Мониторинг показателей качества электроэнергии
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 23 Марта 2013 в 16:50, статья
Описание работы
В статье рассматривается эффективность применения приборов измерения показателей качества электроэнергии. Предлагается использование большого количества недорогих приборов для мониторинга отдельной энергосистемы. Описываются функциональные блоки прибора, методы измерения показателей качества электроэнергии, алгоритм работы прибора.
Файлы: 1 файл
РАЗДЕЛ II. ИЗМЕРЕНИЯ В ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУКАХ И ТЕХНИКЕ
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2 2010
98
ского под редакцией П.А. Чочиа. – М.: «Техно-
сфера», 2005 г. – 1072с.
12. Брилюк, Дмитрий. Распознавание человека по
изображению лица и нейросетевые методы./ ,
Д. Брилюк, В. Старовойтов - М.: Минск, 2001.
д.т.н., профессор Якунин А.Г., аспиранты
Ненашев А.Л., Жихарев И.М. - (3852) 69-76-21,36-
78-98 yakunin@agtu.secna.ru, Алтайский гостеху-
ниверситет.
УДК: 621.317.7
МОНИТОРИНГ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Г.А. Чугунов, М.Н. Агапов, А.И. Тищенко
В статье рассматривается эффективность применения приборов измерения показателей качества
электроэнергии. Предлагается использование большого количества недорогих приборов для мониторин-
га отдельной энергосистемы. Описываются функциональные блоки прибора, методы измерения показа-
телей качества электроэнергии, алгоритм работы прибора.
Ключевые слова: электрическая сеть, измерительное устройство, методы измерения, показатели
качества электроэнергии, частота электрического тока, система электроснабжения.
В последние годы проблемы качества
электроэнергии и надежности электроснаб-
жения приобретают особую актуальность, так
как они являются одними из важнейших усло-
вий экономичной и длительной эксплуатации
любых современных приборов, которые ис-
пользуются в различных отраслях. Исследо-
вания проблем качества электроэнергии,
проводимые в первую очередь американски-
ми научными институтами, показало, что
суммы ежегодных убытков от низкого качест-
ва электроэнергии у большинства развитых
стран составляют огромные суммы.[3]
Если в индустриальной экономике впол-
не допустимым считалось прерывание элек-
троснабжения не более 2–3 раз в год, то в
новой экономике это неприемлемо, возмуще-
ния со стороны источников питания, прояв-
ляющиеся в кратковременных провалах на-
пряжения (продолжительностью до 0,1 – 0,2
с) без последующего перерыва электроснаб-
жения уже приводят к срывам технологиче-
ских процессов.
Реализация современных технологиче-
ских процессов уже невозможна без управле-
ния ими средствами цифровой техники, кото-
рая ориентирована исключительно на работу
в нормальных эксплуатационных режимах.
Поэтому любое возмущение со стороны элек-
трической сети приводит к немедленному
аварийному прерыванию технологических
процессов, так как возникающие переходные
электромагнитные и электромеханические
переходные процессы, пусть и кратковремен-
ные, разрушают заданную технологию и рас-
страивают работу систем автоматического
управления.
Таким образом, становятся очевидным
актуальность решения задачи контроля пока-
зателей качества электроэнергии (ПКЭ), с
последующим поиском решения по улучше-
нию данных показателей.
При этом сложность решения поставлен-
ной задачи обусловлена тем, что электро-
энергия, как товар, помимо требований к ка-
честву, обладает рядом особенностей. На-
пример, производство и потребление элек-
троэнергии являются неразделимыми во
времени процессами, т.е. электроэнергию
нельзя запасать в достаточных в масштабе
энергосистемы количествах. А так же должно
быть равенство объема выработанной и по-
треблённой электроэнергии в каждый момент
времени, что в свою очередь не позволяет
точно оговорить объемы генерации и потреб-
ления электроэнергии. В связи с этим, при-
нимая во внимание интегральный характер
ПКЭ и факт, что качество электроэнергии на
месте производства не гарантирует ее каче-
ства в точке присоединения потребителя, не-
обходимо чтобы измерения показателей ка-
чества проводились синхронно во всех кон-
трольных точках энергосистемы.
