Оценка влияния потребителей и энергоснабжающей организации на искажение напряжения в точке общего присоединения

УДК 621.311

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ И ЭНЕРГОСНАБЖАЮЩЕИ ОРГАНИЗАЦИИ НА ИСКАЖЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ТОЧКЕ ОБЩЕГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ

1 О

А.С. Афанасенко1, Д.С. Федосов2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведён обзор существующих методов оценки влияния потребителей и энергоснабжающей организации на искажение напряжения в точке общего присоединения, выполнено доказательство неаддитивности напряжения искажения. Предложен новый метод оценки влияния участников системы электроснабжения на искажение напряжения, учитывающий неаддитивность напряжения. В качестве основного параметра, по которому производится оценка характера влияния, предлагается использовать автономное напряжение искажения. Количественная оценка влияния выполнена с помощью расчёта коэффициента влияния. Ил. 1. Табл. 2. Библиогр. 8 назв.

Ключевые слова: качество электрической энергии; искажение напряжения; высшие гармоники; источники гармоник; несимметрия напряжений; фактический вклад; уровень гармонической эмиссии.

ASSESSMENT OF THE INFLUENCE OF CONSUMERS AND A POWER SUPPLYING ORGANIZATION ON VOLTAGE DISTORTION AT THE POINT OF COMMON CONNECTION A.S. Afanasenko, D.S. Fedosov

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The article reviews existing methods to assess the influence of consumers and a power supplying organization on voltage distortion at the point of common connection and proves the non-additivity of voltage distortion. It proposes a new method to assess the influence of power supply system participants on voltage distortion, taking into account the non-additivity of voltage. As a main parameter to estimate the nature of influence, it is proposed to use the off-line distortion voltage. Quantitative influence assessment is performed by calculating the coefficient of influence. 1 figure. 2 tables. 8 sources.

Key words: quality of electric power; voltage distortion; higher harmonics; sources of harmonics; unbalanced voltages; actual contribution; level of harmonic emission.

В настоящее время общепризнано, что электрическая энергия является товаром. Как и любой товар, электроэнергия характеризуется определённым качеством (КЭЭ), показатели которого приведены в работе [1].

Специфика электрической энергии заключается в том, что её качество зависит не только от энергоснабжающей организации (ЭСО), но и от потребителей электроэнергии. В [1] указано, что для таких свойств электроэнергии, как несинусоидальность и несимметрия трёхфазной системы напряжений, называемых в дальнейшем искажением напряжения, виновниками превышения допустимых значений показателей качества электроэнергии (ПКЭ) являются преимущественно потребители с нелинейными и несимметричными нагрузками соответственно.

Очевидно, что при подключении к точке общего присоединения (ТОП) нескольких потребителей с нелинейными и/или несимметричными нагрузками каждый из них в большей или меньшей степени влияет на

искажение напряжения в ТОП. Известны различные способы определения степени влияния потребителей и ЭСО на искажение напряжения в электрической сети [2, 3, 4, 5, 6].

Так, в [2] предложены методы определения характера нагрузки по фазовому углу между напряжением и током искажения, а также по знаку активной мощности на высших гармониках и для обратной последовательности. Количественную оценку влияния участника системы электроснабжения (СЭС) при наличии в ТОП нескольких искажающих субъектов предлагается выполнять в соответствии с приложением Б [2] при помощи расчёта фактического вклада в искажение напряжения в ТОП. Известно множество модификаций данного метода, представленных в отечественной [3, 4, 5] и зарубежной [6] литературе и так или иначе использующих понятие о фактическом вкладе (ФВ) или доле отдельных потребителей и ЭСО в напряжении искажения.

