СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛЕВЫХ УЧАСТИЙ НАГРУЗКИ В ИЗМЕНЕНИИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В УЗЛЕ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ
METHOD OF DETERMINING FRACTIONAL SHARES OF LOAD IN CHANGE OF ELECTRIC ENERGY QUALITY IN POWER SYSTEM

Изобретение относится к электроизмерениям и может быть использовано при контроле качества электроэнергии в энергосистемах.
Наибольшую трудность при контроле качества электроэнергии энергосистемы в узле энергосистемы представляет определение долевых вкладов искажения от отдельных нелинейных нагрузок, подключенных к узлу, в общее искажение результирующего тока узла энергосистемы.
Известен способ определения долевого участия нагрузки в изменении качества электроэнергии в узле энергосистемы по активным и реактивным вторичным мощностям искажающих нагрузок, в котором долевое участие определяют путем выделения анормальной составляющей напряжения, измерения активных и реактивных мощностей всех нагрузок, подключенных к узлу энергосистемы, и определения коэффициента долевого участия в соответствии с предлагаемой формулой по доле суммы активной и реактивной вторичных мощностей данной нагрузки от генерируемой всеми искажающими нагрузками (Ф.А. Зыкин. Способ определения долевого участия нагрузки в снижении качества электроэнергии. Авторское свидетельство №1769147 от 31.07.90. Бюл. №38, 1992).
Недостатком этого способа является погрешность определения долевых участий нагрузки и энергосистемы в изменении качества электроэнергии, связанная, во-первых, с тем, что в изменении качества электроэнергии в узле учтены не все факторы, вызывающие это изменение, так как в балансе полных вторичных мощностей учтены только активные и реактивные вторичные мощности и не учтены вторичные мощности искажений, обусловленные взаимодействием разноименных гармоник напряжения и тока, и, во-вторых, с тем, что изменение качества электроэнергии в узле энергосистемы в ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» оценивается по показателям качества напряжения, а не мощностей, которые зависят не только от качества напряжения, но и от качества тока, что обуславливает наличие методической погрешности.
Наиболее близким к изобретению является способ определения долевых участий нагрузки и энергосистемы в изменении качества электроэнергии (М.А. Гнатенко, Г.С. Зиновьев. Патент РФ №2191392 от 12. 01. 2000, Бюл. №29, 2002), взятый за прототип.
В этом способе расширены функциональные возможности способа определения долевых участий нагрузки в изменении качества электроэнергии в узле за счет определения их долевых участий в изменении качества напряжения узла энергосистемы. Искажения напряжения в узле энергосистемы обусловлены его анормальными составляющими, порождаемыми напряжениями обратной и нулевой последовательностей в многофазных системах напряжений в ЭДС энергосистемы, наличием высших гармоник в ЭДС и в токах нелинейных нагрузок. Любые анормальные составляющие будут обозначаться с индексом «а».
Это достигается тем, что выделяют анормальную составляющую напряжения узла энергосистемы, анормальную составляющую ЭДС энергосистемы, анормальные составляющие токов нагрузок и затем отдельно определяют собственные долевые участия в изменении качества напряжения: ветви с ЭДС энергосистемы путем усреднения за ее период квадрата анормальной составляющей напряжения, ветвей с источниками токов нагрузки путем усреднения за тот же период квадратов производных анормальных составляющих этих токов, отдельно определяют взаимное долевое участие в изменении качества напряжения в узле от взаимодействия двух ветвей с источниками токов нагрузок путем усреднения за тот же период произведения производных анормальных составляющих токов нагрузок, отдельно определяют взаимное долевое участие в изменении качества напряжения в узле от взаимодействия ветви с источником ЭДС с результирующим током ветвей нагрузки путем усреднения за тот же период произведения анормальной составляющей источника ЭДС с производной анормальной составляющей результирующего тока нагрузок и затем определяют результирующее изменение качества напряжения в узле в соответствии со следующей формулой:
а
1a
2a
где е, i, i - анормальные составляющие соответственно в ЭДС энергосистемы, токах ветвей нагрузок;
а
1a
2a
СУ(е), CУ(i), CУ(i) - соответственно собственные долевые участия ветвей с ЭДС энергосистемы, источниками токов нагрузок;
1a
2a
а
1a
2a
BУ(i, i), ВУ(е, i+i) - соответственно взаимные долевые участия двух ветвей нагрузок и ветви с ЭДС энергосистемы с виртуальной ветвью результирующего тока ветвей нагрузки.
