению ко всей электроэнергии, потребленной подсистемой за сутки.

Фактический и допустимый вклады представляют собой векторные величины. Поэтому соотношение между ними (больше/меньше) также является вектором. Допустимый вклад вычисляется по известной методике с учетом порядка суммирования векторов искажения, который характеризуется показателем так, что:

где: ЯД, - допустимый вклад подсистемы S1 в ПКЭ; - допустимый вклад подсистемы S2 в ПКЭ; - сумма допустимых вкладов двух подсистем в точке общего прис оединения;

Я^ - нормально допустимый уровень ПКЭ в точке общего присоединения.

Показатель степени зависит от вида искажения и принимается как нормированное значение, отражающее среднестатистическое расположение векторов при их суммировании в любой произвольной точке системы электроснабжения.

Фактический вклад, благодаря современным средствам измерения, определяется на заданном интервале так же, как вектор, модуль и аргумент которого соответствуют фактической ориентации его на комплексной плоскости.

Вместе с тем и фактический и допустимый вклад характеризуют одну и ту же подсистему и поэтому их вектора должны быть коллинеарны. В этом случае виновность в ухудшении КЭ оценивается по знаку арифметической разницы между их модулями, т.е. [яфв|-|лда|>0 или |ям|-|лдв|<0.

Ниже предлагается иной метод определения допустимого вклада, построенный на результатах суточных измерений. При этом, в отличие от известного метода суммирования векторов искажения, предлагается суммировать их реальные значения (измеренные). Тогда в качестве допустимого вклада следует принять среднее значение измеренных фактических вкладов подсистем, при условии, что их векторная сумма не превышает нормированного по ГОСТ значения. Расчет среднего значения следует проводить для суток, когда потребление было наибольшим.

Пусть, за сутки образован массив фактических значений П[т] = Яе П[т\+1т П[т]. Их среднее значение определяется как:

£(ЯеЛ[и] + 1тЛ[и]) ^

При этом должно выполняться условие:

Пт,=к\п* + ПЦ\, (15)

где к - коэффициент пропорциональности между нормированным значением ПКЭ и модулем суммы средних значений этого же ПКЭ, измеренных как реальные вклады подсистемы и подсистемы Таким

образом, если сумма средних значений меньше нормированного значения ПКЭ, то допустимый вклад каждой из подсистем может быть увеличен в к раз.

Тогда допустимые вклады подсистем могут быть представлены векторами близкими к реальным фактическим как:

При таком подходе виновность в ухудшении КЭ устанавливается, как и ранее, по знаку арифметической разницы модулей фактического и допустимого вкладов, измеренных в реальных условиях, а потому в большей мере отвечая принципу "каждый платит свою долю".

В целом алгоритм определения допустимого вклада этим методом представлен на рис. 8.

Я; Я;

л

поп " .

-кП^,

(16)

Рис. 8 Алгоритм измерения времени превышения нормативных и договорных требований

При оценке степени виновности подсистемы на суточном интервале, необходимо подсчитывать:

- число случаев превышения подсистемой заданного ей допустимого вклада (Кдоп);

- число случаев, когда превышение подсистемой заданного ей допустимого вклада вызывает нарушение требований стандарта к данному ПКЭ, при этом надо разделять случаи превышения нормально допустимого уровня ПКЭ (К1ГОрм) и предельно допустимого уровня (Кпред).

Для подсчета таких случаев проводится перебор суточных массивов фактических вкладов (для каждой подсистемы отдельно) одновременно с оценкой уровня коэффициента и-ой гармонической составляющей напряжения и/или коэффициента искажения синусоидальной формы кривой напряжения.

Далее необходимо перейти от именованных единиц, к относительным:

(17)

где - суммарное количество элементов в массивах фактических вкладов и ПКЭ.

Задача определения виновника искажения определяется необходимостью воздействия на участников электроснабжения через систему финансовых санкций. Финансовой санкцией может являться неустойка (штраф), предъявляемый к виновной стороне, которая может определяться в зависимости

от значений величин

Значение неустойки начисляется в зависимости от договоренности между поставщиком и потребителем электрической энергии. Например, как процент от суммарной стоимости потребленной электроэнергии. При этом необходимо учитывать периодичность проведения контроля качества электроэнергии. Если измерения ведутся непрерывно, то и размер неустойки может вычисляться ежесуточно. Если же контроль носит периодический характер, то полученные результаты должны распространяться на весь последующий период до очередного контроля качества электроэнергии.

