Способ оценки влияния потребителя на искажение напряжения в точке общего присоединения
Владельцы патента RU 2627195:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский национальный исследовательский технический университет" (ФГБОУ ВО "ИРНИТУ") (RU)
Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к способам оценки влияния потребителей на несинусоидальность и несимметрию напряжений. Оценку влияния k-го потребителя на искажение напряжения в точке общего присоединения осуществляют путем определения параметров автономного напряжения искажения k-го потребителя и коэффициента влияния на искажение напряжения k-го потребителя и сравнения данных параметров с допустимыми. Оценку выполняют в реальном времени с использованием измеренных с заданной дискретностью значений векторов напряжения на шинах в данном узле сети и тока на присоединении k-го потребителя, сглаженных с использованием фильтра Савицкого-Голея с последующим отсевом пар последовательных замеров с малыми изменениями напряжения и тока. Технический результат заключается в обеспечении достоверной качественной и количественной оценки влияния потребителей на искажение напряжения в реальном времени, в том числе за счет повышения точности определения параметров нагрузок потребителя. 3 ил., 4 табл.
Изобретение относится к электроэнергетике, в частности, к способам оценки влияния электроприемников потребителя на показатели качества электрической энергии, характеризующие несинусоидальность и несимметрию напряжений (искажения напряжения). Способ может найти применение при создании системы взаимоотношений между энергоснабжающей организацией и потребителями в сфере качества электрической энергии.
Изобретение относится к п. 8 «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика» Перечня приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ, к п. 26 «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии» Перечня критических технологий РФ.
Известен способ выявления фактического вклада субъектов электрических сетей в искажение качества электрической энергии в точке общего присоединения [патент РФ №2364875, МПК G01R 19/00, опубл. 20.08.2009]. Напряжение каждой гармоники в реальном времени разлагают на составляющие прямой и обратной волн при помощи Т-преобразования и по действующему значению напряжения обратной волны делают оценку вклада k-го субъекта в напряжение искажения в точке общего присоединения.
Признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого способа, является измерение гармоник токов и напряжений в узле электрической сети.
Технической сложностью способа, которую отмечают и авторы патента, является необходимость измерения или вычисления в реальном времени волнового сопротивления сети на каждой гармонике, которое непрерывно меняется, так как зависит от схемы и режима работы электрической системы.
Известен способ определения долевых участий нагрузки и энергосистемы в изменении качества напряжения [патент РФ №2307364, МПК G01R 21/00, опубл. 27.09.2007], в котором предлагается измерить и определить интегральные составляющие анормальных напряжений ветвей с электродвижущей силой (ЭДС) и анормальные составляющие токов ветвей нагрузки. На основании этих измерений могут быть определены долевые участия каждого энергообъекта в изменении качества напряжения.
Признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого способа, является измерение составляющих напряжений и токов в узле электрической сети.
Недостатком способа является необходимость измерения или задания мгновенных значений ЭДС систем, а также параметров сети и потребителя (например, индуктивностей L). ЭДС и индуктивности непрерывно изменяются во времени, что вносит существенную погрешность при расчетном задании этих величин. Способа измерения этих параметров не предложено. Также недостатком способа является неавтономность оценки влияния, поскольку предлагаемые авторами долевые участия k-го потребителя зависят не только от параметров k-го потребителя, но и от параметров остальных потребителей и внешней сети.
Известен способ выявления источников несанкционированного искажения качества электроэнергии [патент РФ №2216747, МПК G01R 21/06, G01R 19/00, опубл. 20.11.2003].
Признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого способа, является измерение токов и напряжений искажения в узле электрической сети.
Недостатком способа является возможность некорректного определения вклада при наличии в точке общего присоединения нескольких искажающих потребителей. Способ не учитывает того факта, что напряжение искажения в узле электрической сети является результатом совместной работы всех источников искажения, подключенных к точке общего присоединения. При существенном расхождении по фазе между токами искажения потребителей один или несколько искажающих потребителей будут иметь положительные мощности искажения и будут восприниматься как неискажающие, что ставит под сомнение достоверность способа.
Известен способ определения фактического вклада источников искажений в значения показателей качества электроэнергии в точке общего присоединения [патент РФ №2236016, МПК G01R 19/00, G01R 23/20, G01R 29/04, G01R 29/16, H02J 13/00, опубл. 10.09.2004].
Признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого способа, является измерение токов и напряжений искажения и углов сдвига между ними в точке общего присоединения.
Недостатком способа является некорректное определение вклада при наличии в точке общего присоединения нескольких искажающих потребителей.
