Система диагностики и мониторинга качества электроэнергии

Повышение энергоэффективности и энергобезопасности – одни из самых злободневных вопросов современного рынка электроэнергии. Ведь проблемы качества электроэнергии ведут к значительным убыткам в промышленности и торговле.

Вопросы качества электроэнергии можно разделить на три категории:

• соответствие основных характеристик нормативным показателям;
• гарантированность и бесперебойность поставок;
• качество договорных отношений с поставщиком электроэнергии.

Системы мониторинга качества электроэнергии позволяют внедрить действенные механизмы управления надежностью энергоснабжения и контролировать поставки электроэнергии. С их помощью можно в реальном времени фиксировать все сбои и отклонения и предпринимать все необходимые меры по их устранению, минимизируя финансовые потери.

Разработка системы управления качеством электроэнергии с функциями диагностики качества электроэнергии

В последнее время развитие ИТ-технологий привело к распространению систем мониторинга качества электроэнергии, соединённых друг с другом по сети и обменивающихся данными, поскольку такие сети обеспечивают потребителям подробную информацию в отношении качества электроэнергии. Такие системы могут выдавать аварийные сигналы и показывать информацию о событиях качества электроэнергии. Однако при наступлении события качества электроэнергии потребителям трудно определить его причины и принять решение, потому что эти системы не обеспечивают возможность диагностики качества электроэнергии. Задачей системы управления качеством электроэнергии является предоставление потребителям различных функций диагностики качества электроэнергии, которые могли бы помочь принять необходимые меры в необходимом месте.

В последнее время качество электроэнергии стало серьёзной проблемой, как для поставщиков электроэнергии, так и для потребителей. Раньше от поставщиков требовалось только обеспечение электрической энергией без отключений. Но теперь потребители начали предъявлять более высокие требования к качеству электроэнергии, что связано с серьёзными изменениями в системах энергоснабжения, которые существенно затрагивают этот аспект. Во-первых, получили широкое распространение изделия силовой электроники. Так как эти устройства имеют нелинейную зависимость между напряжением и током, они ухудшают качество электроэнергии. Во-вторых, электрические нагрузки стали более требовательными к качеству питания. Например, известны своей чувствительностью к качеству электроэнергии высокотехнологичные ИТ-устройства, регулируемые приводы, оборудование для управления технологическими процессами и компьютеры. Даже незначительные "события качества электроэнергии" могут привести к их повреждению, сбоям в работе или выходу из строя аппаратной части.

Наконец, децентрализация рынка электроэнергии вносит значительные изменения во всю систему энергоснабжения. В традиционной системе энергоснабжения цены и условия обслуживания единообразны по причине монопольности поставщика. В децентрализованной энергосистеме монополия поставщика будет разделена на многие компании, такие как генерирующие компании, сетевые операторы, продавцы электроэнергии и энергосервисные компании. Каждая из этих компаний должна нести ответственность за ухудшение качества электроэнергии для других или поддерживать качество электроэнергии согласно контрактам. Поэтому при возникновении того или иного события качества электроэнергии могут возникать затруднения с определением его причин и поиском ответственного. В результате становится всё более и более важным точное измерение уровня качества электроэнергии и определение причин его ухудшения. Поэтому устройства точного мониторинга качества электроэнергии имеют хорошие перспективы.

В последнее время развитие ИТ-технологий привело к тому, что нормой стали системы мониторинга качества электроэнергии, соединённые друг с другом по сети и обменивающиеся данными, поскольку такая сеть дает потребителям доступ к подробной информации по качеству электроэнергии. Во многих случаях с целью локального управления качеством электроэнергии данные анализа нескольких систем мониторинга собираются через сетевое соединение на графическом интерфейсе пользователя (GUI). Системы GUI могут выдавать сигналы оповещения и показывать информацию о событиях качества электроэнергии в удобной для потребителей форме.

