Приборы для контроля и анализа качества электроэнергии

Мир измерений 2002 №5-6 (стр.4 – 10).

Приборы для контроля и анализа качества электроэнергии

, кандидат технических наук, , инженер, , инженер. Московский энергетический институт.

В последние время качество электроэнергии (КЭ) стало предметом практического внимания со стороны как потребителей электрической энергии, так и энергоснабжающих организаций. Электрическая энергия (ЭЭ) обладает свойствами, по которым можно судить о ее качестве. Основным нормативным и методическим документом, определяющим требования к качеству электроэнергии, является ГОСТ «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». В тех случаях, когда наблюдается нарушение нормальных условий функционирования отдельных электроустановок, аппаратуры, промышленных и бытовых приборов, сбои в работе и тем более отказы электрооборудования, возникает необходимость контроля и анализа КЭ с позиции электромагнитной совместимости технических средств. Контроль КЭ – это определение уровней кондуктивных помех в системе электронабжения и оценка электроснабжения на соответствие требованиям ГОСТ. Можно считать, что на сегодня эти проблемы придется решать в рамках как систем электроснабжения потребителей, так и электрических систем в целом.

Развитие этого направления тормозилось отсутствием средств измерений (СИ), отвечающих требованиям российских стандартов и прежде всего ГОСТ. Организационная поддержка со стороны Госстандарта России, Минэнерго России и РАО «ЕЭС России», выразившаяся в создании органов по сертификации, испытательных лабораторий, формирование пакета нормативных документов в области КЭ, позволяет говорить о становлении постоянно действующей системы контроля КЭ.

Одно из условий контроля КЭ – его метрологическое обеспечение, обусловленное наличием утвержденных СИ отечественной разработки и производства. В настоящее время как положительный результат решения этой задачи можно назвать целый ряд типов СИ, выпускаемых в различных регионах России. Это серия ЭРИС-КЭ (, МЭИ), Ресурс –UF и Ресурс –UF2 (НПП «Энерготехника»), ППКЭ-1-50 (МГОУ, «Солис-С»), ИВК «ОМСК, Уран-100М (УГТУ), Парма РК 6.05 (), АПКЭ-1 (НПФ «Прософт-Е»). В таблицах 1 и 2 приведены измерительные и функциональные возможности этих приборов.

Задачи инструментального контроля и анализа КЭ.

Задачи инструментального контроля и анализа КЭ можно разделить на 2 группы. К первой группе следует отнести собственно контроль КЭ, целью которой является определение соответствия значений измеренных показателей качества электроэнергии (ПКЭ) требованиям ГОСТ, договора и технических условий на присоединение. Такие измерения проводят, как правило, на границах балансовой принадлежности между энергоснабжающей организацией электропотребителем или в других заранее выбранных точках контроля.

Ко второй группе следует отнести измерения, направленные на широкое исследование электромагнитных процессов, связанных с режимами работы различных электроустановок и их влиянием на КЭ. Такие измерения, необходимые для анализа КЭ, носят не только исследовательский характер, но и имеют и практическое значение. Например, при разработке мероприятий, направленных на улучшение КЭ, при оценке влияния КЭ на работу различных электроустановок и, наоборот, при оценке влияния электроустановок на КЭ.

Для решения этих задач разрабатываются специальные средства измерения, обладающие теми или иными конструктивными или функциональными возможностями. Некоторые СИ измеряют кроме ПКЭ, и высшие гармоники тока, токи обратной и нулевой последовательности, а также соответствующие им активные и реактивные мощности – параметры ЭЭ, не предусмотренные ГОСт и не нормируемые. Не установлены и допустимые погрешности измерения этих параметров.

Контроль КЭ.

В литературе рассматриваются с целью классификации СИ три вида контроля КЭ: Диагностический, оперативный или технологический и коммерческий контроль КЭ.

Диагностический контроль.

Задачам диагностического контроля полно­стью отвечают анализаторы КЭ, так как они позволяют и провести оценку КЭ на соответствие требованиям ГОСТ , и определить доле­вой вклад и расположение в сети источника искажения, и на длительном отрезке времени ре­гистрировать такие ПКЭ, как провалы, импульсы и временные перенапряжения. Погрешности таких СИ должны быть не более тех значений, которые установлены в ГОСТ .

