Параметры качества электроэнергии. Показатели качества электроэнергии: нормы и методы контроля

Что такое качество электроэнергии. Какие существуют основные показатели качества электроэнергии. Как нормируются и измеряются показатели качества электроэнергии. Как обеспечить соответствие параметров электросети установленным нормам.

Что такое качество электроэнергии и почему оно важно

Качество электроэнергии определяется соответствием параметров электрической сети установленным нормам. Основными характеристиками качества являются напряжение, частота и форма кривой напряжения.

Почему важно поддерживать высокое качество электроэнергии?

• Обеспечивает нормальную работу электрооборудования
• Снижает риск поломок и сокращения срока службы техники
• Повышает энергоэффективность и снижает потери
• Улучшает производительность на предприятиях
• Создает комфортные условия для потребителей

Основные показатели качества электроэнергии

Согласно ГОСТ 32144-2013, выделяют следующие основные показатели качества электроэнергии:

1. Отклонение напряжения

Это отклонение фактического напряжения от номинального. Как определяется допустимое отклонение напряжения?

• В сетях до 1 кВ: нормально допустимое ±5%, предельно допустимое ±10%
• В сетях 6-20 кВ: предельно допустимое ±10%

2. Отклонение частоты

Это отклонение текущего значения частоты от номинального 50 Гц. Какие нормы установлены для отклонения частоты?

• Нормально допустимое: ±0,2 Гц
• Предельно допустимое: ±0,4 Гц

3. Несинусоидальность напряжения

Характеризует искажение синусоидальной формы кривой напряжения. Как оценивается несинусоидальность?

• Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения
• Коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения

4. Несимметрия напряжений

Это неравенство значений напряжения по фазам в трехфазных системах. Какие показатели используются?

• Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности
• Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности

5. Провал напряжения

Внезапное снижение напряжения ниже 0,9 от номинального. Что важно при оценке провалов напряжения?

• Длительность провала
• Глубина провала

Методы измерения показателей качества электроэнергии

Какие приборы используются для измерения качества электроэнергии?

• Измеряющие приборы — определяют только номинальные значения параметров
• Анализирующие приборы — позволяют проводить анализ качества
• Регистрирующие приборы — осуществляют длительные измерения с построением графиков

Как проводится контроль качества электроэнергии?

• Периодичность — не реже 1 раза в 2 года
• Длительность измерений — не менее 24 часов
• Контроль осуществляет персонал энергетических предприятий

Нормирование показателей качества электроэнергии

Нормы качества электроэнергии установлены в ГОСТ 32144-2013. Как классифицируются нормы?

• Нормально допустимые значения — должны соблюдаться 95% времени
• Предельно допустимые значения — не должны превышаться 100% времени

Почему важно нормирование показателей качества электроэнергии?

• Обеспечивает надежность работы энергосистем
• Гарантирует электромагнитную совместимость оборудования
• Позволяет оценивать качество электроснабжения потребителей

Влияние качества электроэнергии на работу оборудования

Как отклонения показателей качества влияют на электрооборудование?

• Отклонение напряжения — снижение КПД и срока службы
• Отклонение частоты — нарушение синхронной работы электродвигателей
• Несинусоидальность — дополнительные потери, перегрев изоляции
• Несимметрия — неравномерная нагрузка по фазам, вибрации двигателей

Способы повышения качества электроэнергии

Какие методы используются для улучшения качества электроэнергии?

• Установка устройств компенсации реактивной мощности
• Применение фильтрокомпенсирующих устройств
• Симметрирование нагрузки по фазам
• Использование современных систем регулирования напряжения
• Модернизация электрооборудования и сетей

Ответственность за качество электроэнергии

Кто несет ответственность за обеспечение качества электроэнергии?

• Энергоснабжающие организации — в точках общего присоединения
• Потребители — на границе балансовой принадлежности

Какие последствия могут быть при нарушении норм качества?

• Наложение штрафов на энергоснабжающие организации
• Перерасчет стоимости электроэнергии для потребителей
• Отключение потребителей, ухудшающих качество электроэнергии

Таким образом, контроль и обеспечение качества электроэнергии — важная задача для надежного и эффективного электроснабжения. Соблюдение установленных норм позволяет избежать многих проблем в работе энергосистем и электрооборудования.

Показатели качества электроэнергии и их нормирование

• Статья
• Видео

Электроэнергия характеризуется тремя главными параметрами, среди которых частота, напряжение, а также форма его кривой. Частота относится к характеристике баланса активной мощности. Напряжение в энергосистемах является характеристикой баланса реактивной мощности. При этом, каждый отдельный элемент энергетической системы оказывает влияние на общее создаваемое электромагнитное поле, что, безусловно, отражается на качестве энергии, поставляемой потребителям. В этой статье мы рассмотрим, какие бывают показатели качества электроэнергии, их нормирование и методы контроля, а также измерения.

• Рассмотрение основных показателей
• Методы измерения

Рассмотрение основных показателей

Качество электроэнергии определяют соответствием параметров электрической сети, установленным значениям определенных показателей. Все параметры электрической энергии большую часть времени в сутках (95%) должны соответствовать нормальным установленным значениям и не превышать данный предел.

ГОСТ 32144-2013 разделяет показатели и нормы качества на два категории: основные и дополнительные. Основные определяют свойства электроэнергии. В данную подгруппу входит 9 характеристик напряжения и 1 характеристика частоты. Рассмотрим ряд основных показателей более подробно.

Отклонение напряжения. Оказывает наибольшее влияние на работу потребителей. Нагрузки, уровни напряжения и другие параметры способны изменяться во времени. Исходя из этого, значение падения напряжения также является переменным. При этом, значительное снижение напряжения на промышленных предприятиях оказывает негативное воздействие на общую производительность труда, отрицательно сказывается на зрении рабочего персонала. Также, снижение напряжения оказывает влияние на продолжительность большинства технологических процессов в электротермической и электролизной установках. Помимо этого, несоответствие уровня напряжения необходимым значениям приводит к потере напряжения и мощности.

