ВЫЯВЛЕНИЕ ИСТОЧНИКА ФЛИКЕРА В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Бирюлин В. И., Куделина Д. В., Ларин О. М.
ЦЕЛЬ. Рассмотреть вопросы, связанные с изучением способов определения источников, нарушения качества электрической энергии в системах электроснабжения, в частности потребителей, создающих быстрые изменения напряжения или же колебания напряжения , создающих быстрые изменения светового потока в установках электрического освещения. Показать, что электроприемники с резко переменным режимом работы являются источниками колебаний потребляемого тока и напряжения в электрической сети систем электроснабжения, что в свою очередь проявляется в виде недопустимых значений одного из показателей качества электроэнергии — фликера , определяемого как субъективное восприятие колебаний светового потока осветительных приборов. Изучить возможности определения мест возникновения значительных колебаний напряжения , без применения дорогостоящих и сложных приборов для измерения значений фликера в электрической сети. Разработать упрощенный метод для определения мест нахождения потребителей электроэнергии , негативно влияющих на работу систем электрического освещения и в конечном итоге на зрение персонала. Провести проверку на компьютерной модели упрощенного метода определения мест возникновения недопустимых по своей величине колебаний напряжения , выражающихся в появлении значительных доз фликера , превышающих нормативные значения.МЕТОДЫ. При решении поставленной задачи использовалась компьютерная модель, созданная в пакете расширения Simulink системы научно-технических расчетов Matlab.РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье описана актуальность темы, рассмотрены вопросы качества электроэнергии в системах электроснабжения. Показано с использованием экспериментальных данных, что в электрических сетях возникает превышение нормативных значений доз фликера . Рассмотрена возможность использования для определения источников недопустимых доз фликера интергармонических составляющих сетевого напряжения . Приведен упрощенный способ нахождения источников фликера на основе получения значений производных токов в различных точках электрической сети. Выполнено компьютерное моделирование схемы электрической сети с электроприемниками, имеющими как спокойный, так и резко переменный характер работы. Показано, что использование значений производных тока в различных точках электрической сети позволяет выявлять источники возникновения недопустимых доз фликера .ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Возникновение значительных быстрых изменений напряжения в электрической сети негативно влияют на зрение, что неизбежно сопровождается повышенной утомляемостью персонала и может привести к производственному травматизму. Результаты, полученные авторами статьи, показывают, возможность использования для определения мест возникновения больших колебаний напряжения , проявляющихся в недопустимых дозах фликера производных токов . Это следует учитывать при проведении обследований систем электроснабжения, чтобы использовать довольно простые аппаратные средства для выявления источников нарушения качества электрической энергии.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Бирюлин В. И., Куделина Д. В., Ларин О. М.
Анализ колебаний напряжения в системах электроснабжения с потребителями с резкопеременной нагрузкой
Расчет колебаний напряжения электрической сети при работе асинхронных двигателей с резкопеременной нагрузкой
Расчет кратковременной дозы фликера в электрических сетях предприятий
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ РАБОТОЙ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Проблемы нормирования качества электроэнергии при переходе на интеллектуальные электроэнергетические системы
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
IDENTIFICATION OF THE FLICKER SOURCE IN THE POWER SUPPLY SYSTEMS
THE PURPOSE. To consider issues related to the study of methods for determining the sources of violations of the quality of electrical energy in power supply systems, in particular consumers which create rapid voltage changes or voltage fluctuations that create rapid changes in the luminous flux in electric lighting installations. Show that electrical receivers with a sharply variable operating mode are sources of fluctuations in the consumed current and voltage in the electrical network of power supply systems, which in turn manifests itself in the form of unacceptable values of one of the indicators of the quality of electricity — flicker, defined as the subjective perception of fluctuations in the luminous flux of lighting devices. To study the possibilities of determining the places of occurrence of significant voltage fluctuations without the use of expensive and complex instruments for measuring flicker values in the electrical network. To develop a simplified method for determining the locations of electricity consumers that negatively affect the operation of electric lighting systems and, ultimately, the vision of personnel. Conduct a check on a computer model of a simplified method for determining the places of occurrence of voltage fluctuations that are inadmissible in their magnitude, which are expressed in the appearance of significant doses of flicker that exceed the standard values.METHODS. Solving the problem, a computer model was used, created in the Simulink extension package of the Matlab scientific and technical calculation system.RESULTS. The article describes the relevance of the problem, discusses the quality of electricity in power supply systems. It has been shown using experimental data that in electrical networks there is an excess of the standard values of flicker doses. The possibility of using interharmonic components of the mains voltage to determine the sources of unacceptable doses of flicker is considered. A simplified method for finding flicker sources based on obtaining the values of the derivatives of currents at various points of the electrical network is presented. Computer simulation of an electrical network diagram with electrical receivers, which have both calm and sharply variable nature of work, has been performed. It is shown that the use of the values of the derivatives of the current at various points of the electrical network makes it possible to identify the sources of the occurrence of unacceptable doses of flicker.CONCLUSION. The occurrence of significant rapid voltage changes in the electrical network negatively affects vision, which is inevitably accompanied by increased personnel fatigue and can lead to industrial injuries. The results obtained by the authors of the article show that it is possible to use it to determine the places of occurrence of large voltage fluctuations, which are manifested in unacceptable doses of flicker of the derivatives of currents. It should be taken into account when conducting surveys of power supply systems in order to use fairly simple hardware to identify sources of disturbance in the quality of electrical energy.
Текст научной работы на тему «ВЫЯВЛЕНИЕ ИСТОЧНИКА ФЛИКЕРА В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ»
УДК 621.311 001:10.30724/1998-9903-2021-23-5-3-12
ВЫЯВЛЕНИЕ ИСТОЧНИКА ФЛИКЕРА В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Бирюлин1 В.И., Куделина2 Д.В., Ларин3 О.М.
1,2,3,Юго-Западный государственный университет, г. Курск, Россия
ORCЮ1: 0000-0002-1681-184X, birl956@mail.ru, ORaD2: 0000-0003-2304-9547, mary_joy@mail.ru, ORCID3: 0000-0002-6436-997X, larin77@mail.ru
Резюме: ЦЕЛЬ. Рассмотреть вопросы, связанные с изучением способов определения источников, нарушения качества электрической энергии в системах электроснабжения, в частности потребителей, создающих быстрые изменения напряжения или же колебания напряжения, создающих быстрые изменения светового потока в установках электрического освещения. Показать, что электроприемники с резко переменным режимом работы являются источниками колебаний потребляемого тока и напряжения в электрической сети систем электроснабжения, что в свою очередь проявляется в виде недопустимых значений одного из показателей качества электроэнергии — фликера, определяемого как субъективное восприятие колебаний светового потока осветительных приборов. Изучить возможности определения мест возникновения значительных колебаний напряжения, без применения дорогостоящих и сложных приборов для измерения значений фликера в электрической сети. Разработать упрощенный метод для определения мест нахождения потребителей электроэнергии, негативно влияющих на работу систем электрического освещения и в конечном итоге на зрение персонала. Провести проверку на компьютерной модели упрощенного метода определения мест возникновения недопустимых по своей величине колебаний напряжения, выражающихся в появлении значительных доз фликера, превышающих нормативные значения. МЕТОДЫ. При решении поставленной задачи использовалась компьютерная модель, созданная в пакете расширения Simulink системы научно-технических расчетов Matlab. РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье описана актуальность темы, рассмотрены вопросы качества электроэнергии в системах электроснабжения. Показано с использованием экспериментальных данных, что в электрических сетях возникает превышение нормативных значений доз фликера. Рассмотрена возможность использования для определения источников недопустимых доз фликера интергармонических составляющих сетевого напряжения. Приведен упрощенный способ нахождения источников фликера на основе получения значений производных токов в различных точках электрической сети. Выполнено компьютерное моделирование схемы электрической сети с электроприемниками, имеющими как спокойный, так и резко переменный характер работы. Показано, что использование значений производных тока в различных точках электрической сети позволяет выявлять источники возникновения недопустимых доз фликера. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Возникновение значительных быстрых изменений напряжения в электрической сети негативно влияют на зрение, что неизбежно сопровождается повышенной утомляемостью персонала и может привести к производственному травматизму. Результаты, полученные авторами статьи, показывают, возможность использования для определения мест возникновения больших колебаний напряжения, проявляющихся в недопустимых дозах фликера производных токов. Это следует учитывать при проведении обследований систем электроснабжения, чтобы использовать довольно простые аппаратные средства для выявления источников нарушения качества электрической энергии.
