Методика мониторинга качества электрической энергии в электрических сетях

Введение

Качественная электрическая энергия является тем ориентиром, на который должны быть нацелены все субъекты электроэнергетического рынка.
В 2009 году в России был принят документ под названием “Энергетическая стратегия до 2030 года”, где декларировались основные цели и принципы модернизации отрасли, где в качестве главных приоритетов было обозначено создание высокоинтегрированных интеллектуальных системообразующих и распределительных электрических сетей нового поколения, а также широкое развитие распределенной генерации и создание интегрированного информационно-управляющего комплекса и высоконадежных магистральных каналов связи [1]
Интеллектуализация энергетической отрасли является не только целью отечественных энергетиков, но и всего мирового научного сообщества.
По даннымспециалистов с Запада, снижение качества электрической энергии стоит европейской промышленности и в целом бизнес сообществу ЕС за год 10 миллиардов евро.
При этом путь развития в направлении интеллектуализации электрических сетей,в разных странах воспринимается по-разному.
Так, например, в Америкезначительное внимание в контексте интеллектуальной энергетики (Smart Grid) уделяетсявопросам развития распределительных и магистральныхсетей, обеспечения их самостоятельного восстановления после сбоев, повышения общей эффективности, а европейский подход четко ориентирован на клиента, что подразумевает, в частности, упрощение подключения новых абонентов,
 
гибкость сети, подстраивающейся под нужды потребителей, экономичность и экологичность [2].
В отечественных терминах под созданием интеллектуальной электроэнергетической системы с активно-адаптивной сетью, подразумевается, прежде всего, решение проблем надежности и качества электроэнергии на новом технологическом уровне.
Следует отметить, что по данным экспертов, запас прочности отечественных энергетических систем практически исчерпан и по разным оценкам, от 60 до 70% основных фондов электросетевого комплекса страны уже давно выработали срок службы [3].
Поэтому вопрос создания новых автоматизированных систем и модернизация уже существующих комплексов в условиях резкогоувеличения объемов потребления энергоресурсовпромышленными объектами, а такжежилищно-коммунальным сектором, когда низкая надежность и низкое качество электроэнергии приводит к отказам и веерным отключениямсегментов сети с соответствующими финансовыми и прочими последствиями, особенно актуален.
Существует ряд нормативных требований, которые регулируют качество электрической энергии. Это связано с тем, что электрическая энергия привлекаетсяи к созданиюпрочих видов продукции, что оказывает значимое влияние на показатели производства и на то, каково качество изделий, которые далее будут выпускаться.
Для того, чтобы защитить права потребителей в условиях современного рынка функционирования электроэнергетики, в обязательном порядке осуществляется сертификация электрической энергии по таким основным показателям качества, как: отклонение напряжения и отклонение частоты [4].
Нормы качества энергии, которые являются уровнями электромагнитной 
совместимости, были установлены стандартом ГОСТ 13109-97 [5]. Соблюдение указанных норм дает возможность достичь электромагнитной совместимости электросетей системы электроснабжения предназначенной для общего назначения, а также электрических сетей потребителей электрической энергии и электроприемников.
Данный стандарт дает возможность установления показателей и норм качества электроэнергии в электрических сетях для электроснабженческих систем, предназначенных для общего сегмента переменного 3-фазного и 1-фазного тока с частотой в пятьдесят герц в точках, к которым присоединяются электрические сети, которые находятся в собственности у разнообразных потребителей электроэнергии, или приемники электрической энергии.
Помимо норм качества электроэнергии, данный стандартимеет приложения обязательного характера, которые регламентируют способы,предназначенные для расчета, а также методики, предназначенные для определения показателей ПКЭ, и кроме того требования относительно цифровых средств измерений (СИ).
Данный стандартобеспечен, начиная с момента, когда он был введен 1-го января 1998 года,десятью типами средств измерения по РФ, которые были включены в Гос.Реестр средств измерения.
Все те СИ, которые включены в Государственный реестр, дает измерение параметров по качеству электрической энергии потребованиям упомянутого выше ГОСТа, а кроме того, указаниями РД 153-34.0-15.501-00 под названием: «Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 1 и 2. Контроль качества электрической энергии» [6].
Однако СИ не всегда справляются с задачей успешного контроля качества, так как проверка ими осуществляется периодически.
 