В сетях до 1 кВ допустимое отклонение напряжения ±5 %, максимальное ±10 %. В сетях 6-20 кВ принята величина максимального отклонения ±10 %.

Размах изменения напряжения. Этот параметр качества электроэнергии представляет собой разницу между амплитудным или действующим значением перед и после его изменения. Частота повторения данных изменений может быть от 2 раз/мин. до 1 раза/ч. Столь резкие изменения в трехфазной сети могут быть вызваны, к примеру, работой дуговой сталеплавильной печи либо сварочного аппарата. Нормирование колебаний напряжения основывается на необходимости защиты зрения людей. Для каждого вида ламп устанавливается свое отдельное значение размаха. Чтобы обеспечить соблюдение данного показателя качества рекомендуется применять отдельное питание для электроприемников сети освещения и силовых нагрузок.

Доза колебаний напряжения, которая является аналогом предыдущего показателя качества электрической энергии, они взаимозаменяемы. Нормирование дозы колебаний в электросетях проводится только при наличии в них определенных приборов.

Длительность провала напряжения. Провалом является резкое уменьшение напряжения, после чего оно обратно восстанавливается до своей изначальной, либо приближенной величины спустя определенный временной промежуток. Длительность провала отражает время от начального момента провала до момента его восстановления. Продолжительность провала может быть как в один период, так и в десятки секунд. Согласно ГОСТ этот параметр может достигать 30 секунд в сетях до 20 000 Вольт.

Импульсное напряжение схоже по описанию провалу, однако его продолжительность иная, и составляет от нескольких микросекунд до десяти миллисекунд. Допустимые значения данного показателя качества электроэнергии стандартом не нормируется.

Характеристиками напряжения также являются четыре коэффициента: гармонической составляющей, несинусоидальности кривой, нулевой и обратной последовательности.

Характеристикой частоты выступает отклонение. Наибольшее отклонение частоты возникает, если нагрузки изменяются медленным темпом, а резерв мощности невелик. Нормальная допустимая величина отклонения ± 0,2 Герц, максимальная ± 0,4 Герц. В послеаварийных режимах допустим интервал отклонения от + 0,5 до — 1 Герц (не более девяноста часов в году).

Дополнительные показатели качества электроэнергии являются формой записи основных. Сюда входят 3 следующих коэффициента, характеризующих напряжение: амплитудной модуляции, а также небаланса фазных и междуфазных напряжений.

Методы измерения

Существует три основных вида приборов, с помощью которых можно осуществить замеры показателей:

• измеряющие — представляют собой токоизмерительные клещи, имеющие блок индикации; определяют только номинальные значения параметров, применяются для ежедневного контроля;
• анализирующие — помимо определения номинальных параметров способны проводить анализ фазного дисбаланса, потерь, способны оценивать энергетические потери; применяют для осуществления разовых замеров;
• регистрирующие — являются стационарными приборами, выполняют те же функции, что и анализирующие приборы, но за продолжительное время; они позволяют строить любые необходимые графики.

Для обеспечения надежности функционирования энергосистем необходимо соответствие показателей качества электроэнергии определенным требованиям. Для этого производится их нормирование. Чтобы своевременно отслеживать соответствие параметров нормативным значениям необходимо осуществление контроля. Контроль качества проводит рабочий персонал энергетических предприятий.

Продолжительность замера каждого показателя составляет не менее двадцати четырех часов, при этом, периодичность контроля установлена международным государственным стандартом и составляет 1 раз в два года, кроме отклонения напряжения (2 раза в год).

Более подробно данный вопрос рассмотрен на видео:

Вот мы и рассмотрели основные показатели качества электроэнергии, их нормирование и методы измерения. Надеемся, предоставленная информация была для вас интересной и познавательной!

Будет полезно прочитать:

• Что такое перенапряжение в сети
• Приборы для измерения сопротивления заземления
• Причины потерь электроэнергии в сетях

что это такое, основные показатели Технадзор 77

Оглавление

Долговечность и эффективность эксплуатации электрооборудования во многом определяются, благодаря рабочим параметрам сети. Переменный ток отличается непрерывными колебаниями, и от стабильности их амплитуды зависит качество электроэнергии. При подписании договора на поставку электрической энергии с соответствующими коммунальными службами, в тексте документа прописываются основные характеристики энергии и предельные отклонения от допустимых значений.

Что такое качество электроэнергии?

Качество электроэнергии – это комбинация эксплуатационных параметров сети, при которых их реальные значения полностью или частично соответствуют заявленным показателям. Как правило, основные параметры электрической сети определяются, исходя из регламентов нормативной документации и должны соблюдаться путём применения высокотехнологичных генерирующих или трансформирующих устройств.

Основные показатели качества электроэнергии

Показатели качества электрической энергии характеризуют общее состояние бытовой или промышленной сети, а также отображаются в виде минимально допустимых граничных значений для бесперебойной работы того или иного оборудования. Ниже подробно описываются наиболее часто применяемые на практике параметры качества электроэнергии.

Отклонение напряжения

Один из основных критериев стабильности работы электрической сети. Данный показатель, в соответствии с регламентами, описанными в нормативных документах, характеризуется следующими значениями:

• Нормальные колебания напряжения, относительно установленных параметров в бытовой электрической сети не должны превышать 5% в любую сторону. Так, при эксплуатации кабельной сети с номинальным напряжением 220 В, нормальными считаются значения в пределах от 209 до 231 В, что не влияет на эксплуатационные характеристики электроустановочных изделий.
• Общие критические отклонения в сети, при которых не требуется применение стабилизирующих устройств, составляют 10%, или от 198 до 242 В.