Также в этом способе определяются относительные значения собственных и взаимных долевых участий каждого энергообъекта узла энергосистемы в общем изменении качества напряжения в узле путем деления собственных и взаимных долевых участий каждого энергообъекта узла энергосистемы на усредненное за период значения квадрата анормальной составляющей напряжения узла энергосистемы, при этом все собственные и взаимные долевые участия в относительном виде связаны следующим уравнением:
где  - квадрат действующего значения анормальной составляющей напряжения узла,
а
1a
2а
СУ*(е), CУ*(i), СУ*(i) - соответственно относительные значения собственных долевых участий ветви с ЭДС энергосистемы, ветвей с источниками токов нагрузки,
1a
2a
а
1a
2a
BУ*(i, i), ВУ*(е, i+i) - соответственно относительные значения взаимных долевых участий пар ветвей нагрузки и ветви с ЭДС энергосистемы с ветвью результирующего тока ветвей нагрузки.
К тому же, способ определения долевых участий нагрузок и энергосистемы в изменении качества электроэнергии в узле энергосистемы, характеризуемой напряжением в узле энергосистемы, применим и при нескольких ветвях с источниками ЭДС в энергосистеме со своими реактансами, подключенными к узлу, дополнительно определяют: собственные долевые участия в изменении качества напряжения в узле от всех ветвей с источниками ЭДС путем усреднения за период квадрата анормальной составляющей каждой ЭДС, взаимные долевые участия в изменении качества напряжения в узле от попарного взаимодействия ветвей с источниками ЭДС путем усреднения за период произведения анормальных составляющих ЭДС каждой ветви, взаимные долевые участия в изменении качества напряжения в узле от взаимодействия каждой ветви с источником ЭДС с каждой ветвью тока нагрузки путем усреднения за период произведения анормальной составляющей ЭДС ветви на производную анормальной составляющей тока ветви и затем определяют результирующее изменение качества напряжения в узле в соответствии со следующей формулой:
где n - число ветвей с источниками ЭДС, примыкающими к узлу,
k - число ветвей нагрузки, примыкающих к узлу.
Недостатком этого способа является неполная адекватность используемого для этого показателя, характеризующего искажение качества электроэнергии за счет высших гармоник, а именно коэффициента гармоник напряжения (коэффициента искажения синусоидальности, как он назван в ГОСТ 13109-97). Его неадекватность связана с тем, что он прямо не отражает ущерб от искажения качества электроэнергии за счет высших гармоник, т.е. не позволяет адекватно определить дополнительные потери активной мощности, а значит и не позволяет точно определить кпд энергосистемы.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание способа определения долевых участий нагрузок в изменении качества электроэнергии в узле энергосистемы, который позволяет повысить точность определения кпд энергосистемы.
a
1a
2a
Это достигается тем, что выделяют анормальную составляющую тока i узла энергосистемы, анормальные составляющие токов нагрузок i, i, определяют собственные долевые участия в изменении качества тока для ветвей с источниками токов нагрузки, также определяют взаимное долевое участие в изменении качества тока сети от взаимодействия пар ветвей с источниками токов нагрузок, причем собственные долевые участия в изменении качества тока узла энергосистемы для ветвей с источниками токов нагрузки определяют путем усреднения за период квадратов анормальных составляющих этих токов, определение взаимного долевого участия в изменении качества тока в узле от взаимодействия пар ветвей с источниками токов нагрузки делают путем усреднения за тот же период произведения анормальных составляющих токов нагрузок и, в конечном итоге, определение результирующего изменения качества тока в узле делают в соответствии со следующей формулой
,
1a
2a
где i, i - анормальные составляющие в токах ветвей нагрузок;
1a
2a
CУ(i), CУ(i) - соответственно собственные долевые участия ветвей с источниками токов нагрузок;
1a
2a
BУ(i, i) - взаимное долевое участие двух ветвей нагрузок.
