Анализатор качества электроэнергии – сравнительные испытания

Рассмотрим сравнение анализаторов качества электроэнергии класса А в отношении измерений гармонических искажений напряжения, основанное на результатах лабораторных испытаний. Испытанные средства измерения соответствуют требованиям стандарта МЭК 61000-4-30. Целью проведённых испытаний была оценка разброса результатов измерений анализаторов, подключенных к одному и тому же источнику. При этом предполагалось, что при одновременных измерениях одного и того же напряжения разброс показаний должен быть не больше ±5% от измеряемого значения.

Сохранение приемлемого качества электроэнергии стало в последние годы серьёзной проблемой. Крупные промышленные и бытовые потребители несут большие экономические потери из-за его ухудшения. Причиной такого положения является широкое использование нелинейных нагрузок (на каждом уровне напряжения), например, бытовых электроприборов, люминесцентных ламп, регулируемых приводов, компьютеров с одновременным уменьшением количества резистивных нагрузок. Кроме того параметры электропитания ухудшаются из-за нагрузок, работающих с меняющимся потреблением энергии (особенно реактивной), коротких замыканий в системе и коммутаций конденсаторов и мощных нагрузок.

В связи с этим появляются всё более и более высокие требования, относящиеся к качеству электроэнергии и его контролю. Сегодня качество электрической энергии стало пониматься как «продукт», который может быть лучше или хуже, несоблюдение требований к нему, подтверждаемое результатами измерений, может стать основой взаимных финансовых требований операторов системы распределения и потребителей.

Одним из параметров, принимаемых во внимание при оценке качества электроэнергии, является уровень искажений напряжения. Эти искажения характеризуются величинами каждого гармонического компонента в спектре сигнала. Чем они больше, тем больше искажено напряжение. Количественной мерой искажения формы является суммарный коэффициент гармонических искажений (THD), определяемый выражением:

где N – количество рассматриваемых гармоник.

Этот коэффициент является отношением действующего значения всех гармонических компонентов к значению основного компонента. Нужно отметить, что сигналы разной формы могут иметь одинаковое значение THD. При анализе качества электроэнергии используются средние значения THD за 10 мин.

Правильная оценка величин отдельных гармоник критична как для рынка, так и с технической точки зрения, поэтому очень важно иметь инструменты для достоверных измерений. Задача может быть решена при использовании анализаторов качества электроэнергии класса А.

На европейском рынке имеется широкий ряд приборов для измерения качества электрической энергии, производители которых декларируют их соответствие классу А. Обычно это подтверждается независимыми лабораторными испытаниями, но иногда основывается только на собственных исследованиях изготовителя. Ситуация с выпуском сертификатов класса А не совсем понятна, потому что до сих пор ни одной международной организацией (например, МЭК) не были разработаны и утверждены методики испытаний.

Ниже изучим процесс проведения проверки того, что показания различных анализаторов качества электроэнергии находятся в пределах заданного диапазона неопределённости при измерении одного и того же сигнала.

Техническая информация по анализатору качества электроэнергии

Форма напряжения моделировалась программируемым источником Schaffner NSG 1007, который позволяет генерировать искажённое напряжение, как при задании набора отдельных гармоник, так и при выборе из списка типовых сигналов. Анализаторы качества электроэнергии подключались к одной и той же точке для измерения выходного сигнала ненагруженного источника. Каждое испытание продолжалось 10 мин. Испытательное напряжение равнялось 230 В. Первые 5 испытаний были для установившегося режима, т.е. форма подаваемого напряжения была постоянной, и содержание гармоник не менялось в течение всех 10 мин. цикла измерения. В последующих испытаниях форма сигнала менялась во времени.

Для испытаний были выбраны 10 анализаторов качества электроэнергии, предлагающихся на европейском рынке. У всех приборов был заявлен класс А при измерении коэффициента гармонических искажений в соответствии с (1). Список испытываемых приборов приведён в таблице I. Порядок их перечисления не соответствует результатам, представленным далее.

ТАБЛИЦА I Список анализаторов качества электроэнергии

Так как некоторые из испытуемых анализаторов представляют измеренные значения каждой гармоники только как относительные значения (выраженные в процентах) или только как абсолютное значения (выраженные в вольтах), для дальнейшего анализа было необходимо привести все результаты к одному типу данных. Было решено использовать относительные значения, выраженные в процентах.