На сегодняшний день существует боль-
шое количество приборов, выполняющих из-
мерение и анализ показателей качества
электроэнергии. Но все они направлены на то
что замеры выполняются в конкретный про-
межуток времени. Данные приборы имеют,
как правило, мощный процессор, большой
объем оперативной памяти, собственный
многоцветный дисплей, и несколько различ-
ных интерфейсов для связи с внешними бо-
лее интеллектуальными устройствами, на-
пример с персональным компьютером. Так
как такие приборы являются самостоятель-
МОНИТОРИНГ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Г.А. ЧУГУНОВ, М.Н. АГАПОВ, А.И. ТИЩЕНКО
99
ными, то связь с компьютером, в первую оче-
редь используется для закачивания на при-
бор новой версии программного обеспечения,
и только потом для считывания информации
в виде сформированных отчетов. Все выше-
перечисленное
является
определяющим
фактором ценообразования таких приборов.
Питание таких приборов, измерения и реги-
страции показателей качества электроэнер-
гии, осуществляется непосредственно от из-
меряемой среды, что на наш взгляд является
не совсем правильным, в виду того что при
пропадании питания они перестают работать,
или при возникновении достаточно мощных
выбросов и скачков могут выйти из строя.
Можно, конечно, для обеспечения беспере-
бойной работы такого прибора, использовать
внешний блок бесперебойного питания, что в
свою очередь отразится на цене. В любом
случае, стоимость таких приборов достаточно
высока, порядка 100 тысяч рублей, что не
позволяет установить их во всех необходи-
мых точках энергосистемы, так как этих точек
может быть достаточно большое количество,
а так же большая их часть может распола-
гаться в легкодоступном для посторонних
месте.
Практические измерения ПКЭ посредст-
вом существующих приборов (устройств), на
выходных порталах большинства электро-
станций не выявляют значительных претен-
зий к качеству электроэнергии. В тоже время
измерения ПКЭ в контрольных точках сетей
различных региональных энергосистем Рос-
сии показали, что практически ни в одной из
них поставляемая потребителям энергия не
соответствовала требованиям ГОСТ 13109-
97.[2] Анализ этой проблемы показал, что
часто причиной ухудшения качества электро-
энергии является плохое техническое со-
стояние линий электропередачи и трансфор-
маторных подстанций.
Таким образом, для постоянного монито-
ринга качества электроэнергии необходима
сеть из недорогих приборов, которые можно
было бы легко установить в любой точке
энергосистемы.
Предлагается за основу взять прибор на
модульной основе, который в автономном
режиме выполняет измерения и регистрирует
основные показатели качества электроэнер-
гии, сохраняя их в своей памяти. В дальней-
шем информацию со всех приборов можно
накапливать в единой базе данных с после-
дующим анализом возможных отклонений
ПКЭ. На момент написания данной статьи
прибор состоит из двух основных частей:
аналоговой части и цифровой. Прибор пита-
ется от одной или двух аккумуляторных бата-
рей постоянного тока 12В. Такое решение
обеспечивает бесперебойную работу прибо-
ра в течении длительного времени. Напряже-
ние в ±12В необходимо для питания опера-
ционных усилителей, остальная часть схемы
использует напряжение в 5В.
Аналоговая часть обеспечивает подклю-
чение одновременно до трех фаз переменно-
го тока частотой 50Гц. На текущий момент
подключение осуществляется в разрыв фаз-
ного провода, образуя для подключения два
контакта для одной фазы, третий контакт ис-
пользуется для подключения к общему про-
воду и является, соответственно, общим для
всех фаз. Между контактами, включающими-
ся в разрыв фазного провода, находится ре-
зистор, предназначенный для измерения
фазного тока. Данный резистор обеспечивает
падение напряжения до уровня, пригодного
для аналого-цифрового преобразования. Па-
дение напряжения на измерительном рези-
сторе привязано к фазному напряжению 220
Вольт, и является сравнительно небольшим
на фоне амплитудных значений сетевого на-
пряжения. При малых значениях переменного
тока (менее 1А) информационный параметр -
падение напряжения на резисторе, составля-
ет менее 0,1% относительно синфазного на-
пряжения на концах резистора. Для решения
подобных задач обычно применяют измери-
тельный усилитель, собранный на трех опе-
рационных усилителях. Для выделения пико-
вых значений напряжения применяется от-
дельная схема, такое решение обусловлено
тем, что предельная частота работы аналого-
цифрового преобразователя (АЦП) микрокон-
троллеров AVR составляет приблизительно
10кГц. По трем фазам с помощью АЦП нужно
опросить значения тока, напряжения и инте-
грала входного напряжения, т.е. как минимум
9 информационных параметров. В результате
для каждого информационного параметра
частота опроса будет около 1кГц, а период
опроса - порядка 1мс. При частоте сетевого
напряжения 50Гц на один период синусоиды
приходится около 20 измерений. С одной
стороны, этого достаточно для фиксации
средних параметров синусоиды, с другой
стороны, этого быстродействия не достаточ-
но для фиксации коротких выбросов напря-
жения по фазе. Для контроля выбросов ис-
пользуется два независимых механизма: кон-
троль выбросов положительной полярности и
отрицательной полярности. Простейшим ре-
шением данной задачи является схема пико-
вого детектора с одним диодом и накопи-
тельным конденсатором. Интеграл от входно-
РАЗДЕЛ II. ИЗМЕРЕНИЯ В ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУКАХ И ТЕХНИКЕ
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2 2010
100
го фазного напряжения формируется с по-
мощью схемы на операционном усилителе.
