Обоснование технического решения для разработки программно-аппаратного комплекса, способного локализовать источники искажения электроэнергии

ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 622.311.1:658.26

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА, СПОСОБНОГО ЛОКАЛИЗОВАТЬ ИСТОЧНИКИ ИСКАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

А.С. Карпов, В.В. Ярошевич, М.Г. Юшков

Центр физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН

Аннотация

Любой исследователь, пытающийся регистрировать какие-либо процессы высоковольтной сети, сталкивался с ограничениями, обусловленными возможностями измерительной аппаратуры и программных средств, что вносило в результаты исследований незавершенность и увеличивало погрешность самих экспериментов. Современные технологии позволяют решить некоторые трудности, возникающие при измерениях и анализе данных, однако производители аппаратуры ориентируются в основном на промышленные предприятия, где основной задачей является получение результатов без дополнительного анализа. Однако это лишь фиксирование событий, не позволяющее выбрать мероприятия для предотвращения аналогичного в будущем. Поэтому необходимо расширять возможности измерительной аппаратуры. На основе экспериментальных исследований, выполненных в энергосистемах Мурманской и Архангельской областей, разработан ряд технических положений, на основе которых формируется методика использования контрольно-измерительной аппаратуры. Ключевые слова:

показатели качества электроэнергии, качество электроэнергии, сертифицированные регистраторы.

Локализация

искажении

трудоемких

аппаратного

обеспечения

аппаратуры.

- одна задач с и

источников из наиболее точки зрения программного

исследовательской Это связано с тем, что на одной секции высоковольтной подстанции может быть подключено до 20 присоединений. Учитывая, что на каждом присоединении необходимо регистрировать 3 токовых канала (т.е. до 60 токовых каналов на одной секции) и 3 канала по напряжению на секцию, получаем существенный поток информации, обработка которого требует применения мощной аппаратуры.

На современных регистраторах (анализаторах) выполнен ряд упрощений, которые не приводят к однозначному решению задачи по локализации источников искажений. Поэтому необходима оптимизация существующих в настоящее время устройств, чтобы выявлять источники (а также приемники) искажений с минимальной погрешностью.

Любые отклонения (искажения) влияют на качество электроэнергии (КЭ), потери в сети, износ оборудования, а также на появление аварийных процессов. До принятия ГОСТ Р 541492010 [1] исследование показателей качества электроэнергии (ПКЭ) проводилось посредством анализа зарегистрированного напряжения на секциях шин, что указывало лишь на наличие/отсутствие искажений ПКЭ. Следует отметить, что проблема выявления непосредственно источника искажения связана с оценкой гармонического состава токов и напряжений каждого из присоединений отдельной секции шин, что, согласно ГОСТ 13109-97 [2], не требовалось ранее.

102

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 4/2014

Обоснование технического решения для разработки программно-аппаратного комплекса ...

Примеры сертифицированных регистраторов по ГОСТ 13109-97 - регистрационноизмерительные комплексы: M 2292 Metrel (рис. 1а), ЭРИС-КЭ.02 (рис. 1б), Ресурс ПКЭ 2.5, Парма РК 3.01, AR 5, «РЕСУРС-UF», ИВК «Омск-М».

Сертифицированный регистратор типа «Парма РК 3.01» (рис. 2) позволяет фиксировать несоответствия по определенным параметрам с усреднением значений за одну минуту. Но использование такого прибора недостаточно, так как необходима локализация (на измеряемой секции) источников «несоответствия» требованиям качества электроэнергии, что без регистрации тока невозможно. В то же время «РЕСУРС-ЦР2М» (рис. 3) регистрирует напряжение и ток одновременно, но результаты выдает в таком виде, что дальнейшая их обработка практически невозможна.

Рис. 1. Внешний вид регистраторов ПКЭ: а - Metrel MI 2292; б - ЭРИС-КЭ.02

Рис. 2. Внешний вид регистратора «Парма РК3.01»

Рис. 3. Внешний вид регистратора «РЕСУРС-UF2M»

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 4/2014

103

А.С. Карпов, В.В. Ярошевич, М.Г. Юшков

С помощью подобных регистраторов в период с 2007 г. по 2014 г. Центром физикотехнических проблем энергетики Севера КНЦ РАН выполнена серия работ по мониторингу показателей качества электроэнергии, энергоаудиту и выявлению источников искажений [3-6]. Проведены регистрации в промышленных и муниципальных системах электроснабжения городов Северодвинск, Ковдор, Апатиты и Ревдинского района. Общая длительность регистраций составила более 4 тыс. часов.

