СИСТЕМА МОНИТОРИНГА КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА БАЗЕ СИНХРОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области построения систем непрерывного мониторинга качества электрической энергии (КЭЭ) и может быть использована при решении задач непрерывного мониторинга КЭЭ, определения виновников ухудшения КЭЭ, их фактического долевого вклада в общее ухудшение ККЭ, причин ухудшения КЭЭ.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время измерения показателей качества электроэнергии (ПКЭ) выполняются согласно ГОСТ Р 51317-4-30-2008 и ГОСТ Р 53333-2008. Существующие системы измерения и контроля ПКЭ рассчитаны, как правило, на сбор и обработку показаний, выполняемые в ходе периодических проверок и не имеющие постоянной непрерывной основы. Эффективность таких систем определяется объемом доступной для анализа значимой информации, такой как, ток, напряжения, частота, мощность и т.д. и количественные показатели, как например, приращения электроэнергии, накопительные итоги.
Однако малая информативность и достоверность предоставляемых данных, отсутствие непрерывного мониторинга препятствует решению задач по анализу причин нарушения КЭЭ, определению источника ухудшения КЭЭ и вклада каждого потребителя электрической энергии (ЭЭ) в ухудшение КЭЭ в условиях большого количества потребителей.
Известна автоматизированная система коммерческого и технического учета электроэнергии (патент на полезную модель №80600, МПК G06F 17/00, приоритет от 16.06.2008), состоящая из автоматизированного устройства коммерческого и технического учета электроэнергии, в которое входят счетчики активной и реактивной энергии тяговых подстанций, блок сбора и передачи данных, блок сбора и интегрирования информации, из устройства моделирования работы системы тягового электроснабжения, состоящего из блока хранения паспортных и справочных данных, блока базы данных параметров системы тягового электроснабжения, блока базы данных путевого развития участков полигона, блока базы данных токовых характеристик, блока базы данных скоростных характеристик, блока расчета системы тягового электроснабжения, блока построения мгновенных схем, блока коррекции работы системы, блока контроля адекватности работы системы, блока определения потерь электроэнергии, блока определения тягового электропотребления и из устройства контроля поездной работы на участке, причем в устройство коммерческого и технического учета электроэнергии автоматизированной системы дополнительно введен блок измерения показателей качества электроэнергии, который соединен последовательно со входом блока сбора и интегрирования информации, в котором, в свою очередь, дополнительно выполнено два выхода, в устройство моделирования работы системы тягового электроснабжения автоматизированной системы введен блок контроля и прогнозирования показателей качества электроэнергии, который имеет один выход и два входа, один из которых соединен с выходом блока определения тягового электропотребления, а второй - с выходом блока сбора и интегрирования информации устройства коммерческого и технического учета электроэнергии, в устройство контроля поездной работы на участке дополнительно введен блок прогнозирования тягового электропотребления, который одним входом соединен с блоком прогнозирования поездной работы того же устройства и двумя входами соединен с блоками определения тягового электропотребления и расчета системы тягового электроснабжения устройства моделирования системы тягового электроснабжения.
Наиболее близким по технической сущности является информационно-измерительная система для контроля качества электрической энергии (патент на полезную модель №88157, МПК G01R 17/02, приоритет от 06.07.2009), содержащая последовательно соединенные аналоговый блок, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и интерфейсный блок, связанный с локальной вычислительной сетью, а также подключенные к входу микроконтроллера клавиатуру, часы и Flash-память и подключенный к выходу микроконтроллера индикатор, при этом на измерительные входы аналогового блока подаются измеряемые сигналы, а его управляющий вход соединен с управляющим выходом микроконтроллера. Программное обеспечение функции определения спектральных составляющих входного сигнала выполнено таким образом, что входные отсчеты по времени умножаются на оцифрованную оконную функцию, которая вычисляется предварительно и сохраняется в памяти микроконтроллера, а частоты, амплитуды, фазы гармоник определяются по сохраненному в памяти микроконтроллера набору эталонных частотных характеристик оконной функции, каждая из которых сдвинута по частоте относительно друг друга на величину, определяемую необходимой точностью измерения спектральных составляющих сигнала.
