Методы и средства контроля нелинейных искажений в электрических сетях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

5. Возобновляемая энергия в России. Изд. Международное энергетическое агентство, 2004.

Котеленко Светлана Владимировна, канд. техн. наук, ассистент, S. [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Рябов Артем Сергеевич, студент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE ADVANTAGES AND DISADVANTAGES OF ALTERNATIVE ENERGY

S.V. Kotelenko, A.S. Ryabov

The types of unconventional energy, their advantages and disadvantages are considered. The analysis of the rational use of power plants of non-traditional energy taking into account climatic conditions and terrain conditions.

Key words: unconventional energy, renewable energy sources.

Kotelenko Svetlana Vladimirovna, candidate of technical sciences, assistant, S.V. Kuzmina@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ryabov Artem Sergeyevich, student, ryabov 99/amail.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.311

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

С.В. Ершов, Д.В. Шалимов

Анализ влияния качества электрической энергии на электрооборудование, особенно на средства управления системами электроснабжения, используемые на трансформаторных подстанциях, показал, насколько велик ущерб от низкого качества электроэнергии. Поскольку в нашей стране наблюдается отставание в развитии микропроцессорной техники и её применении в автоматизированных системах управления трансформаторными подстанциями по сравнению с развитыми странами, то можно прогнозировать увеличение в ближайшие годы ущерба при работе трансформаторных подстанций от низкого качества электроэнергии, если не принять необходимых мер для его улучшения.

Ключевые слова: Качество электрической энергии, несимметрия напряжения, показатели качества электроэнергии.

При создании систем контроля качества энергии наиболее важными составляющими подобных систем являются методы и средства контроля коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициента п - й гармонической составляющей напряжения. Методам и средствам контроля нелинейных искажений посвящены работы [2, 3]. Как следует из указанных источников наиболее перспектив-нойявляется внедрение цифровых приборов для контроля параметров качества электрической энергии. Выбор методов измерений также очень важен для повышения эффективности конечного результата.

Наиболее эффективным методом для оценки показателей качества электрической энергии является цифровой метод измерения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, основанный на корреляционной обработке сигнала [3]. Как доказывается в работе [1], коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения может быть определен выражением

К нси = 100 •

Ъи 2

m=2

л/ü

2 -U2

и и

•100'

(1)

где и, и - действующие величины контролируемого напряжения и его первой гармоники.

2 2

В этом выражении разность (и — ^ ) может быть представлена в таком виде:

U2

1 t

- U12 = f i ^) - U1m sm(w + y )]2 dt,

(2)

где u(t) -величина контролируемого напряжения; Т - период контролируемого напряжения; U1m, У1 - амплитуда и начальная фаза первой гармоники напряжения. Если подставить равенство (2) в выражение (1), получим

К = К нси

U (t) . ( \

U1m

dt

В дискретном варианте выражение (3) может быть представлено в виде

К = К нси

m-1

i=0

U (ti)

U-

- sln(wti + y1)

1m

(3)

(4)

Формула (4) показывает, что процесс оценки коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения может быть подразделен на два участка: участок измерения амплитуды U1m и начальной фазы y и участокнахождения коэффициента несинусоидальности Кнси. Из сравнения формулы (4) с алгоритмом контроля симметричных составляющих следует, что работа измерителя коэффициента искажения на данном этапе совпадает с принципом действия типового измерителя симметричных составляющих.

На втором участке измерения осуществляется выполнение арифметических операций. Здесь выполняются такие операции, как деление, вычитание, возведение в квадрат, суммирование и извлечения квадратного корня. Для того чтобы их реализовать на основе устройства контроля амплитуд и фаз симметричных составляющих (рис. 1) состав последнего дополнен блоком деления Д, блоком вычитания БВ и квадратором КВ.

иА и,

Uc

ВУ

КФ

АЦП

I

Ж

ЗКГ 4- ГО"

2

0

2

Рис. 1. Структурная схема измерителя коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения

Работа измерителя на втором участкесостоит в следующем. Мгновенные значения рассматриваемого сигнала и(^) и величина амплитуды его первой гармоники одновременно сообщаются блоку деления Д, из которого частное от деления и(Ь) на Цш1 подается в виде сигнала в блок вычитания БВ. Сюда же отзадатчика кодов ЗКГ сообщаются коды значений нормированной первой гармоники 8т(а>^+ у1), которые соответствуют моментам времени и. Разность _ 8щ (^ ) перенаправляется в

и1ш

квадратор КБ, который осуществляет выполнение таких операций как возведение в квадрат, накопление суммы квадратов разностей и извлечение корня квадратного. В итоге будет формируется код, К"нси, который устанавливается устройством регистрации РУ.

Преимуществом рассматриваемого измерителя заключается в том, что все операции в нем выполняются путем обработки малых чисел. Данное решениеспособствует повышению точности за счет уменьшения погрешности округления. Уменьшение погрешности особенно важно дляанализа сигналов с малыми коэффициентами искажения синусоидальности кривой напряжения, уменьшения аппаратурных затрат и повышения надежности функционирования измерителя. Кроме этого обработка информации в данном измерителепо большому счету совпадает с методами измерения симметричных составляющих, активной и реактивной мощности. В этом заключается преимуществоопи-санного метода с позиций унификации.