На основе этих экспериментальных исследований, выполненных в энергосистемах Мурманской и Архангельской областей, разработан ряд технических положений, на основе которых сформирована следующая методика использования контрольно-измерительной аппаратуры:

1) по зарегистрированным значениям напряжения и тока требуется определить фазы и направление эмиссии искажений на исследуемой секции шин. Основная трудность состоит в необходимости контроля тока на каждом фидере секции в отдельности. При этом для четырехпроводной сети регистрации тока на одной фазе (из-за несимметрии) будет недостаточно. Требуются измерения тока на 3-х фазах одновременно, либо на 2-х фазах и в нулевом проводе. Это позволяет воссоздать полную картину протекания токов.

В настоящее время существуют сертифицированные регистраторы качества электроэнергии с возможностью измерения четырех каналов напряжения и трех каналов тока. На практике этого все равно недостаточно, поскольку для среднестатистической подстанции количество присоединений на одну секцию около 10. По одной из описанных в [7] методик требуется не менее 20 измерительных каналов тока. В случае небольшого количества присоединений появляется возможность охватить сразу 2 секции подстанции, соответственно потребуется 20 каналов для тока и 8 каналов для напряжения;

2) необходим постоянный мониторинг, поскольку КЭ - индикатор наличия/отсутствия проблем в электрической сети. Согласно ГОСТ Р 53333-2008, регистрация ПКЭ должна выполняться в течение суток, т.е. не менее чем 24 часа, а периодичность проверки качества электроэнергии на высоковольтных подстанциях для большинства ПКЭ составляет 1 раз в 2 года. Лишь для установившегося отклонения напряжения проверка должна быть не реже двух раз в год. Тем не менее, такая проверка выполняется кратковременно в течение недели, что представляется недостаточным.

Более того, регистрация 6-ти каналов в течение одних суток с хорошей разрешающей способностью занимает примерно 4 Гб на жестком диске, а экспортированный массив данных регистраций в текстовый документ порядка 16 Гб. На копирование через стандартные порты USB или COM уйдет значительное количество времени, что непременно приведет к приостановке измерений, а обработка одного объемного файла такого размера затруднительна даже на современных персональных компьютерах. Поэтому для беспрерывных и длительных измерений, а также для дальнейшего оперативного считывания данных, требуется использование съемных накопителей типа SSD SATA-III 2.5" с возможностью отключения от регистратора и возможностью замены на аналогичный чистый диск;

3) в новой версии стандарта вводится измерение перенапряжений и импульсов напряжения. Подобные процессы кратковременны, но очень объемны по количеству записываемой на носитель информации [8, 9]. Однако при исследовании процессов именно такого рода ежесекундной записи потока не требуется. Необходима лишь малая часть от общего массива данных, то есть сам процесс. При длительном (до нескольких суток) ожидании перенапряжений и других переходных процессов необходима буферизация поступающих сигналов с высокой частотой дискретизации. При появлении исследуемого события требуется запись переходного процесса с пред- и постисторией до нескольких минут с последующим автоматическим удалением из буфера обмена массива данных, не представляющих интереса;

4) для полного анализа сети требуется оставлять включенным регистратор на период времени до недели и более. Поскольку установка его происходит в релейном зале или в закрытом распределительном устройстве (ЗРУ) подстанции, то он может мешать работе персонала.

104

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 4/2014

Обоснование технического решения для разработки программно-аппаратного комплекса ...

Поэтому требуется сделать его как можно более компактным, но с различными типами портов (USB, HDMI, COM и др.). Помимо оснащения портами, технология LED позволяет компактно встроить 4-6 дюймовый LCD дисплей, однако для большей экономии пространства достаточно использование HDMI порта для подключения внешнего устройства вывода графического изображения (монитор или планшетный ПК);

5) методика регистрации (подключения аппаратуры) может меняться в зависимости от принципиальной схемы подстанций. Поэтому необходима возможность спецификации в меню прибора схемы подключения токовых датчиков в зависимости от заданного числа контролируемых фидеров и числа контролируемых фаз;

6) встраивание в регистратор программы самотестирования подключения

для сопоставления заданных параметров сети с регистрируемыми сигналами. Такая программа должна выводить на экран прибора осциллограммы действующих значений напряжения и тока, автоматически производить проверку с заданной амплитудой напряжения, фаз тока и напряжения. При этом необходим учет типа подключения, определяемого по пункту 5. Для полного удовлетворения пунктам 4-6 целесообразно оснастить регистраторы операционной системой (ОС), например, Linux. При наличии подобной ОС появляется опасность подлога данных или перепрограммирования настроек исследований, поэтому ее нужно устанавливать установка на независимом носителе с закрытым доступом и жестко ограниченными правами администрирования. Тем не менее, преимущества использования ОС неоспоримы.