Ключевые слова: качество; напряжение; ток; электроэнергия; колебания напряжения; фликер; переменная нагрузка.
Благодарности: Исследование выполнено в рамках поддержанного ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет» гранта в соответствии со стратегией развития университета (Приоритет-2030).
Для цитирования: Бирюлин В.И., Куделина Д.В., Ларин О.М. Выявление источника фликера в системах электроснабжения // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2021. Т. 23. № 5. С. 3-12. doi:10.30724/1998-9903-2021-23-5-3-12.
IDENTIFICATION OF THE FLICKER SOURCE IN THE POWER SUPPLY SYSTEMS VI. Biryulin1, DV. Kudelina2, O.M. Larin3
1,2,3Southwest State University, Kursk, Russia
ORCID1: 0000-0002-1681-184X, bir1956@mail.ru, ORCID2: 0000-0003-2304-9547, mary_joy@mail.ru, ORCID3: 0000-0002-6436-997X, larin77@mail.ru
Abstract: THE PURPOSE. To consider issues related to the study of methods for determining the sources of violations of the quality of electrical energy in power supply systems, in particular consumers which create rapid voltage changes or voltage fluctuations that create rapid changes in the luminous flux in electric lighting installations. Show that electrical receivers with a sharply variable operating mode are sources of fluctuations in the consumed current and voltage in the electrical network of power supply systems, which in turn manifests itself in the form of unacceptable values of one of the indicators of the quality of electricity — flicker, defined as the subjective perception of fluctuations in the luminous flux of lighting devices. To study the possibilities of determining the places of occurrence of significant voltage fluctuations without the use of expensive and complex instruments for measuring flicker values in the electrical network. To develop a simplified method for determining the locations of electricity consumers that negatively affect the operation of electric lighting systems and, ultimately, the vision ofpersonnel. Conduct a check on a computer model of a simplified method for determining the places of occurrence of voltage fluctuations that are inadmissible in their magnitude, which are expressed in the appearance of significant doses of flicker that exceed the standard values. METHODS. Solving the problem, a computer model was used, created in the Simulink extension package of the Matlab scientific and technical calculation system. RESULTS. The article describes the relevance of the problem, discusses the quality of electricity in power supply systems. It has been shown using experimental data that in electrical networks there is an excess of the standard values of flicker doses. The possibility of using interharmonic components of the mains voltage to determine the sources of unacceptable doses offlicker is considered. A simplified method for finding flicker sources based on obtaining the values of the derivatives of currents at various points of the electrical network is presented. Computer simulation of an electrical network diagram with electrical receivers, which have both calm and sharply variable nature of work, has been performed. It is shown that the use of the values of the derivatives of the current at various points of the electrical network makes it possible to identify the sources of the occurrence of unacceptable doses of flicker. CONCLUSION. The occurrence of significant rapid voltage changes in the electrical network negatively affects vision, which is inevitably accompanied by increased personnel fatigue and can lead to industrial injuries. The results obtained by the authors of the article show that it is possible to use it to determine the places of occurrence of large voltage fluctuations, which are manifested in unacceptable doses of flicker of the derivatives of currents. It should be taken into account when conducting surveys of power supply systems in order to use fairly simple hardware to identify sources of disturbance in the quality of electrical energy.
Keywords: quality; voltage; current; electricity; voltage fluctuations; flicker; variable load.
Acknowledgments: The study was carried out within the framework of a grant supported by the South-West State University in accordance with the university development strategy (Priority-2030) №ПР2030/2021-23.
For citation: Biryulin VI, Kudelina DV, Larin OM. Identification of the flicker source in the power supply systems. Power engineering: research, equipment, technology. 2021; 23(5): 3-12. doi:10.30724/1998-9903-2021-23-5-3-12.
В настоящее время электрическая энергия является товарной продукцией, производимой для ее реализации потребителям. Следовательно, при поставке
электроэнергии потребителям должны соблюдаться утвержденные нормы качества электрической энергии, так как только при использовании электроэнергии надлежащего качества создаются нормальные условия работы различного электрического оборудования и электроприемников.
Само же качество электроэнергии устанавливается как степень соответствия определенных характеристик электроэнергии в точках передачи электрической энергии пользователям электрических сетей низкого, среднего и высокого напряжения систем электроснабжения общего назначения переменного тока частотой 50 Гц [1]. Данные точки находятся на линии разделения поставщиков и потребителей электроэнергии по признаку собственности.
Нормативные значения данных показателей устанавливаются для параметров напряжения электрической сети [1, 2]. Эти параметры в системах электроснабжения постоянно изменяются в результате проявления различных факторов, например, суточных или сезонных изменений электрических нагрузок потребителей электроэнергии, возникновения электромагнитных помех при включении и отключении электрооборудования, также других причин, описанных в различных источниках, например [2, 3].
Одним из факторов нарушения качества электроэнергии являются колебания напряжения в электрической сети. Эти колебания неблагоприятно влияют на работу электроприемников, особенно на осветительные установки, вызывая у них быстрые изменения светового потока, воспринимаемые человеком в виде мерцания света, это явление называется фликером. Фликер вызывает у человека утомление, в связи, с чем возникает увеличение брака продукции и травматизма на производстве [4 — 6].
Превышение допустимых значений кратковременной и длительной доз фликера возникает в электрических сетях с той или иной степенью повторяемости. На ниже приведенных рисунках 1 и 2 показаны суточные графики изменения показателей качества электроэнергии, относящихся к фликеру.
В различных источниках указывается, что появление значительных доз фликера связано, прежде всего, с наличием в составе потребителей электроприемников с резко переменным режимом [4-9]. Большое внимание проблеме возникновения больших доз фликера уделяется и в зарубежных источниках, что показывает значительную актуальность данной проблемы [10-15]. Выявление потребителей электроэнергии, создающих значительные колебания напряжения, может производиться приборами, предназначенными для измерений показателей качества электроэнергии. Но такие приборы имеют довольно высокую стоимость, что делает задачу разработки сравнительно простых средств определения мест возникновения фликера достаточно привлекательной и практически значимой.
Графики кратковременной дозы фликера 20 августа 2020 г.
PstA -Pst В -Pst С PstAB -Pst ВС -PstCA Pst пред. -Pst норм.
4,50 i , , , , , , , , , , , , , I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00
111111111111 вр|™ I
Рис. 1. Суточный график кратковременной дозы Fig. 1. Daily schedule of a short-term dose offlicke фликера
20 августа 2020 г.
РИА -PUB—PtlC Pli AB -RiBC -FltCA PJtnpw. -РИ норм.
Рис.2. Суточный график длительной дозы Fig. 2. Long-term dose flicker daily schedule фликера
Сравнительно недавно в состав показателей качества электроэнергии введены интергармонические составляющие сетевого напряжения [1, 2], которые имеют частоту выше значения номинальной частоты 50 Гц, но не кратны ей целым числом, в отличие от высших гармоник. Появление этих составляющих вызывается электрическими нагрузками, быстро изменяющими потребление мощности из электрической сети [16]. Это обстоятельство наводит на мысль использовать для выявления источников колебаний на появление интергармонических составляющих сетевого напряжения.
Значения интергармонических составляющих напряжения
Дата Время Интергармонические составляющие
Kub ig(1) Kub ig(2) Kub ig(3) Kub ig(4) Kub ig(5)
20.08.20 17:50 0,03 0,02 0,01 0,01 0,01
20.08.20 18:00 0,03 0,03 0,01 0,02 0,02
20.08.20 18:10 0,12 0,04 0,02 0,02 0,02
20.08.20 18:20 0,05 0,03 0,03 0,02 0,02
20.08.20 18:30 0,07 0,06 0,06 0,04 0,03
20.08.20 18:40 0,06 0,05 0,05 0,03 0,03
20.08.20 18:50 0,04 0,03 0,01 0,02 0,02
Для рассмотрения такой возможности обратимся к численным результатам измерений показателей качества электрической энергии на том же энергетическом объекте, для которого выше приведены графики изменения кратковременной и длительной доз фликера. Приведем в табл. 1 полученные результаты измерений наибольших интергармонических, составляющих напряжения фазы В, усредненных за 10 минут, полученные в интервал времени, включающий в себя возникновение нарушения
Из этой таблицы видно, что между значениями фликера и интергармонических составляющих имеется взаимосвязь, что можно использовать для поиска мест возникновения недопустимых значений фликера. Но, аппаратная реализация такого устройства регистрации интергармоник требует использования фильтров различных частот с высоким уровнем добротности, чтобы обеспечить высокую селективность выявления интергармоник.