Технологический контроль.

Задачи технологического контроля не связаны напрямую с требованиями этого ГОСТа в части, относящейся к длительности контроля, и, следовательно, соблюдения процедуры оценки ПКЭ. Здесь более существенно установить связь между технологическим процессом потребителя электроэнергии и его влиянием на КЭ. Разумеется, алгоритмы измерения ПКЭ здесь должны быть строго соблюдены. Результаты контроля удобно просматривать не в числовом, а в графическом виде. Например, сопоставляя график нагрузки потребителя с графиком изменения контролируемого ПКЭ. Поэтому СИ, применяемые в таких задачах, должны измерять токи, напряжения и мощности, характеризующие исследуемые искажения. Для построения графиков необходимо измерять и сохранять в памяти СИ результаты усреднения на коротких отрезках времени - от минуты до десятков минут в зависимости от необходимости детализовать анализируемый технологический процесс. Такими возможностями обладают ЭРИС-КЭ.04, ППКЭ-1-50, ИВК "Омск", Уран-ЮОМ, Парма РК 6.05, АПКЭ-1.

Такие задачи возникают в узлах СЭС (центрах питания), к которым присоединены потребители, ухудшающие КЭ таким образом, что шинах этих центров питания КЭ не соответствует требованиям ГОСТ .

Еще одним видом оперативного контроля можно считать мониторинг КЭ - эпизодический или непрерывный. Такая задача возникает при контроле КЭ в СЭС, к которым присоединены помеховосприинмчивые электроприемники (ЭП), т. е. электроприемники, чувствительные к такому ухудшению ПКЭ, которое не достигаем значений, превышающих допустимые нормы. В таких случаях речь идет об электромагнитной совместимости этих ЭП и питающей их сети. Практика показывает, что ЭП наиболее чувствительны к кратковременным помехам, провалам и импульсам напряжения, перенапряжениям, характеризуемым соответствующим ПКЭ. Из отечественных СИ задачам мониторинга КЭ в полном объеме соответствует только ЭРИС-КЭ.02.

Мониторинг может проводиться несколькими приборами, установленными в различных точках контроля, или одним прибором, способным с помощью электронного коммутатора присоединяться к нескольким точкам контроля. В последнем случае информация о кратковременных помехах может оказаться не полной.

Коммерческий контроль.

Коммерческий контроль должен быть предусмотрен на шинах балансовой принадлежности в тех случаях, когда договором энергоснабжения установлены взаимные обязательства сторон при расчетах за потребленную электроэнергию с учетом ее качества. Приборы такого типа, например ЭРИС-СКЭ, позволяют не только контролировать КЭ на соответствие требованиям ГОСТ , но и, измеряя фактический вклад потребителя, сравнивать его с допустимым (разрешенным) вкладом в уровень ПКЭ на шинах балансовой принадлежности.

При решении некоторых задач, например при мониторинге, СИ устанавливаются стационарно в непосредственной близости от первичных измерительных преобразователей (трансформаторов тока и напряжения). При этом целесообразно организовать передачу информации от СИ до диспетчерского пункта пли до ближайшей ПЭВМ. Именно с этой целью СИ, как правило, снабжаются стандартными интерфейсами.

Анализ КЗ.

Анализ КЭ - многогранная задача, основная цель которой - определить влияние источников искажения на КЭ в системе электроснабжения (СЭС). Решение ее в условиях эксплуатации возможно путем расчетов, исходными данными для которых являются измеренные значения напряжения, тока и мощности. Так как в современных СИ широко применяются программно-вычислительные средства, то и необходимые при анализе расчеты КЭ могут выполняться самими СИ. В этом случае можно говорить об инструментальном анализе КЭ.

Таким образом, приборы, предназначенные для анализа КЭ (их можно назвать анализаторами), по своим характеристикам являются универсальными и могут с успехом применяться для контроля КЭ. К таким СИ из рассмотренных можно отнести:

ЭРИС-КЭ.02, Pecypc-UF2.

Конструктивные особенности приборов.