В Четвертой главе представлены несколько примеров определения фактических вкладов по методике, предлагаемой в настоящей работе, основанных на результатах практических измерений и информации, собранной автором в составе Испытательной лаборатории ИЛ КЭ МЭИ в действующих системах электроснабжения.

Исходными данными для расчета фактического вклада являются сформированные по результатам измерений массивы значений:

- я-ой гармонической составляющей напряжения

- и-ой гармонической составляющей тока

- мощности нагрузки на основной частоте

Показано, что при коэффициенте корреляции наблюдается линейная зависимость между мощностью нагрузки 5'(1)[/и] и напряжением п-й гармонической составляющей

4'«л * Яф. аи

а б

Рис. 9 Диаграмма зависимостей Цзп/^о)) и С/рг^Зо)) В связи с этим, можно сделать однозначный вывод о том, что в данном случае фактический вклад по напряжению подсистемы 51 равен £/5)=0, а подсистемы 52 - измеренному напряжению «-ой гармоники и31 = и(п).

В случае, когда коэффициент корреляции зависимости между

мощностью нагрузки и напряжением и-й гармонической составляющей

и(щ[т] не наблюдается (рис. 10).

Рис. 10 Диаграмма зависимости {/(Н)^^)) Используя сопротивления, найденные по алгоритму, предлагаемому в методике, можно разложить измеренное напряжение 13-ой гармоники на фактические вклады двух подсистем. Перейдя от напряжений к коэффициенту 13 гармонической составляющей можно оценить степень виновности каждого подсистемы по графику:

Рис. 11 Фактические вклады подсистемы 81 и подсистемы Б2 в коэффициент 13-ой гармонической составляющей напряжения ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные в работе исследования характеризуются следующими основными научными и практическими результатами:

1. Разработан метод и алгоритм определения фактического вклада подсистем в произвольной точке системы электроснабжения, к которой присоединены эти подсистемы.

2. Определена область применения метода, которая определяется коэффициентом корреляции между напряжением искажения в контролируемой точке и передаваемой мощностью. Расчеты, выполненные по результатам реальных измерений, показали, что фактический вклад может быть определен с указанной погрешностью в диапазоне изменения 0,3>р>-0,8.

т

Определение фактического вклада за пределами В<Ж) ТцишаВн* (р~>±1) свидетельствует об одностороннем влиянии подсистемы на уровень ПКЭ. В

этом случае оценка ФВ может быть получена непосредственно по результатам измерения.

3. Проанализированы погрешности метода в широком диапазоне изменения параметров подсистем. Показано, что погрешность определения фактического вклада зависит от соотношений приращений токов источников и соотношений входных сопротивлений подсистем и тем меньше, чем стабильнее входные параметры и чем больше отношение приращений токов источников.

4. Разработан алгоритм обработки результатов длительных измерений с целью определения фактического вклада, позволяющий идентифицировать приращения напряжения и тока искажения по их значениям на каждом шаге измерения, отвечающем заданной чувствительности метода эквивалентных источников тока.

5. Предложен метод определения допустимого вклада.

6. Разработанные методы и алгоритмы апробированы при определении фактических вкладов в действующих системах электроснабжения 6-10 кВ.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Карташев И.И., Тульский В.Н., Шамонов Р.Г. Определение фактического вклада потребителя в задачах расчета за электроэнергию с учетом ее качества // Энергосистема: управление, качество, безопасность: Сборник докладов всероссийской научно-технической конференции 26-28 сентября 2001 г. - Екатеринбург УГТУ-УПИ, 2001. - С. 34-37.

2. Карташев И.И., Тульский В.Н., Шамонов Р.Г. Автоматизация управления качеством электроэнергии, методическое и инструментальное обеспечение //ВестникМЭИ. -2001.-№5.-С. 6-11.

3. Качество электрической энергии в муниципальных сетях Московской области / Карташев И.И., Тульский В.Н. и др. - Промышленная энергетика. -2002.-№8.-С. 42-47.

4. Карташев И.И., Тульский В.Н., Шамонов Р.Г. Приборы для контроля и анализа качества электрической энергии // Мир измерений. - 2002. - № 5-6. -С. 4-10.

