ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НА ИСКАЖЕНИЕ СИНУСОИДАЛЬНОСТИ И СИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ В ТОЧКЕ ОБЩЕГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НА ИСКАЖЕНИЕ СИНУСОИДАЛЬНОСТИ И СИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ В ТОЧКЕ ОБЩЕГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ
Научная статья
Федосов Д.С.
Иркутский государственный технический университет, Иркутск, Россия
Аннотация
В статье описано текущее состояние проблемы оценки влияния искажающих потребителей на качество электрической энергии. Разработан метод оценки влияния, учитывающий неаддитивность напряжения искажения. Для реализации метода предложен способ определения параметров схем замещения участников системы электроснабжения в реальном времени. Проведены измерения, намечены способы повышения точности определения параметров.
Ключевые слова: качество электрической энергии, искажение напряжения, высшие гармоники, несимметрия напряжений, точка общего присоединения.
Keywords: power quality, voltage distortion, higher harmonics, voltage unbalance, point of common coupling.
Качество электрической энергии (КЭ) как товара, реализуемого потребителям электроэнергии, характеризуется совокупностью показателей, определённых в ГОСТ 13109-97 [1]. Одними из основных характеристик качества напряжения являются синусоидальность напряжения и симметрия трёхфазной системы напряжений. Несоответствие данных характеристик электроэнергии требованиям ГОСТ приводит к ускоренному износу и преждевременному выходу из строя электрооборудования, к ложной работе и отказам релейной защиты, к увеличению потерь электроэнергии [2].
Проблемы с названными показателями качества электроэнергии (ПКЭ) особенно актуальны для Иркутской электроэнергетической системы (ЭЭС), поскольку в ней присутствуют мощные нелинейные и несимметричные нагрузки – выпрямительные агрегаты алюминиевых заводов, железнодорожная тяга на переменном токе, сталеплавильные печи и пр. Данные потребители работают одновременно, будучи подключенными к одним и тем же узлам электрической сети. Однако их влияние на искажение симметрии и формы кривой напряжений является неодинаковым.
В России на данный момент нет корректной и однозначной методики по выявлению потребителя, ухудшающего вышеупомянутые ПКЭ. Если искажающих потребителей в точке общего присоединения (ТОП) несколько, то невозможно однозначно сказать, кто из них виновен в недопустимом искажении напряжения больше, а кто меньше. Единственный нормативный документ [3], ранее регламентировавший процедуру оценки влияния потребителей на ПКЭ, утратил силу 1 августа 2006 г.
В России, Европе, США уже долгое время идёт разработка методов, которые позволили бы решить эту проблему [4, 5]. Многие предлагаемые методы предполагают кратковременное отключение потребителей или других элементов сети (напр., батарей конденсаторов) для определения влияния. Такие методы допустимы для ЭЭС со стабильной искажающей нагрузкой. Если же нагрузка изменяется во времени, как в случае с тяговой нагрузкой или алюминиевым производством, то необходим метод, позволяющий выполнять оценку влияния в реальном времени без отключений.
Рис. 1. Схема замещения участника системы электроснабжения
Общепринятой схемой замещения (СЗ) любого участника системы электроснабжения (СЭС) на высших гармониках (ВГ) или для токов обратной последовательности (ОП) является двухполюсник на рис. 1, в который входят параллельно соединённые источник тока 
, моделирующий нелинейную или несимметричную составляющую нагрузки, и проводимость 
, которая характеризует линейную или симметричную нагрузку [3].
Разработан метод [6], который по известным параметрам СЗ всех участников электрической сети, присоединённых к данной точке (рис. 2), позволяет определить коэффициент влияния каждого k-го потребителя:
где Jk и Yk – соответственно, ток искажения и проводимость потребителя с индексом k, N – число присоединений к ТОП, – допустимое напряжение искажения по [1].
По коэффициенту влияния можно сказать, является ли влияние отдельно взятого потребителя с индексом k допустимым (KВЛ k < 0) или недопустимым (KВЛ k > 0). В последнем случае сравнение нескольких положительных коэффициентов влияния даст ответ на вопрос, кто из потребителей искажает напряжение больше, а кто меньше.
Для расчёта коэффициентов влияния по (1) необходимо иметь параметры СЗ всех участников, поэтому данный метод без особых сложностей может применяться для проекта СЭС, когда все параметры известны. Трудности возникают тогда, когда нужно определять параметры СЗ в режиме реального времени в действующей энергосистеме.
Для этой цели предлагаются непрерывные измерения тока искажения на присоединении каждого потребителя 
и напряжения искажения в узле сети 
в схеме на рис. 2 без каких-либо отключений с использованием естественных изменений параметров режима. Чтобы определить ток искажения и проводимость СЗ, нужно взять два значения тока и напряжения (см. рис. 2) в два разных момента времени и рассчитать следующие величины [7]:
В формуле величины токов и напряжений с одним штрихом относятся к первому измерению, с двумя штрихами – ко второму измерению.