Однако при наступлении события качества электроэнергии потребителям трудно определить его причины и принять решение, т.к. рассматриваемые системы не обеспечивают диагностику качества электроэнергии. Была разработана система управления качеством электроэнергии с целью дать потребителям различные функции диагностики качества электроэнергии, которые могут помочь принять необходимые меры в необходимом месте.

Далее представлена подробная структура и функции системы управления качеством электроэнергии, которая состоит из системы мониторинга качества электроэнергии (СМКЭ), системы GUI и системы диагностики качества электроэнергии (СДКЭ). Также приведены некоторые результаты практического применения функций диагностики электроэнергии.

Общая конфигурация системы

На рис. 1 показана конфигурация системы управления качеством энергии. СМКЭ обнаруживает события качества электроэнергии после анализа результатов измерения напряжения и тока в линии. Данные о качестве электроэнергии от СМКЭ по сети передаются в систему GUI. Наиболее подходящим типом сети является Ethernet, так как для других средств последовательной передачи данных объём данных слишком велик. Система GUI обычно устанавливается на компьютере оператора, она собирает данные о качестве электроэнергии с устройств СМКЭ и сохраняет их в базе данных. Кроме того, система GUI показывает события качества электроэнергии, тенденции изменения качества электроэнергии, форму напряжений и токов и т.п., а также предупреждает оператора о наступлении событий.

СДКЭ устанавливается в системе GUI. При её установке в основном меню программного обеспечения GUI добавляется и активируется меню диагностики качества электроэнергии. СДКЭ диагностирует качество электроэнергии по различным направлениям: прогнозирование вероятности события, определение причины и места события, предложение контрмер и т.д. Подробное описание функций каждого компонента приводится в последующих разделах.

Система мониторинга качества электроэнергии (СМКЭ)

Аппаратная часть СМКЭ состоит из трёх узлов: аналого-цифровой преобразователь (АЦП), узел анализа качества электроэнергии и узел передачи данных. АЦП преобразует аналоговые сигналы напряжений и токов трансформатора напряжения (ТН) и трансформатора тока (ТТ) в цифровую форму. Частота дискретизации составляет 128 за период или 7800 Гц. Это позволяет анализировать гармоники до 50-го порядка. Разрешение составляет 16 бит. В узле анализа качества электроэнергии используется алгоритм цифровой обработки сигнала. В последнем узле результаты анализа качества электроэнергии передаются в систему GUI с помощью высокоскоростного Ethernet.

На рис. 2 показана типовая структура СМКЭ с децентрализованной структурой обработки. Эта структура объединяет в одно устройство все вышеперечисленные узлы. Большинство производителей выпускают такой тип СМКЭ.

На рис. 3 показана структура СМКЭ с концентрированной структурой обработки. Основная идея этой архитектуры состоит в выделении узла АЦП в отдельное устройство, называемое измерителем качества электроэнергии (ИКЭ). Задачей ИКЭ является только измерение напряжений и токов и передача этих данных в анализатор качества электроэнергии (АКЭ). Сложные и трудоёмкие алгоритмы анализа качества электроэнергии сосредотачиваются в АКЭ.

Преимуществом концентрированной структуры обработки является то, что стоимость ИКЭ может быть уменьшена при использовании относительно низкоскоростных процессоров, потому что от ИКЭ не требуется выполнять сложных вычислений. Таким образом, эта структура может быть экономичным и конкурентоспособным решением для системы диагностики качества электроэнергии, которая имеет дело с многочисленными узлами и устройствами. Недостатком такой структуры являются проблемы связи между ИКЭ и АКЭ. Однако в настоящее время технология Ethernet может решить эту проблему, кроме того, технологии передачи данных быстро совершенствуются.

На рис. 4 показана процедура анализа качества электроэнергии. Первым этапом является определение параметров качества электроэнергии. При этом с помощью алгоритмов цифровой обработки сигналов определяются действующие значения напряжений и токов, гармонические компоненты и частота системы. Действующие значения определяются в течение каждого полупериода, а гармонические компоненты, представленные амплитудой и фазовым углом каждой отдельной гармоники, вычисляются один раз за период с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ), в основном с использованием БПФ с длиной 128 точек и основанием 2.