Известен способ выявления нагрузок, генерирующих гармоники, и устройство для его осуществления [патент США №5508623, МПК G01R 23/165, G01R 23/20, опубл. 16.04.1996].
Признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого способа, является измерение гармоник токов и напряжений в узле электрической сети.
Недостатком способа является возможность некорректного выявления искажающих нагрузок, так как при существенном расхождении по фазе между токами гармоник потребителей один или несколько искажающих потребителей будут иметь положительные мощности гармоник и будут восприниматься как неискажающие.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ определения потребителя, искажающего показатели качества электрической энергии в узле энергоснабжающей организации, и его вклада в искажение [патент РФ №2244313, МПК G01R 21/00, опубл. 10.01.2005]. По результатам измерений и расчетов определяют долю искажающей нагрузки каждого потребителя.
Признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого способа, является измерение с заданной дискретностью в течение заданного времени в схеме для искажающего параметра значения напряжения на шинах в данном узле сети и токов на присоединении каждого потребителя.
Этот способ принят за прототип изобретения. Недостатком способа является неавтономность оценки влияния, поскольку предлагаемая авторами для оценки влияния доля k-го потребителя в напряжении искажения зависит не только от параметров k-го потребителя, но и от параметров остальных потребителей и внешней сети. Таким образом, вклад потребителя будет меняться даже в том случае, если у потребителя не изменялись собственные параметры, а следовательно, не должна была измениться и доля в напряжении искажения. Не указано, как могут быть определены параметры схемы замещения - токи искажения и проводимости - в реальном времени без выполнения специальных переключений.
Техническая проблема аналогов, в том числе и прототипа, состоит в некорректности оценки влияния потребителей на искажение напряжения при использовании в качестве критерия оценки характеристик доли и вклада. Доли, как показано в ранее упомянутых аналогах и прототипе, зависят не только от параметров исследуемого потребителя, но и от параметров других нагрузок и энергосистемы, что делает оценку влияния неавтономной. Также техническими проблемами при реализации некоторых аналогов, как указывалось ранее, являются невозможность применения способов в реальном времени без использования априорной информации о параметрах электрической сети либо низкая точность определения параметров потребителей при измерениях.
Техническая задача изобретения состоит в оценке влияния потребителей на несинусоидальность и несимметрию напряжений (в дальнейшем - искажения напряжения) в точке общего присоединения и выявления потребителей, оказывающих недопустимое отрицательное влияние на качество электрической энергии.
Указанная задача решена следующим образом. В соответствии с прототипом с заданной дискретностью в течение заданного времени измеряют для искажающего параметра значения напряжения на шинах в данном узле сети и тока на присоединении каждого k-го потребителя.
Отличие от прототипа заключается в иной форме определения характера и степени влияния электроприемников потребителя на несинусоидальность и несимметрию напряжений без использования понятия «доля в напряжении искажения». Для качественной и количественной оценки влияния k-го потребителя используют характеристики автономного напряжения искажения k-го потребителя и коэффициента влияния k-го потребителя на искажение напряжения. Данные характеристики определяют в реальном времени без выполнения специальных переключений в сети и создания особых режимов. Для повышения точности при оценке влияния и определении параметров используют сглаживание массивов исходных напряжений и токов при помощи фильтра Савицкого-Голея и отсева пар последовательных замеров с малыми изменениями тока и напряжения. Перечисленные признаки обуславливают соответствие технического решения критерию новизны.
Из уровня техники известно использование измерений для искажающего параметра напряжения на шинах и тока на присоединении каждого k-го потребителя в реальном времени для оценки влияния потребителей на искажение напряжения [патент РФ №2244313, МПК G01R 21/00, опубл. 10.01.2005]. Также известно применение фильтра Савицкого-Голея для сглаживания результатов измерений и фильтрации шумов и случайных помех [патент РФ №2568817, МПК А61В 5/0402, опубл. 20.11.2015], [патент РФ №2541906, МПК G06F 15/00, G01N 21/25, опубл. 20.02.2015], [патент РФ №2453816, МПК G01F 1/84, опубл. 20.06.2012]. Однако применение нового подхода к оценке влияния по автономному напряжению искажения и коэффициенту влияния, а также использование измерений в реальном времени в новой совокупности с фильтром Савицкого-Голея и отсевом пар последовательных замеров с малыми изменениями тока и напряжения приводит к получению нового технического результата. Таким образом, заявляемый способ соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Технический результат изобретения заключается в обеспечении достоверной качественной и количественной оценки влияния потребителей на искажение напряжения в реальном времени, в том числе за счет повышения точности определения параметров нагрузок потребителя.