В настоящее время парк СИ того или иного типа насчитывает не более 500 единиц, размещенных в испытательных лабораториях, ЦСМ, на предприятиях энергонадзора, в то время как потребность в них составляет несколько тысяч единиц. Поэтому на этапе формирования приборного парка разработчики предлагают СИ, предназначенные прежде всего для периодического контроля КЭ, т. е. переносные СИ. Такие СИ рассчитаны на непрерывную работу в течение от нескольких недель до нескольких месяцев, сохраняя в памяти результаты измерений. Это свойство существенно расширяется, если СИ оснащено средствами для просмотра результатов измерений - дисплеем. На дисплей выносится информация, соответствующая функциональному назначению прибора, а обращение к ней обеспечивается с помощью встроенной клавиатуры. Применение для этих целей ПЭВМ, дополнительно присоединяемой через интерфейс, :следует рассматривать как несовершенство СИ.

Некоторые типы приборов (ЭРИС-КЭ.01 и ЭРИС-КЭ.02) снабжаются, помимо алфавитно-цифрового дисплея (АЦД) и графического дисплея (ГД), дисплеем, на который могут выноситься осциллограммы напряжения и тока, векторные диаграммы, гистограммы, спектры высших гармоник. ГД необходим не только для просмотра результатов в текущем режиме, но и еще более при подключении СИ к сети для проверки правильности его присоединения к трех-фазным цепям вторичных обмоток трансформаторов напряжения и тока.

Контроль КЭ и особенно мониторинг требуют длительной непрерывной работы СИ, в течение которой весьма возможны длительные и глубокие провалы и исчезновения напряжения. СИ, естественно, должны зарегистрировать эти события, сохранив свои функциональные способности без вмешательства оператора после восстановления напряжения. Такое требование в различных приборах может быть обеспечено различными средствами: переводом прибора на автономное питание, применением блока питания (БП), поддерживающего работу прибора при глубоких провалах, автоматическим управлением БП в зависимости от напряжения в контролируемой сети. Очевидно, последний способ наиболее надежен и позволяет обеспечить безотказную работу СИ во всем интервале наблюдения.

При всем многообразии форм контроля и анализа КЭ, которым в большей или меньшей степени отвечают рассмотренные СИ, необходимо обратить внимание на единообразие характеристик применяемых в них аппаратных средств, комплектующих и программного обеспечения. Только в этом случае может быть обеспечено единство результатов измерений, полученных с помощью СИ различных типов. Наиболее определенно здесь обстоит дело с приборами, предназначенными для контроля КЭ при его оценке на соответствие требованиям ГОСТ . Точнее говоря, при измерениях ПКЭ и соответствующих им токов алгоритмы измерения и допустимые погрешности определены этим ГОСТом. Здесь разработчики имеют нормативную базу, и приборы могут быть поверены. Правда, в полной мере этого нельзя сказать об алгоритмах измерения дозы фликера, размахов колебаний, провалов напряжения. В отношении этих ПКЭ разработчики в какой-то мере вольны поступать, опираясь на свой опыт, на свое понимание тестируемого процесса и приводимые в ГОСТе определения. В таблицах 1 и 2 приведены утвержденные типы СИ по данным, опубликованным разработчиками в последнее время. Известно, что существуют их модификации. Так, например, "Энергоконтроль"-МЭИ выпускает еще четыре типа СИ, отличающиеся номенклатурой измеряемых параметров, числом входных каналов, объемом памяти и т. п. Таким образом, можно утверждать, что решение проблем контроля КЭ при сертификации электроэнергии, заключении договоров энергоснабжения, составлении технических условий на присоединение потребителя, некоторых задач электромагнитной совместимости стало практически возможным.

Таблица 1.