5. Эффективность использования многофазных схем преобразователей для обеспечения качества электроэнергии / Карташев И.И., Тульский В.Н. и др. - Электро. - 2003. - № 5. - С.23-27.

6. Карташев И.И., Тульский В.Н., Шамонов Р.Г. Определение влияния искажающей нагрузки на качество электрической энергии // 17-я международная конференция CIRED: Сборник докладов CIRED 12-15 мая 2003 г. - Barcelona, 2003. - Сессия 2 Доклад №37 (на англ. яз.).

Зак.ШТир./а' п.л.0" подп. в печать

ПЦ МЭИ (ТУ), Красноказарменная ул., д. 13 2005-4

19163

Введение.

Глава 1 Фактический вклад. Способы его определения.

1.1 Нормативно-правовая база.

1.2 Фактический и допустимый вклады как механизм управления качеством электрической энергии. Определение виновника ухудшения качества электрической энергии.

1.3 Современное состояние проблемы управления качеством электрической энергии.

1.4 Методы определения фактического вклада.

1.4.1 Метод включения/отключения потребителя.

1.4.2 Метод построения зависимости ПКЭ^б'нагр).

1.4.3 Метод баланса мощностей (токов) в узле электроснабжения.

1.4.4 Расчетно-аналитический метод.

1.4.5 Метод эквивалентных источников тока.

1.5 Выводы (постановка задачи).

Глава 2 Анализ условий формирования вклада и требования к ним.

2.1 Фактический вклад как характеристика режима СЭС.

2.1.1 Оценка фактического вклада по напряжению.

2.1.2 Оценка фактического вклада по току.

2.1.3 Оценка фактического вклада по мощности.

2.2 Оценка достоверности метода эквивалентных источников тока и метода баланса мощностей.

2.2.1 Расчет по методу узловых напряжений и формирование массива исходных данных.

2.2.2 Проверка метода эквивалентных источников тока.

2.2.3 Проверка метода баланса мощностей искажений в узле.

2.3 Методическая погрешность метода эквивалентных источников тока.

2.4 Оценка области применения метода эквивалентных источников тока.

2.4.1 Практическая оценка соотношений сопротивлений.

2.4.2 Метод определения приращений токов.

2.5 Оценка области применения метода эквивалентных источников тока.

2.6 Средства измерения.

2.7 Выводы.

Глава 3 Методика оценки фактического вклада и степени виновности в точке общего присоединения.

3.1 Формирование базы исходных данных.

3.2 Контроль выполнения требований ГОСТ 13109-97.

3.3 Оценка доминирующего влияния.

3.4 Расчет фактического вклада.

3.4.1 Определение фактического вклада при 0,8<р<1.

3.4.2 Определение фактического вклада при -1<уО<-0,8.

3.4.3 Определение фактического вклада при -0,8<р<0,8.

3.5 Определение виновника ухудшения КЭ.

3.5.1 Порядок суммирования ФВ подсистемы.

3.5.2 Порядок сравнения ФВ и ДВ подсистемы.

3.6 Выводы.

Глава 4 Определение фактического вклада потребителя по результатам измерений в действующих СЭС.

4.1 Пример 1. Определение фактического вклада при р—*0 89'

4.2 Пример 2. Определение фактического вклада при р—*

4.3 Пример 3. Определение фактического вклада при р—>

Актуальность проблемы

Реформирование отечественной электроэнергетики направлено на организацию и развитие новых экономических отношений. Одним из главных принципов новой организации является использование рыночных отношений и конкуренции в качестве одного из основных инструментов формирования устойчивой системы удовлетворения спроса на электроэнергию при условии обеспечения надлежащего качества и минимума стоимости электроэнергии. Одним из главных показателей эффективности производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии в таких условиях является обеспечение качества электрической энергии (КЭ). С этих позиций все участники электроэнергетического рынка несут ответственность за обеспечение качества электрической энергии.

Гражданский кодекс Российской федерации обязывает энергоснабжающие организации поставлять потребителю электроэнергию, качество которой отвечает требованиям Государственных (национальных) стандартов и договоров энергоснабжения. Эти же условия нашли свое отражение в. «Федеральном законе об электроэнергетике». Закон определяет ответственность энергосбытовых организаций и поставщиков электроэнергии перед потребителями за надежность обеспечения их электрической энергией и ее качество в соответствии с техническими регламентами и иными обязательными требованиями.