Представленное выше описание отно-
сится к подключению одной фазы, аналогич-
ным образом к коммутаторам присоединяют-
ся остальные фазы.
Функциональная схема аналоговой части
на примере одной фазы представлена на ри-
сунке 1. В результате в схеме получается 15
параметров: 3 фазы с 5 измерительными сиг-
налами для каждой. Микроконтроллеры
ATmega в 40-пиновом корпусе имеют только
8 входов АЦП, поэтому для решения этой за-
дачи используется схема коммутации анало-
говых сигналов, которая подключается к вы-
ходам микроконтроллера.
Рисунок 1 - Функциональная схема аналоговой
части прибора, на примере одной фазы
Цифровая часть в свою очередь подраз-
деляется на модуль преобразования анало-
говых сигналов в цифровой формат (АЦП),
модуль хранения обработанных данных для
накопления определенного количества дан-
ных, модуль связи прибора с компьютером
для получения с прибора данных и модуль
для обновления микропрограммы на приборе.
Для начала работы АЦП его необходимо
инициализировать программным путем, вы-
ставить на соответствующих ножках микро-
контроллера нужную последовательность,
которая определяет информационный пара-
метр. На текущий момент для сбора инфор-
мации с прибора используется связь по ин-
терфейсу RS232. Для экспериментального
прибора описанные выше возможности яв-
ляются достаточными. Функциональная схе-
ма всего прибора представлена на рисунке 2.
В последствии, если рассматривать
масштабное применение данного прибора,
его можно модернизировать. Принимая во
внимание то, что использование интерфейса
RS232 накладывает некоторые ограничения
на места установки прибора, можно преду-
смотреть модуль с GSM модемом и GPRS
канал, для дистанционного сбора информа-
ции с прибора. После того, как будут получе-
ны первые данные с приборов, их можно
анализировать. Под анализом стоит пони-
мать построение наглядных графиков, а так
же формирование отчетов.
Методы измерения показателей качества
электрической энергии в электрических сетях
систем
электроснабжения
переменного
трехфазного и однофазного тока частотой
50/60 Гц устанавливаются государственным
стандартом Р 51317.4.30-2008 "Электриче-
ская энергия. Совместимость технических
средств электромагнитная. Методы измере-
ний
показателей качества электрической
энергии".[3]
Рисунок 2 - Полная функциональная схема
Данный стандарт был введен в январе
2010 года. Стандарт устанавливает методы
измерений и требования к характеристикам
средств измерений показателей КЭ, но не
устанавливает пороговые значения показате-
лей качества электрической энергии (нормы
КЭ), которые установлены государственным
стандартом 13109–97 "Электрическая энер-
гия. Совместимость технических средств
электромагнитная. Нормы качества электри-
ческой энергии в системах электроснабжения
общего назначения." В ГОСТ Р 51317.4.30-
2008 для каждого измеряемого показателя
качества электроэнергии установлены три
класса характеристик процесса измерения -
A, S и В. Для каждого класса определены ме-
тоды измерений и соответствующие требова-
ния к характеристикам системы измерений.