Общий недостаток вышеупомянутых измерительных систем, раскрытых в патентах РФ №88157 и №80600 состоит в том, что в них не обеспечивается возможность проведения синхронных во времени измерений ПКЭ, т.е. измерений, выполняемых на одном и том же интервале времени и привязанных к единому календарному времени. Применяемые в информационно-измерительных системах сбора устройства имеют большой разброс относительно точности меток времени и не обеспечивают требуемой синхронности измерений ПКЭ. Расхождение меток времени измерений в устройствах определяется количеством последовательно опрашиваемых устройств, скоростью обмена, типом протокола, временем реакции устройства и может достигать нескольких секунд.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в повышении качества и достоверности анализа КЭЭ, обеспечении более точного выявления причин и виновников нарушений КЭЭ, выполнения комплексного учета количества и КЭЭ. Под качеством анализа КЭЭ понимается, прежде всего, обеспечение заданного качества обработки сигналов (быстродействие, точность измерений в заданных диапазонах контролируемых параметров и т.д.) и обеспечение требуемой синхронности измерений устройствами измерений ПКЭ.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Поставленная задача решается за счет того, что система мониторинга КЭЭ на базе синхронных измерений ПКЭ, включает в свой состав информационно-вычислительный комплекс, выполненный с возможностью осуществления функций мониторинга КЭЭ в энергосистеме и выявления виновников и причин нарушения КЭЭ, подключенный через сеть передачи данных системы мониторинга КЭЭ, по крайне мере, к одному программно-аппаратному комплексу синхронных измерений показателей КЭЭ энергообъекта, состоящему из устройств синхронных измерений ПКЭ, объединенных сетью передачи данных энергообъекта, причем каждое из устройств синхронных измерений, выполненное с возможностью обеспечения оценки КЭЭ в точке измерения и осуществления одновременных измерений ПКЭ в фиксированные временные интервалы, подключено через сеть тактовой синхронизации к внешнему источнику единого времени и содержит коммуникационный интерфейс, связанный с сетью передачи данных энергообъекта, блок тактовой и календарной синхронизации, подключенный через интерфейс тактовой синхронизации к сети тактовой синхронизации, интерфейс измерительных трансформаторов, подключенный к измерительным трансформаторам, блок обработки первичных данных, подключенный к интерфейсу измерительных трансформаторов, коммуникационному интерфейсу, блоку тактовой и календарной синхронизации, блок измерения ПКЭ и учета электроэнергии, подключенный к блоку обработки первичных данных и блоку тактовой и календарной синхронизации, блок контроля ПКЭ, подключенный к блоку измерения ПКЭ и учета электроэнергии, база данных, подключенная к блоку контроля ПКЭ, блоку измерения ПКЭ и учета электроэнергии, телекоммуникационный блок, подключенный к коммуникационному интерфейсу, базе данных, блоку измерения ПКЭ и учета электроэнергии.
В частном варианте реализации системы мониторинга КЭЭ на базе синхронных измерений ПКЭ, сеть тактовой синхронизации совмещена с сетью передачи данных энергообъекта.
Использование тактовой синхронизации по сети Ethernet в соответствии с протоколом стандарта IEEE 1588, обеспечивает высокую точность синхронизации данных по времени и упрощает сетевую архитектуру.
В одном частном варианте реализации системы мониторинга КЭЭ на базе синхронных измерений ПКЭ, блок обработки первичных данных, подключенный через коммуникационный интерфейс к цифровым измерительным преобразователям, выполнен с возможностью принимать мгновенные значения тока и напряжения в цифровом формате, в соответствии с международным информационным протоколом, и обрабатывать эти данные совместно с данными приходящими от интерфейса измерительных трансформаторов.