Технические регламенты согласно Федеральному Закону «Об основах технического регулирования» устанавливают «существенные требования», обеспечивающие наряду с другими объектами регулирования, электромагнитную совместимость технических средств в системах электроснабжения.

Так технический регламент «Об электромагнитной совместимости» устанавливает перечень низкочастотных кондуктивных помех, характеризующих КЭ по его показателям, нормируемым национальным стандартом (ГОСТ 13109-97) «Электромагнитная совместимость. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»! 4].

Проведенные исследования качества электрической энергии в системах электроснабжения различных классов напряжения и проведенные измерения показали, что степень влияния субъектов энергетического рынка на качество электроэнергии действительно существенна. Поэтому и возникает необходимость ограничения влияния на качество электроэнергии как энергоснабжающими организациями (поставщиками) так и потребителя на границе их раздела. Сторона, превысившая эти ограничения, рассматривается как виновник ухудшения качества электроэнергии. Такая задача должна решаться путем измерений фактического влияния (вклада) каждой стороны в уровень показателей качества электроэнергии (ПКЭ) в контрольной точке и сравнения его с допустимым ограничением.

Зная виновника, можно воздействовать на него путем разработки мероприятий по ограничению его отрицательного влияния на КЭ. Такие мероприятия, например, могут регламентироваться договором энергоснабжения и обязывать виновную сторону либо применять технические средства по ограничению уровня вносимых им помех, либо компенсировать тот ущерб, который он наносит другим подсистемам.

Можно выделить несколько технико-экономических причин необходимости измерения фактического вклада:

1) Выявление потребителей и их электроприемников, влияние которых в точке общего присоединения приводит к ухудшению КЭ;

2) Управление режимом работы электроприемников путем введения мероприятий, направленных на обеспечение КЭ;

3) Регулирование договорных отношений между энергоснабжающей организацией и потребителем в части влияния сторон на КЭ на границе их раздела;

В такой постановке оценка фактического вклад может быть проведена только на основе результатов измерения, т.е. инструментальным путем, что на сегодняшний день представляется методически нерешенным.

Последние десять лет усилия широких кругов специалистов направлены на решение задач по улучшению КЭ в электрических сетях всех классов напряжения. Значительный вклад в решение рассматриваемых проблем внесли отечественные ученые: Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Зыкин Ф.А., Майер

B.Я., Иванов B.C., Кузнецов В.Г., Курбатский В.Г., Кучумов JI.A., Смирнов

C.С., Соколов В.И., Соколов B.C. Работы зарубежных ученых представлены на международных конференциях CIGRE (Group 36) и CIRED {Session 2). Были разработаны несколько методов оценки фактических вкладов нелинейных потребителей, один из которых представлен в Методических указаниях по контролю и анализу качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения (Часть 1 и 2 РД 153-34.0-15.501-(00)01).

Таким образом, задача состоит в том, чтобы, проанализировав достоинства и недостатки этих методов:

1. Разработать метод, который должен быть ориентирован на применение средств измерения, результаты измерения должны рассматриваться как исходные данные для расчета текущего значения фактического вклада с применением специальных алгоритмов.

2. Разработать алгоритм обработки результатов измерения с целью оценки фактического вклада.

3. Оценить погрешности метода, обусловленные многообразием параметров режима нелинейной нагрузки в сравнении с условиями заданными базовыми методами.

4. Разработать алгоритм оценки фактического вклада подсистем на длительных интервалах наблюдения установленных ГОСТ 13109-97.

5. Осуществить апробацию метода и дать оценку его практического применения в действующих системах различного класса напряжения.

Методы и средства .исследований. Методика проведения выполненных исследований основана на теории электрических цепей, математического моделирования, с применением экспериментальных исследований в действующих системах электроснабжения различных классов напряжения с использованием современных средств измерения.

