Удосконалення цифрових методів і засобів контролю та регулювання несиметричних режимів в трифазних мережах промислових підприємств

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення цифрових методів і засобів контролю та регулювання несиметричних режимів в трифазних мережах промислових підприємств

05.14.02 - Електричні станції, мережі та системи

АБДЕЛЬ РАХІМ ФАДЛЬ АЛЛА ФАРДЖ АЛЛА

(Судан)

Донецьк - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківській державній академії міського господарства Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор ГРИБ Олег Герасимович, Харківська державна академія міського господарства, завідувач кафедри електропостачання міст.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ЖЕЖЕЛЕНКО Ігор Володимирович, Приазовський державний технічний університет, ректор кандидат технічних наук, РОМАНЧЕНКО Валентіна Іванівна, Харківський державний технічний університет сільського господарства, старший викладач кафедри електропостачання сільського господарства.

Провідна установа: Національний технічний університет “ХПІ”, кафедра передачі електричної енергії, Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться 08.11.2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.052.02 Донецького державного технічного університету, за адресою 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, Iй учбовий корпус, к. 201.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДонДТУ (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, IIй учбовий корпус).

Автореферат розісланий 07.10.2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 11.052.02, к.т.н., доц. Ларін А.М.

АНОТАЦІЯ

несиметричний трифазний мережа навантаження

Абдель Рахім Фадль Алла Фардж Алла. Удосконалення цифрових методів та засобів контролю і регулювання несиметричних режимів в трифазних мережах промислових підприємств. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.14.02 - електричні станції, мережі та системи. Донецький державний технічний університет. Донецьк, 2001.

Дисертація присвячена розробці методів та засобів контролю та регулювання несиметричних режимів трифазної мережі при існуванні в ній вищих гармонік, шляхом симетрування та регулювання реактивної потужності в реальному часі при довільному несиметричному навантаженні.

В роботі одержані та теоретично обгрунтовані нові аналітичні рівняння теорії симетрування. Це дозволило поширити методи визначення параметрів симетрування пристрою на випадки, коли усунення струмів нульової та зворотної послідовності супроводжується компенсацією реактивної потужності.

Розроблені алгоритми та структурні схеми оперативного видалення, для цих умов експлуатації, трифазних мереж. Розглянуті різні випадки синтезу параметрів симетрування приладів та проаналізовані можливі варіанти бази інформаційних даних.

Розроблені структурні схеми реалізовані в автоматичних пристроях, які випробувані в промислових умовах. Проаналізовані похибки різноманітних методів контролю та виявлені переваги кореляційних методів обробки сигналів, які базуються на дискретних Фурьє-перетвореннях. Доведено, що інформації про активну та реактивну потужності, що базується на миттєвих значеннях струму та напруги, цілком достатньо для сталого режиму інформаційного забезпечення симетрувальних пристроїв. Використання удосконалених автором цифрових методів вимірювання дозволяє досягти високої стабільності роботи пристрою та автоматизувати процес вимірювань.

На базі вимірювача нелінійних спотворень побудований цифровий прилад, чутливий до низького рівня пульсацій. Цей прилад може бути використаний для оперативного одночасного контролю нелінійних спотворень та визначення величини коефіцієнта пульсацій.

Ключові слова: трифазні мережі, несиметричні режими, струми нульової та зворотної послідовностей, базові напруги, несиметричні складові, фазові навантаження, пристрої симетрування, активна та реактивна потужності, похибки вимірювання, математичне сподівання, кореляційні методи обробки сигналів.

АННОТАЦИЯ

Абдель Рахим Фадль Алла Фардж Алла. Совершенствование цифровых методов и средств контроля и регулирования несимметричных режимов в трехфазных сетях промышленных предприятий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 - Электрические станции, сети и системы. Донецкий государственный технический университет. Донецк, 2001.

Цель исследования - разработка методов и средств контроля и регулирования несимметричных режимов трехфазной сети и построение на их базе управляющих устройств, позволяющих при наличии в сети высших гармоник осуществить симметрирование и регулирование реактивной мощности в реальном масштабе времени при произвольной нагрузке.