Поэтому для определения дозы фликера предлагаются различные способы. Так, авторы работы [4] предлагают выполнять расчет дозы фликера по следующему алгоритму:
— выполнение расчета графика электрических нагрузок отдельных электроприемников (авторы данной статьи рассматривали электроприводы);
— проведение расчета группового графика электрических нагрузок;
— осуществление расчета графика напряжения электрической сети;
— определение размахов напряжения электрической сети;
— выполнение расчета дозы фликера.
При проведении этих расчетов используется представление графиков активной Р(0 и реактивной Q(t) мощностей решетчатыми моделями, интерполируемыми сплайн-функциями первой степени, имеющими следующий вид:
где п — число циклов, измеренных в результате опыта; ti — момент появления /-го
экстремума; — момент появления (/ +1)-го экстремума; Р , Р — значение активной
нагрузки в точке экстремума в момент времени tiи tж соответственно.
Дозу фликера авторы рассматривают как случайную величину, которая характеризуется основными числовыми характеристиками: математическим ожиданием М[Р^ и дисперсией Б[Р^] для каждого момента времени ti. Сами же величины математического ожидания М [РбИО] и дисперсии Б[Р^И0] кратковременной дозы фликера за интервал времени, равный 10 минут, как определяется нормативными документами в этой статье предлагается вычислять по следующим формулам:
Е М Зр ]+3 \М Р ]• Б[Рш ])].
Проведение расчетов дозы фликера по этому алгоритму требует проведения большой подготовительной работы по получению исходной информации для проведения расчетов. Это не позволяет реализовать данный подход для выполнения обследований электрической сети системы электроснабжения с целью выявления источников больших доз фликера за ограниченный период времени.
Авторы работы [5] предлагают определять значение дозы фликера электрических сетей, к которым подключаются дуговые сталеплавильные печи, на основе значений плотности распределения вероятности колебаний напряжения. Эти расчеты должны выполняться по таким исходным данным, как сопротивление системы в месте подключения, номинальное напряжение рассматриваемой электрической сети, мощность печного трансформатора и номинальный ток печи.
Данная методика имеет ограниченную область применения, так как для ее использования необходимо проводить сбор исходной информации и проведение последующих расчетов, что не подходит для проведения инструментальных обследований электрических сетей систем электроснабжения.
Таким образом, проблема создания достаточно простых аппаратных средств, позволяющих проводить с высокой производительностью обследования электрических сетей, не привлекая для этого большое количество дорогостоящего измерительного оборудования.
Материалы и методы
Приведенные выше результаты измерений показывают, что в момент превышения норм фликера значения интергармонических составляющих возрастают по сравнению с моментами времени, когда фликер отсутствует, что теоретически может использоваться для поиска мест возникновения недопустимых значений фликера. Но на практике для выполнения этой цели потребуется разработка и применение технического устройства, содержащего большое количество частотных фильтров для выполнения одновременного измерения составляющих сетевого напряжения различных частот. Такое техническое решение неизбежно приведет к большой схемной сложности регистрирующей аппаратуры и в конечном итоге довольно высокой стоимости.
Стоит также учитывать, что применение напряжения в качестве информативного параметра не всегда может оказаться успешным. Рассмотрим пример определения дозы фликера в точке передачи электрической энергии от поставщика (энергоснабжающей организации) к потребителю. Используем для этой цели схему приведенную на рисунке 3, на которой приведена довольно простая система электроснабжения, включающая энергоснабжающую организацию с потенциальным источником фликера А, точку передачи электроэнергии ТПЭ и электрическую сеть потребителя с двумя электроприемниками Р1 и Р2, один из которых — Р1 представляет нагрузку, создающую быстрые изменения напряжения, служащие причиной недопустимой дозы фликера.
Рис. 3. Схема простой системы электроснабжения Fig. 3. Diagram of a simple power supply system
Предположим, что в точке передачи электроэнергии устанавливаются приборы для контроля показателей качества электроэнергии, в том числе и дозы фликера. Примем в качестве первого случая, что электроприемник Р1 не работает в рассматриваемый момент времени, а потенциальный источник фликера А, входящий в состав энергоснабжающей организации создает недопустимо большую дозу фликера, которую фиксируют приборы, установленные в точке передачи электроэнергии. Перейдем ко второму случаю — источник фликера А1 не создает большой дозы фликера в рассматриваемый момент времени, а электроприемник Р1 вызывает значительные колебания напряжения и в итоге -недопустимую дозу фликера.
Как в первом, так и во втором случае использование в качестве исходной информации значений напряжений в точке передачи электрической энергии не позволяет сделать однозначный вывод о том, где же находится источник фликера. Можно использовать для выявления расположения источника фликера дополнительную информацию, но это потребует неизбежного усложнения устройства контроля.
Например, наличие интергармонических составляющих в напряжении электрической сети само по себе не слишком информативно. Но, можно применить дополнительно фильтры для выделения из тока, протекающего от поставщика к потребителю, интергармонических составляющих и последующего нахождения фазовых углов между напряжениями интергармоник и соответствующими им токами. На основе такой информации уже можно делать выводы о месте расположения источника фликера.
Предположим, что токи интергармоник имеют фазовые углы, при которых данные тока имеют направления от энергоснабжающей организации к электрической сети потребителя. Для этого случая можно делать однозначный вывод — источник недопустимой дозы фликера находится в электрической сети энергоснабжающей организации и происходит поставка некачественной электроэнергии. В противоположном случае, когда токи интергармоник имеют направление от электрической сети потребителя к энергоснабжающей организации недопустимая доза фликера создается электроприемниками потребителя.
Рассмотрим возможность применения более простого способа поиска источника возникновения колебаний напряжения в электрической сети с использованием операций дифференцирования токов в электрической сети.
Применение этого способа основывается на высокой скорости изменения потребляемой мощности и тока электроприемником, работающим в резко переменном графике нагрузки. Для проверки возможности данного предложения произведем компьютерное моделирование работы простой схемы, содержащей два электроприемника, приведенной ниже на рисунке 4.
Рис. 4. Схема простейшей исследуемой Fig. 4. Diagram of the simplest electrical network электрической сети under study
Схема, приведенная на рисунке 4, содержит две нагрузки или электроприемника. Нагрузка Ri моделирует электроприемник с резко переменным режимом работы, а R2 — со спокойным режимом работы. Исходя из этого, суммарный ток I будет содержать следующие составляющие Ii — ток резко переменной нагрузки, I2 — ток спокойной нагрузки. Проведение измерений производных токов I и I2, можно выполнять с помощью хорошо
известных схем дифференцирования входного сигнала, рассмотренных во многих источниках, что позволит в случае наличия большой разницы в полученных значениях производных токов осуществить локализацию места возникновения колебаний напряжения — источника недопустимой дозы фликера.
Для исследования данной схемы авторами статьи была создана компьютерная модель с использованием пакета визуального программирования Smulink, входящего в состав системы научно-технических расчетов MatLab. Эта модель представлена на рисунке 5.
Данная модель реализует однофазную схему в соответствии с рис.4. Она содержит два блока нагрузки — Loadl (резко переменный характер работы), Load2 (спокойный характер работы). Ток, потребляемый этими нагрузками, измеряется блоками Tok II, Tok 12. Суммарный ток этих двух нагрузок измеряется блоком Tok I, и для этого тока определяется производная блоком Deriviative 1. Измерительные блоки Tok 121 и Deriviative2 используются для определения производной тока нагрузки Load2 (или R2 согласно схеме, приведенной на рисунке.3). Численные значения измеренных величин выводились на соответствующие дисплеи.
Рис. 5. Компьютерная модель простейшей Fig. 5. Computer model of the simplest electrical исследуемой электрической сети network under study
Резко переменный режим работы нагрузки Load1 создавался при помощи блока выключателя Breaker, периодически подключавшего и отключавшего эту нагрузку от электрической сети. Управление этим блоком осуществлялось от импульсного генератора Pulse Generator, параметры работы которого устанавливаются при моделировании.
