"Новости Электротехники N3(27)"«Исследователи ждут большего от современных измерительных приборов »

	< Предыдущая ] [ Следующая >	Журнал №4(28) 2004


	Сегодня у специалистов богатый выбор разнообразных приборов и оборудования для решения измерительных задач в системах электроснабжения. Однако это не означает, что с их помощью современный исследователь может получить оперативную и исчерпывающую информацию, например, об электрических режимах. О своих требованиях к измерительным приборам, необходимым для анализа причин возникновения помех и нарушений условий электромагнитной совместимости в системах электроснабжения, рассказывают петербургские ученые. Исследователи ждут большего от современных измерительных приборов Леонид Кучумов, проф. СПбГПУ; Антон Кузнецов, доцент СПбГПУ; Михаил Сапунов, инженер ЗАО «НПФ «Энергосоюз» Требования к измерительным приборам для распознавания и анализа электрических режимов в системе электроснабжения за последнее десятилетие кардинально изменились. Чтобы получить информацию о текущих мгновенных значениях токов и напряжений в форматах, принятых в международных стандартах и в ГОСТ 13109-97 [1], амперметры, вольтметры, электромеханические самописцы и светолучевые осциллографы заменяются программируемыми цифровыми приборами со сложными алгоритмами обработки переменных. К новому поколению приборов есть вопросы Современные требования к измерениям были сформулированы примерно 7–10 лет тому назад, и сегодня рынок предлагает десятки приборов, позволяющих измерять параметры качества электроэнергии (ПКЭ) в соответствии с требованиями ГОСТа. Энергосистемы, органы энергонадзора, энергоаудиторские компании широко применяют устройства типа «ЭРИС», «ППКЭ», «Ресурс-UF», «Парма», «ИВК-Омск», «Энергомонитор» и др. Такие приборы, как правило, рассчитаны на измерение не более восьми сигналов токов и напряжений. Заложенная в большинстве из них частота квантования не менее 256 точек на период промышленной частоты или 12,8 кГц (для реализации быстрого преобразования Фурье) предполагает получение данных о мгновенных значениях переменных с детальным отслеживанием всех отклонений от стабильных во времени синусоидальных и симметричных процессов. Однако увидеть осциллограммы этих переменных либо совсем невозможно, либо это должно происходить по специальной команде на коротком промежутке времени (обычно до 0,04 с) и не для всех измеряемых одновременно сигналов. Современные измерительные приборы ориентированы на установленные в ГОСТ 13109-97 большие интервалы усреднения отдельных ПКЭ: 60 с – для установившегося отклонения напряжения d Uу ; 3 с – для показателей, характеризующих высшие гармоники и несимметрию; 20 с – для отклонений частоты. При этом в памяти приборов (ради экономии ее ресурсов) не сохраняются промежуточные измерения мгновенных значений. Таким образом, для изучения доступны только протоколы с усредненными за несколько минут показателями, которые в свою очередь уже были усреднены по требованиям стандарта. Большинство известных на сегодня приборов позволяют только констатировать факты нарушения ПКЭ и относительную длительность превышения нормально и максимально допустимых ПКЭ, но не дают полноценных ответов на важные для принятия мер вопросы: - Не появляются ли в токах и напряжениях опасные, хотя бы и кратковременные, помехи, нелинейные искажения и несимметрии? - Откуда пришли возмущения (из питающей сети или от электроприемника, и от какого конкретно)? - Как обоснованно разделить вклад энергосистемы и электропотребителей в ухудшение ПКЭ в нагрузочном узле? (Это необходимо для определения неустоек при поставке электроэнергии ненадлежащего качества по вине электроснабжающей организации и ухудшения ПКЭ по вине потребителя [2]). - Какие помехи создают сверхмощные резкопеременные и нелинейные нагрузки типа прокатных станов, дуговых сталеплавильных печей, сварочных установок и пр.? Получить ответы на поставленные вопросы с помощью современных измерительных приборов возможно при условии изменения концепции их построения – наделения их первичной и главной функцией многоканального осциллографирования процессов – и сохранения всех присущих им полезных функций. Оперативное получение информации о нормальных и аварийных режимах в виде осциллограмм токов и напряжений и рассчитанных по ним мощностей и ПКЭ сокращает время на исследования и эксперименты в системах электроснабжения. Хранение в памяти прибора файлов процессов позволяет проводить их обработку по любым, в том числе нестандартным алгоритмам. Примером таких разработок является 32-канальный осциллограф-анализатор «Нева-ИПЭ» (НПФ «Энергосоюз»). Близки к нему по принципу построения: 16-канальный прибор типа РП4.08 (фирма «Парма») и IWK-1000 (усовершенствованный в Германии прибор «ИВК-Омск»). ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ МОЖНО ПОЛУЧАТЬ КАЧЕСТВЕННО НОВЫЕ ЗНАНИЯ Краткий обзор некоторых исследований, проведенных с использованием осциллографа-анализатора, показывает преимущества подобной измерительной аппаратуры нового поколения (работы выполнены на приборе «Нева-ИПЭ»). 1. Оценка изменений частоты в узлах нагрузки Для снижения погрешности расчетов при определении действующих значений переменных и тем более при гармоническом анализе сигналов необходимо знать текущее значение основной частоты (периода) процессов в узле нагрузки с возможно большей точностью. На практике частоту сигнала приходится определять по записанному с постоянной частотой дискретному файлу напряжений, искаженных в общем случае гармониками, из которых наибольшую погрешность вносят некратные основной частоте. Анализ различных алгоритмов определения частоты (по проходам сигнала через нуль, по максимуму спектральной плотности, по методу выделения синусоиды с минимальными отличиями от фактического сигнала по методу среднеквадратичных отклонений) показал, что желаемую точность расчета частоты (±10 мГц) можно обеспечить при длительности окна обработки Тобр.f не менее 2 периодов основного сигнала и частоте дискретизации не менее 5 кГц. Вследствие инерционности расчета текущей частоты при формировании сигнала f(t) следует не забывать вводить временную поправку, сдвигающую сигнал в сторону опережения на интервал времени 0,5 Тобр.f. На рис.1 можно видеть пример определения частоты напряжения на шинах 35 кВ, к которым подключена дуговая сталеплавильная печь (ДСП) мощностью 85 МВА. Если использовать рекомендуемое минимальное окно обработки сигнала Тобр.f » 0,04 с, то будут зафиксированы изменения частоты в узле в пределах ±0,5 Гц, которые возникают вследствие колебаний фазы напряжения под влиянием колебаний активной мощности. При увеличении окна обработки до » 0,2 с фиксируемый диапазон колебаний частоты снижается до значений ±0,1 Гц и они практически незаметны при Туср = 3 с (напомним, что по ГОСТ [1] частота определяется на окне 60 с). 2. Уточнение гармонического состава токов и напряжений Как известно, математический аппарат дискретного преобразования Фурье рассчитан на применение в условиях стационарности анализируемых процессов при знании периода сигнала. Тем не менее в инженерной практике приходится давать оценки гармонических составляющих в сетях с резкопеременной нагрузкой. В этих условиях ограничиваться оценкой только целочисленных гармоник нельзя, поскольку значительная доля энергии гармонических возмущений приходится на так называемые промежуточные гармоники. Знание их значений необходимо, например, при анализе резонансных явлений, при выборе параметров силовых фильтров, создающих, как известно, полюса (резонансные частоты) на промежуточных гармониках. Выявление промежуточных гармоник возможно только при принятии окна разложения в ряд Фурье Тразл больше одного периода промышленной частоты Т0,02. Так, при окне Тразл= k·Т0,02 помимо кратных основной частоте гармоник n, рассчитываются также промежуточные гармоники, относительные частоты которых на интервалах n ± 1 равны n ± m/k, где m = 1,2…k. При принятии минимального окна разложения Тразл» Т0,02 получаемые величины целочисленных гармоник n в сетях с резкопеременной нагрузкой будут иметь повышенные значения, поскольку в них косвенно отражена энергия, приходящаяся на ненаблюдаемые в данном случае промежуточные гармоники. В приложении «Е» к стандарту [1] при быстроизменяющихся процессах рекомендуется применять прямоугольное окно разложения шириной kТ0,02 = (4 ё 16)•0,02 = (0,08 ё 0,36) с. Европейский стандарт EN-61000-4-7 рекомендует применять окна при k =10, когда фиксируются промежуточные гармоники с шагом по частоте 5 Гц. При k>1 расчетные значения амплитуд целочисленных гармоник неизбежно уменьшаются, поэтому в стандарте EN-61000-4-7 есть специальные разделы, регламентирующие процедуру оценки гармоник, кратных основной частоте, отдельных промежуточных гармоник и групп промежуточных гармоник. Сказанное выше иллюстрируют представленные на рис. 2 результаты обработки гармоник фазного напряжения в сети 35 кВ питания дуговой