Измеряемые величины	Название прибора
ЭРИС-КЭ.02	РЕСУРС-UF2	ППКЭ-1-50	ИВК – «Омск»	Уран-10ОМ	ПАРМА РК6.05	АПКЭ-1
Действующие значения фазных напряжении	+	+	+	+	+	+	+
Действующие значения фазных токов	+	+	+	+	+	+	+
Коэффициент несимметрии напряжения по обратной	+	+	+	+	+	+	+
Коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности	+	+	+	+	+	-	+
Коэффициент искажения синусоидальности напряжения	+	+	+	+	+	-	+
Коэффициент л-й гармонической составляющей напряжения, порядок учитываемых гармоник	+/2-40	+/2-40	+/2-40	+/2-40	+/2-40	-	+/?
Установившееся отклонение напряжения	+	+	+	+	+	+	+
Отклонение частоты	+	+	+	+	+	+	+
Доза фликера	+	-	-	-	+	-	+
Размах изменения напряжения	+	+	+	-	+	-	+
Амплитуда импульса напряжения	+	-	-	-	+	-	-
Длительность провала напряжения	+	+	+	Нет данных	+	+	+
Коэффициент временного перенапряжения	+	+	+	Нет данных	+	-	+
Активная/реактивная /полная мощность	+/+/+	+/+/+	-	+/+/+	+/+/+	+/+/+	+
Коэффициент мощности	+	+	+	-	+	+	-
Активная/реактивная электроэнергия	+/+	+/+	+/+	-	+/+	+/+	+

Таблица2.

Характеристики прибора	Название прибора
ЭРИС-КЭ.02	РЕСУРС-UF2	ППКЭ-1 -50	ИВК – «Омск»	Уран-10ОМ	ПАРМА РК6.05	АПКЭ-1
Архив, Мб	16	+	+/Flash-картз	+/жесткий лисп ЭВМ	+/жесткий диск ПЭВМ	+	+
Совместимое^ С ПЭВМ	+	+	+	+	+	+	+
Виды отображения измеренных величин	Алфавитно - цифровой и графический дисплей	Алфавитно - цифровой и графический дисплей	Алфавитно - цифровой и графический дисплей	Алфавитно - цифровой и графический дисплей	Алфавитно - цифровой и графический дисплей	Алфавитно - цифровой и графический дисплей	-
Уровень входных измеряемых напряжений. В	4 6	до 500	до 400	до 420	До264	4	до 500
Уровень входных измеряемых токов. А	1 5	1 5	Нет данных	0 - 5	5 600		0 - 10
Диапазон измерений частоты. Гц	45 - 55	45 - 55	49 - 51	Нет данных	49 - 51	40 - 60	Нет данных
Питание прибора, В	60/250	85-265	■198/231	220	220	220
Рабочие условий применения, оС	-30/+50	-20/+55	-20/+40	+10/+35	Нет данных	-30/+50	-10/+60
Габаритные размеры, ын	295/280/168	280/245/125	250/200/65	Нет данных	Нет данных	260/160/76	140/230/256
Масса, кг	4	4.5	1.5	Нет данных	Нет данных	1.7	10

Справка:

ГОСТ "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения" вводит следующие термины:

-  Система электроснабжения общего назначения - совокупность электроустановок и электрических устройств энергоснабжающей организации, предназначенных для обеспечения электрической энергией различных потребителей (приемников электрической энергии);

-  Электрическая сеть общего назначения - электрическая сеть энергоснабжающей организации, предназначенная для передачи электрической энергии различным потребителям (приемникам электрической энергии);

-  Центр питания - распределительное устройство генераторного напряжения электростанции или распределительное устройство вторичного напряжения понизительной подстанции энергосистемы, к которым присоединены распределительные сети данного района:

-  Точка общего присоединения - точка электрической сети общего назначения, электрически ближайшая к сетям рассматриваемого потребителя электрической энергии (входным устройствам рассматриваемого приемника электрической энергии), к которой присоединены или могут быть присоединены электрические сети других потребителей (входные устройства других приемников);

-  Потребитель электрической энергии - юридическое или физическое лицо, осуществляющее пользование электрической энер­гией (мощностью);

-  -Кокдуктивная электромагнитная помеха в системе энергоснабжения - электромагнитная помеха, распространяющаяся по элементам электрической сети;

-  Уровень электромагнитной совместимости в системе энергоснабжения - регламентированный уровень кондуктивной электро-магнитной помехи, используемый в качестве эталонного для координации между допустимым уровнем помех, вносимым техническими средствами энергоснабжающей организации и потребителей электрической энергии, и уровнем помех, воспринимаемым техническими средствами без нарушения их нормального функционирования;

-  Огибающая среднеквадратичных значений напряжения - ступенчатая временная функция, образованная среднеквадратичными значениями напряжения, дискретно определенными на каждом полупериоде напряжения основной частоты:

