Исследователи ждут большего от современных измерительных приборов

Требования к измерительным приборам для распознавания и анализа электрических режимов в системе электроснабжения в настоящее время кардинально изменились. Амперметры, вольтметры, электромеханические самописцы и светолучевые осциллографы заменяются программируемыми цифровыми приборами со сложными алгоритмами обработки текущих мгновенных значений токов и напряжений с целями получения информации об этих переменных в форматах, принятых в международных стандартах и в Российском ГОСТ 13109-97 на качество электрической энергии [1].

Новые требования к измерениям были сформулированы примерно 7 10 лет тому назад, и на рынке приборов можно видеть уже десятки предложений по приборам, позволяющим измерять ПКЭ в соответствии с требованиями [1]. Широко применяются в энергосистемах, в органах Энергонадзора и энергоаудиторских коллективах приборы типа «ЭРИС», «ППКЭ», «Ресурс-UF», «Парма», «ИВК-Омск» и др. Такие приборы рассчитаны, как правило, на измерение не более восьми сигналов (токов и напряжений). Заложенная в большинстве приборов частота квантования не менее 256 точек на период промышленной частоты или 12.8 кГц (для реализации быстрого преобразования Фурье) предполагает получение в процессе измерений данных о мгновенных значениях переменных с детальным отслеживанием всех отклонений от стабильных во времени синусоидальных и симметричных процессов. Однако увидеть осциллограммы этих переменных либо невозможно, либо это можно сделать по специальной команде на коротком промежутке времени (обычно до 0.04 с) и не для всех измеряемых одновременно сигналов.

Ориентируясь на регламентированные в ГОСТ 13109-97 большие интервалы усреднения отдельных ПКЭ (60 с для установившегося отклонения напряжения ?Uу, 3 с для показателей, характеризующих высшие гармоники и несимметрию, 20 с для отклонений частоты), ради экономии памяти в приборах не сохраняются промежуточные измерения мгновенных значений и доступны только протоколы с усредненными за несколько минут показателями, которые, в свою очередь, уже были усреднены по требованиям стандарта [1].

Использование вышеуказанных достаточно дорогих приборов позволяет констатировать факты нарушения ПКЭ и относительную длительность превышения нормально и максимально допустимых ПКЭ, но пользователь не получит полноценные ответы на такие важные для принятия мер вопросы, как:

• не появляются ли в токах и напряжениях опасные, хотя бы и кратковременные, помехи, нелинейные искажения и несимметрии;
• откуда пришли возмущения (из питающей сети или от электроприемника, и конкретно от какого);
• как обоснованно разделить долевое участие энергосистемы и электропотребителей в ухудшение ПКЭ в нагрузочном узле, что необходимо для определения неустоек при поставке электроэнергии ненадлежащего качества по вине электроснабжающей организации и ухудшения ПКЭ по вине потребителя.

Поиск ответов на поставленные вопросы может быть существенно облегчен при использовании измерительных приборов, позволяющих пользователю помимо выполнения функций измерения ПКЭ наблюдать также мгновенные значения всех измеряемых сигналов в виде цифровых осциллограмм. Хранение в памяти прибора файлов процессов позволяет проводить их обработку по любым, в том числе и нестандартным алгоритмам, облегчить поиск причин возникновения опасных помех и разработку мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости.

Подобные переносные осциллографы-анализаторы уже разработаны в России и эффективно используются. Авторы в течение двух лет эксплуатируют 32-канальный прибор "НЕВА-ИПЭ" разработки фирмы «НПФ «ЭНЕРГОСОЮЗ», г. Санкт-Петербург. Близкими по принципу построения являются 16-канальный прибор типа РП4.08 (фирма «Парма», Санкт-Петербург) и IWK-1000 (усовершенствованный в Германии российский прибор «ИВК-Омск»).

Приведем ряд примеров, иллюстрирующих возможность получения качественно новых знаний о режимах системы электроснабжения при применении осциллографа-анализатора.

1. Частота напряжения в узлах резкопеременной нагрузки может иметь большие колебания.

При определении действующих значений переменных, и тем более при гармоническом анализе сигналов, для снижения погрешности расчетов необходимо знание текущего значения основной частоты f(t) в исследуемом узле нагрузки с возможно большей точностью.