Достоверность полученных результатов базируется на фундаментальных положениях общей теории электротехники с учетом практического опыта эксплуатации объектов электроэнергетики, включая крупные энергосистемы. В работе определена область применения предлагаемой методики. Выявлены основные факторы, влияющие на инструментальную и методическую погрешность определения фактического вклада. Разработанная методика оценки фактического вклада апробирована при измерениях в действующих системах электроснабжения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Теоретически обоснован метод определения фактического вклада любой подсистемы относительно точки общего присоединения при контроле показателей качества электроэнергии (коэффициент «-ой гармонической составляющей и коэффициент искажения синусоидальной формы кривой напряжения), который может быть применен при определении виновника снижения качества электроэнергии, заключении договорных обязательств и расчете неустойки за снижение качества электроэнергии.

2) Разработан алгоритм, позволяющий обеспечить задаваемую точность определения фактического вклада, который может быть реализован в современных средствах контроля КЭ.

3) Разработанная методика, апробирована на результатах практических измерений, по которым определены фактические вклады потребителя и энергоснабжающей организацией в точке общего присоединения.

Практическое значение диссертации. Предложенная методика позволяет достоверно определять фактические вклады по коэффициенту п-ой гармонической составляющей напряжения и коэффициенту искажения синусоидальной формы кривой напряжения любых подсистем, что должно использоваться в электрических системах, содержащих мощные нелинейные нагрузки; при технико-экономическом обосновании мероприятий, направленных на обеспечение качества электроэнергии; а также при совершенствовании коммерческих взаимоотношений в области учета электроэнергии между энергоснабжающими организациями и потребителями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ~ - - ~

1. Разработан метод и алгоритм определения фактического вклада подсистем в произвольной точке системы электроснабжения, к которой присоединены эти подсистемы.

2. Определена область применения метода, которая определяется коэффициентом корреляции {р) между напряжением искажения в контролируемой точке и передаваемой мощностью. Расчеты, выполненные по результатам реальных измерений, показали, что фактический вклад может быть определен с указанной погрешностью в диапазоне изменения 0,8>р>-0,8. Определение фактического вклада за пределами этого диапазона (р—»±1) свидетельствует об одностороннем влиянии подсистемы на уровень ПКЭ. В этом случае оценка ФВ может быть получена непосредственно по результатам измерения.

3. Проанализированы погрешности метода в широком диапазоне изменения параметров подсистем. Показано, что погрешность определения фактического вклада зависит от соотношений приращений токов источников и соотношений входных сопротивлений подсистем и тем меньше, чем стабильнее входные параметры и чем больше отношение приращений токов источников.

4. Разработан алгоритм обработки результатов длительных измерений с целью определения фактического вклада, позволяющий идентифицировать приращения напряжения и тока искажения по их значениям на каждом шаге измерения, отвечающем заданной чувствительности метода эквивалентных источников тока.

5. Предложен метод определения допустимого вклада.

6. Разработанные методы и алгоритмы апробированы при определении фактических вкладов в действующих системах электроснабжения 6-10 кВ.

1. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. -М.: Изд-во стандартов, 1998.

2. Железко Ю.С. Правила присоединения потребителя к сети общего назначения по условиям влияния на качество электроэнергии//Промышленная энергетика. 1991. — №8. — С.45-51.

3. Карташев И.И., и др. Качество электрической энергии в муниципальных сетях Московской области//Промышленная энергетика. 2002. - №8. — С. 42-47.

4. Масленников Г.К., и др. Качество электрической энергии в городских сетях//Промышленная энергетика. 2000. - №8. — С. 40-44.

5. Luc Berthet, Denis Boudou State of play of the harmonic levels on the Frenchthlow-voltage networks//17 International Conference on Electricity Distribution: CIRED. 12-15 May 2003. Barcelona. - Session 2 Paper №31.

6. Marek Samotyj, Clark Gellings, Massoud Amin Power system infrastructure for a digital society: creating the new frontiers//ELECTRA. 2003. - №210, October. - Page 20-30.

7. Карташев И.И. Качество электроэнергии в системах электроснабжения. Способы его контроля и обеспечения. — М.: Издательство МЭИ, 2000. -120 с.

8. И.В. Жежеленко Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. 4-е изд., переаб. и доп. - М.: Энегоатомиздат, 2000. -331с.

9. Аррилага Дж. И др. Гармоники в электрических системах: Пер. с анг. -М.: Энергоатомиздат, 1990.-320 с.

