Способ анализа качества электрической энергии в трехфазной системе промышленного электроснабжения
METHOD OF ANALYZING QUALITY OF ELECTRIC ENERGY IN THREE-PHASE SYSTEM OF INDUSTRIAL POWER SUPPLY

Предполагаемое изобретение относится к измерительной технике, а именно к оценке параметров качества электрической энергии в системах промышленного электроснабжения. Оно может быть использовано для определения влияния параметров качества электрической энергии в трехфазной системе на конечного промышленного потребителя и последующей выработки управляющих воздействий с целью восстановления его нормального электроснабжения.
Известен способ определения параметров качества электрической энергии трехфазной сети [Авторское свидетельство СССР № 1109655, МПК G 01R 19/00, опубл. 23.08.1984, Бюл. № 31] путем сравнения входного и опорного напряжений, определяют начальную фазу прямой последовательности напряжений трехфазной сети, формируют опорную трехфазную систему напряжений прямой последовательности, начальная фаза которой равна начальной фазе прямой последовательности напряжений трехфазной сети, а амплитуда равна номинальному значению амплитуды напряжения трехфазной сети, а затем из разности входных и опорных напряжений выделяют симметричные составляющие напряжений, по величине которых судят о качестве электрической энергии трехфазной сети.
Недостатком известного способа определения параметров качества электрической энергии трехфазной сети является его ограниченная применимость в системах промышленного электроснабжения, поскольку он не позволяет при необходимости выявить источники и степень искажения синусоидальных колебаний тока и напряжения.
Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является способ анализа качества электрической энергии в трехфазной электрической сети [Патент РФ № 2613584, МПК G01R 19/25, опубл. 17.03.2017, Бюл. № 8], содержащий следующие этапы, на которых: измеряют совокупность электрических величин, при этом совокупность содержит одну электрическую величину на каждую фазу; формируют пространственный вектор на основании моментального трехмерного преобразования совокупности измеренных электрических величин; определяют совокупность, содержащую, по меньшей мере, один параметр, характеризующий качество электрической энергии в трехфазной электрической сети, в зависимости от зависящего от времени пространственного вектора, вычисленного в скользящем окне.
Недостатком способа-прототипа является его ограниченная применимость в системах промышленного электроснабжения, поскольку он не позволяет при необходимости выявить источники и степень искажения синусоидальных колебаний тока и напряжения.
Отметим, что одной из тенденций развития систем промышленного электроснабжения является использование источников распределенной генерации (ИРГ). Стремясь снизить расходы на используемую электрическую и тепловую энергию, промышленные потребители внедряют ИРГ, в том числе, возобновляемые источники энергии (ВИЭ). А это, в свою очередь, содействует возникновению режимов работы систем электроснабжения, на которые не рассчитаны применяемые системы защиты и технологического управления промышленным производством.
У промышленных потребителей, использующих зарубежные производственные технологические линии, технические характеристики которых соответствуют требованиям зарубежных стандартов по качеству электрической энергии (КЭЭ), имеются риски по выпуску некачественной продукции, даже в условиях соблюдения требований отечественного стандарта (ГОСТ 32144-2013) по качеству электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [например, Вагин Г.Я., Куликов А.Л. Качество электрической энергии в системах электроснабжения. Анализ состояния методов нормирования и контроля // Электрические станции, 2019, № 6(1055), с. 54-59]. Отсутствие гармонизации стандартов заставляет промышленные предприятия разрабатывать специальные технические и организационные мероприятия по управлению КЭЭ. Для конкретной системы электроснабжения промышленный потребитель имеет возможность разработать варианты восстановления параметров КЭЭ, влияющих на технологический процесс и зависящих от схемно-режимных условий. Важно то, что ограничения на отклонения параметров КЭЭ зависят от особенностей технологического процесса промышленного потребителя и влияния параметров КЭЭ на качество выпускаемой продукции.
В таких условиях целесообразна разработка системы анализа КЭЭ с последующей реализацией управляющих воздействий на элементы электрической сети для восстановления электроснабжения с заданными требованиями к КЭЭ. Основу такой системы могут составлять результаты имитационного моделирования системы промышленного электроснабжения в различных режимах и условиях искажений токов и напряжений.
