CC BY
2
КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
В.Д. Черепанова, студент Н.О. Баранов, студент
Научный руководитель: С.А. Чебаков, старший преподаватель Уральский государственный университет путей сообщения (Россия, г. Екатеринбург)
DOI:10.24412/2500-1000-2025-1-3-237-241
Аннотация. В статье рассматриваются основные аспекты качества электроэнергии в энергетических системах, включая факторы, влияющие на его параметры, методы оценки и технические решения для его улучшения. Освещены ключевые проблемы, связанные с нарушениями качества электроэнергии, их последствия для потребителей и энергетической инфраструктуры. Проведен анализ современных стандартов и нормативов, регулирующих параметры качества электроэнергии. Особое внимание уделено применению технологий компенсации и фильтрации для повышения надежности и эффективности энергетических систем. Сделаны выводы и предложены рекомендации, направленные на обеспечение стабильности и качества электроэнергии в условиях современных вызовов.
Ключевые слова: качество электроэнергии, энергетические системы, стандарты и нормативы, компенсация, фильтрация, надежность, энергетическая инфраструктура.
Качество электроэнергии является ключевым фактором, определяющим надежность и эффективность работы современных энергетических систем. В условиях растущего спроса на электроэнергию, интеграции возобновляемых источников энергии и цифровизации энергетической инфраструктуры проблема обеспечения стабильности параметров электрической энергии становится особенно актуальной. Отклонения от нормативных значений таких характеристик, как частота, напряжение и форма сигнала, могут привести к значительным сбоям в работе оборудования, снижению производительности промышленных процессов и увеличению эксплуатационных расходов.
Современные подходы к обеспечению качества электроэнергии требуют комплексного анализа факторов, влияющих на ее параметры, а также разработки и внедрения технических решений, способных минимизировать негативные воздействия. Это включает использование инновационных методов мониторинга, фильтрации и компенсации, а также соответствие международным стандартам и нормативам.
Состояние и эксплуатационные характеристики энергетических систем непосредственно влияют на качество поставляемой электроэнергии. Старение и износ электрических
проводов могут приводить к увеличению сопротивления и, как следствие, к потерям напряжения. Качество используемых материалов и оборудования также играет существенную роль: использование несертифици-рованных или низкокачественных компонентов может вызывать дополнительные искажения и нестабильность в сети. Перепады напряжения часто связаны с периодическим подключением мощных нагрузок, что вызывает кратковременные провалы или всплески напряжения, негативно влияющие на работу чувствительных потребителей.
К внешним факторам, влияющим на качество электроэнергии, относятся природные и климатические условия. Обледенение питающих проводов, изменение влажности воздуха, а также направление и сила ветра могут вызывать механические повреждения линий электропередачи или изменять их электрические характеристики, что приводит к отклонениям параметров электроэнергии. Для ветровых электростанций изменение направления и силы ветра непосредственно влияет на стабильность выработки электроэнергии, создавая колебания в сети. В прибрежных районах приливы и отливы могут влиять на работу морских электрических станций, вызывая нестабильность в генерации.
Внутренние факторы включают особенности работы потребителей и генераторов внутри энергосистемы. Нелинейные нагрузки, такие как современные электронные устройства и промышленное оборудование, могут вводить гармонические искажения в сеть, изменяя форму синусоидального напряжения и создавая дополнительные потери и нагрев оборудования. Несинхронная работа различных генераторов может приводить к колебаниям частоты и напряжения, вызывая несимметрию фазных напряжений и токов. Кроме того, аварийные ситуации, такие как короткие замыкания или перегрузки, могут вызывать временные перенапряжения и провалы напряжения, отрицательно сказываясь на работе потребителей.
Согласно отчету АО «Системный оператор Единой энергетической системы» (СО ЕЭС), в 2023 году выработка электроэнергии в Единой энергетической системе (ЕЭС) России составила 1 134,0 млрд кВт-ч, а потребление -1 121,6 млрд кВт-ч, что на 1,4% больше по сравнению с 2022 годом. Максимум потребления мощности был зафиксирован 11 декабря 2023 года и составил 168 741 МВт, что является историческим рекордом для ЕЭС России [2].
Рост потребления электроэнергии наблюдался во всех объединенных энергосистемах (ОЭС) страны. Наибольший прирост зафиксирован в ОЭС Сибири - 5,3%, ОЭС Юга -2,5%, и ОЭС Средней Волги - 1,2%. Этот рост обусловлен увеличением промышленного производства, особенно в химической промышленности и нефтепереработке, а также повышением потребления в бытовом секторе.