Использование для передачи данных международных информационных протоколов, в частности протоколов стандарта IEC 61850, обеспечивает открытость, интероперабельность и унификацию информационного обмена.
В еще одном частном варианте реализации системы мониторинга КЭЭ на базе синхронных измерений ПКЭ, база данных устройств синхронных измерений ПКЭ выполнена с возможностью хранения архивов измерений ПКЭ, журналов нарушений ПКЭ, архивов отчетов по качеству электрической энергии, архивов интервального учета электроэнергии с признаком качества электроэнергии.
Реализация устройства с хранением архивов измерений ПКЭ, журналов нарушений ПКЭ, архивов отчетов по КЭЭ, архивов интервального учета электроэнергии с признаком КЭЭ во внутренней базе данных, обеспечивает повышение эффективности использования каналов связи, наличие резервного источника данных при сбоях ИВК, а также обеспечивает возможность автономной работы устройств синхронных измерений ПКЭ.
В еще одном частном варианте реализации системы мониторинга КЭЭ на базе синхронных измерений ПКЭ, устройства синхронных измерений ПКЭ, выполнены с возможностью осуществления одновременного с измерением ПКЭ интервального учета потребленной, отданной электрической энергии и оценку качества электроэнергии за временные интервалы учета, при этом результаты измерений записываются в архив данных интервального учета электроэнергии с признаком качества электроэнергии.
Использование устройств синхронных измерений ПКЭ, как для выполнения функции контроля и оценки качества электроэнергии, так и для интервального учета, обеспечивает единство и достоверность измерений и позволяет избежать проблем, связанных со сведением данных от отдельных монофункциональных устройств, реализующих указанные функции.
В еще одном частном варианте реализации системы мониторинга КЭЭ на базе синхронных измерений ПКЭ, устройства синхронных измерений ПКЭ выполнены с возможностью фиксации нарушений качества электроэнергии, измерения параметров нарушений качества электроэнергии в точке измерения и формирования на основе измерений журнала нарушений ПКЭ и отчетов по качеству электрической энергии, которые сохраняются в архиве данных устройства синхронных измерений ПКЭ.
Выполнение функции измерения и контроля качества электроэнергии, совмещенной с функцией ведения журнала нарушений, позволяет фиксировать непродолжительные по времени нарушения и фиксировать их в базе данных для дальнейшей обработки.
Устройства синхронных измерений ПКЭ со встроенной возможностью ведения отчетов ПКЭ позволяет, во-первых использовать данные устройства автономно, а во-вторых обеспечивает легитимность, сохранность и конфиденциальность сформированных отчетов по КЭЭ.
В еще одном частном варианте реализации системы мониторинга КЭЭ на базе синхронных измерений ПКЭ, устройства синхронных измерений ПКЭ выполнены с возможностью измерения ПКЭ, которые сохраняются в архиве измерений ПКЭ базы данных устройства синхронных измерений ПКЭ и передаются в телекоммуникационный блок для дальнейшей передачи в коммуникационный интерфейс в виде коммуникационных пакетов данных, соответствующих международным протоколам передачи данных.
Использование устройств синхронных измерений ПКЭ с телекоммуникационным блоком, поддерживающим передачу информации в соответствии с международными протоколами передачи данных, обеспечивает упрощение процессов интеграции устройств в ИВК верхнего уровня.
В еще одном частном варианте реализации системы мониторинга КЭЭ на базе синхронных измерений ПКЭ, телекоммуникационный блок выполнен с возможностью формирования пакетов данных, на основании данных передаваемых ему от блока измерений ПКЭ и учета электроэнергии, а также данных, получаемых из базы данных устройства синхронных измерений ПКЭ, при этом сформированные пакеты данных передаются в коммуникационный интерфейс, а данные поступающие от коммуникационного интерфейса используются телекоммуникационным блоком для формирования ответных коммуникационных пакетов, изменения конфигурации и режима работы устройства.
Использование устройств синхронных измерений ПКЭ с телекоммуникационным блоком, допускающим изменение конфигурации и режима работы устройства, обеспечивает сокращение эксплуатационных расходов на переконфигурирование устройства и повышает гибкость управления системой.