Предлагаемый способ основан на общеизвестной математической модели для анализа несимметрии и несинусоидальности напряжений, в которой используется представление нагрузок потребителей и энергосистемы в виде активных двухполюсников, состоящих из источника тока и проводимости, включенных параллельно. Искажающие нагрузки каждого k-го участника системы электроснабжения характеризуются источником тока искажения , а проводимость 
соответствует неискажающим нагрузкам на n-й гармонике или для токов обратной последовательности основной частоты. Напряжение искажения в точке общего присоединения 
находят по методу узловых напряжений:
где: 
и 
- соответственно ток искажения и проводимость для k-го присоединения;
N - число участников системы электроснабжения, подключенных к точке общего присоединения.
Предлагается ввести понятия коэффициентов совпадения по фазе токов KСI и проводимостей KCY:
С учетом (2) выражение (1) для модуля напряжения искажения в точке общего присоединения:
Отношение KCY/KCI предлагается назвать коэффициентом выгодности Kвыг, характеризующим выгодность совместной работы нагрузок потребителей для компенсации искажений напряжения. Теоретически Kвыг может принимать значения от нуля включительно (выгодность совместной работы нагрузок нулевая, резонанс токов в точке общего присоединения) до +∞ (условие полной компенсации нагрузками в точке общего присоединения токов искажения друг друга, U=0).
Условие допустимости режима по напряжению искажения:
где: Uдоп - допустимое по ГОСТ 32144-2013 [8] напряжение искажения, задаваемое посредством коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения KU(n) или коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности K2U.
С учетом (3) и (4) можно записать:
Необходимым условием допустимости режима по напряжению искажения является соблюдение неравенств (4), (5). Достаточным условием соблюдения неравенства (5) является неотрицательность каждого из слагаемых в его левой части. Такое требование является обоснованным, поскольку обеспечивает всем потребителям и энергоснабжающей организации одинаковые условия для поддержания напряжения в точке общего присоединения U в допустимых пределах. Таким образом, для отдельно взятого k-го потребителя должно выполняться условие:
Вводится понятие автономного напряжения искажения, создаваемого нагрузками k-го потребителя:
Автономное напряжение искажения 
- это напряжение искажения, которое создавали бы нагрузки k-го потребителя в точке общего присоединения в том случае, если бы потребитель мог работать отдельно от других участников системы электроснабжения. Тогда из (6) условие выполнения неравенства (4):
Выражение (8) позволяет однозначно определить, является ли допустимым влияние нагрузок k-го потребителя на искажение напряжения в точке общего присоединения.
Для количественной оценки влияния нагрузок k-го потребителя на искажение напряжения в точке общего присоединения вводится понятие коэффициента влияния:
Очевидно, что характеристика влияния нагрузок потребителя на качество электрической энергии и статус потребителя не должны зависеть от того, к какой электрической сети подключены его электроприемники. Это условие соответствует значению Kвыг=1. В этом случае из (8) может быть получен абсолютный критерий допустимости влияния k-гo потребителя на искажение напряжения
или
Предложенные характеристики позволяют установить однозначное разделение ответственности между потребителями и энергоснабжающей организацией за поддержание требуемого качества электрической энергии. Каждый k-й потребитель несет ответственность за величину автономного напряжения искажения 
и коэффициента влияния 
в соответствии с (10), (11). Энергоснабжающая организация, которой известен состав и характер нагрузок подключенных к точке общего присоединения потребителей, отвечает за величину коэффициента выгодности Kвыг, характеризующего взаимное расположение на комплексной плоскости векторов параметров схемы замещения нагрузок потребителей и самой энергоснабжающей организации.
Таким образом, корректность оценки влияния k-го потребителя на качество электроэнергии (технический результат изобретения) достигается за счет использования при обосновании предлагаемого способа только общеизвестных схем замещения и законов электротехники.
За счет использования характеристики автономного напряжения искажения k-го потребителя 
и сравнения с допустимым напряжением искажения Uдоп. может быть выполнена качественная оценка влияния k-го потребителя на искажение напряжения в виде заключения о допустимости или недопустимости влияния. С применением коэффициента влияния Kвл.k проводится количественная оценка влияния k-го потребителя на искажение напряжения. Данный коэффициент может быть использован при расчете штрафных надбавок или скидок к тарифу на электроэнергию при наличии в точке общего присоединения нескольких искажающих потребителей. Таким образом, предложенные критерии оценки позволяют обеспечить достижение технического результата.