сталеплавильной печи на том же начальном интервале плавкидлительностью 25 с, что и на рис.1. Показаны наблюдавшиеся максимальные и средние значения гармоник в напряжении. При окне обработки 0,2 с (рис. 2б) амплитуды целочисленных гармоник резко уменьшаются по сравнению с результатами их определения при окне 0,02 с (рис. 2а): гармоники нечетных порядков уменьшаются в 1,5 раза, а четных – в 3 раза. Промежуточные гармоники имеют в данном случае амплитуды, соизмеримые с амплитудами целочисленных гармоник. Рис. 1. Частота напряжения в узле 35 кВ питания ДСП, определенная методом скользящего среднего на интервалах обработки длительностью 0,04; 0,2 и 3 секунды. Максимальные и усредненные относительные амплитуды спектральных составляющих напряжения фазы «А» на стороне 35 кВ (Uбаз=22,2 кВ), полученные на интервале наблюдения 25 секунд, с окнами разложения 0,02 с (а) и 0,2 с (б). Рис. 2а. Рис. 2б. 3. Расширение диапазона частот измеряемых высших гармоник Используя стандартные приборы, измеряющие параметры качества электроэнергии, пользователь, как правило, не владеет информацией о заложенных в них окнах обработки (обычно не менее 4-10 периодов промышленной частоты), а информация, выводимая только по гармоникам, кратным основной частоте, дает, как было указано выше, искаженное понятие об энергии исследуемых гармонических спектров. Заметим также, что применение приборов измерения параметров качества электроэнергии, учитывающих согласно ГОСТ P 13109-97 гармоники до 40-го порядка (по европейским стандартам до 50-го), не во всех случаях дает объективную оценку ситуации. Так, на рис. 3 приведены осциллограммы напряжений в сети 10 кВ, питающей нагрузку мощного прокатного стана одного из металлургических заводов, а также их спектры. Отчетливо видны резонансные усиления гармоник порядков 59, 61, 71 и 73, которые вносят наибольший вклад в коэффициент искажения синусоидальности напряжения, достигающий в этих режимах 21%. Необходимость расширения диапазона измеряемых частот приборами ПКЭ очевидна. *Напряжения на шинах 10 кВ, питающих нагрузку мощного прокатного стана, и их спектры.* Рис. 3а. Рис. 3б. 4. Оценки динамики изменения переменных и их гармоник При оценках динамических характеристик действующих значений переменных в сетях с резкопеременной нагрузкой желательно применять интервалы обработки с длительностью, совпадающей с периодом основной частоты (Тобр = 0,02 с). Увеличение Тобр неизбежно приводит к занижению амплитуд колебательных составляющих процессов. Применительно к нагрузке дуговой сталеплавильной печи это иллюстрирует рис. 4 а,б. Практикуемое в некоторых цифровых приборах определение эффективных значений на интервалах обработки 0,1- 3,0 с и более в несколько раз занижает амплитуды отклонений измеряемых ПКЭ по сравнению с их средними значениями. Эти соображения относятся также и к временным зависимостям высших гармоник (рис.5). Заметим, что показанные на рисунках 4 и 5 усредненные на интервалах времени 0,2 и 3 с переменные Ua и Ia сдвинуты в сторону опережения соответственно на 0,1 и 1,5 с для корректного сопоставления с переменными Ua 0,02 c и Ia 0,02 c. Такие временные коррекции всегда необходимо делать при сравнении однотипных сигналов, полученных с различными интервалами обработки. Рис. 4. Эффективные значения напряжения (а) и тока (б) фазы «А», определенные на скользящих интервалах обработки длительностью 0,02; 0,2 и 3 секунды. Рис. 5. Действующие значения напряжения пятой гармоники фазы «А», определенные на скользящих интервалах обработки длительностью 0,02; 0,2 и 3 секунды. В системах электроснабжения неизбежно возникают ситуации, когда требуется детальный анализ мгновенных значений токов и напряжений, чтобы принять технические решения и устранить нарушения условий электромагнитной совместимости. Используемые в настоящее время измерительные приборы, фиксирующие параметры качества электрической энергии в соответствии с требованиями ГОСТ Р 13109-97, не в полной мере удовлетворяют исследователей. Целесообразно было бы совершенствовать современные измерительные приборы, придавая им функции осциллографирования и возможности обработки файлов переменных по нестандартным алгоритмам. Литература 1. ГОСТ Р 13109-97. Качество электрической энергии. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. 2. Железко Ю. С. Присоединение потребителей к электрическим сетям общего назначения и договорные условия в части качества электроэнергии//Промышленная энергетика. – 2003. – № 6.