Однако увеличение потребления и выработки электроэнергии сопровождается ростом нагрузки на энергетическую инфраструктуру, что может приводить к ухудшению качества электроэнергии в смежных электрических сетях. Согласно данным ПАО «Россети», в 2023 году объем поступления электроэнергии в сеть вырос на 1,15% по сравнению с 2022 годом, составив 874,8 млрд кВт-ч. При этом относительный уровень потерь электроэнергии снизился до 8,65%, что свидетельствует о повышении эффективности сетевой инфраструктуры.
В то же время, по данным Росстата, выработка электроэнергии на атомных электро-
станциях (АЭС) в 2023 году снизилась на 2,8% по сравнению с 2022 годом, составив 217 млрд кВт-ч. Это снижение может быть связано с плановыми ремонтами и модернизацией оборудования, что временно влияет на общую генерацию и, соответственно, на качество электроэнергии в отдельных регионах.
Качество электрической энергии (КЭ) определяется совокупностью параметров, характеризующих надежность и стабильность электроснабжения. В Российской Федерации оценка КЭ регламентируется рядом государственных стандартов (ГОСТ) и методических указаний, устанавливающих критерии, методы измерения и допустимые нормы показателей.
Основными показателями КЭ являются:
- Отклонение напряжения от номинального значения.
- Частота электрической сети.
- Гармонические искажения.
- Несимметрия напряжений.
- Провалы и перенапряжения.
- ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
- ГОСТ Р 54130-2010 «Качество электрической энергии. Термины и определения».
- РД 153-34.0-15.501-00 «Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
- ГОСТ 1ЕС 62586-1-2022 «Измерение показателей качества электроэнергии в системах электропитания. Часть 1. Измерительные приборы для оценки качества электроэнергии».
- ГОСТ 1ЕС 62586-2-2022 «Измерение показателей качества электроэнергии в системах электропитания. Часть 2. Функциональные испытания и требования, касающиеся неопределенности».
Оценка КЭ осуществляется с помощью различных методов и средств измерения, включая специализированные приборы и программное обеспечение. Измерения проводятся на разных уровнях электрической сети - от генерации и передачи до распределения и использования электроэнергии.
Для контроля и анализа показателей КЭ применяются следующие методы:
- Измерение амплитуды напряжения: определение максимального мгновенного значения напряжения позволяет оценить отклонения от номинальных значений.
- Контроль частоты питающего напряжения: осуществляется с помощью периодо-граммного, коррелограммного и счетного методов, которые позволяют описать частотный состав измеряемого сигнала.
- Анализ гармонических искажений: применение методов спектрального анализа, таких как преобразование Фурье, позволяет выявить наличие высших гармоник в сигнале.
- Оценка несимметрии напряжений: измерение коэффициентов несимметрии по обратной и нулевой последовательностям позволяет определить степень неравномерности фазных напряжений.
Современные анализаторы качества электроэнергии позволяют проводить комплексный мониторинг параметров КЭ в режиме реального времени, регистрируя все качественные изменения на различных участках системы.
Современные анализаторы КЭ играют важную роль в контроле и поддержании параметров на всех уровнях электроснабжения. Эти устройства способны непрерывно измерять и регистрировать параметры электроэнергии, включая амплитуду напряжения, частоту, степень гармонических искажений и асимметрию фазных напряжений. На основе встроенных алгоритмов анализаторы могут выявлять кратковременные изменения и предоставлять данные для устранения возникающих нарушений.
Современные анализаторы оснащаются функцией дистанционного мониторинга, что позволяет специалистам оперативно реагировать на отклонения и принимать решения по оптимизации работы сети. Анализаторы могут интегрироваться с программным обеспечением систем управления энергоснабжением ^САОА), обеспечивая централизованный контроль и автоматическое формирование отчётов по качеству электроэнергии. Важно отметить, что применение таких приборов позволяет не только регистрировать текущие показатели КЭ, но и прогнозировать их изменения на основе накопленных данных.
Сравнение фактических показателей качества электроэнергии (КЭ) с установленными стандартами позволяет оценить надёжность и стабильность энергоснабжения. Согласно ГОСТ 32144-2013, допустимые отклонения напряжения от номинального значения не должны превышать ±10% в течение 100% времени за неделю. Частота сети должна поддерживаться на уровне 50 Гц с допустимым отклонением ±0,2 Гц. Коэффициент гармонических искажений не должен превышать 8% для сетей напряжением до 35 кВ и 5% для сетей выше 35 кВ. Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности не должен превышать 2%.