По рассчитанным ФВ потребителя или ЭСО в

1Афанасенко Александр Семёнович, доцент кафедры электрических станций, сетей и систем, тел.: 89025139082, e-mail: afanasenko_al@mail.ru

Afanasenko Alexander, Associate Professor of the Department of Power Stations, Electrical Networks and Systems, tel.: 89025139082, e-mail: afanasenko_al@mail.ru

2Федосов Денис Сергеевич, аспирант, учебный мастер кафедры электрических станций, сетей и систем, тел.: 89501263835, e-mail: fedosov_ds@mail.ru

Fedosov Denis, Postgraduate, instructional master of the Department of Power Stations, Electrical Networks and Systems, tel.: 89501263835, e-mail: fedosov_ds@mail.ru

напряжение искажения определялись коэффициенты скидок или надбавок к тарифу на электроэнергию в соответствии с разделом 4 инструкции [7]. Таким образом, существовавшая методика позволяла стимулировать потребителей, имеющих искажающие электроприёмники и потребляющие ввиду этого электроэнергию по штрафному тарифу, выполнять мероприятия по нормализации ПКЭ. В свою очередь участники СЭС, не имеющие источников искажений и потребляющие электроэнергию, качество которой не соответствует требованиям [1], получали электроэнергию по льготной цене.

Методические указания [2] утратили силу с 1 августа 2006 г. Инструкция [7] была отменена приказом Минэнерго № 167 от 28 декабря 2000 г. В настоящее время в соответствии с приказом [8] контроль и обязательная сертификация КЭЭ предусматривает подтверждение соответствия стандарту [1] только двух ПКЭ - отклонения частоты и установившегося отклонения напряжения. Однако на данный момент нет действующих нормативно-технических документов, которые устанавливали бы порядок определения степени влияния субъектов на несимметрию и несинусоидальность напряжений в электрической сети. По этой причине отсутствует имеющий юридическую силу способ экономического регулирования отношений поставщиков и потребителей электроэнергии в части вышеупомянутых ПКЭ. Этим и обусловлена актуальность данной работы.

Общим свойством методов оценки влияния потребителей на искажение напряжения [2-6] является то, что при их использовании в ходе определения ФВ напряжение искажения в узле электрической сети бездоказательно считается аддитивным.

Аддитивность - это свойство величины, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величин, соответствующих его частям, независимо от способа деления. Примерами аддитивных величин являются объём, масса физического тела. Неаддитивная величина - это, к примеру, площадь поверхности тела. Говорить об однозначно определяемом ФВ в напряжении искажения можно только в том случае, если доказано, что напряжение искажения обладает свойством аддитивности. Однако может быть доказано обратное.

Для определения влияния участников СЭС на искажение напряжения в ТОП используется схема замещения (СЗ) субъектов в виде двухполюсника, которая приведена на рисунке [2-6] (для примера принято, что к ТОП подключено 4 субъекта). Такая СЗ используется для анализа как несимметричных режимов (СЗ обратной или нулевой последовательности), так и несинусоидальных режимов (СЗ на рассматриваемой высшей гармонике).

В данной СЗ 1г, /2, 13, /4 - источники тока искажений (тока гармонических составляющих или тока обратной последовательности), определённые для

интервала усреднения 3 с; ^ , Г2, 73, Г4 - проводимости данных источников тока. Линейный (симмет-

ричный) участник СЭС, очевидно, представляется в данной СЗ только проводимостью, тогда как чисто нелинейный или несимметричный искажающий потребитель - в виде одного лишь источника тока. Смешанные потребители, имеющие в своём составе как искажающие, так и неискажающие электроприёмники, в СЗ имеют оба элемента - ненулевые ток искажения и проводимость. Следует также отметить, что данной СЗ могут быть представлены как потребители, так и ЭСО.

I СШ

СШ

Схема замещения субъектов, подключённых к ТОП

Для доказательства неаддитивности напряжения искажения примем, что все участники СЭС являются искажающими и имеют параметры схем замещения, приведённые в табл. 1.

Таблица 1

Участник СЭС 4 А Ь, См

1 50 5

2 30 5

3 -10 5

4 10 5

По методу узловых потенциалов напряжение искажения в ТОП:

/1+/2+/3+/4 _ 80 А

= 4 В.

20 СМ

Отключим секционный выключатель (СВ), разделив секции шин. Напряжения искажения на секциях шин после отключения:

_ Д+Д _ 40 А

и

иск. 1СШ

2^+Уз 10 См

= 4 В;

и.