Для реализации предложенного способа оценки влияния требуется знать параметры схемы замещения k-го потребителя - ток искажения 
и проводимость 
. Актуальным является получение параметров схемы замещения для действующих энергообъектов. Для определения параметров k-го потребителя широкое применение получил способ, использующий данные двух измерений параметров режима в точке общего присоединения в разные моменты времени:
где: 
и 
- экспериментально определяемые ток искажения и проводимость;
и 
- напряжение искажения в точке общего присоединения и ток искажения, текущий от точки общего присоединения к k-му потребителю, при первом измерении;
и 
- те же величины при втором измерении.
Доказано, что в зависимости от причин, вызвавших изменение параметров режима, возможно определение параметров схемы замещения k-го потребителя или внешней относительно него электрической системы в соответствии с таблицей 1.
Поскольку в большинстве случаев, представляющих практический интерес, исследуемый k-й потребитель имеет мощность и количество нагрузок много меньше, чем во внешней сети, то за время между двумя последовательными измерениями параметров режима более вероятно изменение нагрузок во внешней сети, а не у k-го потребителя. В результате в соответствии с таблицей 1 с большой вероятностью могут быть получены параметры нагрузок k-го потребителя 
и 
.
Отличие предлагаемого технического решения от аналогичных вариантов заключается в том, что для определения параметров схемы замещения не выполняется специальных коммутаций нагрузок у потребителя или во внешней сети. Предлагается использовать естественные изменения параметров режима в реальном времени, вызванные технологическими переключениями или изменениями режима работы потребителей и энергоснабжающей организации. Использование измерений в реальном времени без выполнения специальных переключений позволяет использовать предлагаемый способ при мониторинге качества электроэнергии.
При реализации способа без выполнения специальных коммутаций возникает проблема, связанная с тем, что полезные изменения напряжения искажения в точке общего присоединения 
и тока искажения на присоединении исследуемого k-го потребителя 
оказываются сопоставимы с погрешностями измерения данных величин. Вследствие этого достоверность определения параметров 
и 
при применении (12) становится крайне низкой. Требуется предварительная обработка массивов напряжения и тока.
Проведен сравнительный анализ различных способов обработки сигналов для решения указанной задачи. Результаты для одного из наборов экспериментальных данных представлен в таблице 2. Как видно из таблицы, некоторые способы обработки исходных данных (например, усреднение результатов или кусочно-линейная аппроксимация) неприменимы для достижения заявленного технического результата.
Для повышения точности экспериментального определения параметров нагрузок потребителя предлагается использовать фильтр Савицкого-Голея, применяемый к исходным массивам значений векторов напряжения 
на шинах и тока 
на присоединении k-го потребителя, после чего выполнить отсев пар последовательных замеров с малыми изменениями напряжения и тока. Параметры фильтра Савицкого-Голея (окно фильтра 2P+1, степень полинома Q) и параметр алгоритма отсева (уровень изменения тока и напряжения D, в процентах) задаются пользователем.
Применение фильтра Савицкого-Голея и отсев пар последовательных замеров с малыми изменениями напряжения и тока позволяет повысить точность определения параметров потребителей, а следовательно, и достоверность оценки влияния в соответствии с техническим результатом.
Изобретение поясняется графическими изображениями.
На фиг. 1 представлена схема замещения субъектов, подключенных к точке общего присоединения.
На фиг. 2 приведена блок-схема способа, включающая в себя определение параметров схемы замещения с предварительным сглаживанием массивов тока и напряжения, вычисление автономного напряжения искажения и коэффициента влияния с последующей оценкой влияния k-го потребителя на искажение напряжения.
На фиг. 3 приведена блок-схема алгоритма отсева пар последовательных замеров напряжения и тока с изменениями меньше заданной величины D.
Способ осуществляют следующим образом. Измеряют значения векторов напряжения искажения на шинах 
и тока искажения 
на присоединении каждого k-то потребителя с заданной дискретностью измерения (например, для измерителя показателей качества электроэнергии «Pecypc-UF2M» время усреднения составляет 0,16 с) в течение заданного времени измерения.
Сглаживают полученные в течение заданного времени измерения массивы значений векторов напряжения 
и тока 
при помощи фильтра Савицкого-Голея с окном фильтра 2P+1 и степенью аппроксимирующего полинома Q (например, в натурных экспериментах принимались значения 2Р+1=201, Q=2).
Выполняют отсев пар последовательных замеров напряжения и тока, полученных после предыдущей операции, для которых модуль изменения напряжения искажения и тока искажения меньше D% от размаха изменения напряжения и тока искажения (в натурных экспериментах принималось D=10%). В результате данной операции получают сглаженные массивы значений векторов напряжения искажения 
и тока искажения 
.