При выявлении больших отклонений, параметры качества электрической энергии считаются неудовлетворительными, что требует их корректировки путём стороннего вмешательства.

Колебания напряжения

Ещё одной качественной характеристикой напряжения в сети служит значение колебаний напряжения. Данный параметр характеризуется следующими показателями:

• Размах колебаний, то есть, численное значение амплитуды синусоиды, описывающей изменение качественных характеристик переменного тока за единицу времени.
• Доза фликера – показатель, подробно описанный ниже.

Нормальными считаются колебания синусоиды в пределах 5% от номинального напряжения. Превышение данного значения говорит о снижении показателей качества электрической энергии. При колебаниях в пределах +/- 10%, допускается нормальная эксплуатация сети и электрооборудования. Изменение амплитуды на величину более 10% от номинальных значений считается критическим, что требует стабилизации работы сети.

Отклонение частоты

Второй важный качественный показатель электроэнергии – это частота. В любой бытовой сети устанавливается частота переменного тока в размере 50 Гц. При значительных отклонениях от номинального значения частоты в сети наблюдается дефицит вырабатываемой мощности, который приводит к снижению эффективности работы установок.

Стабильность частоты переменного тока определяется качеством, эффективностью генерирующих установок, а также корректными настройками эксплуатационных характеристик.

Доза фликера

Доза фликера – это один из показателей качества эл. энергии. Характеризуется возникновением следующих ситуаций:

• Отклонение амплитуды колебаний переменного тока в сети в пределах 90% – 110% от номинальных значений.
• Понятие «дозы фликера» возникло от визуального восприятия интенсивности светового потока включённой в сеть контрольной лампы. При колебаниях напряжения или частоты, наблюдается мерцание осветительного прибора на протяжении определённого промежутка времени.
• Доза фликера позволяет достаточно точно определить характер колебаний светового потока и, соответственно, работу электрической сети. Мерцание заметно даже при изменении качественных показателей в пределах 0,5% от номинальных значений.

Эффект фликера отображает нестабильность работы электрической сети, избавиться от которой можно путём повышения тока КЗ, а также при снижении показателей пусковых токов электрических силовых установок.

Коэффициент временного перенапряжения

Работа сети с переменным током характеризуется интенсивностью и стабильностью колебаний. В идеале, данное явление описывается синусоидальной зависимостью, при которой амплитуда изменения граничных значений отличается постоянством. Если в сети возникает короткое замыкание, либо наблюдается импульсный скачок напряжения, превышающий 10% от номинальных параметров, такое явление называется временным перенапряжением.

Коэффициент временного перенапряжения – это величина, характеризующая обеспечение качества электрической энергии, которая определяется на основе линейной зависимости. Данный показатель описывает изменение амплитуды колебаний в единицу времени. При вычислении этого параметра важно уделять повышенное внимание количеству скачков напряжения в минуту, час или другой промежуток времени.

Провал напряжения

Провалы напряжения определяются путём замеров качества электроэнергии, периодичность которых описывается в ПУЭ, а также зависит от характеристик эксплуатационных паромеров сети. Провалы представляют собой резкое изменение показателей напряжения, причиной которых являются следующие ситуации:

• Явление пусковых токов – при запуске любой энергозависимой силовой установки наблюдается повышенное потребление мощности. После набора эксплуатационной мощности, величина потребляемой энергии корректируется до стабильных значений.
• Возникновение короткого замыкание, которое характеризуется импульсным скачком напряжения с резкой корректировкой силы тока. Данное явление неизменно сопровождается срабатыванием устройства автоматической защиты (УЗО) и размыканием цепи, во избежание повреждения электрооборудования.
• Включение дополнительных энергопотребляющих устройств в сеть, что сопровождается резким скачком напряжения из-за увеличения нагрузки на кабельную сеть. Такое явление часто происходит при производстве отделочных работ в помещении, когда в бытовую сеть включается энергоёмкий строительный инструмент.

Таким образом, при частом возникновении провалов в электрической сети, требуется использование стабилизирующих устройств. При возникновении подобного явления, все приборы, включённые в сеть, не могут выйти на номинальную мощность, из-за чего падает эффективность их эксплуатации.

Импульсное напряжение

Импульсное напряжение – один из показателей качества электроэнергии, который характеризуется внезапным скачком вольтамперных характеристик в сети, что быстро приводит к выходу большинства высокочувствительного оборудования из строя. Импульсное напряжение характеризуется следующими важными показателями:

• Амплитуда – абсолютная величина скачка синусоиды, описывающей колебания переменного тока. При превышении данного параметра более, чем на 10% возможен выход оборудования из строя.
• Продолжительность импульсного воздействия на электрическую цепь. Данная характеристика определяется, исходя из временного промежутка, в течение которого происходит резкий скачок напряжения с последующим возвратом к эксплуатационным параметрам электрической сети.

Продолжительность импульса часто описывается нелинейной относительной зависимостью между амплитудой и временем с отношением 1:2.

Рассматриваемые отклонения нередко возникают при воздействии грозовых разрядов при некорректно смонтированной молниезащите, когда напряжение может возрастать до 3000 – 6000В в стандартной бытовой сети в 200 В. Для избежания выхода оборудования из строя, в таких ситуациях нередко проводится испытание электрооборудования методом грозовых импульсов.

Несимметрия напряжений в трехфазной системе

Данное явление характеризуется перекосом фаз, когда амплитуды фазных напряжений или углы между ними не эквивалентны между собой. Из-за подобных нарушений наблюдается неравномерность распределения фазных токов в многофазной сети, что влечёт за собой снижение эффективности работы оборудования.

Несинусоидальность формы кривой напряжения

Качество электроэнергии считается нормальным, когда переменный ток описывается синусоидой с амплитудой расчётных значений в пределах 10% от номинальных показателей. При включении в сеть дополнительного оборудования наблюдется следующий эффект:

• Дестабилизация графика синусоидальной зависимости частоты тока и изменения напряжения во времени.
• Наличие отрицательных моментов на валах электрических силовых установок.