Для систем электроснабжения с ИРГ (ВИЭ) характерны быстро изменяющиеся режимы, сопровождающиеся существенными отклонениями параметров КЭЭ. При этом для оценки параметров токов и напряжений выделяются короткие временные интервалы (скользящее окно данных), составляющие, например [Илюшин П.В., Куликов А.Л. Автоматика управления нормальными и аварийными режимами энергорайонов с распределённой генерацией / П.В. Илюшин, А.Л. Куликов. – Нижний Новгород: НИУ РАНХиГС. 2019. 364 с], один период промышленной частоты. Требуемой разрешающей способности по частоте для определения, например, искажающих гармоник [например, Рибейро Пауло Ф., Дуке Карлос А., да Силвейра Пауло М., Серкейра Аугусто С. Обработка сигналов в интеллектуальных сетях энергосистем. – М.: ТЕХНОСФЕРА. 2020. 480 с.] на таких коротких временных интервалах не удается достичь. Вследствие этого результаты вычисления некоторых параметров КЭЭ будут не точными и не адекватными реальной ситуации с искажениями токов и напряжений. Таким образом, в системах промышленного электроснабжения целесообразна разработка новых методов анализа и идентификации искажений токов и напряжений.
Важной задачей, связанной с анализом искажений токов и напряжений, является распознавание сигналов. При наличии результатов имитационного моделирования искаженных сигналов токов и напряжений, характерных для функционирования отдельных (или совокупностей) технологических установок, а также различных режимов системы промышленного электроснабжения, возможно путем распознавания сигналов токов и напряжений обеспечить выявление источников искажений параметров КЭЭ и на основе этой информации организовать процесс восстановления нормального электроснабжения промышленного потребителя.
Технический результат - разработка способа анализа качества электрической энергии в трехфазной системе, учитывающей особенности конкретной системы промышленного электроснабжения.
Технический результат достигается тем, что в способе анализа качества электрической энергии в трехфазной системе промышленного электроснабжения, содержащем этапы, на которых: измеряют совокупность электрических величин, при этом совокупность содержит одну электрическую величину на каждую фазу; формируют пространственный вектор на основе моментального трехмерного преобразования совокупности измеренных электрических величин, текущую совокупность комплексных мгновенных значений пространственного вектора нормируют в заданном скользящем окне и затем подают на блок распознавания, на другие входы которого подают сформированные по результатам имитационного моделирования аналогичные совокупности комплексных мгновенных значений пространственного вектора, характерные и соответствующие нарушениям показателей качества электрической энергии в анализируемой системе электроснабжения промышленного потребителя, по результатам сравнения в блоке распознавания текущей совокупности комплексных мгновенных значений пространственного вектора с совокупностями комплексных мгновенных значений пространственного вектора, полученными по результатам имитационного моделирования, определяют соответствующие им условия имитационного моделирования, а также степень и источник искажений токов и напряжений в трехфазной системе промышленного электроснабжения, при этом формируют сигнал, характеризующий нарушения качества электрической энергии, на выходе блока распознавания.
Поставленная цель достигается способом анализа качества электрической энергии в трехфазной системе промышленного электроснабжения, содержащим этапы, на которых: измеряют совокупность электрических величин, при этом совокупность содержит одну электрическую величину на каждую фазу; формируют пространственный вектор на основе моментального трехмерного преобразования совокупности измеренных электрических величин. Согласно предложения текущую совокупность комплексных мгновенных значений пространственного вектора нормируют в заданном скользящем окне и затем подают на блок распознавания, на другие входы которого подают сформированные по результатам имитационного моделирования аналогичные совокупности комплексных мгновенных значений пространственного вектора, характерные и соответствующие нарушениям показателей качества электрической энергии в анализируемой системе электроснабжения промышленного потребителя, по результатам сравнения в блоке распознавания текущей совокупности комплексных мгновенных значений пространственного вектора с совокупностями комплексных мгновенных значений пространственного вектора, полученными по результатам имитационного моделирования, определяют соответствующие им условия имитационного моделирования, а также степень и источник искажений токов и напряжений в трехфазной системе промышленного электроснабжения, при этом формируют сигнал, характеризующий нарушения качества электрической энергии, на выходе блока распознавания.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего способ анализа качества электрической энергии в трехфазной системе промышленного электроснабжения.