На базе анализа актуальной проблемы контроля и регулирования показателей качества энергии в трехфазных сетях промышленных предприятий сформулированы и решены задачи создания цифровых систем контроля качества энергии с одновременным оперативным устранением несимметрии токов и напряжений с регулированием реактивной мощности, надежно функционирующих в условиях произвольного изменения нагрузки на фоне высших гармоник.

Получены новые аналитические выражения, упрощающие процесс вычислений, сопровождающий синтез параметров симметрирующих устройств. При выводах этих выражений учтено, что нулевая составляющая токов в трехфазной сети отсутствует в явном виде, что обусловлено свойством параметрической симметрии трехфазных схем. Эти теоретические выражения позволили подойти к рассмотрению методов определения параметров симметрирующего устройства, когда устранение токов нулевой и обратной последовательности сопровождается одновременной компенсацией реактивной мощности.

На их базе разработаны алгоритмы оперативного симметрирования, которые положены в основу работы автоматических симметрокомпенсирующих устройств. Показано, что система управления этими устройствами должна быть унифицированной, что обеспечивает ей пригодность для различного характера нагрузок и способов симметрирования. Рассмотрены частные случаи синтеза параметров симметрирующих устройств и проанализированы возможные базы информационных данных:

- токов нулевой и обратной последовательности;

- действительных токов нагрузки;

- проводимостей и мощности фаз нагрузки.

На базе оперативных алгоритмов разработаны структурные схемы устранения токов нулевой и обратной последовательности с одновременной компенсацией реактивной мощности. Эти структурные схемы реализованы в автоматических симметрирующих устройствах, использующих в качестве управляющих параметров токи нулевой и обратной последовательности, действительные значения токов, величины проводимости и мощности фаз нагрузок.

На основании анализа погрешностей установлено преимущество корреляционных методов обработки сигналов, основанных на дискретных Фурье-преобразованиях, которые эффективны при получении в сети высших гармоник.

Показано преимущество методов измерения активной и реактивной мощностей, основанных на обработке мгновенных значений токов и напряжений, для информационного обеспечения симметрирующих устройств. Выявлено, что применение цифровых методов измерения мощности позволяет повысить точность и автоматизировать процесс измерения.

На базе серийного измерителя нелинейных искажений построен цифровой прибор для измерения пульсаций, обладающий повышенной чувствительностью к низким уровням пульсаций. Таким образом, этот прибор может быть использован для оперативного контроля нелинейных искажений и величины коэффициента пульсаций.

Ключевые слова: трехфазные сети, несимметричные режимы, токи нулевой и обратной последовательностей, базовые напряжения, несимметричные составляющие, фазные напряжения, симметрирующие устройства, активная и реактивная мощность, погрешности измерения, математическое ожидание, корреляционные методы обработки сигналов.

ANNOTATION

Abdel Rahim Fadl Alla Farag Alla. Digital system of tasting and regulation of theree-phase networks of industrial enterprises at assymetrical loading.

Theses for getting the degree of candidate of scincer (engineering) on specialiny 05.14.02 - Power stations, networks and systems. Donetsk state technical university. Donetsk, 2001.

The theses is devoted to the working out of methods and ways of testing and regulation of assymetrical conditions of thee-plase networks when it has higher harmonics by way of symetrizing and regulation of reactive capacity in real time at free assymetrical loading.

In the giver work there are obtained and theoretically proved new analytical equations of the theory of symelrazing. It enabled to expand methods of identification of the parameters of symatrizing device for the cases when emphasizing flows of zero and back consequence is accompjnied by compensation of reactive capacity. It is worked out an algorithm and structural schemes of operative emphasizing for these conditions of maintenance, for three-plase networks. It is examined cases of synthesis and it is analyzed probable variants of the data base.

It is investigated structural schemes, realized in automated devices, which have been tried in industrial conditions. In is analyzed advantages of various methods of testing and determined disadvantages of correlation methods of signals treatment which are based at discrete Furie-transformations. It is also proved that measuments of active and reactive capacity which are based on instant flow and voltage values are entirely sufficient for the conditions of information supply of symetrizing devices. Considering this, the usage of digital methods of measurement enables to obtain high stability of the device performance and to automotize the process of measurement.