Такое явление не только определяет качество электрической энергии, но и обеспечивает работу некоторого оборудования, например, электродуговой сварки.

Перенапряжение

Перенапряжение – это такой качественный показатель электрической энергии, при котором величина колебаний переменного тока достигает предельных значений, вызывающих перегрев кабельной жилы и нарушение целостности изоляции. Причины возникновения перенапряжений:

• Ошибки монтажа кабельной линии, отсутствие заземления или нулевого кабеля.
• Замыкание нулевого провода на фазную токопроводящую жилу, что влечёт за собой возникновение тока КЗ.
• Включение в цепь дополнительных устройств, потребляющих значительную мощность.
• Возникновение резонанса гармонических колебаний, описываемых синусоидальной зависимостью.
• Внешние факторы – грозовые разряды, воздействие шаровой молнии.

Любое явление, при котором происходит перенапряжение линии, неизбежно отображается на показателях качества электроэнергии и на эксплуатационных характеристиках энергозависимых устройств.

Качество электроэнергии. Виды отклонений параметров электрической энергии

Все описанные выше показатели качества электрической энергии могут отклоняться от номинальных значений, но, при этом, оставаться в пределах нормативов. В соответствии с требованиями ПУЭ, существуют нормальные и предельно допустимые отклонения параметров электрической сети:

• Нормальные – предельные отклонения показателей не превышают 5% от номинальных значений.
• Предельно допустимые – величина колебаний может составлять до 10%, как в сторону увеличения, так и снижения от эталонных параметров.

Качество поставляемой электроэнергии может со временем меняться, что во многом зависит от количества потребителей в сети. Для своевременного определения всех перечисленных выше параметров и оценки качественных характеристик, требуется проведение периодической инспекции электроустановок не реже, чем раз в 12 месяцев, в соответствии с рекомендациями, описанными в нормативных документах.

Как улучшить качество электроэнергии

На практике существует множество способов улучшения качества электроэнергии, которые заключаются в выполнении следующих алгоритмов:

• Установка приборов, компенсирующих реактивную мощность на кабельной линии. Устройства позволяют стабилизировать коэффициент мощности в трёхфазной сети.
• Замена трансформаторов на высокой стороне на современные установки с функцией РПН (регулировки под нагрузкой). Такие агрегаты не требуют демонтажа и отключения при падении напряжения, а все калибровки производятся в эксплуатационном режиме. Для обеспечения должного качества электроэнергии также допускается установка автотрансформаторов с линейными переключателями, которые позволяют изменять величину напряжений на вторичных обмотках без снятия нагрузки.
• Монтаж в кабельную силовую сеть компенсаторов, синхронизирующих количество вырабатываемой мощности в автоматическом режиме.
• Монтаж в сеть конденсаторных батарей.

Идентифицировать качество поставляемой электроэнергии может каждый обыватель при считывании счётчика АСКУЭ. Для этого даже не требуется вмешательство в кабельную сеть. Если суммарный расход потребляемой электроэнергии намного уступает показателям счётчика, в таких случаях требуется стороннее вмешательство для повышения качества электроэнергии.

Заключение

На практике существует множество способов оценки параметров качества электроэнергии. Как правило, эти показатели выражаются в резком изменении амплитуды синусоиды, которая описывает колебания в сети переменного тока. Превышение номинальных показателей на величину, не превышающую 5%, считается нормой, и такие параметры никак не влияют на эксплуатационные характеристики электрической сети. При увеличении отклонений до 10%, качество энергии требует улучшения, но всё ещё находится в пределах допустимых значений. В случае превышения этих качественных характеристик, требуется стороннее вмешательство для улучшения эксплуатационных параметров.

Руководство для начинающих по качеству электроэнергии · Open Power Quality

Качество электроэнергии – очень сложная тема, но для понимания общих целей проекта Open Power Quality достаточно упрощенного понимания.

Напряжение, частота и «идеальное» качество электроэнергии

В OPQ мы занимаемся измерением качества питания от настенной розетки, что означает, что мы фокусируемся на подходе к обеспечению типа питания, называемого «переменный ток» ( АС). На следующем рисунке показано, как может выглядеть питание переменного тока «идеального» качества для настенных розеток в США:

На этом рисунке показаны три критерия, которым должны удовлетворять электрические сети переменного тока в домах США, чтобы иметь «идеальное» качество электроэнергии:

1. Напряжение должно варьироваться от максимального значения +170 вольт до минимального значения -170 вольт. .
2. Напряжение должно переключаться между максимальным и минимальным значением ровно шесть раз за одну десятую секунды или 60 раз в секунду.
3. Напряжение должно изменяться между максимальным и минимальным значениями точно по синусоиде.

Несмотря на то, что напряжение переменного тока не имеет постоянного значения, полезно иметь измерение, состоящее из одного числа для напряжения. По соглашению мера, называемая «среднеквадратичное значение» (RMS), используется для представления напряжения переменного тока, поскольку оно обычно соответствует «среднему» значению напряжения. Среднеквадратичное значение напряжения для переменного тока составляет примерно 70% от максимального напряжения, поэтому среднеквадратичное значение напряжения в нашем примере составляет 170 Вольт * 0,7 = 120 Вольт. Иными словами, если мощность указана как среднеквадратичное значение 120 вольт, то фактически напряжение колеблется между +170 вольт и -170 вольт. В оставшейся части этого обсуждения мы будем использовать «Вольты» в качестве сокращения для «среднеквадратичного значения напряжения».

Скорость, с которой напряжение переключается между максимальным и минимальным значениями переменного тока, называется его «частотой», а единица измерения называется «герц» (Гц). На этом рисунке напряжение переключается туда и обратно 60 раз в секунду, что измеряется как 60 Гц.