-  Фликер - субъективное восприятие человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в элек­трической сети, питающей эти источники:

-  Доза фликера - мера восприимчивости человека к воздействию фликера за установленный промежуток времени;

-  Время восприятия фликера - минимальное время для субъективного восприятия человеком фликера, вызванного колебаниями напряжения определенной формы;

-  Частота повторения изменений напряжения - число одиночных изменений напряжения в единицу времени;

-  Длительность изменения напряжения - интервал времени от начала одиночного изменения напряжения до его конечного значения:

-  Провал напряжения - внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0.9 Uном, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд;

-  Длительность провала напряжения - интервал времени между начальным моментом провала напряжения и моментом восстановления напряжения до первоначального или близкого к нему уровня;

-  Частость появления провалов напряжения - число провалов напряжения определенной глубины и длительности за определенный промежуток времени по отношению в общему числу провалов за этот же промежуток времени;

-  Импульс напряжения - резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд;

-  Амплитуда импульса - максимальное мгновенное значение импульса напряжения;

-  Длительность импульса - интервал времени между начальным моментом импульса напряжения и моментом восстановления мгновенного значения напряжения до первоначального или близкого к нему уровня;

-  Временное перенапряжение - повышение напряжения в точке электрической сети выше 1.1 Uном продолжительностью более 10 мс. возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях;

-  Коэффициент временного перенапряжения - величина, равная отношению максимального значения огибающей амплитудных значений напряжения за время существования временного перенапряжения к амплитуде номинального напряжения сети;

-  Длительности временного перенапряжения - интервал времени между начальным моментом возникновения временного перенапряжения и моментом его исчезновения;

ГОСТ устанавливает показатели качества электрической энергии;

-  Установившееся отклонение напряжения ( dUу );

-  Размах изменения напряжения ( dUt );

-  Доза фликера ( Pt );

-  Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения ( КU )

-  Коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения ( КU(n) )

-  Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности ( К2U )

-  Коэффициент несимметрии напря­жений по нулевой последовательности ( К0U )

-  Отклонение частоты ( Df );

-  Длительность провала напряжения ( Dtn );

-  Импульсное напряжение ( Uимп )

-  Коэффициент временного перенапряжения ( КперU );

Для использования при определении значений некоторых показателей качества электрической энергии ГОСТ приводит следующие вспомогательные параметры электрической энергии:

-  Частоту повторения изменений напряжения ( FdUt )

-  Интервал между изменениями напряжения ( )

-  Глубину провала напряжения ( dUn );

-  Частость появления провалов напряжения ( Fn );

-  Длительность импульса по уровню 0,5 его амплитуды ()

-  Длительность временного перенапряжения ( )

ГОСТ приводит в справочном приложении свойства электрической энергии, показатели и наиболее вероятные виновники ухудшения качества электрической энергии, перечисленные в таблице.

Свойства электрической энергии	Показатель КЭ	Наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ
Отклонения напряжения (рис. 1)	Установившееся отклонение напряжения (dUу )	Энергоснабжающая организация
Колебания напряжения |рис 1)	Размах изменения напряжения (dUt) Доза фпикера ( Pt );	Потребитель с переменной нагрузкой
Несинусоидальносгь напряжение (рис 2)	Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения ( КU )	Потребитель с нелинейной нагрузкой
Коэффициент п-ой гармонической составляющей напряжения ( КU(n) )К
Несимметрия трехфазной системы напряжений	Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности ( К2U )	Потребитель с несимметричной нагрузкой
Коэффициент несимметрии напряжений по нуливой последовательности ( К0U )
Отклонение частоты	Отклонение частоты ( Df )	Энергоснабжающая организация
Провал напряжения (рис 3)	Длительность провала напряжения ( Dtn )	Энергоснабжающая организация
Импупьс-. Напряжения (рис 4)	Импульсное напряжение ( Uимп )	Энергоснабжающая организация
Временное перенапряжение (рис. 3)	Коэффициент временного перенапряжения ( КперU )	Энергоснабжающая организация

Рис.1. Отклонение и колебание напряжения

Рис.2. Несинусоидальносгь напряжения

Рис.3. Провал напряжения, временное перенапряжение.

Рис.4. Импульс перенапряжения.