Для измерения частоты системы имеется много методов, например, дискретное преобразование Фурье (ДПФ), метод Прони,интеллектуальное быстрое преобразование Фурье (ИБПФ). Мы модифицируем теорию ИБПФ и применяем её к разработанной системе, так как её преимуществом является точность, особенно при отклонениях значения частоты от номинального, а также скорость вычисления и невосприимчивость к гармоническим шумам.

Таблица № 1. Данные о качестве электроэнергии, вырабатываемые СМКЭ

Вторым этапом является анализ качества электроэнергии. В таблице № 1 приведены категории анализируемых данных: динамика показателей, данные о событиях, исходные данные и данные о гармониках.

Динамика показателей характеризует изменения качества электроэнергии, которые обычно являются медленными и продолжительными по сравнению с изменениями данных о событиях. Эти данные генерируются каждые 30 периодов и усредняются каждые 30 мин. Определяется динамика следующих показателей: действующие значения напряжений и токов, мощность (Вт, вар и ВА), энергия (Вт·ч, вар·ч и ВА·ч), частота системы, коэффициент мощности, коэффициент небаланса, а также показатели гармонических искажений, такие как коэффициент гармонических искажений (КГИ), КГИ по чётным гармоникам, КГИ по нечётным гармоникам, коэффициент искажения синусоидальности кривой, К-фактор.

Данные о событиях представляют общую информацию о событиях качества электроэнергии, таких как провалы и выбросы напряжения, события, связанные с гармониками, и т.п. Обнаружение событий проводится в соответствии со стандартом IEEE 1159. К примеру, провал напряжения определяется как снижение напряжения до 10 – 90% в течение времени от 0,5 периода до 1 мин. Данные о каждом событии состоят из длительности события, типа события, времени начала и окончания, среднего и минимального или максимального значения.

Данные о событии также содержат направление события, которое показывает относительное место источника события. Если источник события находится в зоне ИКЭ, направление события исходящее. Если источник события находится вне зоны, направление события входящее. Направление события напряжения определяется с помощью различных методов, которые используют значения тока и мощности во время или после события. Направление события гармоник определяется по направлению потока мощности гармоник. Данные о направлении события используются в СДКЭ для нахождения местоположения источника события.

Исходные данные представляют собой данные выборок формы волны напряжения и тока. Как уже было сказано, ИКЭ делает 128 выборок за период, однако для облегчения условий передачи данных на систему GUI число выборок снижается до 64 за период. Исходными данными о гармониках являются величина каждого гармонического компонента от 0 до 50-го порядка. Исходные данные и данные о гармониках используются для точной диагностики в СДКЭ или индикации в реальном времени.

Система GUI

Система GUI имеет три основные функции: индикация, управление СМКЭ и управление базой данных. Во-первых, GUI индицирует различные графики и диаграммы, относящиеся к качеству электроэнергии, данные о событиях, а также текущие формы напряжения и тока в линии.

Во-вторых, система GUI управляет подключенными к ней СМКЭ и контролирует их. Система GUI посылает на СМКЭ стандартные сигналы времени для синхронизации времени СМКЭ со временем системы GUI. Поэтому время всей системы может быть синхронизированным и временные метки каждого события будут нести информацию. Кроме того, система GUI периодически проверяет состояние СМКЭ по сигналам уведомления.

И наконец, система GUI управляет данными, принятыми с нескольких СМКЭ, и заносит их в соответствующие базы данных, используя открытый интерфейс доступа к базам данных (ODBC).

Система диагностики качества электроэнергии (СДКЭ)

Процесс диагностики качества электроэнергии иллюстрируется рис. 5. Входными данными для системы диагностики качества электроэнергии являются значения, записанные в базу данных системы GUI. Основными диагностическими функциями являются определение динамики показателей, стохастическая диагностика, определение показателей качества электроэнергии и идентификация событий. Эти функции будут подробно рассмотрены в следующем разделе.