иск.ПСШ

/2+/4 _40А =4В

Г2+Г4 10 См

Легко убедиться в том, что полученные напряжения в сумме (8 В) не дают напряжения в ТОП при включенном СВ (4 В). Следовательно, напряжение искажения аддитивностью не обладает, поэтому использование понятия о вкладе в напряжение искаже-

ния некорректно. Ввиду этого невозможно определение доли отдельного участника СЭС в общем напряжении искажения в ТОП.

В данной работе предлагается метод оценки влияния потребителей на напряжение искажения, который позволяет избавиться от недостатков существующих методов, основанных на нахождении доли участника СЭС в напряжении искажения, и корректно оценить влияние участников СЭС на КЭЭ.

В качестве исходной СЗ принята та же схема, что и на рисунке. В общем случае для N участников СЭС напряжение искажения в ТОП определяется по выражению:

и.

иск.ТОП

/1+/2+/з+...+д+...+4 ¥1+¥2+¥3+...+ ¥,+... + ¥,

=

Т1

/ 1 т

_ т=1_

= N '

У ¥

/ , —т

т=1

Как видно из (1), все участники СЭС могут изменять и числитель, и знаменатель этого выражения, следовательно, все они влияют на величину напряжения искажения. Введём обозначения:

N

4Г = А +Л +/3+...+Д+...+4 = У

т=1

N

¥Г = ¥1 + ¥2 + ¥ з +...+¥к +...+¥N = У ¥т;

т =1

N

= 11 + 12 + 1з +... + 1к +... + ^ = У 1т;

т =1

N

¥/ = ¥1 + ¥2 + ¥3 +... + ¥к +... + ¥N =У ¥т,

где /Е и ¥Е - геометрические (векторные) суммы соответственно токов искажения и проводимостей участников СЭС; I$ и - арифметические суммы тех же величин. Обозначим также:

КС1 =

Т

, Кст

¥ Г

Е Е

где К , К - коэффициенты совпадения по фазе

соответственно токов и проводимостей. Из (3) получим

\ТГ - К ТАНе ЛС/ Е '

¥ Г

— К Уа

КС¥ ' ¥Е

С учётом (1) и (4) запишем выражение для модуля напряжения искажения в ТОП:

и..

(.ТОП

Ка • 4

К УА

КС¥ ' ¥Е

Введём понятие коэффициента выгодности:

К_„ =

К

С1

Тогда из

и„.

1 I.

..ТОП

к у а

Квыг ¥Е

В общем виде условием допустимости режима является неравенство

ииск.ТОП — ииск.доп. ,

где имскдои - допустимая по [1] величина напряжения

л-й гармонической составляющей или напряжения обратной последовательности, задаваемая соответствующими коэффициентами. С учётом (2) и (7) можно записать:

1 11 + 12 + 13 + ... +Ь + ... + 1М,^и

Квыг ¥1 + ¥2 + ¥3 +... + ук +... + ¥ы

Из (9) получаем, что

(Квыгииск.доп¥1 ~ 11 ) +

иск.доп.

.

+ ( К^и

+...+(квыгиг

иск.доп. 2

иск.доп.

¥2 -12 ) +

-1N )> 0.

Достаточным условием соблюдения неравенства (10) будет неотрицательность каждого из членов суммы в его левой части. Данное условие является логически обоснованным, поскольку обеспечивает равное распределение ответственности между всеми N участниками СЭС, подключёнными к данной ТОП, за поддержание и^ТОП в допустимых пределах. Таким

образом, для отдельно взятого к-го участника СЭС можно записать

КвЬ1гииск.до„¥к - 1к > 0 .

Отсюда

К и >

выг иск.доп. тт .

¥к

I

Обозначим = икт\ где иаквт - автономное

¥к

напряжение искажения, создаваемое к-ым участником СЭС. Тогда условие выполнения неравенства

иаг— Квь1гиик до„,

Обозначим Киск.доп. = и^, где и^. - скорректированное допустимое напряжение искажения. Неравенство (13) можно записать в виде

т тавт. ^ т ткорр.

ик — и иск.доп.