Итак, в США стандарт питания от настенной розетки составляет 120 вольт, 60 Гц переменного тока. (Кстати, в других странах действуют другие стандарты. В Австралии используется переменное напряжение 240 В, 50 Гц. В Японии используется 100 В, но в некоторых регионах используется переменный ток 50 Гц, а в других — 60 Гц. Полный список см. в разделе «Список напряжений и частот переменного тока во всем мире») .

Типы проблем с качеством электроэнергии

Для целей OPQ электроэнергия не может достичь «идеального» качества, когда не выполняется один или несколько из трех перечисленных выше критериев. Вот примеры того, как каждый из трех критериев может не удовлетворяться:

• Если максимальное/минимальное напряжение значительно меньше +170/-170, возникает проблема качества электроэнергии, известная как «отставание напряжения».
• Если напряжение изменяется между максимальным и минимальным значениями более 60 раз в секунду, результат известен как «скачок частоты».
• Различные ситуации могут привести к вставке «гармоник» в линию электропередачи или синусоидальных колебаний напряжения, кратных 60 Гц. Эти различные волны объединяются вместе, чтобы сформировать новую волну, которая является искажением желаемой синусоиды. «Общее гармоническое искажение» является мерой уровня искажения синусоиды напряжения из-за этой проблемы.

Большинство проблем с качеством электроэнергии связаны с отклонениями напряжения. Например, компания PurePower создала иллюстрированный список из десяти распространенных проблем с качеством электроэнергии, девять из которых связаны с напряжением:

Как видно из этого списка, проблемы с качеством электроэнергии обычно характеризуются двумя вещами: (1) изменением формы сигнала и (2) длительностью этого изменения. Например, «переходный процесс» длится всего несколько наносекунд, а «затухание» длится не менее нескольких минут.

IEEE 1156 дает характеристику проблем качества электроэнергии, связанных с напряжением, которая фокусируется только на отклонении напряжения от нормальных значений и продолжительности отклонения:

Существует несколько показателей качества электроэнергии, которые в настоящее время не рассчитываются OPQ Box, включая коэффициент мощности, коэффициент влияния телефона, коэффициент мерцания и коэффициент дисбаланса. Будущие исследования определят, важны ли эти показатели для достижения целей этого проекта.

Причины проблем с качеством электроэнергии

Итак, мы знаем, что представляет собой «идеальная» мощность переменного тока, и мы знаем некоторые из распространенных причин, по которым мощность может не достичь этого качества. Но почему власть не всегда совершенна?

Причины отклонений частоты

Сначала рассмотрим частоту. Как отмечалось выше, при идеальной сети переменного тока в США напряжение колеблется от +170 вольт до -170 вольт ровно 60 раз в секунду. Чтобы понять, почему могут возникать отклонения этой частоты, полезно понять, как устанавливается и поддерживается это значение частоты.

Для крупных электрических сетей частота переменного тока определяется скоростью вращения больших генераторов переменного тока, обычно 3600 об/мин для газовых турбин. Поскольку спрос на электроэнергию колеблется каждую секунду, скорость вращения будет увеличиваться или уменьшаться в ответ на это, но коммунальные предприятия стали очень хорошо поддерживать скорость вращения своих генераторов переменного тока перед лицом обычных колебаний спроса. Таким образом, для того, чтобы частота значительно отклонялась от 60 Гц, обычные процедуры управления должны были не поддерживать стандартные обороты генераторов. Это может произойти, например, если спрос на электроэнергию превышает возможности коммунальных предприятий по ее обеспечению или если участки сети внезапно отключаются от основных источников питания.

Таким образом, поскольку частота устанавливается и контролируется в источнике выработки электроэнергии, существенные отклонения от нормальных значений частоты традиционно редки в крупных электрических сетях, где большая часть электроэнергии вырабатывается централизованно и контролируется коммунальными службами.

Интересно, что рост распределенного производства возобновляемой энергии означает, что отклонение частоты может стать более серьезной проблемой. Если значительный процент мощности, подаваемой в сеть, не обеспечивается крупными генераторами переменного тока, то они могут перестать доминировать в способе установления и поддержания частоты.

Причины отклонений напряжения

Как отмечалось выше, провалы и выбросы напряжения представляют собой кратковременные отклонения от нормального колебания амплитуды синусоидального сигнала переменного тока. Под «кратким» мы подразумеваем продолжительность от миллисекунд до секунды или около того. По сути, отклонения напряжения возникают, когда выработка электроэнергии в сеть не соответствует потреблению энергии из сети.

В отличие от частоты, которая устанавливается и контролируется в начале выработки электроэнергии, провалы и скачки напряжения могут возникать в конечной точке электрической сети, где потребляется мощность. Провалы напряжения могут быть вызваны быстрым увеличением нагрузки из-за таких вещей, как короткое замыкание, запуск двигателей или включение электрических нагревателей. Они также могут быть вызваны бытовыми приборами, потребляющими слишком много энергии в вашем доме или доме вашего соседа. Скачки напряжения могут быть вызваны резким снижением нагрузки на цепь или неисправной проводкой, например, поврежденным или ослабленным соединением нейтрали.

Распределенные возобновляемые источники энергии, такие как солнечные батареи на крышах, могут вызывать локальные провалы и скачки напряжения, поскольку они генерируют энергию и передают ее в сеть. Если коммунальные предприятия не могут должным образом контролировать свою централизованную генерацию, то энергопотребление не будет соответствовать выработке электроэнергии, что приведет к падению или скачку напряжения.

Переходные процессы могут быть вызваны ненадежными соединениями, ударами молнии, сильным ветром, вызывающим столкновение линий, касанием линий деревьев, автомобильными авариями с участием линий электропередач, птицами или другими животными на линиях.