ОС предоставляет возможность использования, например, USB-манипулятора и других устройств, что существенно ускорит настройку и эксплуатацию прибора;

7) сопутствующее с регистратором программное обеспечение должно позволять выводить наглядные графики и таблицы для каждого коэффициента, характеризующего качество электроэнергии. Необходимо автоматическое сопоставление зарегистрированных значений с нормативами ГОСТ, а также автоматизированный вывод результатов времени выхода за нормально (предельно) допустимые значения с фиксацией точного времени, когда эти значения были превышены на задаваемом интервале измерения.

Представленные пути совершенствования измерительной аппаратуры позволяют сформулировать направленность требований к контрольно-измерительным комплексам:

а) по количеству каналов регистратора качества электроэнергии;

б) по типу и объему памяти регистратора;

в) к алгоритму записи поступаемых на обработку данных;

г) по выводу информации на панель прибора;

д) к меню регистратора, задающему параметры измерения;

е) к программному обеспечению регистратора.

Заключение

Приведенные направления развития измерительной аппаратуры позволят обеспечить полный анализ электроэнергетических объектов, учитывающий специфические особенности подстанций глубокого ввода, главных понизительных и тяговых подстанций, а также комплектных трансформаторных подстанций. Анализаторы, выполняющие описанные требования, дадут возможность обеспечить получение данных о быстрых процессах в сети (в том числе микросекундный диапазон, регистрация которого затруднена); качестве электроэнергии в виде набора ПКЭ, систематизированных в удобной для дальнейшей обработки форме; об источниках искажающих и нормализующих ПКЭ, в отношении которых могут быть применены ужесточающие (или смягчающие) поправки при заключении договоров на поставку электроэнергии между энергоснабжающей организацией и потребителем.

Регистрация микросекундных процессов позволит развить изучение влияния атмосферных перенапряжений на высоковольтные подстанции, поскольку в настоящее время практически отсутствует доказательная база того, каким образом грозовая активность

или геоиндуцированные токи влияют на появление аварийных режимов в силовом

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 4/2014

105

А.С. Карпов, В.В. Ярошевич, М.Г. Юшков

оборудовании. Аппаратура такого уровня сможет заменить анализаторы (фиксаторы) событий, поскольку, помимо регистрации самого события с мегагерцовой частотой дискретизации, будет записывать форму, амплитуду процесса, что в дальнейшем можно использовать для более детального изучения и систематизации событий.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ Р 54149-2010 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». 2. ГОСТ 13109-97. «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». 3. Невретдинов Ю.М., Фастий Г.П., Ярошевич В.В. Проблемы локализации источника искажений качества электроэнергии // Сборник докладов десятой Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности ЭМС-2008. Санкт-Петербург: ВИТУ, 2008. С. 138-142. 4. Ярошевич В.В., Невретдинов Ю.М., Карпов А.С. Проблемы локализации источников искажений электроэнергии и определение вклада подключенных потребителей в искажение или нормализацию качества электроэнергии // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2010. Вып. 1, №1. С. 126-139. 5. Невретдинов Ю.М., Фастий Г.П., Ярошевич В.В. Анализ регистрации показателей качества электроэнергии на шинах питающих подстанций // Вестник МГТУ. 2009. Т. 12, №1. С. 58-64. 6. Невретдинов Ю.М., Фастий Г.П., Ярошевич В.В. Исследование возможности локализации источника гармонических искажений напряжения на питающих подстанциях // Сборник научных трудов ЦФТПЭс КНЦ РАН «Моделирование переходных процессов и установившихся режимов высоковольтной сети». Апатиты, 2008. С. 140-147. 7. РД 153-34.0-15.502-2002. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах энергоснабжения общего назначения. Часть 2. Анализ качества электрической энергии. 8. Ярошевич В.В., Карпов А.С, Карпова О.М. Оценка эффективности мониторинговых исследований качества электроэнергии по ГОСТ 13109-97 в высоковольтной сети 6-150 кВ // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2013. Вып. 7, № 4. С. 117-121. 9. Ярошевич В.В., Карпов А.С. Влияние нестационарных электромагнитных воздействий на силовые трансформаторы // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2014. Вып. 8, № 3. С. 54-62.

Сведения об авторах

Карпов Алексей Сергеевич - к.т.н., научный сотрудник; e-mail: asc_apatity@mail.ru Ярошевич Вера Васильевна - научный сотрудник; e-mail: yaroshevich_vera@mail.ru Юшков Максим Геннадьевич - электрик цеха, Северо-Запвадная фосфорная компания; e-mail: mgushkov@mail.ru

106

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 4/2014