Однако ситуация, которая может повлиять на качество электроэнергии может произойти в промежутке между подобными проверками.
Поэтому особенную важность приобретает мониторинг, который заключается в непрерывном контроле.
Имеющиеся методы мониторинга базируются, в основном, на таких системах, состоящих их автономных СИ, которые собирают, обрабатывают, а также анализируют и передают информацию по всему набору событий в электрической сети, но как показал анализ, методика централизованного подхода все же дает лучшие результаты.
В частности, обеспечивает относительную стоимость пониже, если сравнивать с однотипным набором средств измерения и большую возможность для расширения, модернизации и адаптации к конкретным условиям. Таким образом, разработка методики мониторинга, основанной на централизованном подходе, является актуальной.
Следует отметить, что вопросами контроля и мониторинга качества электроэнергии занимались такие российские и советские ученые, как: Ковалев В.Д., Смирнов С.С., Соколов B.C., Воропай Н.И., Гамм А.З., Голуб И.И., Жежеленко И.В., Ивакин В.Н., Железко Ю.С., Кучумов Л.А., Лисеев М.С, а также зарубежные ученые D. Divan, G. Luckjiff, W. Brumsickle, J. Freeborg, A. Bhadkamkar
Объектом данной работы является качество электроэнергии в электрических сетях, а предметом – методика мониторинга этого качества.
В соответствии с целью работы, а именно, исследованием метода мониторинга качества электрической энергии в электрических сетях, были поставлены следующие задачи исследования:
- Проанализировать понятие и параметры качества электроэнергии в электрических сетях;
 
- Изучить и привести необходимые стандарты, относящиеся к теме диссертации;
- Проанализировать вопросы энергетической безопасности в целом и вопросы надежности энергетических систем в частности;
- Проанализировать виды контроля в энергетических системах
- Исследовать методы мониторинга применительно к вопросу параметров качества электроэнергии;
- Рассмотреть требования к АСУТП;
- Разработать базу для нижнего, среднего и верхнего уровней АСУТП применительно к системам мониторинга ПКЭ;
-Привести функциональную схему системы с учетом выбранного метода мониторинга
Структура данной работы состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников.
В первой главе анализируется качество электроэнергии в электрических сетях.
Во второй главе проводится исследование вопроса мониторинга электроэнергии в электрических сетях.
Третья глава посвящена разработке методики мониторинга качества электрической энергии в электрических сетях.
В заключении приводится обобщенный вывод по проведенному исследованию.

Глава 1. Качество электроэнергии в электрических сетях
1.1 Параметры электрической энергии и показатели ее качества

Наиболее широко применяемая энергия в наше время - это электромагнитная энергия, которую обычно называют электрической.
Использование электроэнергии дало возможность улучшить такой показатель как производительность труда, причем в разнообразных областях жизнедеятельности человека. Кроме того, электроэнергия дала возможность провести автоматизацию и внедрить определенный набор технологических процессов в промышленности, а также в сельском хозяйстве, быту и в транспортной индустрии. Эти процессы базируются на новых принципах, которые ускоряют, облегчают и удешевляют процесс получения окончательного продукта.
Применение электроэнергии на современном этапе дало возможность изменить производство. Уникальное свойство электроэнергии, заключающееся в переходе в другие виды энергии, всегда воспринималось как физическая основа техники будущего, что было связано с тем, что:
- В энергию электрическую нетрудно преобразовать любой вид энергии (тепловой, атомный, химический, механический, лучистый, энергия водного потока). И наоборот. Электрическая энергия сама по себе легко преобразуема в другие виды энергии.
- Электроэнергия может передаваться практически на любое расстояние.
- Электроэнергию возможно несложно разбить на самые разнообразные часть. Так, мощность приемников электроэнергии бывает
 