Также в способе определения долевых участий нагрузки в изменении качества результирующего тока в узле энергосистемы могут быть определены относительные значения собственных и взаимных долевых участий каждой нагрузки узла энергосистемы в общем изменении качества тока в узле путем деления собственных и взаимных долевых участий каждого энергообъекта узла энергосистемы на усредненное за период значение квадрата интеграла анормальной составляющей результирующего тока узла энергосистемы, при этом все собственные и взаимные долевые участия в относительном виде связаны следующим уравнением:
,
где  - квадрат действующего значения анормальной составляющей результирующего тока узла,
1a
2a
CУ*(i), CУ*(i) - соответственно относительные значения собственных долевых участий ветвей с источниками токов нагрузки,
1a
2a
BУ*(i, i) - относительное значение взаимного долевого участия ветвей нагрузки.
Кроме того, способ определения долевых участий нагрузки в изменении качества результирующего тока узла энергосистемы может быть применен и при любом числе n ветвей нагрузки, более двух, подключенных к узлу, при этом аналогичные измерения делают одновременно в параллельных каналах и в каждом канале измерения выделяют одну реперную ветвь нагрузки, в качестве которой перебирают все ветви нагрузки или ветви с токами не менее заданных, и вторую виртуальную коллективную ветвь нагрузки, объединяющую токи всех остальных ветвей нагрузки и для них также, как сказано выше, определяют в каждом канале измерения собственные и взаимные долевые участия в абсолютном виде, как в пункте 1, или относительном виде, как в пункте 2, изменения качества тока в узле от действия тока соответствующей реперной ветви нагрузки соответственно
,
.
1a
2a
Также способ определения долевых участий нагрузки в изменении качества результирующего тока в узле энергосистемы применим и для определения результирующих долевых участий (с учетом собственных и взаимных участий) отдельных нагрузок K(i), K(i) в общем искажении результирующего тока в узле энергосистемы по следующим формулам
,
,
где  - перекрестный коэффициент гармоник токов первого и второго потребителя,
I1
I2
K, K - коэффициенты гармоник тока первой и второй нагрузки,
1
2
К, К - отношения действующих значений первых гармоник токов нагрузок к действующему значению первой гармоники тока сети.
На фиг. 1 приведена схема узла энергосистемы с двумя нагрузками, для которого реализуется предлагаемый способ. На фиг. 2 приведена схема узла энергосистемы с несколькими нелинейными нагрузками электрической энергии. На рис. 3 представлена эквивалентная схема для фиг. 2 с двумя ветвями нагрузок.
1
2
Фиг. 1 содержит источник результирующей ЭДС 1 (е.), являющийся эквивалентом сложной энергосистемы, и две ветви нагрузок, представленных в виде источников токов 2, 3 (i, i).
1
j
n
Фиг. 2 содержит источник результирующей ЭДС 1 (е.), являющийся эквивалентом сложной энергосистемы, и n ветвей нагрузок, представленных в виде источников токов 2, 4 и 5 (i, i, i, эквивалентирующих первую, j-тую и n-ную нелинейные нагрузки).
j
c
Фиг. 3 содержит источник ЭДС энергосистемы 1, источник тока 4 (i) ветви, принятую за реперную в j канале измерения, и источник тока 6 i, эквивалентирующий виртуальную ветвь, замещающую сумму токов остальных n-1 ветвей нагрузки.
Искажения результирующего тока в узле энергосистемы обусловлены анормальными составляющими токов нагрузок, которые обусловлены наличием высших гармоник токов нагрузок, наличием низкочастотных и интергармоник токов, токов обратной и нулевой последовательностей в многофазных системах токов. Любые анормальные составляющие будут обозначаться с индексом «а».