Для определения точного положения источника события в распределительной системе СДКЭ должна иметь данные о топологии системы энергоснабжения. В разработанной СДКЭ пользователям необходимо ввести топологию системы и некоторые необходимые данные в карту системы (System Map). На рис. 6 изображена карта системы, которая показывает конфигурацию локальной системы энергоснабжения и подключение СМКЭ. При возникновении события качества электроэнергии система GUI немедленно отмечает на карте СМКЭ, которая его обнаружила. После того как событие будет идентифицировано СДКЭ, на карте отмечается его источник.

Функции диагностики

Определение динамики событий

Функция определения динамики используется для статистического обобщения динамики событий, перечисленных в Таблице № 1. Результаты определения динамики событий представляются в виде часовых, недельных, месячных диаграмм и временных диаграмм. Часовые, недельные и месячные диаграммы показывают динамику событий соответственно в течение дня, недели и месяца. К примеру, с помощью часовой диаграммы пользователи могут определить временной интервал, когда часто наступает соответствующее событие. Временные диаграммы показывают количество событий в форме совокупного графика и обобщают события в период диагностики. Эта диаграмма даёт потребителям чёткую информацию о динамике событий во времени.

Стохастическая диагностика

Функция стохастической диагностики выдаёт несколько стандартных диаграмм, графиков событий напряжения и графиков событий гармоник.

Стандартными диаграммами напряжения для компьютерных устройств и оборудования по производству полупроводников являются диаграммы CBEMA, ITIC и SEMI.

Графики события напряжения включают в себя диаграммы события напряжения и диаграмму провалов напряжения. Диаграммы события напряжения показывают количество событий напряжения в зависимости от величины напряжения и длительности события в виде трёхмерных диаграмм. Диаграмма провалов напряжения предложена стандартами IEEE 493 и 1346. Эта диаграмма показывает примерное годовое количество событий напряжения. Если пользователь знает допуск на напряжение своего оборудования, он может определить, как часто в течение года оборудование будет подвергаться изменению напряжения.

В графике событий, относящихся к гармоникам, число событий показано в виде гистограммы в соответствии с КГИ. Из этого графика можно определить индекс гармоник CP95, то есть значение КГИ, соответствующее 95% от общего количества результатов.

Определение показателей качества электроэнергии

Для оценки качества электроэнергии был разработан ряд показателей. Показатели качества электроэнергии должны количественно выражать состояние качества электроэнергии и помогать потребителям понимать, какое они имеют качество электроэнергии. Эти показатели также могут быть использованы в качестве основы контракта на поставку электроэнергии.

Представителем обычного показателя качества электроэнергии является SARFIx(показатель частоты изменения среднего действующего значения напряжения), который является отношением числа потребителей, испытывающих провалы напряжения с величиной ниже X%, к общему числу потребителей. Однако этот показатель не может отражать величину провала напряжения. К примеру, если X = 70%, при провалах напряжения 60% и 20% показатель будет одним и тем же.

В этом смысле показатель провалов (Sag Score), предложенный Detroit Edison, является более эффективным для применения в контрактах на энергоснабжение. Показатель провалов определяется в соответствии с выражением (1), где V_a, V_b и V_c– это напряжения фаз в относительных единицах [15]. Однако этот показатель не учитывает длительность провала.

(1)

В разработанной СДКЭ используется новый показатель провала напряжения. Этот показатель определяется как произведение разности напряжений между действующим значением напряжения, заданным в контракте между поставщиком электроэнергии и потребителями (V_ctr), и средним действующим значением напряжения во время события на длительность события (d) (2). Этот показатель включает в себя как величину, так и длительность события, а не только величину.