На практике приходится определять частоту по мгновенному значению сигнала (обычно напряжения), искаженного, в общем случае, гармониками. Анализ различных алгоритмов определения частоты (по проходам сигнала через нуль и по максимуму его спектральной плотности, по методу выделения синусоиды основной частоты с минимальными отличиями от фактического сигнала по методу среднеквадратичных отклонений) показал, что желаемую точность расчета частоты ±10 мГц удается обеспечить при длительности окна обработки сигнала Тобр.f не менее 2 периодов основной частоты и при использовании относительно высокой частоты измерений (не менее 5 кГц). Вследствие инерционности расчета текущей частоты при формировании сигнала f(t) не следует забывать о необходимости введения временной поправки, сдвигающей рассчитанные значения частоты в сторону опережения на интервал времени 0.5 Тобр.f.

На рис.1 можно видеть пример определения частоты напряжения на шинах 35 кВ, к которым подключена дуговая сталеплавильная печь (ДСП) мощностью 85 МВА. Если использовать рекомендованное выше минимальное окно обработки сигнала Тобр.f?0.04с, то фиксируются изменения частоты в узле в пределах ±0.5 Гц, которые возникают вследствие колебаний фазы напряжения под влиянием колебаний активной мощности. При увеличении окна обработки сигнала до ?0.2с фиксируемый диапазон колебаний частоты снижается до значений 0.1 Гц. Колебания частоты практически незаметны при принятии Тобр.f=3 с (напомним, что по ГОСТ [1] частота определяется на окне 60 с).

Рис.1. Частота напряжения в узле 35 кВ питания ДСП, определенная методом скользящего среднего на интервалах обработки длительностью 0.04, 0.2 и 3 секунды.

2. В сетях с резкопеременной нагрузкой следует анализировать не только целочисленные, но и промежуточные гармоники

Как известно, математический аппарат дискретного преобразования Фурье рассчитан на применение в условиях стационарности анализируемых процессов при знании периода сигнала. Тем не менее, в инженерной практике приходится давать оценки гармонических составляющих в сетях с резкоизменяющейся нагрузкой. В этих условиях ограничиваться оценкой только целочисленных гармоник нельзя, поскольку значительная доля энергии гармонических возмущений приходится на так называемые промежуточные гармоники. Знание их значений необходимо, например, при анализе резонансных явлений, при выборе параметров силовых фильтров, создающих, как известно, полюса (резонансные частоты) на промежуточных гармониках.

Выявление промежуточных гармоник возможно только при принятии окна разложения в ряд Фурье Тразл больше одного периода промышленной частоты Т0.02. Так, при окне Тразл= k·Т0.02 помимо кратных основной частоте гармоник «n» рассчитываются также промежуточные гармоники, относительные частоты которых на интервалах n±1 равны n±m/k, где m=1,2…k.

При принятии минимального окна разложения Тразл?Т0.02 получаемые величины целочисленных гармоник «n» в сетях с резкопеременной нагрузкой будут иметь повышенные значения, поскольку в них косвенно будет отражена энергия, приходящаяся на ненаблюдаемые в данном случае промежуточные гармоники.

В приложении «Е» российского стандарта [1] при быстроизменяющихся процессах рекомендуется применять прямоугольное окно разложения шириной k·Т0.02=(4?16)·0.02=(0.08?0.36)с. Европейский стандарт EN-61000-4-7 рекомендует применять окна при k=10, когда фиксируются промежуточные гармоники с шагом по частоте 5 Гц. При k>1 будут неизбежно уменьшаться расчетные значения амплитуд целочисленных гармоник, и по этому поводу в стандарте EN-61000-4-7 есть специальные разделы, регламентирующие процедуру оценок гармоник, кратных основной частоте, отдельных промежуточных гармоник и групп промежуточных гармоник.

Рис.2. Максимальные и усредненные спектральные составляющие напряжения фазы «А» на стороне 35 кВ нагрузки ДСП (Uбаз=22.2 кВ), полученные на интервале наблюдения 25 с с окнами разложения 0.02 с (а) и 0.2 с (б).