Отраслевые стандарты

Неудивительно, что для характеристики качества электроэнергии были разработаны различные стандарты. Вот некоторые из наиболее известных.

IEEE 1159

IEEE 1159: Рекомендуемая практика мониторинга качества электроэнергии содержит обзор мониторинга качества электроэнергии, включая описания явлений, связанных с качеством электроэнергии, цели мониторинга качества электроэнергии, типы инструментов мониторинга и различные передовые методы контроля качества электроэнергии. мониторинг и интерпретация результатов.

Кривые ITIC (и CBEMA)

Совет индустрии информационных технологий (ITIC) разработал стандарт (называемый «Кривая ITIC»), определяющий, какие виды проблем с качеством электроэнергии должны допускать электронные устройства. Последняя версия этого стандарта была опубликована в 1999 году и определяет, какие колебания напряжения должны допускать электронные устройства. В принципе, в течение очень коротких периодов времени следует допускать очень большие отклонения от нормального напряжения, но по мере увеличения продолжительности отклонения допустимая величина отклонения уменьшается:

Обратите внимание, что этот стандарт является просто рекомендацией, и не требуется, чтобы электронные устройства действительно соблюдали этот допуск к отклонениям напряжения. Кривая ITIC представляет собой пересмотр аналогичного стандарта под названием «Кривая CBEMA», разработанного Ассоциацией производителей компьютерного оборудования для бизнеса в 1970-х годах.

SEMI F47

SEMI, отраслевая ассоциация полупроводниковой промышленности, разработала стандарт SEMI F47-0706 с целями, аналогичными кривой ITIC. Он устанавливает минимальные требования к устойчивости к провалам напряжения.

PQ и OPQ

Существует много причин, по которым качество электроэнергии может отслеживаться на наличие проблем. Например, электроэнергетические компании следят за качеством электроэнергии, чтобы обеспечить правильное функционирование сети. Завод-изготовитель может контролировать качество электроэнергии, чтобы гарантировать, что его оборудование не будет получать вредную энергию, и даже гарантировать, что его оборудование не создает проблем с вредной энергией в сети. Типы используемых мониторов качества электроэнергии и собираемые данные зависят от целей пользователя.

В случае OPQ мы собираем данные о качестве электроэнергии для достижения следующих целей:

(1) Осведомленность потребителей о потенциальном воздействии их источника питания на их электронику. Например, компьютеры подвержены ошибкам данных, сбоям или даже разрушению в результате отклонений напряжения, таких как переходные процессы. Это повреждение может быть немедленным или кумулятивным воздействием нескольких переходных процессов с течением времени. OPQ повышает осведомленность потребителей о том, может ли низкое качество электроэнергии быть причиной каких-либо электронных проблем, с которыми они сталкиваются.

(2) Влияние на политику в отношении распределенной возобновляемой энергии. Как отмечалось выше, включение больших объемов распределенной возобновляемой энергии может иметь неблагоприятные последствия как для частоты, так и для напряжения. OPQ представляет собой новый, простой в развертывании механизм сбора данных о качестве электроэнергии, который можно использовать в сочетании с другими источниками данных (топология сети, солнечная инсоляция, скорость ветра, другие факторы окружающей среды) для улучшения моделирования и, таким образом, обеспечения доступности возобновляемых источников энергии. источники энергии используются максимально.

Подробнее о мониторинге электроэнергии

Ребята из Open Energy Monitor подготовили отличный учебник по мощности переменного тока, в котором рассматриваются активная и реактивная нагрузки, а также активная и реактивная мощности в сравнении с полной мощностью.

Измерение качества электроэнергии | Энциклопедия MDPI

Использование электрических сетей может вызвать гармонические загрязнения, нарушения и нарушения качества электроэнергии в электрической сети, что приведет к ненормальным условиям эксплуатации оборудования и материалов. Поэтому необходимо характеризовать нарушения качества электроэнергии, чтобы повысить эффективность и надежность энергосистемы.

1. Аварии в электросетях

Помехи в электросети можно классифицировать как воздействующие на основную частотную составляющую (50 Гц или 60 Гц) или как гармонические помехи. Нарушения основной частоты влияют на амплитуду, частоту и начальный фазовый сдвиг основной частоты, такие как провалы напряжения, отключения, перенапряжения и дисбалансы. Гармонические возмущения вызывают искажение формы сигнала (напряжения или тока) и характеризуются появлением новых частотных составляющих, кратных основной частоте.

2. Типичные нарушения качества электроэнергии

Сбалансированная электрическая сеть представляет собой трехфазную энергосистему, характеризующуюся синусоидальной формой волны, где три фазы имеют одинаковую основную частоту (равную номинальному значению), одинаковую величину напряжения и фазовый сдвиг 120°» >120∘. Если одно из этих условий не выполняется, считается, что в электросети наблюдается нарушение качества электроэнергии. Нарушение качества электроэнергии определяется как любая проблема, которая вызывает отклонения напряжения или частоты в источнике питания и может привести к выходу из строя оборудования. отказ или неисправность энергосистемы, которые могут вызвать проблемы на концах нагрузки.Эти события качества электроэнергии включают просадку напряжения, очень короткие перерывы, скачки напряжения, колебания напряжения, дисбаланс напряжения, гармоники, интергармоники, искажения, пики, провалы, мерцание, шум и переходные процессы.   На рисунке 1 показана классификация основных нарушений качества электроэнергии, как описано в литературе  ^{[1] [2] [3] [4]} . Эти нарушения качества электроэнергии можно в общих чертах разделить на две категории: изменения качества электроэнергии и события. Изменение качества электроэнергии рассматривается как установившееся возмущение и соответствует небольшому отклонению частоты и амплитуды от его номинальных значений. И наоборот, событие, связанное с качеством электроэнергии, связано с большим отклонением, таким как перебои в работе, провалы и выбросы. Эти помехи могут оказывать существенное влияние на стабильность сети, безопасность (неисправность реле защиты), срок службы оборудования и эффективность измерения энергосистемы, а также генерировать электромагнитные помехи.

