Комплексная система контроля и повышения качества электрической энергии в системах электроснабжения нефтедобывающих предприятий

Диагностика и надежность энергооборудования ^^ 37 = ДИАГНОСТИКА И НАДЕЖНОСТЬ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ

УДК 621.398

Комплексная система контроля и повышения качества электрической энергии в системах электроснабжения нефтедобывающих предприятий

Б. Н. Абрамович,

Санкт-Петербургский государственный горный университет, профессор кафедры электротехники и электромеханики, доктор технических наук

Ю. А. Сычев,

Санкт-Петербургский государственный горный университет, ассистент кафедры электротехники и электромеханики, кандидат технических наук

Д. А. Устинов,

Санкт-Петербургский государственный горный университет, доцент кафедры электротехники и электромеханики, кандидат технических наук, доцент

Ю. Л. Жуковский,

Санкт-Петербургский государственный горный университет, доцент кафедры электротехники и электромеханики, кандидат технических наук

Разработана комплексная система контроля и повышения качества электрической энергии в системах электроснабжения нефтедобывающих предприятий на основе выявления причин несоответствия уровня качества электрической энергии требованиям нормативной документации. Рекомендованы мероприятия, направленные на контроль и повышение качества электрической энергии в системах электроснабжения нефтедобывающих предприятий.

Ключевые слова: электрическая энергия, качество электрической энергии, система, контроль, нефтедобывающее предприятие.

Одним из важнейших факторов обеспечения энергосбережения и энергоэффективности является уровень качества электрической энергии. В современных экономических условиях электрическая энергия является товаром, который обладает определённым уровнем качества, регламентируемым ГОСТ 13109-97. На протяжении последних десяти лет на нефтедобывающих предприятиях суммарные затраты на оплату электрической энергии, используемой при добыче, переработке и транспортировке нефти, составляют 15 % и более [1] от себестоимости полезного ископаемого.

Суммарные затраты включают в себя плату за фактически потреблённую электроэнергию и плату за заявленную мощность в часы максимума нагрузок энергосистемы. Величина суммарных затрат корректируется в зависимости от уровня качества электроэнергии (КЭ), поставляемой сетевой энергоснабжающей компанией, если в договоре на энергоснабжение, заключённом между потребителем и поставщиком, прописаны соответствующие штрафные санкции, налагаемые на последнего в случае несоответствия уровня качества электроэнергии нормам ГОСТ 13109-97. Для осуществления коррек-

тировки суммарной оплаты электрической энергии в сторону уменьшения необходимо предоставить сетевой энергоснабжающей компании протокол результатов измерения и контроля качества электроэнергии в точках общего присоединения, где зафиксировано несоответствие показателей качества электроэнергии (ПКЭ) нормам ГОСТ 13109-97. Учитывая, что за последнее десятилетие в электрических сетях нефтедобывающих предприятий интенсивное применение получила нелинейная нагрузка в виде преобразователей частоты систем регулируемого электропривода, которая, являясь источником высших гармоник, искажает форму кривой тока и напряжения сети, что приводит к возникновению ряда негативных последствий для различных типов электрооборудования, в частности: преждевременный выход из строя силовых трансформаторов, разрушение конденсаторных установок, ложное срабатывание систем релейной защиты и электросетевой автоматики [2], актуальными являются разработка и внедрение комплексных систем контроля и повышения качества электрической энергии.

ГОСТ 13109-97 устанавливает одиннадцать основных и шесть дополнительных показателей

= 38

Энергобезопасность и энергосбережение

качества электроэнергии [3]. Для нефтедобывающих предприятий с учётом специфики систем электроснабжения и преобразования электроэнергии в другие виды энергии наибольшую значимость имеют следующие показатели качества электроэнергии:

- установившееся отклонение напряжения;

- коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения;

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;

- коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;

- коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности;

- отклонение частоты;

- длительность провала напряжения.

Измерения показателей качества электроэнергии должны проводиться с помощью аппаратуры, позволяющей фиксировать изменение всех одиннадцати или шести основных показателей и их отклонение от норм ГОСТ 13109-97, который является основным стандартом, регламентирующим уровень КЭ на территории Российской Федерации. Измерительные приборы, используемые в целях контроля качества электроэенергии, должны иметь сертификацию Росстандарта и предоставлять протокол результатов измерений по установленной нормативной документацией форме [4, 5].