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

11. Железко Ю.С. Присоединение потребителей к электрическим сетям общего назначения и договорные условия в части качества электроэнергии/ЛГехнологии электромагнитной совместимости. — 2003. — №1. — С.22—30.

12. Зыкин Ф.А. Энергетические процессы в системах электроснабжения с нагрузками, ухудшающими качество электрической энергии//Электричество. 1987. -№12. - с.5-9.

13. Зыкин Ф.А. Определение степени участия нагрузок в снижении качества электрической энергии//Электричество. — 1992. №11. — с. 13-19.

14. Майер В.Я., Ткач А.Н. Методика определения вклада потребителя в ухудшение несинусоидальности напряжений на границе раздела балансовой принадлежности электрических сетей//Энергетика и электрофикация. 1992. - №2. - С.13-16.

15. Майер В .Я., Зения Методика определения долевых вкладов потребителя и энергоснабжающей организации в ухудшении качества электроэнергии/УЭлектричество. — 1994. — №9. — с.19-24.

16. Соколов B.C., и др. Проблемы установления размера ответсвенности за ухудшение качества электрической энергии и пути их решения//Промышленная энергетика. 2000. - №8. — с.52-55.

17. Соколов B.C. Идентификация источников искажений качества энергии электрических сетей//Технологии электромагнитной совместимости. -2003. -№1. — с.53-56.

18. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. Учебник для вузов. М., Энергия, 1969.424 с.

19. Смирнов С.С. Вероятностный расчет уровней'напряжений "высших гармоник в сети 110-220 кВ, питающей крупные нелинейные нагрузки//Электричество. 2000. - №10. - с.25-30.

20. Крайчик Ю.С., Никифорова В.Н. Определение степени участия нагрузок в снижении качества электроэнергии//Электричество. — 1993. №11. — с.72-74.

21. Смирнов С.С., Коверникова Л.И. Вклад потребителя в уровни напряжения высших гармоник в узлах электрической сети//Электричество. 1996. -№1. - С.58-64.

22. Review methods for measurement and evaluation of the harmonic emission level from an individual distorting load. CIGRE 36.05/CIRED 2 joint WG CC02 (Voltage quality), 1999.

23. Баков Ю.В. Мощность переменного тока. Иван. гос. энерг. ун-т, 1999. — 200 с.

24. Рокотян С.С., Шапиро И.М. Справочник по проектированию электроэнергетических систем. М.: Энергия, 1985.

25. Жежеленко И.В., Высшие гармоники в системах электроснабжения пром. предприятия. М.: Энергия, 1974.

26. Айвазян С.А. и др., Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных. Справочное изд. — М.: Финансы и статистика, 1983.-471 с.

27. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учеб. Для вузов. 7-е изд. Стер. — М.: Высш. Шк., 2001. - 575 с

28. Шамонов Р.Г. Разработка методики оценки влияния качества электроэнергии на потери мощности и энергии в электрических сетях. Дисс. к.т.н. М.: 2003. - 155 с.

29. Карташев И.И., Пономаренко И.С., Ярославский ~В.Н. Требования к средствам измерения показателей качества электроэнергии. -Электричество, 2000, № 4. 2.

30. Соколов B.C. Метрологическое оборудование и приборы контроля качества электрической энергии. В кн.: Сборник информационно-методических материалов семинара "Метрологическое обеспечение электрических измерений в электроэнергетике". - М.: ВНИИЭ, 1998.

31. Масленников Г.К., Дубинский Е.В., Обеспечение качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения. -Энергосбережение, 2002, № 1.

32. Карташев И.И., Пономаренко И.С., Сыромятников С.Ю. и др. Способ инструментального выявления источников искажения напряжения и определение их влияния на качество электроэнергии. Электричество, 2001, №3.

33. Методических указаний по контролю и анализу качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения (Часть 1 РД 153-34.015.501-00 и Часть 2 РД 153-34.0-15.501-01).

34. Отчет о научно-исследовательской работе. Автоматизация управления качеством электроэнергии, его методической и инструментальное обеспечение. Гос.рег. № 01200004787

35. Пиотровский JI.M. и др., Испытание электрических машин, ГЭИ, 1960 г.

36. Смирнов С.С. Свойства режимов высших гармоник сети 110 кВ, питающей тяговые нагрузки железной дороги //Технологии ЭМС. 2003. -№1. — с.31-37.