m
m
M
m
Устройство, реализующее способ анализа качества электрической энергии в трехфазной системе промышленного электроснабжения (фиг. 1) включает последовательно соединенные модуль сбора данных 1, модуль трехмерного преобразования 2, модуль нормировки 3, блок распознавания 4. Выходы под номером  ( = 0, …, -1) блока хранения результатов имитационного моделирования 5 подключены к соответствующим вторым входам по номером  блока распознавания 4. Входы блока 5 хранения результатов имитационного моделирования служат для загрузки данных имитационного моделирования, а также ввода информации о текущем режиме функционирования системы промышленного электроснабжения. Вход модуля сбора 1 данных подключен ко входу устройства, а выход блока распознавания 4 подключен к выходу устройства.
М
m
m
M
m
m
10
1(
М
-1)
2
m
m
10
1(
М
-1)
2
Блок распознавания 4 включает  модулей 4 … 4 сравнения и модуль 4 анализа результатов сравнения. Причем, первые входы -ого модуля сравнения 4 ( = 0, …, -1) подключены ко входу блока распознавания 4, а вторые входы -ого модуля сравнения 4 подключены к соответствующему второму входу блока 4 распознавания под номером . Выходы модулей сравнения 4 … 4 через модуль анализа 4 результатов сравнения подключены к выходу блока распознавания 4.
Устройство (фиг. 1), реализующее способ анализа качества электрической энергии в трехфазной системе промышленного электроснабжения, функционирует следующим образом.
Разработка способа анализа качества электрической энергии в трехфазной системе промышленного электроснабжения продиктована свойствами нагрузки промышленного потребителя, особенностями его технологических процессов и управления ими, величиной ущербов при нарушении производственных процессов, вызванных отклонениями КЭЭ, а также необходимостью последующей реализации управляющих воздействий для восстановления нормального функционирования технологической системы потребителя, с учетом изложенных выше особенностей.
Таким образом, в каждой отдельной точке присоединения промышленного потребителя будет характерен собственный набор искажений синусоидальности токов и напряжений, зависящий от технологических особенностей нагрузки и режимов функционирования системы электроснабжения, определяемый, в том числе, посредством имитационного моделирования.
Для обеспечения эффективного функционирования способа анализа качества электрической энергии в трехфазной системе промышленного электроснабжения реализуется предварительное имитационное моделирование, целями которого являются:
- определение режимов функционирования системы промышленного электроснабжения, с учетом особенностей промышленной нагрузки, а также возможностей проведения ремонтно-эксплуатационных работ;
- выявление режимов, в которых возможны существенные отклонения параметров КЭЭ, требующих реализации мероприятий по восстановлению нормального функционирования системы промышленного электроснабжения;
- создание специальной базы данных сигналов токов и напряжений для каждого из режимов с существенными отклонениями параметров КЭЭ, которые характеризуют степень и источник искажающих воздействий.
При реализации способа анализа качества электрической энергии и выполнении предварительного имитационного моделирования формируется база данных искаженных сигналов токов и напряжений при существенных отклонениях параметров КЭЭ в различных режимах функционирования системы промышленного электроснабжения. Результаты имитационного моделирования вносятся в память блока 5 хранения результатов моделирования (фиг. 1) для последующего выбора совокупности искаженных сигналов токов и напряжений в определенном режиме работы системы промышленного электроснабжения.
Модуль 1 устройства, реализующего способ анализа качества электрической энергии в трехфазной системе промышленного электроснабжения (фиг. 1) выполнен с возможностью подключения к каждой фазе трехфазной электрической сети и измерения фазных значений токов и напряжений в точке присоединения. В модуле 1 выполняется аналого-цифровое преобразование и на его выход подаются мгновенные значения фазных токов и напряжений.
x
n
x
n
x
n
n
a
b
c
Модуль 1 (фиг. 1) подключен к модулю 2 трехмерного преобразования. В каждый момент времени модуль 2 принимает мгновенные значения фазных токов и/или напряжений (), (), () (где  – текущее дискретное время), измеренные в точке присоединения трехфазной электрической сети. В модуле 2 осуществляется преобразование Кларк, являющееся разновидностью преобразования симметричных составляющих,
(1)
Две первые составляющие, полученные в результате преобразования (1), объединяются для получения комплексного числа, зависящего от дискретного времени и называемого пространственным вектором:
x
n
x
n
jx
n
б
в
() = () + ().             (2)
Пространственный вектор содержит всю необходимую информацию об исходной трехфазной системе для анализа КЭЭ. Если трехфазная система является сбалансированной (уравновешенной), то пространственный вектор описывает окружность на комплексной плоскости. Нарушение синусоидальности сигналов токов и напряжений приводит к деформации пространственного вектора, видимой на комплексной плоскости. Деформации позволяют характеризовать и количественно определять различные нарушения, влияющие на трехфазную электрическую сеть [Патент РФ № 2613584, МПК G01R 19/25, опубл. 17.03.2017, Бюл. № 8].