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Значения контролируемых токов и производных, полученных при работе компьютерной модели, приведены на дисплеях. Для большей наглядности эти значения дополнительно рассмотрим в тексте статьи. Итак, получены следующие величины производных:
— суммарный ток двух нагрузок имеет значение производной, равное 620,4 (блок
— ток нагрузки со спокойным режимом имеет значение производной, равное 413,6 (блок dI2/dt).
Данные результаты показывают, что наличие нагрузки с резко переменным режимом работы приводит к тому, что в разных точках системы электроснабжения потребителей значения производных тока оказываются различными, что может служить основой для выявления мест расположения источников фликера.
Для оценки места расположения источников фликера могут применяться различные способы, но большая часть их требует сложной и дорогостоящей аппаратуры. Между тем, для проведения обследований протяженных систем электроснабжения необходимо одновременное использование большого количества такой аппаратуры, что делает такие обследования дорогостоящими и практически не выполнимыми.
Если использовать достаточно простые устройства, позволяющие определять значения производных токов в разных точках электрической сети, то в этом случае можно выделять с той или иной степенью точности примерное расположение электроприемников,
создающих при своей работе значительные быстрые изменения напряжения, связанные с быстрыми изменениями тока, потребляемого этими приемниками электрической энергии из питающей сети.
Данные устройства не требуют определения большого количества параметров электрической сети (например, токов и напряжений интергармоник), имеют достаточно простую схемную реализацию и, следовательно, невысокую стоимость, что позволит применять такие устройства в достаточно большом количестве. Это обстоятельство должно обеспечить успешный поиск источников больших доз фликера и одновременно избежать применения большого количества сложной и дорогостоящей измерительной аппаратуры.
Предложенный способ регистрации колебаний напряжения в электрических сетях позволяет сравнительно простыми аппаратными средствами достаточно точно определять электроприемники или электрооборудование, служащие причинами возникновения превышающих допустимые значения доз фликера. Также такой способ позволяет устанавливать, где именно возникают большие колебания напряжения — в электрических сетях энергоснабжающей организации или в сетях потребителя по значениям производной тока нагрузки.
Это позволяет принимать обоснованные решения как энергоснабжающей организации, так и потребителям по снижению колебаний напряжения и повышению качества электроэнергии, что в конечном итоге должно обеспечивать положительный эффект из-за уменьшения негативных последствий, возникающих при нарушениях качества электроэнергии.
1. Коверникова Л.И., Суднова В.В., Шамонов Р.Г. Качество электрической энергии: современное состояние, проблемы и предложения по их решению. Новосибирск: Наука, 2017. 219 с.
2. Коверникова Л.И., Тульский В.Н., Шамонов Р.Н. Качество электроэнергии в ЕЭС России: Текущие проблемы и необходимые решения // Электроэнергия: Передача и распределение. 2016. № 2(35). С. 28-38.
3. Дед А.В., Сикорский С.П., Смирнов П.С. Результаты измерений показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения предприятий и организаций // Омский научный вестник. 2018. № 2 (158). С. 60-64.
4. Черепанов В.В., Калинина Е.А. Расчет кратковременной дозы фликера, возникающей при стохастическом характере изменения электрических нагрузок // Фундаментальные исследования. 2016. № 11-5. С. 960-967. Доступно по URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41284 Ссылка активна на: 19.05.2021.
5. Корнилов, Г.П., Баранкова, И.И., Лукьянов, Г.И., Карякин А.Л. Расчет кратковременной дозы фликера в электрических сетях предприятий // Электротехнические системы и комплексы. 2019. №3. С. 10-15.
6. Лисицкий К.Е. Совершенствование методов и средств оценки фликера при использовании источников света с разной чувствительностью к колебаниям напряжения в электрической сети // Известия высших учебных заведений, проблемы энергетики. 2018. Т.20. №5-6. С.55-66.
7. Лисицкий К.Е. Совершенствование средств оценки и методов нормализации фликера при использовании источников света с различной чувствительностью к колебаниям напряжения в электрической сети // Промышленная энергетика. 2018. № 10. С. 15-21.
8 Булатов Ю.Н., Крюков А.В. Устранение фликера в сетях с установками распределенной генерации на основе согласованно настроенных регуляторов // Системы Методы Технологии. 2017. N4 (36). С.108-114.
9 Гапиров Р.А., Осипов Д.С. Нормирование интергармоник как показателя качества электроэнергии в России и за рубежом // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 5. Доступно по URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15253. Ссылка активна на: 14.05.2021).
10. Пономарев В.А., Моделирование электрической дуговой печи и влияние фликера на качество электроэнергии // Электроцех. 2018. №12. С. 10-12.
11. B^tkiewicz-Pantula M. Elimination of disruption on the example of flicker, 2017, Progress in Applied Electrical Engineering (PAEE); 25-30 June; Koscielisko, Poland: IEEE, 2017.
12. B^tkiewicz-Pantula M. The algorithm for determining the coefficient of flicker on the example of a wind power plant, Electronics Computers and Artificial Intelligence (ECAI) 2018 10th International Conference on. 2018. pp. 1-6.
13. Maksic M., Papic I., Blazic B. «Simple Continuous Assessment of TransmissionNetwork Flicker Levels Caused by Multiple Sources», IEEE Transactions on Power Delivery.
2016 .V.31. Issue 6. pp. 1-6.
14. Chang G.W., Lu H. J., Chuang C.S. An accurate hybrid intelligent approach for forecasting flicker severity caused by electric arc furnaces, Elect. Power Syst. Res. 2015. V. 121. Apr. 2015. Chia-Yi, Taiwan: National Chung Cheng University, 2015. pp. 101-108.
15. George Cristian Lazaroiu, Nicolae Golovanov, Luminita Elefterescu, et al. «Assessment of flicker perturbations in power systems with multiple disturbing consumers», Harmonics and Quality of Power (ICHQP) 2018 18th International Conference on, pp. 1-6, 2018.
16. Li F., Gao Y., Cao Y. and Iravani R. «Improved teager energy operator and improved chirp-Z transform for parameter estimation of voltage flicker», IEEE Trans. Power Del. 2016. V. 31. №. 1. pp. 245-253.
17. Сендерович Г.А., Дьяченко А.В. Актуальность определения ответственности за нарушение качества электроэнергии по показателям колебаний напряжения // Електротехшка и Електромехашка.2016. №2. С.54-60.
18. Дворкин Д.В., Силаев М.А., Тульский В. Н. [и др.]. Проблемы оценки вклада потребителя в искажение качества электроэнергии // Электричество. 2017. № 7. С. 12-19.
Бирюлин Владимир Иванович — канд. техн. наук, доцент кафедры электроснабжения Юго-Западного государственного университета.
Куделина Дарья Васильевна — канд. техн. наук, доцент кафедры электроснабжения Юго -Западного государственного университета.
Ларин Олег Михайлович — канд. техн. наук, доцент кафедры электроснабжения Юго-Западного государственного университета.
1. Kovernikova LI, Sudnova VV, Shamonov RG. Kachestvo elektricheskoj energii: sovremennoe sostoyanie, problemy ipredlozheniyapo ih resheniyu. Novosibirsk. Nauka; 2017.
2. Kovernikova LI, Tulsky VN, Shamonov RN. Electricity quality in the UES of Russia: Current problems and necessary solutions. Electricity: Transmission and distribution. 2016; 2 (35):28-38.
3. Dedov AV, Sikorskiy SP, Smirnov PS. Results of measurements of power quality indicators in power supply systems of enterprises and organizations. Omsk Scientific Bulletin. 2018; 2 (158):60-64. doi: 10.25206/1813-8225-2018-158-60-64.
4. Cherepanov VV, Kalinina EA. Calculation of the short-term dose of flicker arising from the stochastic nature of the change in electrical loads. Fundamental research. 2016; 5(11): 960967.
5. Kornilov GP, Barankova II, Lukyanov GI, Karyakin AL Calculation of the short-term dose of flicker in the electrical networks of enterprises. Electrotechnical systems and complexes. 2019; 3:10-15. doi: 10.18503/2311-8318-2019-3(44)-10-15.
6. Lissitzky KE. Improvement of methods and means for assessing flicker when using light sources with different sensitivity to voltage fluctuations in the electrical network. News of higher educational institutions, energy problems. 2018; V.20; 5-6: 55-66.
7. Lissitzky KE. Improvement of assessment tools and methods of flicker normalization when using light sources with different sensitivity to voltage fluctuations in the electrical network. Industrial energy. 2018; 10: 15-21.