Рисунок 1.  Классификация нарушений качества электроэнергии.

2.1.Причины и последствия

Плохое качество электроэнергии может быть вызвано несколькими причинами и условиями. Индуктивные и емкостные нагрузки, такие как двигатели, балласты и электронные устройства, могут индуцировать сдвиг фаз напряжения и тока, что ухудшает качество коэффициента мощности. Нелинейные нагрузки и рабочие нагрузки с быстро меняющимся потреблением энергии вызывают гармоники, для подавления которых требуются статические и динамические фильтры. Неправильное распределение нагрузки по каждой фазе приводит к разбалансировке фаз. Включение и выключение нагрузок с высокой энергией вызывает колебания напряжения (провалы и скачки), которые можно смягчить путем соответствующего изменения размера нагрузки и регулировки отводов трансформатора. Переходные процессы характеризуются быстрыми (менее полупериода) изменениями напряжения, превышающими номинальное напряжение пробоя изоляции устройства, и вызваны контактами выключателя (дугой) и молнией.

Эти нарушения качества электроэнергии по-разному влияют на бизнес, например, прекращение производства, повреждение продукции, сокращение срока службы оборудования, потеря или повреждение данных и т.  д. ^[5] .

Таблица 2.  Причины и последствия нарушения качества электроэнергии.

Категория	Типичные причины	Основные последствия
Выемка	Удар молнии, включение трансформатора, переключение конденсаторов, отключение тяжелых нагрузок, коммутация силовых электронных выпрямителей	Разрушение компонентов и изоляционных материалов, ошибка обработки данных, электромагнитные помехи и т. д.
Всплески напряжения	Молния, коммутация линий или конденсаторов для коррекции коэффициента мощности, отключение тяжелых нагрузок	Разрушение компонентов и изоляционных материалов, ошибки обработки данных или потеря данных, электромагнитные помехи
Мерцание напряжения	Переключение сети, конденсатора или нагрузки, частый пуск/остановка электродвигателей и колебательных нагрузок, дуговая печь	Мерцание света, неустойчивость зрительного восприятия
Перенапряжение	Переключение большой нагрузки, подача питания на батарею конденсаторов, неправильная настройка ответвлений на трансформаторах	Мерцание света, остановка или повреждение чувствительного оборудования
Гармоника	Нелинейные нагрузки (регулируемые приводы, SMPS), оборудование для обработки данных, высокоэффективное освещение, дуговые печи, электрические машины, работающие выше колена кривой намагничивания	Перегрев трансформаторов, перегрузка нейтрали, перегрев кабелей и оборудования, потеря КПД в электрических машинах, повышенная вероятность возникновения резонанса, электромагнитные помехи в системах связи, ошибки в измерениях при использовании счетчиков средних показаний, ложное срабатывание тепловых защит.
Пониженное напряжение	Включение большой нагрузки или отключение большой батареи конденсаторов	Световое мерцание, неустойчивость зрительного восприятия
Перенапряжение	Пуск или останов тяжелых нагрузок, неподходящие источники питания и регулируемые трансформаторы, системные неисправности, переключение нагрузки и конденсатора	Мерцание света, потеря данных, остановка или повреждение чувствительного оборудования
Падение напряжения	Неисправные установки потребителей, неисправная передающая или распределительная электрическая сеть, пуск больших двигателей и подключение тяжелых нагрузок	Неисправность оборудования информационных технологий, срабатывание контакторов и электромеханических реле и потеря эффективности в электрических вращающихся машинах
Прерывания	Отказ оборудования в сети энергосистемы, срабатывание защитных устройств, грозы, человеческий фактор, отказ защитных устройств	Останов всего оборудования

Характеристика качества электроэнергии имеет первостепенное значение для повышения безопасности и надежности энергосистем. На рис. 2 показаны этапы определения качества электроэнергии, которые включают сбор сигналов на основе соответствующих датчиков, этап извлечения признаков для оценки параметров сигнала, этап обнаружения и, наконец, этап классификации для определения типов нарушений качества электроэнергии  ^[6] . Этап выделения признаков выполняется на основе передовых подходов к обработке сигналов, которые включают методы оценки спектральной плотности мощности, методы демодуляции и частотно-временной анализ. Этап классификации в основном выполняется с использованием подходов машинного обучения.

Рис. 2. Алгоритм мониторинга  PQ.

2.2. Анализ качества электроэнергии

Переход к интеллектуальным сетям требует передовых стратегий управления, систем управления энергопотреблением, современных защитных устройств и мониторинга качества электроэнергии для решения проблем с качеством электроэнергии. Последнее может быть выполнено с использованием измерительных подстанций, в которых используются интеллектуальные электронные устройства, в том числе PMU и инфраструктура диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). PMU используются для безопасного измерения и оценки параметров сигналов мощности. Эти параметры передаются на центральный контроллер через инфраструктуру SCADA для дальнейшей постобработки и определения переходных характеристик нарушений качества электроэнергии. Эти характеристики обеспечивают более высокое качество электроэнергии и меньшее время простоя, а также поддерживают питание от прерывистых источников питания и распределенной генерации.