x
n
0
В результате трехмерного преобразования (1) по фазным мгновенным значениям получают также составляющую нулевой последовательности (), которая является действительной величиной. Поскольку пространственный вектор содержит всю необходимую информацию об искажениях токов и/или напряжений, составляющая нулевой последовательности может не использоваться при реализации предлагаемого способа анализа качества электрической энергии в трехфазной системе промышленного электроснабжения.
N
N
Мгновенные значения комплексного вектора из модуля 2 устройства поступают на модуль 3 нормировки. В модуле 3 в скользящем окне данных, включающем, например,  комплексных отсчетов (мгновенных значений) пространственного вектора, производится их нормировка (приведение к нормированному виду) по энергии. Для этого вычисляется энергия совокупности  комплексных значений пространственного вектора в текущем скользящем окне, и каждое из комплексных мгновенных значений пространственного вектора этого текущего скользящего окна нормируется к рассчитанной энергии.
x
n
N
В последующем нормированные совокупности комплексных мгновенных значений пространственного вектора из модуля 3 поступают в блок 4 распознавания. Рассмотрим принцип организации процедуры распознавания в блоке 4 искаженной совокупности комплексных мгновенных значений пространственного вектора (комплексного дискретного сигнала ()) в скользящем окне данных, включающем  отсчетов.
x
n
x
n
M
x
n
m
M
x
n
m
m
Пусть на вход блока 4 распознавания поступает дискетный комплексный сигнал (). Примем, что () входит в совокупность из  дискретных сигналов {(), = 0, …, -1}, характеризует возможные отклонения показателей КЭЭ конкретной системы электроснабжения в текущем режиме ее функционирования. Комплексные дискретные сигналы () нормированы по энергии (имеют одинаковую энергию)
E
E
x
i
x
*
i
m
m
m
=  = ()·().     (3)
10
1(
М
-1)
10
1(
М
-1)
2
Блок 4 (рис. 1) решает задачу распознавания, какой из комплексных дискретных сигналов поступил на его вход. При решении задачи распознавания задействуется блок 5 хранения результатов имитационного моделирования. В соответствии с текущим режимом функционирования системы промышленного электроснабжения (фиг. 1) блок 5 хранения результатов имитационного моделирования подает на вторые входы модулей сравнения 4 … 4 комплексные дискретные сигналы, соответствующие текущему режиму и характеризующие возможные искажения параметров КЭЭ трехфазной системы промышленного электроснабжения. На первые входы модулей сравнения поступает комплексный дискретный сигнал с выхода модуля 3 нормировки. В модулях сравнения 4 … 4 блока 4 реализуется сравнение комплексного дискретного сигнала, поступившего на вход блока 4 с каждым из хранящихся комплексных дискретных сигналов в блоке 5, соответствующих текущему режиму системы электроснабжения. По результатам сравнения, модулем анализа 4 блока 4 принимается решение о том, какой комплексный дискретный сигнал действует на входе и, соответственно, какой вариант отклонений параметров КЭЭ характерен для текущего режима системы электроснабжения.
Поскольку при имитационном моделировании для текущего режима функционирования системы электроснабжения и варианта отклонений параметров КЭЭ задается степень и источник трехфазных искажений токов и напряжений, то на основе реализации процедуры распознавания можно выявить степень и источник искажений токов и напряжений в трехфазной системе промышленного электроснабжения.
x
n
x
n
m
В модулях сравнения блока 4 при сравнении сигналов () и () устанавливается степень их взаимного соответствия по форме. В качестве меры соответствия нормированных по энергии комплексных дискретных сигналов может быть выбрана энергия разностного сигнала, определяемая выражением
E
x
i
x
i
x
i
-
x
i
*
р
m
m
= (() - ())·(()()).(4)
x
n
x
n
E
x
n
x
n
m
р
m
В случае совпадения сигналов () и () их разность равна нулю, соответственно и  = 0. Следовательно, чем меньше энергия разностного сигнала, тем в большей степени сигналы () и () соответствуют (похожи) друг другу.