8 Bulatov YuN, Kryukov AV. Elimination of flicker in networks with distributed generation installations based on coordinated controllers. Systems Methods Technologies. 2017; 4(36):108-114. doi: 10.18324 / 2077-5415-2017-4-108-114.
9. Gapirov RA, Osipov DS. Standardization of interharmonics as an indicator of the quality of electricity in Russia and abroad. Modern problems of science and education. 2014; 5. Available at: URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15253. Access to: 19.05.2021.
10. Ponomarev VA. Simulation of an electric arc furnace and the influence of flicker on the quality of electricity. Electrical shop. 2018; 12:10-12.
11. B^tkiewicz-Pantula M. Elimination of disruption on the example of flicker, 2017, Progress in Applied Electrical Engineering (PAEE);25-30 June;Koscielisko, Poland: IEEE, 2017. doi: 10.1109 / PAEE.2017.8009000.
12. Marta B^tkiewicz-Pantula. The algorithm for determining the coefficient of flicker on the example of a wind power plant, Electronics Computers and Artificial Intelligence (ECAI), 10th International Conference; 28-30 June; Lasi, Romania: IEEE, 2018. pp. 1-6. 2018. doi: 10.1109 / ECAI.2018.8679059.
13. Maksic M, Papic I, Blazic B. Simple Continuous Assessment of Transmission-Network Flicker Levels Caused by Multiple Sources, IEEE Transactions on Power Delivery. 2016;31(6):2546-2552. doi: 10.1109/TPWRD.2015.2502984.
14. Chang G.W, Lu HJ, Chuang CS. An accurate hybrid intelligent approach for forecasting flicker severity caused by electric arc furnaces, Elect. Power Syst. Res. 2015;121:101-108. Apr. 2015. Chia-Yi, Taiwan: National Chung Cheng University. doi: 10.1016/j.epsr.2014.12.007.
15. Lazaroiu GC, Golovanov N, Elefterescu L, Roscia M, Zaninelli D. Assessment of flicker perturbations in power systems with multiple disturbing consumers, Harmonics and Quality of Power (ICHQP) 2018 18th International Conference. 2018. pp. 1-6. doi: 10.1109 / ICHQP.2018.8378847.
16. Li F, Gao Y, Cao Y, Iravani R. Improved teager energy operator and improved chirp-Z transform for parameter estimation of voltage flicker, IEEE Trans. Power Del. 2016;31:245-253. Feb. doi: 10.1109/TPWRD.2015.2448943.
17. Senderovich GA, Dyachenko AV. Relevance of determining responsibility for violation of the quality of electricity by indicators of voltage fluctuations. Electrotechnics and Electromechanics. 2016; 2:54-60.
18. Dvorkin DV, Silaev MA, Tulsky VN, et al. Problems of assessing the consumer’s contribution to the distortion of the quality of electricity. Electricity. 2017; 7:12-19. doi: 10.24160 / 0013-5380-2017-7-12-19.
Authors of the publication
Vladimir I. Biryulin — Sowthwest State University. Email: bir1956@mail.ru. Daria V. Kudelina — Sowthwest State University. Email: mary_joy@mail.ru. OlegM. Larin — Sowthwest State University. Email: larin77@mail.ru.
13.10.2021г. 21.10.2021г. 21.10.2021г.
Какие бывают продолжительные изменения характеристик напряжения? Что такое колебания напряжения и фликер?
Колебания напряжения электропитания (как правило, продолжительностью менее 1 минуты), в том числе одиночные быстрые изменения напряжения, обусловливающие возникновение ощущения неустойчивости зрительного восприятия, вызванное световым источником, яркость или спектральный состав которого изменяются во времени (фликер).
Кратковременная доза фликера, измеренная в точке передачи электрической энергии в интервале времени 10 мин не должна превышать значения 1,38, а длительная доза фликера, измеренная в интервале времени 2 ч, не должна превышать значения 1,0 в течение 100% времени интервала измерения в одну неделю.
Одиночные быстрые изменения напряжения вызываются, в основном, резкими изменениями нагрузки в электроустановках потребителей, переключениями в системе либо неисправностями и характеризуются быстрым переходом среднеквадратического значения напряжения от одного установившегося значения к другому. Обычно одиночные быстрые изменения напряжения не превышают 5% в электрических сетях низкого напряжения, но иногда изменения напряжения с малой продолжительностью до 10% номинального напряжения могут происходить несколько раз в день. Если напряжение во время изменения пересекает пороговое значение начала провала напряжения или перенапряжения, одиночное быстрое изменение напряжения классифицируют как провал напряжения или перенапряжение.
Расчет кратковременной дозы фликера в электрических сетях предприятий Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ / КОЛЕБАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ / ФЛИКЕР / МГНОВЕННАЯ ДОЗА ФЛИКЕРА / КРАТКОВРЕМЕННАЯ ДОЗА ФЛИКЕРА / ВЗВЕШИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ / ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ «FLICKER» / POWER QUALITY / VOLTAGE FLUCTUATIONS / FLICKER / INSTANTANEOUS FLICKER VALUE / SHORT-TERM FLICKER VALUE / WEIGHING FILTERS / «FLICKER» SOFTWARE
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Корнилов Геннадий Петрович, Баранкова Инна Ильинична, Лукьянов Георгий Игоревич, Карякин Александр Ливиевич
Качество электрической энергии является составляющей электромагнитной совместимости и определяется совокупностью характеристик. Снижение качества электрической энергии приводит к причинению вреда электрооборудованию, повышает энергоемкость технологических процессов и воздействует на здоровье людей. Для предотвращения таких последствий необходимо проведение методических, технических и организационных мероприятий. Одним из показателей качества электрической энергии в соответствии с ГОСТ 32144-2013 является фликер . При этом доза фликера является наиболее сложным показателем качества электроэнергии с точки зрения вычисления. Существует отдельный государственный стандарт, в котором приведено описание структуры фликерметра, рассмотрены технические требования и методы испытания данного прибора. В статье проведен сравнительный анализ программно-аппаратных решений по оценке доз фликера на рынке РФ. Представлено разработанное программное обеспечение « Flicker » для расчета кратковременной дозы фликера и представлены основные модули работы программы. Рассмотрен алгоритм расчета по характеристикам дуговой сталеплавильной печи, позволяющий определить кратковременную дозу фликера на этапе проектирования электротехнического комплекса. Рассмотрен алгоритм ПО « Flicker » и методика расчета мгновенной и кратковременной дозы фликера по базе данных мгновенных напряжений. Представлен модуль визуального представления изменения напряжения и мгновенной дозы фликера в виде масштабируемых графиков. Дан анализ полученных результатов расчета, полученных с помощью разработанного ПО.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Корнилов Геннадий Петрович, Баранкова Инна Ильинична, Лукьянов Георгий Игоревич, Карякин Александр Ливиевич
Расчет колебаний напряжения электрической сети при работе асинхронных двигателей с резкопеременной нагрузкой
Совершенствование методов и средств оценки фликера при использовании источников света с разной чувствительностью к колебаниям напряжения в электрической сети
Разработка усовершенствованного алгоритма ШИМ активного выпрямителя с адаптацией к резонансным явлениям во внутризаводской сети
Экспериментальные исследования электромагнитной совместимости современных электроприводов в системе электроснабжения металлургического предприятия
Сравнительный анализ режимов регулирования статического тиристорного компенсатора в системе электроснабжения дуговой сталеплавильной печи высокой мощности
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Calculation of Short-Term Flicker Value in Electric Networks Of Enterprises
The quality of electrical energy is a component of electromagnetic compatibility and is determined by a set of characteristics. Deterioration in the quality of electrical energy causes damage to electrical equipment, increases the energy intensity of technological processes and affects people’s health. To prevent such consequences, it is necessary to conduct methodological, technical and organizational measures. One of the indicators of the quality of electrical energy in accordance with GOST 32144-2013 is a flicker . In this case, the flicker value is the most difficult indicator of the quality of electricity in terms of calculation. There is an special state standard in which a description of the structure of the flickermeter is given, the technical requirements and test methods for this device are considered. The article provides a comparative analysis of software and hardware solutions for assessing the flicker value on the Russian market. The developed software “ Flicker ” for the calculation of the short-term flicker value is presented and the main modules of the program are presented. The algorithm of calculation according to the characteristics of an electric steel-smelting furnace is considered, which allows determining the short-term flicker value at the design stage of an electrical engineering complex. The Flicker software algorithm and the method for calculating the instant and short-term flicker value using the database of instantaneous voltages were reviewed. A module for visual presentation of voltage changes and instantaneous flicker values in the form of scalable graphs is presented. The analysis of the obtained calculation results obtained using the developed software is given.