Выполняют расчет параметров схемы замещения по выражениям
где: 
, 
, 
, 
- пары последовательных элементов сглаженных массивов значений векторов напряжения 
и тока искажения 
соответственно.
Усредняют полученные по (13) массивы тока искажения Ik и проводимости Yk за интервал времени измерения.
Рассчитывают автономное напряжение искажения и коэффициент влияния по выражениям:
Проверяют условия (10) и (11), оценивают характер и степень влияния исследуемого потребителя на анализируемый показатель качества электрической энергии.
Для проверки осуществления способа проведены измерения на физической модели энергосистемы и на объектах действующей электроэнергетической системы с помощью измерителя показателей качества электрической энергии «Pecypc-UF2M». Для измерений выбраны неискажающие, искажающие и смешанные нагрузки, параметры которых могут быть определены косвенными методами, например, по закону Ома.
Примеры определения параметров схем замещения и оценки влияния нагрузок на искажение напряжения с использованием предлагаемого способа представлены в таблицах 3, 4.
Согласно таблицам 3 и 4, во всех случаях характеры проводимостей неискажающих потребителей соответствуют ожидаемым. Относительная погрешность определения параметров схемы замещения при использовании предлагаемого способа не превышает 7% в сравнении с косвенными методами определения параметров схемы замещения. Представленный способ позволяет определить параметры схемы замещения смешанной нагрузки, выделяя в ней искажающую и неискажающую части.
По результатам определения параметров схемы замещения рассчитаны автономные напряжения искажения Uавт. и коэффициенты влияния Kвл., по которым сделан вывод о допустимости или недопустимости влияния исследуемой нагрузки на анализируемый показатель качества электрической энергии в точке общего присоединения.
Способ оценки влияния потребителя на искажение напряжения в точке общего присоединения, включающий измерение для искажающего параметра с заданной дискретностью в течение заданного времени значений напряжения на шинах в данном узле сети и тока на присоединении k-го потребителя, отличающийся тем, что оценку влияния k-го потребителя на искажение напряжения осуществляют путем определения параметров автономного напряжения искажения k-го потребителя и коэффициента влияния k-го потребителя на искажение напряжения, причем автономное напряжение искажения k-го потребителя определяют по выражению:
где: 
- автономное напряжение искажения k-го потребителя, В;
Ik - задающий ток искажения k-го потребителя, представляющий в схеме замещения искажающие нагрузки k-го потребителя, А;
Yk - полная проводимость k-го потребителя, представляющая в схеме замещения неискажающие нагрузки k-го потребителя, Ом-1;
коэффициент влияния k-го потребителя на искажение напряжения определяют по выражению:
где: 
- коэффициент влияния k-го потребителя на искажение напряжения;
- допустимое напряжение искажения, В;
- автономное напряжение искажения k-го потребителя, В;
при этом влияние k-го потребителя на искажение напряжения считают допустимым, если автономное напряжение искажения k-го потребителя не больше допустимого напряжения искажения и коэффициент влияния на искажение напряжения k-го потребителя неотрицательный, а именно при одновременном выполнении неравенств:
где: 
- автономное напряжение искажения k-го потребителя, В;
- допустимое напряжение искажения, В;
- коэффициент влияния k-го потребителя на искажение напряжения;
при этом оценку влияния k-го потребителя на искажение напряжения выполняют в реальном времени, а автономное напряжение искажения k-го потребителя и коэффициент влияния на искажение напряжения k-го потребителя определяют с использованием измеренных с заданной дискретностью значений векторов напряжения на шинах в данном узле сети и тока на присоединении k-го потребителя, сглаженных с использованием фильтра Савицкого-Голея, с последующим отсевом пар последовательных замеров с малыми изменениями напряжения и тока, при этом задающий ток искажения и полную проводимость k-го потребителя определяют для каждой пары последовательных замеров по выражениям:
где: Ik - задающий ток искажения k-го потребителя, А;
и 
- пара последовательных элементов сглаженного массива векторов напряжения 
, получаемого из массива измеренных в реальном времени векторов напряжения на шинах 
после применения фильтра Савицкого-Голея и последующего отсева пар замеров напряжения и тока, для которых модули изменения напряжения и тока меньше заданной величины, В;
и 
- пара последовательных элементов сглаженного массива векторов тока искажения 
, получаемого из массива измеренных в реальном времени векторов тока на присоединении k-го потребителя 
после применения фильтра Савицкого-Голея и последующего отсева пар замеров напряжения и тока, для которых модули изменения напряжения и тока меньше заданной величины, А;
Yk - полная проводимость k-го потребителя, Ом-1.