от единиц ватта до сотен киловатт).
- Управлять процессами, где применяется электроэнергия, обычно очень просто (как, например, нажатие кнопки или поворот рубильника выключателя).
- Применение электроэнергии служит для создания комфортных условий на производстве и в быту.
- Такие процессы, как передача, получение и потребление электроэнергии можно просто и эффективно автоматизировать. Однако, при передаче электроэнергии от станций к потребителям ее качество претерпевает негативные изменения, поэтому при разработке автоматизированных систем управления энергетическими объектами, необходимо помнить о номинальными электрическими параметрами режима (fн, Uн, Iн), при которых они наделены показателями с наивысшими технико-экономическими данными, так как в сетях наблюдаются потери напряжения, а кроме того по причине несимметрии нагрузки фаз возникает несимметрия напряжений, присутствие устройств преобразования ведет к тому, что форма напряжений становится несинусоидальной, а толчками нагрузки во время отключения и подключения потребителей вызываются частотные колебания, а также колебания напряжения. Вышеперечисленные причины, а кроме того ряд прочих факторов ведут к отклонению ПКЭ от их нормированных значений, а это оказывает влияние на функционирование электроприемников.
При этом под качеством электрической энергии понимается степень соответствия параметров электрической энергии их установленным значениям.
В свою очередь, параметром электрической энергии будет являться величина, которая количественно характеризует определенное свойство электрической энергии.
 
Таким образом, под ПКЭ понимаются:
-напряжение
- частота
- форма кривой электрического тока
Кроме того, качество электрической энергии относится к составляющим электромагнитной совместимости, которая характеризует электромагнитную среду.
К показателям качества электроэнергии в соответствии со стандартом ГОСТ 13109-97 [5] относятся следующие:
- установившееся отклонение напряжения;
- размах изменения напряжения;
- доза фликера;
- коэффициент показывающий, как искажается синусоидальность кривой напряжения;
- коэффициент гармонической составляющей напряжения n-ой значения;
- коэффициент, показывающий несимметрию напряжений по обратной последовательности;
- коэффициент, показывающий несимметрию напряжений по нулевой последовательности;
- длительность провала напряжения;
- отклонение в частоте;
- коэффициент временного перенапряжения,
- импульсное напряжение.
Более подробно данные по основным понятиям, свойствам и характеристикам качества электроэнергии приведены в приложениях 1 и 2.
Качественные показатели электроэнергии могут колебаться в связке со временем суток, а также климатических и погодный условий, смены нагрузки в энергосистеме, появление аварийных сетевых режимов и так
 
далее.
Снижение качества электрической энергии может привести к заметным изменениям режимов работы электроприемников и в результате уменьшению производительности рабочих механизмов, ухудшению качества продукции, сокращению срока службы электрооборудования, повышению вероятности аварий.
Помимо норм качества электроэнергии, данный стандарт имеет приложения обязательного характера, которые регламентируют способы, предназначенные для расчета, а также методики, предназначенные для определения показателей ПКЭ, и кроме того требования относительно цифровых средств измерений (СИ).
В РФ показатели и нормы качества электроэнергии в электросетях систем электрического снабжения, предназначенных для общего сегмента переменного 3-фазного и 1-фазного тока с частотой в пятьдесят герц в точках, к которым присоединяются электрические сети, которые находятся в собственности у разнообразных потребителей электроэнергии, или приемники электрической энергии, регулируются Межгосударственным стандартом ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [7].
В связи с тем, что рыночные отношения в электроэнергетике интенсивно развиваются, электроэнергию следует рассматривать не только как явление физическое, но и как предмет купли-продажи, которому требуется соответствовать определенному качеству, а также требованиям рынка. Федеральный закон «Об электроэнергетике» определяет ответственность энерго-сбытовых организаций и поставщиков электроэнергии перед потребителями за надежность обеспечения их
 
электрической энергией и ее качество в соответствии с техническими регламентами и иными обязательными требованиями [8]. В связи с этим вопрос контроля качества приобретает высокую актуальность.