Высказанные выше соображения наглядно иллюстрируются представленными на рис.2 результатами обработки гармоник фазного напряжения в сети 35 кВ питания ДСП на том же начальном интервале плавки длительностью 25 с, что и на рис.1. Показаны максимально наблюдавшиеся и средние значения гармоник в напряжении. При окне обработки 0.2 с (см. рис.2б) амплитуды целочисленных гармоник резко уменьшаются по сравнению с результатами их определения при окне 0.02 с (рис.2а): гармоники нечетных порядков уменьшаются в 1.5 раза, а четных - в 3 раза. Промежуточные гармоники имеют в данном случае амплитуды, соизмеримые с амплитудами целочисленных гармоник.

При использовании приборов, измеряющих ПКЭ, пользователь обычно не имеет информации о заложенных в них окнах обработки (обычно не менее 4?10 периодов промышленной частоты), а выводимая информация только по гармоникам, кратным основной частоте, дает в свете вышеизложенного искаженное понятие об энергии исследуемых гармонических спектров.

3. О необходимости увеличения диапазона частот измеряемых высших гармоник

Использование приборов для измерения ПКЭ, учитывающих согласно ГОСТ [1] гармоники только до 40-го порядка (по европейским стандартам до 50-го порядка), не во всех случаях дает объективную оценку ситуации. Например, на рис.3 приведены осциллограммы напряжений в сети 10 кВ, питающей нагрузку мощного прокатного стана одного из металлургических заводов, а также их спектры. Отчетливо видны резонансные усиления гармоник порядков 59, 61, 71 и 73, которые вносят наибольший вклад в коэффициент искажения синусоидальности напряжения, достигающий в этих режимах 21%. Необходимость расширения диапазона измеряемых частот приборами ПКЭ, на наш взляд, очевидна.

Рис.3. Напряжения на шинах 10 кВ, питающих нагрузку мощного прокатного стана и их спектры.

4. В расчетах временных зависимостей действующих значений переменных и их гармоник есть своя специфика

При оценках динамических характеристик действующих значений переменных в сетях с резкопеременной нагрузкой желательно применять интервалы обработки с длительностью, совпадающей с периодом основной частоты (Тобр=0.02 с). Увеличение Тобр неизбежно приводит к занижению амплитуд колебательных составляющих процессов. Применительно к нагрузке ДСП это иллюстрирует рис.4а,б. Как видно, практикуемое в некоторых цифровых приборах определение эффективных значений на интервалах обработки Тобр=(0.1?3.0)с и более в несколько раз занижает амплитуды отклонений измеряемых ПКЭ от их средних значений. Эти соображения относятся также и к временным зависимостям высших гармоник (рис.5).

Заметим, что показанные на рис.4 и рис.5 усредненные на интервалах времени 0.2 и 3 с переменные Ua и Ia сдвинуты программным путем в сторону опережения соответственно на 0.1 и 1.5 с для корректного сопоставления с переменными Ua 0.02c и Ia 0.02c. Такие временные коррекции всегда необходимо делать при сравнении однотипных сигналов, полученных с различными интервалами обработки.

Рис.4. Эффективные значения напряжения (а) и тока (б) фазы «А», определенные на скользящих интервалах обработки длительностью 0.02, 0.2 и 3 секунды.

Рис.5. Действующие значения напряжения пятой гармоники фазы «А», определенные на скользящих интервалах обработки длительностью 0.02, 0.2 и 3 секунды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В системах электроснабжения неизбежно возникают ситуации, когда для принятия технических решений по устранению нарушений условий электромагнитной совместимости требуется детальный анализ процессов по мгновенным значениям токов и напряжений. Используемые в настоящее время измерительные приборы, фиксирующие ПКЭ в соответствии с требованиями стандарта на качество электроэнергии [1], не в полной мере удовлетворяют исследователей.

Целесообразно активизировать работу по совершенствованию измерительных приборов с приданием им функций осциллографирования и возможности обработки результатов измерений по нестандартным алгоритмам.

Приведенный в статье краткий обзор некоторых исследований, проведенных с использованием одной из первых разработок такого рода – прибора «НЕВА-ИПЭ», призван показать пользователям преимущества подобных приборов нового поколения.

Литература

1. ГОСТ Р 13109-97. «Качество электрической энергии. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Авторы:

Л.А.Кучумов, заведующий ЭТЛ ЗАО «НПФ «ЭНЕРГОСОЮЗ»;
А.А.Кузнецов, ст.научный сотрудник ЗАО «НПФ «ЭНЕРГОСОЮЗ»;
М.В.Сапунов, инженер ЗАО «НПФ «ЭНЕРГОСОЮЗ».