Выбор пунктов контроля качества электроэнергии в электрических сетях нефтедобывающих предприятий должен производиться в соответствии с [4, 5] исходя из следующих рекомендаций:

• в качестве пунктов контроля КЭ, закупаемой нефтедобывающим предприятием, следует выбирать точки коммерческого контроля или иные пункты, ближайшие к границе раздела балансовой принадлежности, в которых может быть осуществлён контроль качества электроэнергии;

• в качестве пунктов контроля установившегося отклонения напряжения (дополнительно к пункту контроля закупаемой электроэнергии) рекомендуется выбирать выводы электроприёмников, наиболее чувствительных к колебаниям и потере напряжения;

• в качестве пунктов контроля показателей несинусоидальности и коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности рекомендуется выбирать точки общего присоединения, в которых подключены нелинейные и несимметричные нагрузки;

• в качестве пунктов контроля коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности следует выбирать шины 0,4 кВ трансформаторов 35/6(10)/0,4 кВ, питающих одновременно трёхфазную и однофазную нагрузки.

Рекомендуемая продолжительность периодического контроля качества электроэнергии составляет 7 суток. Соответствие ПКЭ установленным нормам проверяется по результатам их измерений за каждые 24 часа в отдельности. Суммарный перерыв в измерениях показателей качества электроэнергии за

сутки, включая длительность провалов, перенапряжений и отключений прибора, должен составлять не более 5 минут. Интервал между очередными измерениями ПКЭ при периодическом контроле качества электроэнергии устанавливается энергоснабжаю-щей организацией [3, 4, 5].

Погрешность измерений должна соответствовать требованиям, указанным в ГОСТ 13109-97, пункты 7.1 и 7.2. Средства измерений должны производить усреднение измеряемых показателей качества электроэнергии с использованием прямоугольного измерительного окна с шириной 0,32 с (без пробелов между окнами) или измерительного окна Хеннинга с шириной, равной 0,4-0,5 с, с перекрытием смежных окон на 50 %. Окончательный выбор типа измерительного прибора для контроля показателей качества электроэнергии производится на основании результатов сопоставления их технико-экономических характеристик и технической возможности их установки в той или иной точке электрической сети.

Комплексная система непрерывного мониторинга ПКЭ и повышения качества электроэнергии позволяет производить коммерческий, технический и технологический контроль КЭ, в том числе периодический контроль при рассмотрении претензий к качеству электроэнергии, повышать её уровень с привлечением современных и эффективных технических средств и решений.

При разработке комплексной системы контроля показателей качества электроэнергии составляется структурная схема измерений (рис. 1), производятся выбор типов и расстановка измерительных приборов контроля ПКЭ, выбор способов и средств передачи данных о них в диспетчерский пункт. Структурная схема позволяет осуществить дистанционный опрос одного или группы измерителей показателей качества электроэнергии, объединённых по интерфейсу RS-485. Опрос может быть также организован по коммутируемой линии ведомственной связи, GSM-сети через преобразователь интерфейсов RS-485/RS-232 или, в случае необходимости получения данных от одного измерителя, непосредственно по интерфейсу RS-232. Это позволяет осуществлять оперативный сбор информации и централизованный анализ данных о показателях качества электроэнергии, получать полную картину протекающих в системе процессов.

4 4 4

п„, 1 ги П™

7

' [..1 * а*

2 1

3

\

8 6

-ЖЗ4

Ё4

1^4

АТС

5

3

4 4

Рис. 1. Структурная схема комплексной системы контроля показателей качества электроэнергии:

1 — диспетчерский пункт; 2 — преобразователь интерфейсов ИБ-485/ЧБ-232; 3 — узел опроса; 4 — прибор контроля ПКЭ; 5 — GSM-сеть; 6 — кабель 45-232; 7 — интерфейс 45-485; 8 — модем или GSM-терминал

2

6

7

Диагностика и надежность энергооборудования

39 =

Обработка данных о ПКЭ выполняется посредством специализированного программного обеспечения в соответствии с Методическими указаниями по контролю и анализу качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения [4, 5].