В еще одном частном варианте реализации системы мониторинга КЭЭ на базе синхронных измерений ПКЭ, информационно-вычислительный комплекс содержит сеть передачи данных ИВК, объединяющую автоматизированные рабочие места, сервер сбора и обработки данных, сервер системы управления базой данных и, соединенную с сетью передачи данных системы мониторинга качества электрической энергии, к которой подключены сети передачи данных энергообъектов.
Использование системы мониторинга КЭЭ на базе синхронных измерений ПКЭ, включающей в свой состав информационно-вычислительный комплекс, сеть передачи данных информационно-вычислительного комплекса, автоматизированные рабочие места, сервер системы управления базой данных, сервер сбора и обработки данных, обеспечивает масштабируемость системы и повышает доступность информации, предоставляемой системой.
Следует понимать, что вышеописанной системе мониторинга КЭЭ на базе синхронных измерений ПКЭ может быть присущи все или некоторые из признаков вышеописанных частных вариантов реализации, при условии, что они совместимы друг с другом, и такие комбинации признаков также включены в объем настоящей полезной модели.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемой системы мониторинга КЭЭ на базе синхронных измерений ПКЭ.
На фиг.2 показана функциональная схема устройства синхронных измерений ПКЭ.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Полезная модель, представленная на фиг.1, содержит в себе информационно-вычислительный комплекс (ИВК), сеть передачи данных системы мониторинга качества электрической энергии (СПД СМ КЭЭ), программно-аппаратные комплексы синхронных измерений показателей КЭЭ энергообъектов (ПАК ЭО), состоящих из устройств синхронных измерений ПКЭ (УСИ ПКЭ), подключенных через сеть передачи данных энергообъекта (СПД ЭО) к сети передачи данных системы мониторинга качества электрической энергии (СПД СМ), и через сеть тактовой синхронизации (СТС) к внешнему источнику единого времени (ИЕВ). ИВК включает в свой состав сеть передачи данных информационно-вычислительного комплекса (СПД ИВК), автоматизированные рабочие места (АРМ), систему управления базами данных (СУБД) и сервер сбора и обработки данных (ССОД).
Функциональная схема УСИ ПКЭ представленная на фиг.2 содержит коммуникационный интерфейс (КИ), связанный с СПД ЭО и цифровыми измерительными преобразователями (ЦИП), блок тактовой и календарной синхронизации (БС), подключенный через интерфейс тактовой синхронизации (ИТС) к сети тактовой синхронизации (СТС), интерфейс измерительных трансформаторов (ИИТ), подключенный к измерительным трансформаторам (ИТ), блок обработки первичных данных (БО), блок измерения ПКЭ и учета электроэнергии (БИ), блок контроля ПКЭ (БК), базу данных (БД), телекоммуникационный блок (ТБ). В состав БД входит архив измерений ПКЭ (АИ), журнал нарушений ПКЭ (ЖН), архив отчетов по КЭЭ (АО), архив интервального учета электроэнергии с признаком КЭЭ (АИУ).
Основными функциями системы мониторинга КЭЭ на базе синхронных измерений ПКЭ является измерение ПКЭ и мониторинг КЭЭ, ведение интервального учета электроэнергии с фиксированием ПКЭ на заданном интервале времени, анализ КЭЭ с целью выявления причин нарушений КЭЭ, выявления виновников нарушений КЭЭ, формирования предупредительной сигнализации о нарушении технологических норм КЭЭ и прогнозирования КЭЭ в дальнейшем.
Работа системы мониторинга КЭЭ осуществляется следующим образом.
УСИ выполняет измерения ПКЭ и интервальный учет ЭЭ на основании данных, поступающих от первичных трансформаторов тока и напряжения. При использовании ИТ с аналоговым интерфейсом, измеренные данные о токе и напряжении поступают на УСИ через ИИТ, который осуществляет нормализацию входных сигналов и последующее их аналого-цифровое преобразование. В частном варианте реализации с использованием ЦИП, измеренные данные в цифровом формате поступают на УСИ через КИ.