Результаты испытаний анализаторов качества электроэнергии

При испытаниях сигналы с искажениями различной степени подавались на входы приборов. Для каждой формы сигнала фиксировались THD и показания для отдельных гармоник всех анализаторов.

Так как реальные параметры анализируемого сигнала не всегда были точно известны, было решено вычислять разброс результатов относительно средней арифметической величины показаний анализаторов при испытаниях. Информация, полученная таким образом, не позволяет определить, показания какого анализатора неправильны, но даёт общую информацию о возможных погрешностях различных устройств. Стандарт определяет допустимую неопределённость как ±5% от измеряемой величины. Поэтому если все анализаторы измеряют правильно, их показания для всех форм сигнала должны находиться в этом диапазоне.

1. Испытание I. Определение значений отдельных гармоник

   При первом испытании на входы анализаторов качества электроэнергии подавался сигнал с известными значениями отдельных гармоник (см. таблицу II). Сигнал содержал гармоники, соответствующие гармоникам тока, форма которого искажена 6-пульсным выпрямителем. Записанная осциллограмма напряжения приведена на рис. 1.

   Анализ полученных данных измерений (таблица III, рис. 2) показывает, что разброс результатов, как для отдельных гармоник, так и для THD находится в диапазоне ±5% от среднего значения.

   

   Рис. 1. Форма напряжения при испытании I, 6-пульсный выпрямитель

   Таблица II Значения гармоник, использованные в испытании I

   Номер гармоники	Частота, Гц	Напряжение Urmsh/Urms1, %
   1	50	100
   2	100	1
   3	150	5
   4	200	1
   5	250	5
   6	300	1
   7	350	5
   8	400	1
   9	450	1
   10	500	1
   11	550	5
   12	600	1
   13	650	5
   14	700	1
   15	750	1

   

   Рис. 2. Значения THD, испытание I, 6-пульсный выпрямитель (горизонтальная линия – среднее значение)

   ТАБЛИЦА III Результаты измерений испытания I

   Анализатор	THD %	Номер гармоники
   				1	2	3	4	5
   1	11,40	100,00	0,99	5,08	0,99	5,01
   2	11,56	100,00	1,01	5,12	1,02	5,07
   3	11,44	100,00	1,01	5,08	1,02	5,03
   4	11,51	100,00	1,01	5,09	1,03	5,04
   5	11,50	100,00	1,00	5,10	1,00	5,00
   6	11,40	100,00	1,00	5,10	1,00	5,00
   7	11,46	100,00	1,00	5,10	1,01	5,04
   8	11,49	100,00	1,01	5,09	1,01	5,04
   9	11,49	100,00	1,00	5,10	1,02	5,04
   10	11,50	100,00	1,00	5,10	1,01	5,04
   Среднее	11,47
   Разброс	+0,74% -0,65%

   

   Рис. 3. Форма напряжения при испытании II, кривая с плоской вершиной

2. Испытание II. Кривая с плоской вершиной

   В следующем испытании использовался входной сигнал синусоидальной формы с вершиной, обрезанной на 10%. (рис. 3). В настоящее время такая форма сигнала часто встречается в системах энергоснабжения из-за использования импульсных источников питания с диодными выпрямителями и конденсатором на стороне постоянного тока. Напряжение такой формы используется при испытаниях на электромагнитную совместимость согласно стандарту МЭК 61000-4-13 для проверки устойчивости электрооборудования к искажениям напряжения.

   ТАБЛИЦА IV Результаты измерений испытания II

   	Номер анализатора
   	1	2	3	4	5
   THD,%	4,20	4,29	4,25	4,28	4,30
   	Номер анализатора
   	6	7	8	9	10
   THD,%	4,25	4,26	4,27	4,30	4,30
   	Средний THD, %		Разброс,%
   	4,27		+0,70/-1,63

   Результаты измерений THD приведены в таблице IV, показывают, что полученные значения сопоставимы. Общий разброс относительно среднего значения составляет 2,3%. Это не превышает допустимого предела.