Анализ фактических значений показателей качества электроэнергии при их несоответствии установленным нормам включает следующие операции:

• выявление показателя, фактическая величина которого не соответствует норме ГОСТ 13109-97;

• установление причин несоответствия фактических ПКЭ нормам ГОСТ 13109-97;

• анализ режима работы электрооборудования, вызвавшего несоответствие показателей качества электроэнергии нормам ГОСТ 13109-97 в распределительных сетях и у отдельных потребителей.

Причины несоответствий показателей качества электроэнергии нормам устанавливаются с использованием следующих источников информации:

• проектная документация и технические условия на проектирование, реконструкцию и развитие системы электроснабжения и электрических сетей предприятия;

• данные о фактических электрических нагрузках потребителей, отдельных электроустановок и субпотребителей в часы максимума и минимума нагрузки энергосистемы в рабочие, выходные и праздничные дни и соответствующие сезоны года;

• расчёты режимов работы электрических сетей, в том числе с нелинейными нагрузками для нормальных и ремонтных схем электроснабжения;

• технические условия и заключённые договоры на электроснабжение предприятия.

Изложенные выше положения были апробированы при разработке комплексной системы непрерывного мониторинга показателей качества электроэнергии, технического и технологического контроля качества электроэнергии для ОАО «Татнефть» [6]. В результате анализа системы электроснабжения ОАО «Татнефть» и оценки целесообразности контроля КЭ предусмотрена установка 56 стационарных приборов контроля качества электроэнергии типа «Ресурс-UF2С» в 24 центрах питания. В результате мониторинга качества электроэнергии было выявлено несоответствие фактических значений ПКЭ нормам, установленным ГОСТ 13109-97, как на границе раздела между энергоснабжающей организацией и потребителем, так и у отдельных электроустановок [6]. К числу таких показателей качества электроэнергии относятся: установившееся отклонение напряжения, длительность провала напряжения, коэффициенты искажения синусоидальности кривой напряжения и отдельных гармонических составляющих напряжения. Например, напряжение на шинах 6 кВ промысловых подстанций на 59 % выше номинального в течение 50 и более процентов длительности контролируемого периода,

что приводило к увеличению потребления активной мощности и дополнительным потерям электроэнергии в электротехнических комплексах ОАО «Татнефть». Экономическая эффективность внедрения комплексной системы непрерывного контроля качества электроэнергии подтвердилась.

При объёме затрат на приобретение необходимого оборудования, монтаж и пусконаладочные работы в 9,5 млн руб. экономический эффект от внедрения комплексной системы непрерывного мониторинга показателей качества электроэнергии, технического и технологического контроля КЭ в ОАО «Татнефть» может быть оценён в 15,6 млн руб. Срок окупаемости капитальных вложений не превышает 0,6 года.

На основании результатов мониторинга качества электроэнергии выбирается техническое средство или решение, направленное на коррекцию определённого ПКЭ и приведение его уровня в соответствие с требованиями ГОСТ 13109-97. Место установки выбранного технического средства определяется точкой электрической сети, в которой приборы контроля качества электроэнергии зафиксировали несоответствие определённого ПКЭ нормам ГОСТ 13109-97. При отсутствии ущерба для технологического процесса вместо установки технического средства целесообразно изменение режима работы электрооборудования, негативно влияющего на уровень качества электроэнергии. На основании результатов многочисленных теоретических и экспериментальных исследований, проведённых в электрических сетях месторождений ОАО «НК «Роснефть», ОАО «ТНК-ВР» и ОАО «Татнефть», выявлен ряд перспективных технических средств и решений, направленных на коррекцию показателей качества электроэнергии [7-10].

В частности, для компенсации высших гармоник тока и напряжения в электрических сетях нефтедобывающих предприятий наиболее современным и перспективным техническим средством являются параллельные активные фильтры, эффективность которых подтверждена данными математического моделирования и экспериментальных исследований в сетях Курма-наевского и Докучаевского месторождений ОАО «Оренбургнефть» ОАО «ТНК-ВР» [2]. В электрических сетях Приобского месторождения ООО «РН-Юганскнефтегаз» ОАО «НК «Роснефть» на основании результатов использования изложенных принципов комплексного мониторинга качества электроэнергии выявлены места установки десяти параллельных активных фильтров для коррекции коэффициента искажения синусоидальности формы кривой напряжения сети.

