СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МГНОВЕННОЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ
METHOD OF MEASUREMENT OF THE INSTANT REACTIVE POWER OF THE THREE-PHASE NETWORK

Предлагаемый способ относится к области электротехники и электроэнергетики и, в частности, может быть использован в системах централизованного контроля и мониторинга электроэнергетических систем, в системах компенсации реактивной мощности, в силовых активных фильтрах. Из уровня техники известны следующие решения в этой области. Известен способ определения действующего значения реактивной мощности трехфазной сети, увеличенной в  раз, осуществляемый посредством устройства, содержащего входные зажимы цепи тока и цепи напряжения, подключенные к фазным проводам контролируемой сети, устройства ввода напряжения, три перемножителя, суммирующее устройство и выходное фильтрующее и масштабирующее устройство. К выходу устройства подключено фильтрующее и масштабирующее устройство - фильтр низкой частоты. С помощью данного устройства осуществляют перемножение действующих значений фазных токов и межфазных напряжений и их суммирование по следующей формуле:
,
где Q - действующее значение реактивной мощности трехфазной сети;
- действующее значение реактивной мощности фазы C;
- действующее значение реактивной мощности фазы B;
- действующее значение реактивной мощности фазы A.
Данная формула вычисления представляет собой традиционную схему измерения реактивной мощности трехфазной сети тремя варметрами (Авторское свидетельство №1798714, дата публикации 28.02.1993).
A
B
C
A
B
C
Если представить u, u, u и i, i, i для симметричной нагрузки в следующем виде:
то при вычислении межфазных напряжений получаем:
где U, I -действующие значения фазного напряжения и тока.
В этом случае:
фазы
где Q - действующее значение реактивной мощности фазы.
Таким образом, получаем ,
где Q - действующее значение реактивной мощности трехфазной сети.
Данный способ направлен на определение действующего значения реактивной мощности трехфазной сети только раз за период электрического напряжения. При определении действующего значения реактивной мощности используют фильтрующее устройство, что увеличивает время такого измерения. Недостатками данного способа является то, что он включает операцию интегрирования (фильтр низкой частоты), уменьшающую скорость отклика при быстром изменении входной величины, что понижает точность измерения реактивной мощности трехфазной сети.
1
2
Известен способ измерения реактивной мощности в системах компенсации реактивной мощности, в котором осуществляют перемножение мгновенных значений напряжения u(t) и тока i(t) в процессе возврата энергии в сеть, т.е. мгновенные значения сигналов u и u не подвергаются дополнительным преобразованиям, при этом сохраняется точность измерения реактивной мощности как при синусоидальных, так и при несинусоидальных режимах потребления энергии (патент РФ 2293340, дата публикации 10.02.2007).
A
AC
B
BC
AC
AC
A
BC
BC
B
Известен способ определения реактивной мощности трехфазной сети, включающий измерение мгновенных значений токов двух фаз и мгновенных значений напряжений между этими фазами и третьей фазой, перемножение этих значений с получением фазных мощностей. Затем выделяют переменные составляющие этих произведений и интегрируют их с момента перехода междуфазных напряжений через ноль в течение заданного интервала времени. При подаче на входные шины измеренных сигналов i(t), U(t) и i(t), U(t) на выходе первого и второго перемножителей появляются сигналы, пропорциональные действующим значениям фазных реактивных мощностей p(t)=U(t)⋅i(t), p(t)=U(t)⋅i(t), а на выходе фильтров низких частот - сигналы, пропорциональные действующим значениями активных и реактивных мощностей (патент РФ 2263322, дата публикации 27.10.2005).
Недостатками такого решения являются:
- наличие в измерительном тракте фильтров для выделения переменных составляющих фазных мощностей, что увеличивает время измерения;
- наличие интегрирующих элементов на определенных временных промежутках, что также увеличивает время измерения.
sm
sm
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ определения мгновенной реактивной мощности, в котором один раз за период измеряют амплитуду тока I и напряжения U, значения sinϕ угла ϕ фазового сдвига тока в зависимости от интеграла разности измеренных величин напряжения и тока, после чего осуществляют перемножение указанных величин с получением мгновенной реактивной мощности согласно выражению:
где m - число фаз электромеханического преобразователя энергии (патент РФ 2141720, 20.11.1999).
sm
sm
Недостатком известного решения является то, что измерить амплитуду тока I и напряжения U, а также фазовый сдвиг возможно лишь раз за период, что ведет к низкой скорости и точности измерения мгновенной реактивной мощности трехфазной сети. Также недостатком является наличие интегрирующих элементов на определенных временных промежутках, что также уменьшает быстродействие способа измерения.