   

   Рис. 4. Значения THD, испытание II, кривая с плоской вершиной (горизонтальная линия – среднее значение)

   

   Рис. 5. Напряжение при испытании II, сигнал треугольной формы

3. Испытание III. Сигнал треугольной формы

   Для следующего испытания использовался сигнал треугольной формы (рис. 5). Полученные значения THD приведены в таблице V. Анализатор качества электроэнергии № 3 был исключён из этого испытания, потому что максимальное значение подаваемого сигнала, которое возрастало до 400 В при действующем значении 230 В, было больше, чем его диапазон измерений. Разброс относительно среднего значения не превысил 1,5%.

   ТАБЛИЦА V Результаты измерений испытания III

   	Номер анализатора
   	1	2	3	4	5
   THD,%	12	12,8	-	12,1	12,1
   	Номер анализатора
   	6	7	8	9	10
   THD,%	12,02	12,12	12,11	12,06	12,1
   	Средний THD, %		Разброс,%
   	12,09		+0,76/-0,73

   

   Рис. 6. Значения THD, испытание III, сигнал треугольной формы (горизонтальная линия – среднее значение)

4. Испытание IV. 12-пульсный выпрямитель

   Следующим сигналом для анализа было напряжение, соответствующее форме тока 12-пульсного выпрямителя (рис. 7). Значения THD приведены в таблице VI. Полученные значения THD в отличие от результатов предыдущих испытаний имеют разброс на несколько процентов от среднего значения. Причиной этого явилось относительно высокое значение, полученное от анализатора качества электроэнергии № 2. Полный разброс относительно среднего значения - около 6,5%, это значение находится внутри допустимого предела.

   ТАБЛИЦА VI Результаты измерений испытания IV

   	Номер анализатора
   	1	2	3	4	5
   THD,%	16,9	17,75	17,02	16,86	16,8
   	Номер анализатора
   	6	7	8	9	10
   THD,%	16,87	16,76	17,02	16,65	16,86
   	Средний THD, %		Разброс,%
   	16,96		+4,73/-1,76

   

   Рис. 7. Форма напряжения при испытании IV

   

   Рис. 8. Значения THD, испытание III, 12-пульсный выпрямитель (горизонтальная линия – среднее значение)

5. Сигнал прямоугольной формы

   Испытательный сигнал имел симметричную прямоугольную форму (см. рис. 9), значения THD для этого случая представлены в таблице VII. Данный сигнал имеет наибольшие искажения по сравнению с остальными. Среднее значение THD составило около 43%. Также наблюдаются большие расхождения показаний между приборами. Полученные результаты могут быть разделены на 2 группы: с THD, равным 41% (3 прибора) и 45% (7 приборов).

   Кроме того, дополнительные испытания показали, что при дальнейшем увеличении искажений напряжения отличие между этими двумя группами также увеличивается. Это не соответствует статистическому распределению ошибок и может свидетельствовать о наличии систематической ошибки. Разброс значений THD относительно среднего значения составил 9,74%.

   ТАБЛИЦА VII Результаты измерений испытания V

   	Номер анализатора
   	1	2	3	4	5
   THD,%	41,00	45,32	44,91	45,05	45,00
   	Номер анализатора
   	6	7	8	9	10
   THD,%	41,03	44,99	41,08	44,86	45,10
   	Средний THD, %		Разброс,%
   	44,04		+2,90/-6,84

   

   Рис. 9. Форма напряжения при испытании V, сигнал прямоугольной формы

   

   Рис. 10. Значения THD, испытание V, сигнал прямоугольной формы (горизонтальная линия – среднее значение)

   После получения абсолютных значений каждой гармоники от всех приборов было определено, что эти значения всегда сопоставимы между собой и разделения на 2 группы не наблюдается. Поэтому можно принять, что они были правильно измерены всеми приборами, а причину получения различных значений THD следует искать в методе вычисления. При дальнейших исследованиях было найдено, что 3 анализатора качества электроэнергии, которые давали заниженное значение THD, вычисляли его в соответствии с выражением (2), где в знаменателе вместо значения первой гармоники стоит значение действующего значения напряжения:

   

   Для исследования этого вопроса был выполнен анализ технических характеристик и руководств по эксплуатации приборов из первой группы, выводы которого здесь представлены. В одном случае изготовитель определяет 2 типа показателей, используемых для измерения искажений напряжения, указывая на разницу между ними. Эта информация дополняется указанием на формулы расчёта THD. Персонал, проводящий измерения, может выбрать, какая формула будет использована, но при этом наименование показателя не меняется. В двух других случаях в доступной документации не было найдено никакой информации о том, какая используется формула. Это может рассматриваться как ошибка, особенно если анализатор вычисляет THD способом, отличающимся от описанного в стандарте. Одно из руководств содержит информацию, что диапазон измерения THD составляет 0 – 100%, что может указывать (но не обязательно) на то, что THD определяется относительно действующего значения.