2.3. Определение

Качество электроэнергии — это оценка стабильности источника питания с точки зрения величины напряжения, частоты и формы сигнала, необходимых для безопасной, правильной и непрерывной работы определенной электрической нагрузки. Действительно, поддержание требований PQ по напряжению и току в энергосистеме на должном уровне обеспечивает безопасную и непрерывную работу электрических нагрузок. Хорошее качество электроэнергии можно рассматривать как устойчивое напряжение питания, которое находится в заданном диапазоне, имеет частоту, близкую к номинальному значению, и форму волны, близкую к синусоидальной (отсутствие искажений, отсутствие гармоник, отсутствие пиков и мерцаний и т. д.) . Электроэнергетическая система состоит из устройств выработки электроэнергии, линий электропередачи, сети распределения электроэнергии и, наконец, счетчиков электроэнергии на уровне конечных потребителей. Сложность системы электроснабжения в сочетании с метеорологическими явлениями, колебаниями производства и потребления, использованием силовой электроники на уровне сети и потребителей, а также интеграция систем прерывистой и распределенной генерации создают несколько факторов, ухудшающих качество электроэнергии.

2.4. Система измерения больших площадей

Глобальная измерительная система (WAMS) представляет собой автономную измерительную технологию, информационный инструмент и операционную инфраструктуру, которая дополняет обычную систему диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), используемую для управления и мониторинга основной сети ^[7] . WAMS предназначен для мониторинга в режиме реального времени динамики энергосистем, выявления слабых мест управления и устойчивости, а также реализации контрмер с целью повышения надежности энергосистемы  ^[8] . Это позволяет получать более подробные данные (в частности, синхрофазоры в реальном масштабе времени) об установившемся режиме работы энергосистемы и переходных процессах, возникающих из-за различных возмущений энергосистемы. Основными задачами WAMS являются мониторинг в режиме реального времени, анализ аварийных ситуаций, адаптивная защита и восстановление энергосистемы. На рис. 3 показана схема, описывающая компоненты WAMS. Он включает в себя PMU, PDC, GPS для временной синхронизации векторов, каналы связи, средства визуализации и анализа, обширную систему ситуационной осведомленности и обширную систему защиты и управления.

Рис. 3.  Концентратор векторных данных в глобальной системе измерения (CCN означает сеть центрального управления).

2.5. Векторные единицы измерения

Блок векторных измерений (PMU) — это высокоскоростной интеллектуальный измеритель, используемый для оценки состояния энергосистем и контроля качества электроэнергии с точностью порядка микросекунд, что намного быстрее, чем существующие технологии SCADA ^{[9] [10]} . PMU позволяет оценивать частоту, величину и фазовый угол величины электрического вектора (напряжение или ток) по отношению к глобальной привязке ко времени для получения синхронизированных измерений в реальном времени в нескольких широко разбросанных точках в сети энергосистемы  ^{[11] [12]} . Синхронизация времени в основном обеспечивается Глобальной системой позиционирования (GPS) или протоколом точного времени IEEE 1588. Измеряемые величины представлены синхрофазором, как показано Рисунок 4 . Вычисление векторных измерений в реальном времени, синхронизированных с абсолютной привязкой ко времени, имеет первостепенное значение, поскольку позволяет эффективно реагировать на возмущения энергосистемы и возможные каскадные отключения электроэнергии.

Рис. 4.  Синхрофазорное представление синусоидального сигнала для исправного и неисправного состояния (просадка напряжения на фазе 1).

PMU измеряет напряжения и токи на критических подстанциях линий электропередачи и вычисляет вектора с отметками времени, как показано на рис. 5 . Сравнение этих синхронизированных измерений в режиме реального времени позволяет оценить состояние энергосистемы и обнаружить помехи, которые могут повлиять на качество электроэнергии. Векторные данные собираются либо на месте, либо в централизованных местах с использованием технологий концентратора векторных данных (PDC) (см. 9).0123 Рисунок 3 )  ^[13] . PDC получает векторные данные от нескольких PMU и синхронизирует их по времени, чтобы создать синхронизированный по времени поток выходных данных в реальном времени. Затем эти данные передаются в региональную систему мониторинга (центральную сеть управления), которой управляет местный сетевой оператор. Благодаря точной синхронизации измерений этот мониторинг энергосистемы позволяет контролировать поток мощности от нескольких источников выработки энергии, реализовывать механизмы реагирования на спрос (сброс нагрузки), а также обнаруживать и классифицировать события для предотвращения отключений электроэнергии  ^[11] .

Рис. 5.  Единицы измерения вектора.

2.6. Международные стандарты

Качество электроэнергии в интеллектуальных сетях определяется международными стандартами и их местными производными, принятыми различными странами и поставщиками электроэнергии. В частности, существуют две международные организации, устанавливающие стандарты качества электроэнергии: Международная электротехническая комиссия (МЭК) и Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). Основные стандарты качества электроэнергии:

• IEC/IEEE 60255-118-1:2018 используется для систем измерения синхрофазоров в энергосистемах. Он определяет измерения PMU, синхрофазора, частоты и ROCOF. Несмотря на то, что он не предоставляет аппаратного и программного обеспечения для вычисления этих величин, он определяет методы оценки соответствия этих измерений стандартным требованиям как в статических, так и в динамических условиях.

• EN50160 — это европейский стандарт измерения качества электроэнергии, определяющий допустимые пределы среднеквадратичных значений напряжения и тока по отношению к номинальным значениям и продолжительности помех в сети переменного тока.

• IEEE-519 — это североамериканский стандарт для систем электропитания. Он предназначен как «рекомендуемая практика» и относится как к искажению тока, так и к искажению напряжения.

• IEC 61000-4-30 — это стандарт, определяющий методы контроля качества электроэнергии. В частности, в нем приводится описание методов измерения и интерпретации параметров ПК ^[14] . В отличие от предыдущих выпусков, издание 3 2015 г. включает измерения тока, а также измерения напряжения.

Что касается PMU, стандарт IEEE C37.118-2005 касается вопросов, связанных с интеграцией PMU в электроэнергетические системы. Этот стандарт в основном описывает требования к проверке точности измерений и сертификации, формат передачи данных и протокол связи. Для обработки динамического поведения энергосистемы стандарт был обновлен и разделен на две части в 2011 году (и его поправка C37.118-2014): C37.118-1, касающаяся оценки вектора, и C37.