Согласно отчёту АО «Системный оператор Единой энергетической системы» за 2023 год, среднегодовая частота в Единой энергетической системе России поддерживалась на уровне 50,00 Гц, что соответствует установленным стандартам. Однако в некоторых регионах были зафиксированы отклонения напряжения, превышающие допустимые ±10%, что указывает на необходимость модернизации сетевой инфраструктуры и применения компенсирующих устройств.
Современные анализаторы качества электроэнергии играют ключевую роль в мониторинге и обеспечении соответствия параметров КЭ установленным стандартам. Они позволяют в реальном времени отслеживать отклонения напряжения, частоты, гармонические искажения и несимметрию напряжений, обеспечивая своевременное выявление и устранение нарушений. Использование таких приборов способствует повышению надёжности и эффективности работы энергетических систем, снижению эксплуатационных расходов и предотвращению возможных сбоев в работе оборудования.
Таким образом, в Российской Федерации оценка качества электроэнергии осуществляется на основе установленных стандартов и методик, обеспечивающих надежность и стабильность электроснабжения. Соблюдение нормативных требований и применение современных методов анализа позволяют своевременно выявлять и устранять отклонения, обеспечивая эффективную работу энергетических систем. Поддержание показателей качества электроэнергии в пределах установленных стандартов является критически важным
для стабильного функционирования энерге- лять и устранять отклонения, обеспечивая тической системы. Применение современных надёжное и качественное электроснабжение анализаторов КЭ и регулярный мониторинг потребителей. параметров позволяют своевременно выяв-
Библиографический список
1. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - Введ. 2014-07-01. - М.: Стандартинформ, 2014. - 14 с.
2. ГОСТ Р 54130-2010. Качество электрической энергии. Термины и определения. - Введ. 2011-01-01. - М.: Стандартинформ, 2011. - 12 с.
3. РД 153-34.0-15.501-00. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - Введ. 2000-07-01. - М.: Минэнерго России, 2000. - 28 с.
4. ГОСТ 1ЕС 62586-1-2022. Измерение показателей качества электроэнергии в системах электропитания. Часть 1. Измерительные приборы для оценки качества электроэнергии. - Введ. 2022-09-01. - М.: Стандартинформ, 2022. - 24 с.
5. ГОСТ 1ЕС 62586-2-2022. Измерение показателей качества электроэнергии в системах электропитания. Часть 2. Функциональные испытания и требования, касающиеся неопределенности. - Введ. 2022-09-01. - М.: Стандартинформ, 2022. - 28 с.
6. АО «Системный оператор Единой энергетической системы». Отчет о функционировании ЕЭС России в 2023 году. - М.: СО ЕЭС, 2024. - 45 с. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.so-ups.ru/.
7. Федеральная служба государственной статистики. Россия и страны мира. 2023: статистический сборник. - М.: Росстат, 2023. - 150 с. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://rosstat.gov.ru/.
8. ТАСС. Энергопотребление в России в 2023 году составило 1,14 трлн кВт-ч. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://tass.ru/.
9. РИА Рейтинг. Выработка электроэнергии в России растет за счет тепловой генерации. -[Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://riarating.ru/.
10. Нефтегаз. Российская энергосистема достигла рекордной выработки электроэнергии в 2023 году. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://neftegaz.ru/.
11. ИнфоТЭК. Россия в 2023 году установила исторический рекорд потребления электроэнергии. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://itek.ru/.
12. РИА Новости. В России в 2023 году выросло потребление электроэнергии. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ria.ru/.
13. Федеральная служба государственной статистики. Официальный сайт. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://rosstat.gov.ru/.
- TexHuuecKue HayKU -
ELECTRICITY QUALITY IN POWER SYSTEMS
V.D. Cherepanova, Student
N.O. Baranov, Student
Supervisor: S.A. Chebakov, Senior Lecturer
Ural State University of Railway Transport
(Russia, Yekaterinburg)
Abstract. The article considers the main aspects of electric power quality in energy systems, including factors affecting its parameters, assessment methods and technical solutions for its improvement. The key problems associated with violations of electric power quality, their consequences for consumers and energy infrastructure are highlighted. The analysis of modern standards and regulations governing the parameters of electric power quality is carried out. Particular attention is paid to the use of compensation and filtering technologies to improve the reliability and efficiency of energy systems. Conclusions are made and recommendations are proposed aimed at ensuring the stability and quality of electric power in the context of modern challenges.
Keywords: electric power quality, energy systems, standards and regulations, compensation, filtering, reliability, energy infrastructure.