   Разность между THD, вычисленным с использованием отношения к первой гармонике (THDh1), и THD, вычисленным с использованием отношения к действующему значению (THDRMS), показана на рис. 11. Можно увидеть, что при небольших искажениях сигнала (THD меньше 15%) разброс значений незначителен (менее 0,2%) и поэтому его трудно обнаружить путём измерений. Разница более 5% появляется при THDh1, большем 50%.

   

   Рис. 11. Разность между THD, вычисленным с использованием отношения к первой гармонике и к действующему значению

6. Испытание VI. Сигнал, изменяющийся во времени

   Последнее испытание отличается от остальных, потому что во время испытания гармонические искажения сигнала были не постоянными, а ступенчато изменялись. Число этих изменений было 2, 4 и 6 во время соответственно первого, второго и третьего 10-минутных интервалов (рис. 12). Для симуляции различных гармонических искажений использовались синусоидальный и прямоугольный сигналы с THD соответственно 0,2% и 45%.

   

   Рис. 12. Изменения формы напряжения при испытании VI

   Характер изменений формы сигнала был выбран таким образом, чтобы в каждом случае соотношение времени между синусоидальным и прямоугольным сигналами было 50/50. Из-за того, что это испытание проводилось на 3 месяца позднее предыдущих испытаний, в него были включены только 5 анализаторов качества электроэнергии. Целью этого испытания была проверка последующего сжатия данных интервалов 3 с и 10 мин. Результаты измерений представлены в таблице VIII.

   ТАБЛИЦА VIII Результаты измерений испытания VI

   Номер анализатора	1	2	3	4	5
   THD в интервале 1 , %	30,12	29,72	22,23	45,05	30,06
   THD в интервале 2, %	30,30	29,84	22,61	45,05	30,20
   THD в интервале 3, %	30,48	29,88	22,86	45,05	30,25

Анализ полученных результатов приводит к следующим выводам:

1. приборы № 1, 2 и 5 определяют THD правильным способом. Значение около 30% было ожидаемым в каждом интервале;
2. прибор № 3 вычисляет 10-минутные значения THD неправильно, то есть как среднее значение, тогда как согласно стандарту МЭК 61000-4-30 должен определяться квадратный корень из среднего арифметического квадратов входных значений:

   

3. прибор № 4 не выполняет никакой агрегации и в качестве 10-минутного значения THD даёт, по всей видимости, значение за 200 мс, зарегистрированное в начале каждого 10-минутного интервала. Это было подтверждено другим измерением, в ходе которого подавался сигнал с прямоугольной формой почти весь 10-минутный интервал, за исключением первых нескольких секунд, когда сигнал был синусоидальным. При этом прибор показывал значение THD, равное 0,2%.

Заключительные выводы

Все анализаторы качества электроэнергии, использовавшиеся в этих опытах, согласно утверждениям изготовителей соответствуют требованиям стандарта МЭК 61000-4-30. Первые 5 испытаний не выявили каких-либо противоречий этим утверждениям, то есть разброс результатов находился в пределах ±5% от измеряемой величины. Однако последние два испытания показали наличие некоторых неточностей при определении THD, несмотря на то, что абсолютные значения гармоник измерялись правильно.

Было определено, что причиной такой ситуации в первом случае является то, что в некоторых анализаторах качества электроэнергии для вычисления THD используются разные выражения. Такое положение противоречит стандарту, который чётко определяет только одну формулу. После исключения анализаторов, которые вычисляли THD по неправильной формуле, разброс результатов уменьшился с 9,9% до 1%, что соответствует стандарту. Чтобы избежать новых недоразумений, производителям измерительного оборудования нужно чётко показывать, какая формула используется для расчёта THD в данный момент. Для этого нужно ввести новый показатель для определения уровня искажений напряжения по отношению к действующему значению.

ТАБЛИЦА IX Сводная таблица основных результатов измерений

В последнем испытании причиной различий значений THD явилось то, что анализаторы использовали разные методы агрегирования по времени. Это очевидная ошибка в алгоритме измерений.