Класс А применяют, если необходимо прове-
дение точных измерений, например, при про-
верке соответствия стандартам, устанавли-
МОНИТОРИНГ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Г.А. ЧУГУНОВ, М.Н. АГАПОВ, А.И. ТИЩЕНКО
101
вающим нормы КЭ (ГОСТ 13109–97), при вы-
полнении условий договоров, предусматри-
вающих возможность разрешения спорных
вопросов путем измерений. Любые измере-
ния показателя КЭ, проведенные двумя раз-
личными системами измерения, соответст-
вующими требованиям класса А, должны при
измерении одних и тех же сигналов обеспе-
чивать получение воспроизводимых резуль-
татов с установленной для данного показате-
ля неопределенностью. Класс S применяют
при проведении обследований и оценке КЭ с
использованием статистических методов, в
том числе, при ограниченной номенклатуре
показателей. Хотя интервалы времени изме-
рений показателей КЭ для классов S и А оди-
наковы, требования к характеристикам про-
цесса измерения класса S снижены. Класс B
установлен для того, чтобы избежать призна-
ния систем измерений многих существующих
типов устаревшими, не рекомендован для
вновь разрабатываемых систем измерений.
Измерения в системах электроснабжения од-
нофазного и трехфазного переменного тока
могут, в зависимости от задач, проводиться
между фазными проводами и нейтральным
проводом («фаза - нейтраль»), между фаз-
ными проводами («фаза - фаза») или между
нейтральным проводом и проводом защитно-
го заземления.
В качестве основного интервала времени
при измерениях показателей КЭ, характери-
зующихся среднеквадратическим значением,
должен быть принят интервал длительностью
10 периодов для систем электроснабжения
частотой 50 Гц или 12 периодов для систем
электроснабжения частотой 60 Гц. Измерения
на основных интервалах времени 10 / 12 пе-
риодов должны синхронизироваться с теку-
щим временем при каждой 10-минутной от-
метке текущего времени внутренних часов
системы измерения. Результаты измерений
на основных интервалах времени затем объ-
единяют для получения значений показате-
лей КЭ для трех различных увеличенных ин-
тервалов времени: 3 с (150 периодов для
систем электроснабжения частотой 50 Гц или
180 периодов для систем частотой 60 Гц); 10
мин и 2 ч. За значение величины на объеди-
ненном интервале времени принимают зна-
чение, равное корню квадратному из средне-
арифметического значения квадратов вход-
ных величин. Значение величины на объеди-
ненном интервале времени 3 секунды
(150/180 периодов) получают объединением
пятнадцати результатов измерений на основ-
ных интервалах времени (10/12 периодов).
Пропуски между интервалами времени 10/12
периодов не допускаются.[1]
Алгоритм измерений непосредственно
связан с понятием переменного электриче-
ского тока, который представляет собой вы-
нужденные электрические колебания сину-
соидального вида. Частота колебаний элек-
трического тока в сетях общего пользования
равна 50 Гц, что в свою очередь, соответст-
вует 50 колебаниям в 1 секунду. Одно коле-
бание происходит за 20 миллисекунд. Для
получения объективных результатов измере-
ний, необходимо делать замеры несколько
раз в секунду. Если количество измерений в
одну секунду будет равно 25, то каждое из-
мерение будет происходить каждые 40 мс, а
это два колебания частоты. Но если произво-
дить измерения каждые 40 мс, то мы будем
попадать в одну и ту же точку синусоиды.
Чтобы этого избежать, нам необходимо не-
большое смещение для того что бы получать
значения в разных точках периода синусои-
ды. Для примера в 25 измерений и увеличе-
ния точек на одном периоде синусоиды, из
двух периодов, которые входят в 40 мс ин-
тервал времени, будем использовать первый.
Таким образом, условно, 20 мс разделив на
24 (25 измерений минус единица - количество
интервалов), получаем смещение. Исходя из
этого, получим интервал времени, через ко-
торый нам необходимо будет сделать оче-
редное измерение, он равен 40,83 мс. Сле-
довательно, через каждые 25 измерений мы
будем получать период синусоиды, который
будет соответствовать 50 периодам колеба-
ний электрического тока.
В результате использования данного
прибора получаем информацию об отклоне-
ниях основных показателей качества элек-
троэнергии в сети общего пользования. При
небольшой доработке и минимальном изме-
нении кода программы в микроконтроллере
можно учитывать расход электроэнергии.