Текст научной работы на тему «Расчет кратковременной дозы фликера в электрических сетях предприятий»
УДК 621.311 https://doi.org/10.18503/2311-8318-2019-3(44)-10-15
Корнилов Г.П.1, Баранкова И.И. \ Лукьянов Г.И. \ Карякин А.Л.2
1 Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
2 Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург
Расчет кратковременной дозы фликера в электрических сетях предприятий
Качество электрической энергии является составляющей электромагнитной совместимости и определяется совокупностью характеристик. Снижение качества электрической энергии приводит к причинению вреда электрооборудованию, повышает энергоемкость технологических процессов и воздействует на здоровье людей. Для предотвращения таких последствий необходимо проведение методических, технических и организационных мероприятий. Одним из показателей качества электрической энергии в соответствии с ГОСТ 32144-2013 является фликер. При этом доза фликера является наиболее сложным показателем качества электроэнергии с точки зрения вычисления. Существует отдельный государственный стандарт, в котором приведено описание структуры фликерметра, рассмотрены технические требования и методы испытания данного прибора. В статье проведен сравнительный анализ программно-аппаратных решений по оценке доз фликера на рынке РФ. Представлено разработанное программное обеспечение «Flicker» для расчета кратковременной дозы фликера и представлены основные модули работы программы. Рассмотрен алгоритм расчета по характеристикам дуговой сталеплавильной печи, позволяющий определить кратковременную дозу фликера на этапе проектирования электротехнического комплекса. Рассмотрен алгоритм ПО «Flicker» и методика расчета мгновенной и кратковременной дозы фликера по базе данных мгновенных напряжений. Представлен модуль визуального представления изменения напряжения и мгновенной дозы фликера в виде масштабируемых графиков. Дан анализ полученных результатов расчета, полученных с помощью разработанного ПО.
Ключевые слова- качество электроэнергии, колебания напряжения, фликер, мгновенная доза фликера, кратковременная доза фликера, взвешивающие фильтры, программное обеспечение «Flicker».
Электрическая энергия является одним из основных компонентов, необходимых для процесса производства. Качество электроэнергии оказывает значительное влияние на технико-экономические характеристики и надежность работы электрооборудования. Показатели, характеризующие качество электрической энергии, выходя за допустимые пределы в совокупности с другими факторами, приводят к экономическим потерям из-за неоптимальной работы электроприемников и увеличению брака продукции. Для оценки качества электроэнергии на территории РФ был разработан новый стандарт — ГОСТ Р 32144-13 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», который вступил в силу с 1 мая 2014 года [1-3].
На данный момент рынок РФ представлен большим количеством анализаторов показателей качества электроэнергии, отечественных и зарубежных производителей с большим диапазоном стоимости и технических показателей. В статье рассмотрено сравнение этих анализаторов и представлен разработанный анализатор показателей фликера.
Сравнение анализаторов качества электроэнергии
Принцип действия анализаторов качества электроэнергии (АКЭ) основан на вычислении значений измеряемых параметров путем аналого-цифрового преобра-зования массива мгновенных значений входных сигналов напряжения и тока. На сегодняшний день на рынке представлен широкий спектр таких приборов, которые разделяются на стационарные и переносные [3-6].
Для АКЭ, обеспечивающих проведение обследова-
© Корнилов Г.П., Баранкова И.И., Лукьянов Г.И., Карякин а.Л., 2019
ний и оценки качества электрической энергии в соответствии с ГОСТ 30804.4.30-2013, существуют следующие классы точности:
«А» («advanced» — «повышенного типа»);
«S» («survey» — «для наблюдений»);
«В» («basic» — «начальный»).
Правильная оценка величин отдельных гармоник критична как для рынка, так и с технической точки зрения, поэтому очень важно иметь инструменты для достоверных измерений [7, 8]. Задача может быть решена при использовании анализаторов качества электроэнергии класса «А» [9, 10]. Поэтому для сравнительного анализа будем рассматривать приборы класса «А», как отечественного производства, так и зарубежного исполнения [11-14]. В таблице ниже представлено сравнение АКЭ, представленных на рынке.
Для рассмотрения взяты АКЭ фирм Sonel, Fluke Industrial и ООО «НПП Прорыв». Проведенный анализ показал, что АКЭ первых двух производителей имеют высокую стоимость, АКЭ PQM-702 ограничен комплектом поставки, а у FLUKE 435 II отсутствует первичная поверка, что, в свою очередь, повышает их базовую стоимость. В сравнении с ними Прорыв Т-А-KT800 имеет стоимость ниже, но конструктивные особенности, такие как металлический корпус, объем памяти и отсутствие дисплея, снижают удобство использования.
Проведенный анализ показал, что устройства представленные на рынке, имеют ряд своих недостатков, главным среди которых является цена. Поэтому предложено разработать программный продукт, позволяющий проводить измерение фликера в соответствии с требованиями нормативных документов, как в условиях эксплуатации действующего оборудования, так и на стадии проектирования, с минимальными затратами.
Анализаторы качества электроэнергии
№ п/п Производитель Модель Стоимость (руб) Преимущества Недостатки
1 Sonel, Польша PQM-702 > 328000 1. защита корпуса №65; 2. возможна установка непосредственно на ЛЭП; 3. наличие внутреннего аккумулятора; 4. наличие первичной поверки; 5. диапазон рабочих температур; 6. синхронизация времени; 7. соответствие классу «А» 1. отсутствие полноценного дисплея; 2. большой размер корпуса; 3. токовые клещи приобретаются отдельно; 4. высокая стоимость
2 Fluke Industrial, США FLUKE 435 II >455000 1. высокая точность измерений; 2. высокое качество комплектующих; 3. синхронизация времени; 4. соответствие классу «А» 1. отсутствие первичной поверки; 2. диапазон рабочих температур; 3. высокая стоимость
3 ООО «НПП Прорыв», Россия Прорыв Т-А-КТ800 >122000 1. наличие первичной поверки; 2. диапазон рабочих температур; 3. масса-габаритные показатели; 4. синхронизация времени; 5. соответствие классу «А»; 6. стоимость 1. отсутствие дисплея; 2. металлический корпус; 3. необходимо наличие ПК для задания параметров измерений; 4. упрощенный интерфейс ПО; 5. ограничение по памяти
Анализатор показателей фликера «Flicker»
Анализатор качества электроэнергии, а именно показателей фликера «Flicker» разработан на базе лабораторий «МГТУ им. Г.И. Носова». Пользовательский интерфейс представлен на рис. 1.
Для оценки кратковременной дозы фликера на стадии проектирования электросети предприятия данный программный продукт имеет вкладку «Мат. модель». В основу алгоритма работы этой вкладки заложена методика, разработанная Новоселовым H.A., Николаевым А.А и Корниловым Г.П. [5]. Суть данной методики заключается в определении плотности распределения вероятности колебаний напряжения по исходным данным установки дуговой сталеплавильной печи (ДСП), таких как сопротивление системы, номинальное напряжение, мощность печного трансформатора и номинальна^ ток печи. Как заявлено авторами, данный метод расчета имеет максимальную погрешность 2,7%, что доказывает достаточную точность и возможность использования для оценки кратковременной дозы фликера. Стоит отметить, что, как видно на рис. 1, для расчета необходимы такие параметры, как временной интервал и требуемое количество значений. Из определения кратковременной дозы фликера первый параметр по умолчанию задается равным 10 мин, а рекомендуемое количество значений равно 6000. На рис. 2 представлен результат работы вкладки «Мат. модель» разработанного ПО.
Данный расчет фликера не позволяет произвести оценку на введенном в эксплуатацию и функционирующем объекте. Для такого случая предусмотрена дополнительная вкладка «БД», которая позволяет производить расчет мгновенного и кратковременного фликера, по имеющейся базе напряжений. Базой данной для такого расчёта выступает таблица данных, записанная в виде Excel файлов с разрешением *.xls или *.xlsx. В алгоритм работы вкладки «БД» заложена методика, по которой вначале определяются мгновенный фликер для линейного напряжения, а затем с помощью блока статистической обработки (классификатора) рассчитывается кратковременная доза
фликера. На рис. 3 представлена блок-схема расчета кратковременной дозы фликера по действующему линейному напряжению, реализованная в разработанном ПО «Flicker».