(2)

В действительности действие провалов напряжения различается в зависимости от их длительности, как можно видеть из диаграммы ITIC. Поэтому для отражения зависимости от длительности значение V_ctrв (2) должно стать функцией времени.

Кроме того, при регулировании весовых коэффициентов событий качества электроэнергии определяется общий показатель события качества электроэнергии. Пользователи могут определять значения весовых коэффициентов с учётом своих условий. К примеру, весовые коэффициенты провала напряжения и прерывания могут быть равны соответственно 2 и 3, а других событий – 1. Этот показатель выражает общее состояние качества электроэнергии в соответствующих системах энергоснабжения.

Идентификация события

Идентификация события, которая включает в себя три категории: идентификация места события, идентификация причины события и рекомендации по решению проблемы, иллюстрируется рис. 7.

Идентификация места события необходима для определения точного положения источника события. Это важно при решении проблем качества электроэнергии, так как даёт возможность быстро ликвидировать аварии и найти более подходящий метод компенсации. Большее количество СМКЭ в локальной системе увеличивает возможность более точного определения места. Для определения места события СДКЭ использует данные о направлении события и данные о конфигурации системы. Данные о направлении события вырабатываются СМКЭ и запоминаются в базе данных системы GUI. Данные о конфигурации системы могут быть получены из карты системы.

Идентификация причины события также очень важна, потому что эта функция даёт способ повышения качества электроэнергии. Разработанная система может идентифицировать два типа событий: события, связанные с напряжением, и события, связанные с гармониками. Для идентификации источника событий напряжения СДКЭ постоянно вычисляет действующее значение напряжения по исходным данным волны напряжения с использованием метода скользящего окна и затем оценивает отклонение действующего значения для классификации неисправности. Если, к примеру, характеристики аварии соответствуют определённому заранее заданному шаблону, СДКЭ может определить причину события напряжения. Поэтому для более точного определения необходимо иметь как можно больше информации, касающейся неисправности оборудования.

Источник события, связанного с гармониками, может быть определён с помощью данных о спектре гармоник. Если спектр гармоник совпадает с одним из имеющихся в перечне причин событий, СДКЭ может определить причину события. В настоящее время СДКЭ может идентифицировать 6-пульсный выпрямитель, 12-пульсный выпрямитель, насыщение трансформатора и т.д.

СДКЭ рекомендует решения для повышения качества электроэнергии. Она предлагает типы компенсирующих устройств качества электроэнергии и рекомендует их параметры, наиболее подходящие к данным событиям.

Разработанная система

На рис. 8 показано главное окно системы GUI с СДКЭ. В левой части окна находится редактор карты системы (System Map editor), а справа показываются подробные данные о событиях качества электроэнергии. В нижней части показываются предупредительные сигналы, если СМКЭ обнаруживает событие качества электроэнергии.

Рис. 9 представляет часовую диаграмму событий напряжения. Пользователи могут рассматривать динамику событий за любой необходимый период. Поэтому такая диаграмма может помочь пользователям выработать план мероприятий по повышению качества электроэнергии.

На рис. 10 показаны события напряжения на диаграмме ITIC. На горизонтальной и вертикальной осях диаграммы показываются соответственно длительность и величина напряжения. Каждая точка обозначает одно событие, а две кривые показывают допустимые пределы отклонения напряжения. События напряжения за пределами кривой ITIC отрицательно сказываются на оборудовании потребителя.

Разработанная система управления качеством электроэнергии включает в себя систему диагностики качества электроэнергии (PQDS). PQDS имеет 4 функции диагностики: определение динамики показателей, стохастическая диагностика, определение показателей качества электроэнергии и идентификация событий. Результаты, полученные с помощью функций диагностики, помогут потребителю осуществлять управление качеством электроэнергии и улучшать его.

Разработанная система управления качеством электроэнергии проверена на практике в нескольких отраслях промышленности. Для более точной идентификации событий необходимо более подробное изучение динамических характеристик различных реальных нагрузок, а также исследование реальных данных в условиях эксплуатации.