Задачей заявленного изобретения является создание более совершенного способа измерения мгновенной реактивной мощности трехфазной сети. Значение мгновенной реактивной мощности трехфазной сети q(t) является важным показателем негативного воздействия потребителя на качество электрической энергии в трехфазных сетях при неустановившейся нагрузке.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности и скорости измерения реактивной мгновенной мощности трехфазной сети.
Технический результат достигается за счет осуществления способа определения мгновенной реактивной мощности трехфазной сети, включающего измерение мгновенных значений токов трех фаз и мгновенных значений напряжений между этими фазами, взаимное перемножение этих значений, после чего осуществляют суммирование полученных сигналов, на выходе получают сигнал, пропорциональный мгновенной реактивной мощности трехфазной сети.
AB
BC
CA
A
B
C
В частном случае реализации способа суммированием осуществляют с коэффициентом, равным . Так, если представить мгновенные значения напряжений между фазами u, u, u и мгновенные значения токов трех фаз и i, i, i в следующем виде:
то из этого следует:
где U(t) - мгновенное значение модуля напряжения трехфазной сети, I(t) - мгновенное значение модуля тока трехфазной сети.
В итоге получаем:
где ϕ(t) - мгновенный угол между изображающим вектором тока I(t) и напряжения U(t) трехфазной сети.
q(t) - мгновенная реактивная мощность трехфазной сети.
a
b
c
bc
ca
ab
Таким образом, при осуществлении соответствующего перемножения мгновенных значений токов каждой фазы i, i, i трехфазной сети с мгновенными значениями межфазных напряжений u, u, u, сложения полученных значений с масштабным коэффициентом, в результате чего получают сигнал, пропорциональный мгновенной реактивной мощности трехфазной сети, обеспечивается возможность непрерывного измерения мгновенной реактивной мощности.
Заявленный способ позволяет определять мгновенное значение реактивной мощности трехфазной сети без необходимости осуществления операций интегрирования и дополнительного сглаживания полученного значения фильтрующим устройством, что приводит к повышению скорости измерения мгновенной реактивной мощности трехфазной сети. Сокращение количества преобразовательных операций в способе приводит к повышению точности измерения мгновенной реактивной мощности трехфазной сети по сравнению с ранее известными решениями.
При неустановившейся нагрузке значение мгновенной реактивной мощности трехфазной системы, полученное согласно заявленному способу, позволяет с высокой точностью моментально отслеживать величину запасенной электромагнитной энергии, например в индуктивностях трехфазных сетей с коэффициентом пропорциональности, равным удвоенной угловой частоте вращения изображающих векторов тока I и напряжения U трехфазной нагрузки.
Далее решение поясняется ссылками начертежи:
Фиг. 1 - блок-схема осуществления способа измерения мгновенной реактивной мощности трехфазной сети.
Фиг. 2 - примеры осциллограмм, отражающих значения мгновенной реактивной мощности и модуля изображающего вектора трехфазного напряжения.
На фиг. 1 представлена блок-схема, иллюстрирующая частный случай осуществления способа измерения мгновенной реактивной мощности трехфазной сети, которая состоит из перемножителей 1, 2, 3 (блоки перемножения мгновенных фазных токов с мгновенными межфазными напряжениями) и масштабного сумматора 4 с коэффициентом суммирования, равным .
В частном случае реализации изобретения способ осуществляют следующим образом.
a
b
c
ab
bc
ca
a
bc
b
ca
c
ab
Измеряют сигналы, пропорциональные мгновенным фазным токам i, i, i, и сигналы, пропорциональные мгновенным значениям мгновенных межфазных напряжений u, u, u. Затем осуществляют перемножение мгновенного значения тока фазы i с мгновенным значением межфазного напряжения u, перемножают мгновенное значение тока фазы i с мгновенным значением межфазного напряжения u, перемножают мгновенное значение тока фазы i с мгновенным значением межфазного напряжения u, затем суммируют полученные сигналы с коэффициентом, равным . Таким образом, получают сигнал, пропорциональный значению мгновенной реактивной мощности трехфазной системы.