Рис. 1. Пользовательский интерфейс ПО «Flicker»
Рис. 2. Результат работы вкладки «Мат. модель»
Рис. 3. Блок-схема расчёта кратковременной дозы фликера вкладки «БД»
Загрузка базы выполняется с помощью блока 1. При этом пользователю необходимо указать характеристики напряжения: действующее/мгновенное, линейное/фазное. После чего данный блок выполняет расчет приведения напряжения к действующему линейному и производит приведение значений к относительным единицам, рассчитываемых за половину периода питающего напряжения. Далее значения поступают на блок 2, где сначала производится фильтрация нижних частот с усреднением сигнала за 16 периодов промышленной частоты. В качестве фильтра выступает апериодическое звено с постоянной времени 0,32 с. Кроме того, блок 2 выполняет работу квадратичного демодулятора, после чего значения поступают на блок 3, который представлен взвешивающими фильтрами с эквивалентной передаточной функцией, представленной ниже.
где Ю! =2^9,15494; ю2=2л2,27979; ю3=2я1,22535; ю4=2я21,9; £=1,74802; Х=2л4,05981.
Частотная характеристика (рис. 4) блока 3 является центрированной относительно частоты 8,8 Гц, на которой восприятие человеком колебаний светового потока является максимальной. Таким образом, фильтры выполняют взвешивание колебаний напряжения в соответствии с чувствительностью цепи «лампа-глаз-мозг».
После блока 3 выполняется сглаживание с помощью фильтра в блоке 4, представленного апериодическим звеном с постоянной времени 0,3 с. И там же производится квадратичная обработка. На данном этапе происходит фиксация мгновенных значений фликера с необходимой функцией их ограничения, т.к. в первые секунды анализатора происходят чрезмерные всплески. За данное ограничение отвечает блок 5, в котором величина уставки ограничения принята на уровне 400 o.e. Следующий блок 6 отвечает за классификацию, определение интегральной вероятности и расчет кратковременной дозы фликера. Для выполнения классификации производится разбиение амплитуды сигнала, характеризующего уровень фликера, на 100 классов, которым соответствуют определенные диапазоны сигнала (рис. 5). Каждый раз, когда уровень фликера достигает определенного значения, счетчик соответствующего класса добавляет единицу к имеющемуся числу, таким образом, получается функция частотного распределения значений.
0 10 20 30 ftf, Гц
Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика блока 3
0 0,2 0,4 0,6 0,8 t, С
Рис. 5. Классификация значений мгновенного фликера
Выполнив классификацию, ПО «Flicker» производит определение интегральной вероятности функции частотного распределения мгновенного фликера и выполняет статистический анализ, который заключается в определении уровня фликера, соответствующего интегральной вероятности, равной: 0,1; 0,7; 1,0; 1,5; 2,2; 3,0; 4,0; 6,0; 8,0; 10,0; 13,0; 17,0; 30,0; 50,0; 80,0 %. Далее производится расчет сглаженных уровней фликера по следующим формулам:
1 sti0,7 ^ 1 sti1,0 ^ 1 sft’1,5
1 sti2,2 1 sti3,0 ^ 1 sti4,0
1 sti6,0 ^ 1 sti8,0 1 sti10 ^ 1 sti13 ^ 1 sti17
1 sti30 1 sti50 1 sti80
где Р1. Р10ж, Р5а, — значения сглаженного уровня фликера при интегральной вероятности, равной 1, 3, 10, 50 %, соответственно.
В завершении работы блок 6 определяет кратковременную дозу фликера:
+0,0657P3s + 0,28p0 s + 0,08P50 s.
Результат работы вкладки «БД» представлен на рис. 6. Как видно из рисунка, для удобства представления и анализа результатов данные выводятся в табличном виде.
Для визуализации полученных результатов вкладки «БД» в ПО «Flicker» реализована демонстрация графиков (рис. 7), в которых отображаются исследуемое напряжение, мгновенный фликер и интегральная вероятность. Для упрощения исследования графиков добавлена функция масштабирования.
Рис. 7. Вкладка отображение графиков полученных результатов вкладки «БД»
Для проверки адекватности разработанного ПО проводилось сравнение полученных результатов с результатами моделирования в среде Matlab. Как показал анализ, представленное ПО полностью соответствует методике расчета кратковременной дозы фликера. Стоит отметить, что скорость работы ПО меняется в зависимости от входного массива, записанного в базу данных напряжений. Поэтому для расчета длительной дозы фликера рекомендуется произвести расчет кратковременной дозы фликера на последовательных интервалах времени и выполнить дальнейшее вычисление в соответствии с методикой.
Источниками колебаний напряжения в большинстве случаев являются потребители с резкоперемен-ным режимом работы, который характеризуется быстрыми изменениями активной и реактивной мощностей. Такое колебание напряжения может привести к появлению мерцаний освящения, находящихся в одной локальной электросети, и к появлению фликера. Влияние фликера на людей зависит не только от индивидуального восприятия данного явления человеком, но и от технических аспектов, например, характеристик ламп, которые подвергаются воздействию колебаний напряжения в электрической сети. Поэтому для оценки фликера был разработан ГОСТ, в соответствии с которым были разработаны и представлены на рынке различные устройства для оценки качества электроэнергии. Среди таких устройств можно отметить такие существенные недостатки, как цена и оценка показателей фликера только по эксплуатируемой сети. Поэтому разработано ПО «Flicker», позволяющее проводить оценку как по имеющейся базе значений напряжений, так и по параметрам комплекса ДСП. Представленное ПО в статье компенсирует известные имеющиеся недостатки оборудования. Стоит отметить, что заложенная методика не учитывает различную чувствительность ламп к колебаниям напряжения, кроме того алгоритмы, заложенные в программный продукт, не позволяют проводить измерение показателей фликера в реальном времени, поэтому продолжаются работы по совершенствованию разработанного ПО «Flicker».
1. Карташев И.И., Тульский В.Н. Управление качеством электроэнергии / под ред. Ю.В. Шарова. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. 320 с.
2. ГОСТ Р 51317.4.15-2012. Совместимость технических средств электромагнитная. Фликерметр. Функциональные и конструктивные требования. М.: Стандартинформ, 2014. 38 с.
3. ГОСТ 30804.4.30-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии. М.: Стандартинформ, 2014. 57 с.
4. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартинформ, 2014. 20 с.
5. Новоселов H.A., Николаев A.A., Корнилов Г.П. Анализ показателей качества электроэнергии при проектировании систем электроснабжения дуговых сталеплавильных печей малой мощности [Электронное издание]. Магнитогорск, 2017.
6. Варианты построения системы автоматического регулирования распределения долей энергетических ресурсов в дуговых печах/ Г.П. Корнилов, A.A. Николаев, П.А. Шу-лепов, О.И. Петухова // Электротехнические системы и комплексы. 2017. №4(37). С. 32-37.
7. Храмшин Т.Р., Абдулвелеев И.Р., Корнилов Г.П. Обеспечение электромагнитной совместимости мощных электротехнических комплексов // Вестник ЮжноУральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2015. Т. 15. №1. С. 82-93.
8. Разработка математической модели анализатора качества электроэнергии в соответствии с ГОСТ 54149-2010 на базе программного пакета Matlab с приложением Simulink для анализа качества напряжения в системах электроснабжения мощных дуговых сталеплавильных печей / A.A. Николаев, Г.П. Корнилов, A.A. Карпеш, Е.Д. Спирова // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. 2014. Т. 2. С. 91-95.
9. Корнилов Г.П., Николаев A.A., Храмшин Т.Р. Моделирование электротехнических комплексов промышленных предприятий: учебное пособие. Магнитогорск: Магнитогорск гос. техн. ун-т им. Г. И. Носова, 2014. 239 с.
10. Ограничение провалов напряжения в системах электроснабжения промышленных предприятий/ Г.П. Корнилов,
Information in English
А.Ю. Коваленко, A.A. Николаев, И.Р. Абдулвелеев, Т.Р. Храмшин // Электротехнические системы и комплексы. 2014. №2(23). С. 44-48.
11. Экспериментальные исследования электромагнитной совместимости современных электроприводов в системе электроснабжения металлургического предприятия / A.A. Николаев, Г.П. Корнилов, Т.Р. Храмшин, Г.В. Никифоров, Ф.Ф. Муталлапова // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.П. Носова. 2016. Т. 14. №4. С. 96-105.