Анализируя полученные значения ПКЭ в не-
скольких точках энергосистемы, можно будет
делать выводы в целом о всей системе энер-
госнабжения. Это в свою очередь поможет
предпринять правильные шаги по повыше-
нию качества электроэнергии, определений
точек возникновения и распространения по-
мех.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Железко, Ю.С. Потери электроэнергии. Реак-
тивная мощность. Качество электроэнергии:
Руководство для практических расчетов / Ю.
С. Железко - М.: ЭНАС, 2009. – 456c.: ил.
РАЗДЕЛ II. ИЗМЕРЕНИЯ В ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУКАХ И ТЕХНИКЕ
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2 2010
102
2. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Со-
вместимость технических средств электромаг-
нитная. Нормы качества электрической энер-
гии в системах электроснабжения общего на-
значения.
3. IEC
61000-4-30:
2008.
Electromagnetic
compatibility (EMC) - Part 4-30: Testing and
measurement
techniques -
Power
quality
measurement methods (MOD).
д.т.н., профессор Тищенко А.И.; к.ф.-м.н.,
доцент Агапов М.Н.; аспирант Чугунов Г.А. -
тел. (3852) 36-78-66,
E-mail:
h_george@mail.altstu.ru - Алтайский государст-
венный технический университет им. И.И. Пол-
зунова.
УДК 681.326.7
КОНСТРУКЦИЯ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ
ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА СЕРНОЙ КИСЛОТЫ
Ю.Ф. Давыдов, Г.М. Горбова
Рассматривается устройство оптической системы контроля концентрации серной кислоты. Иссле-
дованы зависимости распределения концентрации с установкой сепаратора и без него, а также выбраны
оптимальные конструктивные параметры системы.
Ключевые слова: концентрация, оптический преобразователь, сернокислотное производство.
Методики, связанные с периодическим
отбором проб газов из газоходов, исключают
возможность выполнения оперативного кон-
троля технологического процесса и препятст-
вуют снижению уровня экологического воз-
действия на окружающую среду. Это ослож-
няется и тем, что технология получения сер-
ной кислоты включает в себя сложные режи-
мы течения, формирующиеся при подаче или
отводе жидкости или газа, при передаче
энергии или информации через жидкую или
газовую среду в технологической схеме. По-
добные течения возникают в системах и уст-
ройствах очистки и отвода газовых и газо-
жидкостных сред на предприятиях цветной
металлургии, связанных с образованием зна-
чительных объемов запыленных технологи-
ческих и вентиляционных газов. Для преодо-
ления перечисленных негативных факторов
возникает необходимость разработки опти-
мальных, с гидравлической точки зрения,
компоновок трубопроводных систем с мини-
мальным гидравлическим сопротивлением,
создающих монодисперсные, прогнозируе-
мые
непрерывно
и
достоверно
кон-
тролируемые двухфазные потоки. Весьма
актуальна задача создания единой автомати-
зированной системы, позволяющей непре-
рывно оценивать режимные состояния аппа-
ратов, входящих в комплекс сернокислотного
производства.
Целью настоящей работы является
разработка конструкции сепаратор - оптиче-
ский пылемер, используемой для контроля
различных режимов движений двухфазных
газо-жидкостных потоков в процессе произ-
водства серной кислоты, а также получение
экспериментальных зависимостей распреде-
ления концентрации серной кислоты по диа-
метру сепаратора.
Создание непрерывной измерительной
системы "оптический пылемер – сепаратор –
аккумулятор" двухфазных потоков преду-
сматривает измерение и контроль концен-
траций изучаемых параметров потоков при
изменении их характеристик в широких пре-
делах. Оптический пылемер устанавливает-
ся на рабочем участке сепаратора на рас-
стоянии большем Хнач (начальный участок)
закручивающего устройства, то есть вне пре-
дела зоны обратных течений (рисунок 1).
Рисунок 1 - Установочные сечения для оптиче-
ского пылемера на рабочем участке сепаратора
Измерительный комплекс монтируется
жестким присоединением оптического пыле-
мера, в качестве первичного измерительного
преобразователя, в контрольном створе ра-
бочего участка сепаратора с выходом на вто-
ричные приборы преобразования оптического
сигнала. Конструктивная схема соединения
пылемера и сепаратора показана на рисунке
2. Глубина сигнала комплекса регулируется
1
3
3
2
2
1
Информация о работе Мониторинг показателей качества электроэнергии