Заявленный способ можно охарактеризовать следующим выражением:
,
a
b
c
где i, i, i - мгновенные фазные токи;
bc
ca
ab
u, u, u - мгновенные межфазные напряжения;
U(t), I(t) - мгновенные модули изображающих векторов напряжения и тока трехфазной системы;
ϕ - мгновенный угол фазового сдвига изображающего вектора тока I(t) относительно изображающего вектора напряжения U(t).
В частном случае реализации изобретения для осуществления заявленного способа могут использовать устройство, содержащее три блока перемножения 1, 2, 3 мгновенных фазных токов с мгновенными межфазными напряжениями, выходы которых соединены с входами сумматором 4 с масштабным коэффициентом, выход сумматора является выходом устройства.
a
b
c
bc
ca
ab
a
b
c
bc
ca
ab
На вход устройства поступают сигналы, пропорциональные мгновенным фазным токам i, i, i, и сигналы, пропорциональные мгновенным значениям межфазных напряжений u, u, u. Фазные токи i, i, i соответствующим образом перемножаются с сигналами мгновенных межфазных напряжений u, u, u в блоках перемножения. Полученные выражения складываются в сумматоре с коэффициентом суммирования, равным . На выходе сумматора присутствует сигнал, пропорциональный мгновенной реактивной мощности трехфазной системы.
Таким образом, заявленный способ позволяет мгновенно измерить текущее значение мгновенной реактивной мощности трехфазной сети в каждый момент времени непрерывно, без какой-либо дискретизации времени, даже на интервале периода питающего напряжения.
При применении заявленного способа на прецизионных (высокоточных) аналоговых микросхемах время измерения сигнала мгновенной реактивной мощности q(t) определяется временем преобразования информационного сигнала аналоговой микросхемой. Такое время преобразования является очень небольшой величиной (см. пример 1).
Пример 1
Время отклика измерительного тракта при вычислении q(t) в основном определяется полосой пропускания аналогового перемножителя и временем установки сигнала. В частном случае для перемножителя ADL 539 L максимальная полоса пропускания составляет 2 GHz, точность перемножения - 1%, время установления сигнала - 2 нс.
Для микросхем AD 632 эти же параметры составляют соответственно 1 MHz, 0,25%, 2 мкс.
Пример 2
На фиг. 2 представлен пример осциллограмм, полученных при непрерывном определении значений мгновенной реактивной мощности трехфазной сети и модуля изображающего вектора трехфазного напряжения в соответствии с заявленным способом.
m
На осциллограммах приведены кривые мгновенной мощности q(t) и модуля изображающего вектора напряжения трехфазной системы u(t) при включении выпрямительной нагрузки, подключенной к распределительному щиту с помощью кабеля определенной длины, где q1(t), um1 - значения, измеренные в точке подключения нагрузки к питающему кабелю; q2(t), um2 - в точке подключения питающего кабеля к распределительному щиту
1
2
m1
m2
Осциллографирование проводилось в точке подключения к распределительному щиту и непосредственно на клеммах выпрямительного устройства. Все четыре параметра q(t), q(t), u, u записывались одновременно. Характер поведения q(t) обусловлен коммутацией выпрямительных элементов.
Как видно из осциллограмм, характер поведения кривой q(t) определяет изменения в величине модуля изображающего вектора U(t). Компенсируя переменную составляющую q(t) с помощью силового активного фильтра можно улучшить качество электрического напряжения в точке его подключения к распределительному щиту.
Таким образом, предложенный способ позволяет непрерывно преобразовывать информацию о величине мгновенных фазных токов и напряжений и определять мгновенную реактивную мощность трехфазного потребителя, а также непрерывно отслеживать данную величину на интервале периода питающего напряжения. Заявленный способ можно применять для контроля и мониторинга электроэнергетических систем, для увеличения быстродействия систем компенсации реактивной мощности, а также в системах компенсации нелинейных искажений напряжения трехфазных систем при использовании силовых активных фильтров.