Получаемые через ИИТ данные поступают в БО, в котором на основании сигналов, поступающих от БС, выполняется временная привязка первичных данных, причем, при приеме данных от ЦИП, производится их совмещение с данными от ИТ в единый информационный блок данных. БО компенсирует неодинаковые задержки, возникающие в аналоговых и цифровых линиях связи, тем самым обеспечивая синхронность принимаемых от ИТ и ЦИП измеренных данных. Синхронизация БС осуществляется на основании сигналов и информации поступающей через ИС и СТС с ИЕВ, в качестве которого может быть применен сетевой сервер точного времени или источник временной синхронизации GPS или ГЛОНАСС.
Обработанные первичные измерительные данные передаются в БИ в унифицированном виде (т.е. независимо от пути получения этих данных). Блок измерения ПКЭ на основании первичных измерительных данных производит вычисление ПКЭ, интервальный учет электроэнергии. Все полученные результаты дополнительно снабжаются метками времени, получаемыми от блока инструментальной и календарной синхронизации. Полученные данные передаются в телекоммуникационный блок для дальнейшей обработки и в архив измерений ПКЭ, размещенный во внутренней памяти УСИ ПКЭ, а также передаются в специализированный блок контроля ПКЭ.
В блоке контроля ПКЭ производится оценка, полученных ПКЭ на соответствие нормативным требованиям и технологическим нормам. При нарушении указанных норм производится фиксация нарушений в ЖН ПКЭ. Кроме того, по результатам оценки КЭЭ на интервале и данных по интервальному учету электроэнергии формируется АД ИУЭ с признаком КЭЭ. Дополнительно к указанным функциям БК ПКЭ производит формирование отчетов КЭЭ, на основании которого формируется АО КЭЭ, размещаемый в БД УСИ.
ТБ обеспечивает обработку данных, поступающих от КИ, выполняя трансляцию полученных сетевых пакетов данных в формат международных протоколов передачи данных в команды для изменения конфигурации или режима работы устройства. Кроме того, по запросу, полученному через КИ, или при выполнении внутреннего алгоритма работы УСИ, ТБ осуществляет и обратное преобразование данных УСИ в сетевые пакеты в формате международных протоколов передачи данных. Основанием для формирования подобных пакетов может являться как запрос, полученный через КИ, так и выполнение внутреннего алгоритма работы УСИ, причем в качестве передаваемых данных выступают ПКЭ, получаемые от БИ ПКЭ, либо данные из БД устройства.
Для повышения качества и достоверности анализа КЭЭ УСИ ПКЭ, входящие в состав ПАК СИ ПКЭ энергообъектов и размещенные в точках контроля КЭЭ (ввода, отходящие линии и крупные потребители в рамках энергообъекта), выполняют синхронные измерения ПКЭ на одних и тех же интервалах времени.
Данные сформированные УСИ ПКЭ, через СПД ЭО и СПД СМ передаются к ИВК на сервер сбора и обработки данных ИВК. В рамках данного сервера производится вычислительные и логические операции, предусмотренные процессом измерений и алгоритмами обработки результатов измерений с целью обнаружения причин и источника ухудшения КЭЭ, измерения фактического долевого вклада каждого потребителя электрической энергии в ухудшение КЭЭ.
Сервер сбора и обработки данных ИВК обеспечивает автоматическое считывание и обработку результатов измерений, получение результатов измерений, организацию приоритетов, очередей, диалоговый режим работы с оператором, контроль работоспособности измерительных каналов, выработку управляющих воздействий. Клиентские АРМ отвечают за организацию человеко-машинного интерфейса, управление настройками и администрирование системы, организацию взаимодействия с сервером базы данных. Сервер СУБД предназначен для хранения, контроля целостности информации, централизованного управления и организации доступа к информации различных пользователей.