12. Особенности моделирования дуговой сталеплавильной печи как электротехнического комплекса / Г.П. Корнилов, A.A. Николаев, Т.Р. Храмшин, Т.Ю. Вахитов, П.А. Якимов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.П. Носова. 2015. №1. С. 76.
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
13. Лисицкий К.Е. Совершенствование методов оценки фликера в электрических сетях: дис. . канд. техн. наук 05.14.02 / Лисицкий Константин Евгеньевич, Братск, 2017.
14. G. Shen, D. Xu, L. Cao, and X. Zhu. «An improved control strategy for grid-connected voltage source inverters with an LCL-filter», IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 4, pp. 1899-1906, Jul. 2008.
Поступила в редакцию 19 марта 2019 г.
Calculation of Short-Term Flicker Value in Electric Networks Of Enterprises
Gennadiy P. Kornilov
D.Sc. (Engineering), Professor, Head of the Department of Electric Power Supply of Industrial Enterprises, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: korn_mgn@mail.ru. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2451-3850
Inna I. Barankova
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Head of the Department of Computer Science and Information Safety Engineering, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: inna_barankova@mail.ru. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6077-6164
Georgy I. Lukyanov
Post-graduate student, Computer Science and Information Safety Engineering Department, Power Engineering and Automated Systems Institute, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: decorsi@mail.ru. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7010-2243
Alexander L. Karyakin
D.Sc. (Engineering), Senior Research Scientist, Head of the Department of Mining Enterprise Electrification, the Ural State Mining University, Yekaterinburg, Russia.
The quality of electrical energy is a component of electromagnetic compatibility and is determined by a set of characteristics. Deterioration in the quality of electrical energy causes damage to electrical equipment, increases the energy intensity of technological processes and affects people’s health. To prevent such consequences, it is necessary to conduct methodological, technical and organizational measures. One of the indicators of the quality of electrical energy in accordance with GOST 32144-2013 is a flicker. In this case, the flicker value is the most difficult indicator of the quality of electricity in terms of calculation. There is an special state standard in which a description of the structure of the flickermeter is given, the technical requirements and test methods for this device are considered. The article provides a comparative analysis of software and hardware solutions for assessing the flicker value on the Russian market. The developed software «Flicker» for the calculation of the short-term flicker value is presented and the main modules of the program are presented. The algorithm of
calculation according to the characteristics of an electric steel-smelting furnace is considered, which allows determining the short-term flicker value at the design stage of an electrical engineering complex. The Flicker software algorithm and the method for calculating the instant and short-term flicker value using the database of instantaneous voltages were reviewed. A module for visual presentation of voltage changes and instantaneous flicker values in the form of scalable graphs is presented. The analysis of the obtained calculation results obtained using the developed software is given.
Keywords: power quality, voltage fluctuations, flicker, instantaneous flicker value, short-term flicker value, weighing filters, «Flicker» software.
1. Kartashev I.I., Tulsky V.N. Upravlenie kachestvom ehlek-troehnergii [Management of the quality of electricity] // un-
der the editorship of Yu.V. Sharov. Moscow .: Publishing House of MEI, 2006. 320 p. (In Russian)
2. GOST R 51317.4.15-2012. Electromagnetic compatibility of technical equipment. Flicker meter. Functional and structural requirements/ Moscow: Standardinform, 2014. 38 p. (In Russian)
3. GOST 30804.4.30-2013. Electric Energy. Electromagnetic compatibility of technical equipment. Methods for measuring the quality of electrical energy. Moscow: Standardin-form, 2014. 57 p. (In Russian)
4. GOST 32144-2013. Electrical energy. Electromagnetic hardware compatibility. Quality standards for electrical energy in general-purpose power supply systems. Moscow: Standardinform, 2014. 20 p. (In Russian)
5. Novoselov N.A., Nikolaev A.A., Kornilov G.P. Analysis of power quality indicators when designing power supply systems for low-power arc steel-smelting furnaces [Electronic Edition] // Magnitogorsk, 2017. (In Russian)
6. Kornilov G.P., Nikolaev A.A., Shulepov P.A., Petukhova O.I. Options for building a system of automatic control of the distribution of shares of energy resources in arc furnaces // Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy [Electrotech-nical systems and complexes]. 2017. No. 4 (37). P. 32-37. (In Russian)
7. Khramshin T.R., Abdulveleev I.R., Kornilov G.P. Ensuring electromagnetic compatibility of powerful electrical systems // Vestnik Yuzhno-Uralskogo gosudarstvennogo uni-versiteta. Seriya: Energetika [Bulletin of the South Ural State University. Series: Energy]. 2015. Vol. 15. No. 1. P. 82-93. (In Russian)
8. Nikolaev A.A., Kornilov G.P., Karpesh A.A., Spierova E.D. Development of a mathematical model of an analyzer of power quality in accordance with GOST 54149-2010 based on the Matlab software package with simulink application for analyzing the voltage quality in power supply systems of
Корнилов Г.П., Баранкова И.И., Лукьянов Г.И., Каря-кин А.Л. Расчет кратковременной дозы фликера в электрических сетях предприятий // Электротехнические системы и комплексы. 2019. № 3(44). С. 10-15. Шр8:/Мо1.о^/10.18503/2311-8318-2019-3(44)-10-15
high-power arc steel-smelting furnaces // Aktualnye prob-lemy sovremennoy nauki, tekhniki i obrasovaniya [Actual problems of modern science, technology and education]. 2014. Vol. 2. P. 91-95. (In Russian)
9. Kornilov G.P., Nikolaev A.A., Khramshin T.R. Modeliro-vanie ehlektrotekhnicheskih kompleksov promyshlennyh predpriyatij [Modeling of electrotechnical complexes of industrial enterprises] // G. I. Nosov Magnitog. state tech. un-ty. Magnitogorsk: MSTU, 2014. 239 p. (In Russian)
10. Kornilov G.P., Kovalenko A.Yu., Nikolaev A.A., Abdulveleev I.R., Khramshin T.R. Restriction of voltage dips in power supply systems of industrial enterprises // Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy [Electrotechnical systems and complexes].
2014. No. 2(23). P. 44-48. (In Russian)
11. Nikolaev A.A., Kornilov G.P, Khramshin T.R, Nikifo-rov G. V., Mutallapova F.F. Experimental studies of electromagnetic compatibility of modern electric drives in the power supply system of a metallurgical enterprise // Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Uni-versiteta [Vestnik of Magnitogorsk State Technical University]. 2016. Vol. 14. No. 4. P. 96-105. (In Russian)
12. Kornilov G.P., Nikolaev A.A., Khramshin T.R., Vahitov T.Yu., Yakimov I.A. Features of modeling arc steel-smelting furnace as an electro-technical complex // Vestnik Magnito-gorskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta [Vestnik of Magnitogorsk State Technical University].
2015. No. 1. P. 76. (In Russian)
13. Lisitsky K.E. Sovershenstvovaniye metodov otsenki flikera v elektricheskikh setyakh. Kand. Diss. [Improving methods for assessing flicker in electrical networks. Ph.D. Diss.]. Bratsk, 2017.
14. G. Shen, D. Xu, L. Cao, and X. Zhu, «An improved control strategy for grid-connected voltage source inverters with an LCL-filter» IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 4, pp. 1899-1906, Jul. 2008.
Кратковременная доза фликера (презентация)
Фликер – это субъективное восприятие человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети, питающей эти источники. Колебания напряжения вызывают изменение яркости ламп, которые могут привести к заметному для глаза явлению, называемому фликером. Начиная с определенного предельного значения эффект фликера является помехой. Вредное действие колебаний напряжения зависит от частоты повторения импульса и формы кривой изменения напряжения.
Рис. 1 Изменение кратковременной дозы фликера во времени (PST)
Рис. 2 Характеристика фликера
В качестве меры вредного воздействия используются кратковременная доза фликера и длительная доза фликера. Колебания напряжения, вызванные отдельными устройствами (в низковольтной сети), допустимы, если вызванный ими коэффициент вредного воздействия фликера не превышает 1. Длительная доза фликера, рассчитанная как среднее из двенадцати значений не должна превышать 0,65. Самым простым методом оценки значения является использование кривой = 1 p.u. P.u. означает «unit of perception» и соответствует порогу восприятия человеческим глазом колебаний освещенности. Значение = 1 p.u. не должно быть превышено в результате суммарного воздействия всех помех.