Производя вычисления по выражению (4) имеем, что
E
x
i
x
i
x
i
-
x
i
* = E + E
– R – R*
р
m
m
m
= (() - ())·(()()),     (5)
E
E
m
где и – энергии комплексных дискретных сигналов,
R
x
i
x
*
i
x
*
i
x
i
R
m
m
= ()·() = (()·())* = *     (6)
коэффициент взаимной корреляции между комплексными дискретными сигналами. В выражении (6) учтено, что коэффициент корреляции обладает сопряженной симметрией относительно своих индексов.
Таким образом, с учетом свойств коэффициента корреляции выражение для разностной энергии получим в виде
E
E + E
– R – R*
E + E
–
·Re
R
р
m
m
= = 2().    (7)
E
р
>
Так как энергия разностного сигнала является положительной величиной  0, то действительная часть коэффициента корреляции не превосходит полусуммы энергии сравниваемых сигналов
Re
R
E + E
m
()  () /2.     (8)
2
Отметим, что чем больше значение действительной части коэффициента корреляции, тем меньше энергия разностного сигнала и тем больше сигналы подобны друг другу по форме. При совпадении сравниваемых комплексных дискретных сигналов коэффициент корреляции максимален и равен их энергии (6). Таким образом, сравнение комплексных дискретных сигналов может также осуществляться и на основе анализа значений коэффициента корреляции. При этом гарантируется, что максимальное значение действительной части коэффициента корреляции будет получено только в том модуле сравнения блока 4 (фиг. 1), где произошло совпадение по форме анализируемого и эталонного комплексных дискретных сигналов. Номер этого модуля сравнения блока 4 распознавания может быть установлен модулем анализа 4 по максимальному действительному значению коэффициента корреляции.
R
R
Отметим, что согласно (6) модуль коэффициента корреляции является симметричным относительно индексов, т.е. || = |*|, а использование неравенства Буняковского – Шварца приводит к выражению
R
x
i
x
*
i
E
E
m
m
|| = |()·()| √·√,    (9)
в котором равенство достигается при совпадении комплексных дискретных сигналов.
Таким образом, свойства модуля коэффициента корреляции аналогичны свойствам его действительной части, поэтому при организации процедуры распознавании в блоке 4 (фиг. 1) может использоваться и модуль коэффициента корреляции.
M
В блок 5 хранения результатов имитационного моделирования устройства (фиг. 1), реализующего способ анализа качества электрической энергии в трехфазной системе промышленного электроснабжения, поступает информация о текущем режиме, выраженная, например, в виде номера режима. Такая информация может поступать, например, из SCADA-системы или из систем диспетчерско-технологического управления системой электроснабжения (оперативно-информационного комплекса – ОИК). Номер режима определяет текущий набор  комплексных дискретных сигналов, выдаваемых с выходов блока 5 хранения результатов имитационного моделирования в блок 4 распознавания. Информация о текущем режиме функционирования системы промышленного электроснабжения необходима для снижения вычислительной нагрузки на блок 4 распознавания.
В случае отсутствия канала связи для передачи информации о текущем режиме или, например, отсутствии ограничений на быстродействие и вычислительную нагрузку блока 5 распознавания возможна работа устройства (фиг. 1) в автономном режиме, когда распознавание блоком 4 реализуется по всему массиву комплексных дискретных сигналов, в частности, путем последовательного перебора всех возможных режимов функционирования системы промышленного электроснабжения.
Предлагаемый способ анализа качества электрической энергии в трехфазной системе промышленного электроснабжения, с учетом данных имитационного моделирования и распознавания комплексных дискретных сигналов, позволяет фиксировать факт отклонений параметров КЭЭ от значений, необходимых для функционирования конкретной системы промышленного электроснабжения, а также определять степень и источник искажений токов и напряжений. Таким образом, достигается цель изобретения, заключающаяся в разработке способа анализа качества электрической энергии в трехфазной системе, учитывающей особенности конкретной системы промышленного электроснабжения.