Измерение коэффициента п-й гармонической составляющей напряжения можно осуществить также по коэффициентам Фурье.

Основа работы измерителя коэффициента п-й гармонической составляющей напряжения описана висточнике [4]. Действующие значения первой и п - й гармоник находится с помощью дискретного преобразования Фурье. Рассмотрим метод, основанный на таком подходе подробнее. Величина коэффициентап-й гармонической составляющей напряжения Ки(п) может быть определено по выражению [1]:

Ки (п) = • (5))

где Цп - действующее значение п-й гармонической составляющей напряжения.

Действующее значение первой и исследуемой п-й гармоники определяется по значениям коэффициентов Фурье и и Цу.

Квадрат действующего значения первой и анализируемой п-й гармоники может быть определен через коэффициенты Фурье по выражениям

Ц2 = и х21 + и уь

и п = и 4 + и у2п.

Подставив выражение (6) в (5), получим

К и(п)=

и2 + и2

хп ' - у1. (7)

и 21 + и у21

Рассмотрим принцип работы измерителя коэффициента п-й гармонической составляющей напряжения, использующего коэффициенты Фурье. Структурная схема измерителя представлена на рис. 2.

Состав схемывключает в себя входной блок ВБ, аналого-цифровой преобразователь АЦП, квадратор КВ1, блок вычисления коэффициентов Фурье БВФ, реверсивные счетчики РС1, РС2, процессор ПР, задатчик точек квантования ЗТК, регистрирующее устройство РУ.

Рис. 2. Структурная схема измерителя коэффициента n-й гармонической

составляющей напряжения

Работа схемы устройства проходит по двум этапам. На первом этапе анализируемое напряжение подается на входной ВБ, которое маштабирует входной сигнал. Аналого-цифровой преобразователь АЦП преобразует входной сигнал в цифровую форму в точках измерения ti. Время измерения ti задает ЗТК. Цифровые сигналы мгновенных значений напряжения U(ti) с выхода АЦП поступают на блок вычисления БВФ коэффициентов Фурье.

При вычислении блоком БВФ коэффициентов Фурье сигналы мгновенных значений U(ti) умножаются на величины нормированных гармоник sinwti и coswti. Эти произведения в виде соответствующих сигналов поступают на реверсивные счетчики РС1 и РС2. В конце периода подаваемого сигнала в счетчиках РС1 и РС2 будут зафик-сированызначения коэффициентов Фурье первой гармоники Uxi и Uyi согласно выражениям (6).

Рис. 3. Схема измерительного устройства коэффициента искажения синусоидальности кривой и п-й гармонической составляющей

А 0-

С

Рис. 4. Схема для измерения коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения и n-й гармонической составляющей тока

Из счетчиков РС1 и РС2 сигналы, являющиеся пропорциональными коэффициентам Фурье, подаются на квадратор КВ2. Квадратор КВ2 производит возведение в квадрат и суммирование найденных значений коэффициентов Фурье по выражению (6).

Сигналы, которые пропорциональны квадратам первой гармоники с выходов квадратора КВ2, поступают на процессор ПР.

91

Второй этап работы измерителя в основном схож с первым.Отличие заключается только в том, что в блоке БВФ коды мгновенных значений U(t;) перемножаются на нормированные гармоники sinwt-и coswt;.

Процессор ПР, в соответствии с полученными значениями вычисляет коэффициент n - й гармонической составляющей напряжения.

Преимуществом представленного выше устройства является однотипность подхода к методам измерения несинусоидальности и несимметрии напряжений.

Описанные принципы работы приборов для контроля коэффициентов искажения синусоидальности кривой и n-й гармонической составляющей напряжения и тока осуществляются по схемам, приведенным на рис. 3 и 4 [2]. Класс точности измерительных трансформаторов тока и напряжения должен находится в пределах не ниже, чем рекомендуют авторы работы [2].

Список литературы

1. Беляков В.В., Бушуева М.Е., Сагунов В.И. Многокритериальная оптимизация в задачах оценки подвижности, конкурентоспособности автотракторной техники и диагностики сложных технических систем. Н. Новгород: Нижегород. гос. техн. ун-т, 2001. 271 с.

2. Бесекерский В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микро ЭВМ. М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1987. 320 с.

3. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М.: Издательский дом ДОДЭКА-XXI, 2001. 384 с.

4. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии. М.: Энергоатомиздат, 2005. 224 с

Ершов Сергей Викторович, канд. техн. наук, доцент, erschov. serrg@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Шалимов Денис Владимирович, магистр, Kafelene@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

METHODS AND MEANS OF CONTROL OF NONLINEAR DISTORTIONS

IN ELECTRICAL NETWORKS

S.V. Ershov, D.V. Shalimov

The analysis of the influence of the quality of electric energy on electrical equipment, especially on the means of control of power supply systems used in transformer substations, showed how great the damage from the low quality of electricity. Since in our country there is a lag in the development of microprocessor technology and its application in automated control systems of transformer substations compared to developed countries, it is possible to predict an increase in the coming years of damage to the transformer substations from the low quality of electricity, if you do not take the necessary measures to improve it.

Key words: quality of electric energy, voltage asymmetry, power quality indicators.

Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical science, docent, erschov. serrg@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Shalimov Denis Vladimirovich, magister, [email protected], Russia, Tula, Tula State University