В соответствии с фиг. 1 для анормальной составляющей результирующего тока в типовом узле энергосистемы можно записать следующее уравнение:
Выполнив алгебраизацию этого уравнения для анормальных составляющих путем сначала возведения уравнения в квадрат и затем интегрирования его за период в соответствии с методом АДУ2 (Зиновьев Г.С. Силовая электроника. М.: Юрайт, 2012. - с. 43-55), получим следующее алгебраическое уравнение относительно действующих значений анормальных (искажающих) составляющих токов
Здесь СУ - собственное долевое участие соответствующей ветви нагрузки, примыкающей к узлу, в общее изменение качества тока в узле,
ВУ - взаимное долевое участие двух ветвей нагрузки, примыкающих к узлу, в общее изменение качества тока в узле.
Физический смысл собственного долевого участия СУ конкретной ветви, примыкающей к узлу энергосистемы, состоит в определении того ухудшения качества результирующего тока в узле энергосистемы, которое возникло бы при отсутствии в других ветвях источников ухудшения качества тока (нелинейных нагрузок, источников ЭДС искаженной формы или источников ЭДС синусоидальной формы с различным напряжением в фазах многофазной системы).
Физический смысл взаимного долевого участия ВУ двух ветвей, примыкающих к узлу, состоит в определении того изменения качества (ухудшения или улучшения) тока в узле энергосистемы, которое обусловлено суммированием в узле анормальностей токов каждой ветви.
Из уравнения (1) видно, что искажения качества результирующего тока в узле энергосистемы определяются не только собственными характеристиками (спектрами) всех примыкающих к узлу нагрузок, но и их взаимными попарными характеристиками. Именно взаимные характеристики нагрузок и определяют, будет ли при подключении нового объекта ухудшение или улучшение качества электроэнергии в узле, так как коэффициенты взаимного участия могут иметь отрицательный или положительный знаки в отличие от коэффициентов собственного участия, которые всегда положительны.
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>a</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Выражение для относительных (нормированных) величин собственных СУ* и взаимных ВУ* долевых участий ветвей узла энергосистемы в изменении качества результирующего тока узла, принимаемое за единицу, можно получить, разделив левые и правые части уравнения (1) на
, в результате получим:
Выражение для соответствующих коэффициентов, характеризующих отдельные виды анормальности, можно получить, если разделить уравнение (2) на действующее значение первой гармоники результирующего тока прямой последовательности
1
j
2
c
В изображенном на фиг. 2 общем случае узла энергосистемы с множеством ветвей, содержащих источники тока нагрузок, измерения делают в выбранных n-каналах, где токи, больше заданных значений, и выражение для определения в j-том канале измерения, где j в общем случае меняется от 1 до n, собственных и взаимных долевых участий ветвей узла в общее изменение качества результирующего тока в узле получается обобщением уравнений (1) и (2), путем замены индекса 1 у тока i на индекс номера выбранной в данном канале реперной ветви i, а индексы 2 у тока i заменяют на индекс виртуальной коллективной ветви нагрузки i, как на фиг. 3, в результате формулы принимают соответственно следующий вид
,
.
1a
2a
Возможно также определение результирующих (с учетом собственных и взаимных долевых участий) долевых участий отдельных нагрузок К(i), K(i) в изменении качества результирующего тока в узле энергосистемы по следующим формулам
,
.
При этом результирующие (парциальные) долевые участия всех отдельных нагрузок узла энергосистемы связаны общим уравнением
Это уравнение можно использовать для проверки расчетов и измерений или для нахождения результирующего долевого участия одной нагрузки при найденном результирующем долевом участии остальной нагрузки.
Таким образом, предлагаемый способ определения долевых участий нагрузки в изменении качества результирующего тока в узле системы позволяет определять и качество результирующего тока в узле и вклады в него отдельных нагрузок, что позволяет более точно определить дополнительные потери активной мощности в сети, а значит и повысить точность определения кпд энергосистемы.