Рис. 2. Эквивалентная СЗ ТОП
Доказано [7], что если за время между двумя измерениями поменялись параметры только во внешней сети, то рассчитанные по (2) величины изм и 
дадут параметры СЗ потребителя, на присоединении которого измерен ток 
Если же, наоборот, поменялись параметры СЗ только исследуемого потребителя, а во внешней сети ничего не менялось, то величины изм и будут соответствовать параметрам СЗ внешней сети со знаком «минус». В том случае, если за время между двумя замерами не менялось ничего либо изменились сразу все параметры СЗ, то величины, рассчитанные по (2), не будут нести полезной информации.
В настоящее время для проведения натурных экспериментов имеется измерительная аппаратура, которая позволяет измерять с малой погрешностью 3 тока и 3 напряжения ВГ и ОП с интервалом усреднения 160 мс. Поскольку за столь малое время между двумя последовательными измерениями изменение параметров СЗ исследуемого потребителя практически исключено, а изменение параметров внешней сети с большим количеством меняющихся нагрузок, напротив, весьма вероятно, то в рассчитанных за каждые 0,16 с величинах изм и должны преобладать параметры СЗ исследуемого потребителя.
Для проверки метода определения параметров СЗ выполнены измерения токов и напряжений на физической модели ЭЭС и в действующей ЭЭС: на присоединениях линейных и нелинейных участников СЭС.
Рис. 3. Результаты определения параметров схемы замещения генератора 63 МВт на 11-й гармонике
На рис. 3 в качестве примера представлены результаты измерений параметров СЗ турбогенератора 63 МВт на 11-й гармонике. Очевидно, что данный генератор является линейным участником СЭС и не содержит источника тока 11-й гармоники. В схеме замещения на 11-й гармонике он должен быть представлен только активно-индуктивной проводимостью. Однако из графиков довольно сложно определить величину этой проводимости, поскольку малые изменения токов и напряжений ВГ в совокупности с погрешностью измерений приводят к увеличению погрешности вычисления параметров СЗ.
Рис. 4. Результаты определения параметров схемы замещения до исключения пар измерений с минимальными модулями изменений напряжений (верхний ряд) и после исключения (нижний ряд)
В качестве способа повышения точности определения параметров СЗ предложено исключать из расчёта пары измерений, в которых модуль разности напряжений имеет минимальное значение. Обусловлено это тем, что величина 
находится в знаменателях формул для определения параметров СЗ и потому нелинейно влияет на результат расчёта. Результаты определения параметров СЗ при исключении 10% пар измерений с минимальными модулями разностей напряжений представлены на рис. 6. Видно, что отклонения параметров СЗ от средних значений, обусловленные «промахами», уменьшились.
Из рис. 4 видно, что предложенные способы повышают точность, но не решают окончательно проблему определения параметров СЗ. В частности, в случае с чисто нелинейной нагрузкой задача определения тока искажения остаётся нерешённой ввиду большой погрешности, не исключаемой описанными способами. Необходимо использование методов адаптивной фильтрации для уменьшения погрешностей определения параметров СЗ.
Выводы:
- Разработан метод количественной оценки влияния потребителей и энергоснабжающей организации на искажение напряжения.
- Для реализации метода в действующих ЭЭС необходимо определение параметров СЗ всех участников в реальном времени. Эта задача решается методом, который использует данные двух последовательных измерений напряжения искажения в ТОП и тока, текущего к каждому исследуемому потребителю.
- Проведены измерения на присоединениях различных искажающих и неискажающих потребителей с целью определения параметров СЗ. Для повышения точности расчёта предложено исключать из исходных данных для расчёта те пары измерений, для которых модуль изменения напряжения в ТОП минимален.
- Измеряемые величины и погрешности измерений оказываются сопоставимы друг с другом, что приводит к недопустимо большой погрешности определения параметров СЗ по формулам (2). Для исключения погрешностей и увеличения точности определения параметров СЗ необходимо использование математической обработки и фильтрации измеряемых величин.
Список литературы / References
- ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. – Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1998.
- Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. – М.: Энергоатомиздат, 2000.
- РД 153-34.0-15.502-2002. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 2. Анализ качества электрической энергии. – М.: Энергосервис, 2002.
- Смирнов С. С., Коверникова Л. И. Вклад потребителей в уровни напряжения высших гармоник в узлах электрической сети // Электричество, 1996. № 1.
- Yang Hong Geng. Assessment for Harmonics Emission Level from one particular customer. University of Liege, 1992.
- Висящев А. Н., Федосов Д. С. Оценка влияния участников системы электроснабжения на искажение напряжения в точке общего присоединения // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Материалы Всероссийской НПК с международным участием. – Иркутск: ИрГТУ, 2010. – С. 266-271.
- Висящев А. Н., Федосов Д. С. Метод определения параметров схем замещения для оценки их влияния на искажение напряжения в электрической сети // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Материалы Всероссийской НПК с международным участием (Иркутск, 26-30 апреля 2011 г.). – Иркутск: ИрГТУ, 2011. – С. 321-325.