Выражение (14) позволяет однозначно определить, является ли допустимым влияние к-го субъекта на искажение напряжения в ТОП. Рассмотрим два предельных случая:

- если = 0 при ненулевой проводимости (линейный или симметричный потребитель), то

т =1

Возможные значения параметров СЗ и соответствующие им

Таблица 2

автономные нап ряжения и коэффиц иенты влияния

Значения параметров СЗ Автономное напряжение Коэффициент влияния

Ik=0-Yk*0 иквт' - 0

Yk=0-,Ik*0 Щвт- +оо

ттавт. ^ тткорр. к иск.доп. К, < 0

т тает. _ т ткорр. к иск.доп. - 0

ттавт. . тткорр. к иск.доп. Ка > 0

иГ = 0. При этом условие (14) всегда выполняется, и такой участник СЭС никогда не будет виновен в недопустимом напряжении искажения в узле электрической сети;

- если же Ук = 0 при ненулевом токе искажения

(чисто искажающий потребитель), то и™™' .

Таким образом, потребитель, имеющий только искажающую нагрузку, по (14) всегда будет виновен в недопустимом напряжении искажения в ТОП. Для выполнения условия (14) такому потребителю необходимо увеличить собственную проводимость Ук установкой фильтров или компенсирующих устройств и снизить тем самым и™™'.

Для количественной оценки влияния к-го участника СЭС на искажение напряжения в ТОП может быть введено понятие коэффициента влияния:

т jавт. т ткорр.

TS _ U k и иск.доп.

Кел.к — '

и:

TTК°рр.

иск. доп.

и трр. иск.доп.

-1.

Коэффициент влияния может принимать значения от -1 до :

- если КвлАг отрицателен, то к-й участник СЭС

оказывает положительное влияние на имжГОЯ: его отключение приводит к увеличению напряжения искажения в ТОП. При минимальном Ктк = —1 к-й

участник СЭС не имеет источников искажения и в СЗ представлен только проводимостью Ук;

— если Ктк = 0, то к-й участник СЭС имеет

Подключение или отключение субъекта не изменяет напряжение искажения в ТОП;

- если Ктк положителен, то к-й участник СЭС

оказывает отрицательное влияние на напряжение искажения в ТОП: его отключение вызывает снижение

т тает U k

— и Корр.

иск. доп.

и..

г. Чисто искажающий к-й участник СЭС пред-

ставлен в СЗ только током искажения 1к и имеет

Окончательно возможные значения параметров СЗ и соответствующие им автономные напряжения искажения и коэффициенты влияния представлены в табл. 2.

Таким образом, предложенный метод, учитывающий неаддитивность напряжения искажения в ТОП, даёт возможность корректно и однозначно определить, является ли допустимым влияние участника СЭС на искажение напряжения. Количественно влияние к-го участника СЭС оценивается с помощью коэффициента К . Последний параметр может быть

использован для создания способа экономического регулирования взаимоотношений между поставщиками и потребителями электроэнергии в части ПКЭ, связанных с несимметрией и несинусоидальностью.

Библиографический список

1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1998.

2. РД 153-34.0-15.502-2002. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Ч. 2. Анализ качества электрической энергии. М.: Энергосервис, 2002.

3. Амелькина Н.А., Бодрухина С.С., Цырук С.А. Определение фактического вклада несимметричных потребителей в искажение качества электрической энергии в точке общего присоединения // Электрика. 2005. № 4. С. 17-21.

4. Смирнов С.С., Коверникова Л.И. Вклад потребителей в уровни напряжения высших гармоник в узлах электрической

сети // Электричество. 1996. № 1. С. 56-64.

5. Гамазин С.И., Петрович В.А., Никифорова В.Н. Определение фактического вклада потребителя в искажение параметров качества электрической энергии // Промышленная энергетика. 2003. № 1. С. 32-38.

6. Yang Hong Geng. Assessment for Harmonics Emission Level from one particular customer. University of Liege, 1992.

7. О порядке расчетов за электрическую и тепловую энергию: инструкция Роскомцен № 01 -17/1443-11, Минтопэнерго РФ от 30.11.1993 г. № ВК-7539 (ред. от 13.04.1995 г.).

8. О лицензировании деятельности по продаже электрической энергии и обязательной сертификации электрической энергии в электрических сетях общего назначения: приказ РАО «ЕЭС России» от 25.10.2005 г. № 703.