Для минимизации величины и длительности провалов напряжения обоснована эффективность использования быстродействующих систем аварийного ввода резерва на основе тиристорных коммутаторов [7, 8].

Ш51(ШШШ

= 40

Энергобезопасность и энергосбережение

Для компенсации отклонений напряжения предложен алгоритм управления устройством регулирования напряжения под нагрузкой силовых трансформаторов на основе выбора определяющего присоединения с использованием нечёткой логики, методы которой применяются при обработке экспериментальных статистических

данных о параметрах отдельных присоединений электрической сети [9, 10].

Предложенная комплексная система позволяет упорядочить и связать в единое целое механизмы контроля и повышения качества электрической энергии в условиях нефтедобывающих предприятий.

Литература

1. Абрамович Б. Н. Энергосберегающие технологии добычи, транспортировки и переработки полезных ископаемых / Наука в СПГГИ(ТУ): Сб. научных трудов. Вып. 1. - СПб., 1997. - С. 87-90.

2. Абрамович Б. Н., Медведев А. В., Старостин В. В., Аболемов Е. Н., Полищук В. В., Сычев Ю. А. Промышленные испытания активного фильтра в промысловых сетях ОАО «Оренбургнефть» ОАО «ТНК-ВР» // Промышленная энергетика. - 2008. - № 10. - С. 42-46.

3. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Госстандарт России, 1997.

4. РД 153-34.0-15.501-00. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 1. Контроль качества электрической энергии. - М.: ООО «Научный центр ЛИНВИТ», 2000.

5. РД 153-34.0-15.502-02. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 2. Анализ качества электрической энергии. - М.: ООО «Научный центр ЛИНВИТ», 2002.

6. Сычев Ю. А. Измерение и анализ показателей качества электрической энергии в сетях нефтедобывающих предприятий / Записки Горного института. РИЦ СПГГИ(ТУ). - СПб., 2007. - Т. 173. - С. 109-111.

7. Абрамович Б. Н., Устинов Д. А., Поляков В. Е. Динамическая устойчивость работы установок электроцентробежных насосов // Нефтяное хозяйство. - 2010. - № 9. - С. 104-106.

8. Абрамович Б. Н., Медведев А. В., Старостин В. В., Муратбакеев Э. Х. Минимизация ущерба при добыче нефти из-за кратковременных перерывов электроснабжения // Промышленная энергетика. - 2009. -№ 7. - С. 25-28.

9. Абрамович Б. Н., Виноградов И. В., Грин А. В., Лозовский С. Е., Сергеев А. М. Проблемы проектирования подстанций, систем контроля качества электроэнергии и учёта энергопотребления на горных предприятиях // Наука в СПГГИ(ТУ): Сб. научных трудов. - СПб.: СПГГИ(ТУ), 1998. Вып. 3. - С. 57-61.

10. Абрамович Б. Н., Лозовский С. Е., Тарасов Д. М. Практические вопросы поддержания режима напряжения на предприятиях по добыче, транспортировке и переработке нефти и газа // Энергетика в нефтедобыче. - 2003. - № 1. - С. 8-11.

The complex system of power quality control and improvement in power supply systems of oil-production enterprises B. N. Abramovich,

St. Petersburg State Mining University,

professor of department of Electrical engineering and electromechanics, D.T.S. Yu. A. Sychev,

St. Petersburg State Mining University,

assistant professor of department of Electrical engineering and electromechanics, Ph.D. D. A. Ustinov,

St. Petersburg State Mining University,

associate professor of Electrical engineering and electromechanics, Ph.D., associate professor Yu. L. Zhukovskij,

St. Petersburg State Mining University,

associate professor of Electrical engineering and electromechanics, Ph.D.

The complex system of power quality control and improvement in power supply systems of oil-production enterprises is suggested. The main reasons of power quality level mismatch to standards requirements in distributive networks of oil-production enterprises are developed. The recommendations for managing and carrying out the technical measures, which directed to control and improvement of power quality in power supply systems of oil-production enterprises are given and justified.

Keywords: power, power quality, system, control, improvement, oil-production enterprise.

—