Key words: three-phase networks, assymetrical regimes, currents of zero and reverse consequence, basic voltages, assymetrical constituents, symetrizing devices, active and reactive capacity, flaws of measurement, mathematical expectancy, correlative methods of signals treatment.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний етап розвитку виробництва характеризується широким застосуванням перетворювальної техніки на металургійних підприємствах, в хімічній промисловості, розвитком електротехнології та електрифікації залізничного транспорту. Створення потужних ліній електропередач постійного струму призводить до погіршення якості електроенергії та зниженню надійності систем електропостачання (СЕП). Низька якість електроенергії негативно впливає на роботу релейного захисту, автоматики, апаратури зв'язку, призводить до зменшення терміну служби ізоляції кабелів, електричних машин і трансформаторів.

Особливу увагу слід звернути на те, що низька якість електроенергії призводить до збоїв у роботі обчислювальної техніки, яка займає провідне місце на гнучких автоматизованих виробництвах, де обчислювальні машини та мікропроцесори використовуються у технологічному циклі. На таких підприємствах народногосподарських збиток від низької якості електроенергії буде значно вище, ніж на звичайних підприємствах у зв'язку з тим, що збій у роботі керуючої обчислювальної машини або окремих локальних мікропроцесорних пристроїв (роботів) може потягти за собою порушення технологічного процесу та привести до масового браку продукції, що випускається.

Тривалі перешкоди в мережі виникають з декількох причин. По-перше, внаслідок роботи автоматичних мережних вимикачів при коротких замиканнях і перевантаженнях. При цьому перерви живлення можуть мати тривалість більше 0,5 с. Тривалі перешкоди можуть спричинятись також включенням потужних асинхронних двигунів, пусковий струм яких істотно перевищує струм встановленого режиму, перегоранням плавких вставок, впливом грозових розрядів.

У комплексі заходів, спрямованих на підвищення якості електричної енергії, істотне значення мають питання усунення неси метрі напруг і струмів у трьохфазних мережах промислових підприємств. Розв'язання цього питання дозволить підвищити надійність електропостачання, а також знизити втрати електроенергії. При симетруванні необхідно підтримувати заданий сos.

Для розв'язання цих проблем необхідна розробка методів синтезу структури та параметрів симетро-компенсуючих приладів у найбільш загальному випадку:

- при підключенні споживачів електричної енергії як до симетричної, так і несиметричної системи фазних напруг на фазній або лінійні напруги мережі;

- при постійній і змінній у часі споживачів потужності.

З вищевказаного видно, наскільки актуальні питання якості електроенергії в електричних мережах промислових підприємств. Контроль показників якості електроенергії дає повну інформацію про якість електроенергії (ЯЕ) та дозволяє в ході експлуатації СЕП оперативно розв'язувати питання по їх підтриманню у заданих мережах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вирішення означених актуальних задач пов'язано з планами НДР Харківської державної академії міського господарства, які виконувалися згідно з програмою 5.51.5 “Керування режимами систем електропостачання, як ефективний засіб вирішення проблем енергозбереження та ресурсозбереження”, затвердженою державним комітетом України з питань науки і техніки (наказ № 5 від 01.03.1993 р.). За даною програмою на кафедрі електропостачання міст виконувалася тема 5.51.5/151-93 “Керування режимами електроспоживання і якості електроенергії в системах електропостачання міського і магістрального електротранспорту”.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження було удосконалення методів та засобів контролю і регулювання несиметричних режимів, що виникають при експлуатації трифазних мереж, з подальшим їх використанням у пристроях оперативного симетрування та регулювання реактивної потужності в реальному масштабі часу в умовах довільного несиметричного навантаження в присутності вищих гармонік.

Для досягнення поставленої мети в дисертації вирішуються наступні задачі:

- розробити нові аналітичні рівняння для симетрування трифазної три- і чотирипроводової мережі за такими інформаційними параметрами:

- струмами нульової і зворотної послідовностей;

- дійсними струмами навантаження;

- провідностями і потужностями фаз навантаження;

- провести аналіз ефективності використання отриманих аналітичних рівнянь для різних окремих випадків симетрування ;

- обгрунтувати вплив цифрового методу вимірів симетричних складових трифазної мережі, заснованого на базі дискретного перетворювача Фур'є на величину похибки;

- довести, що методи виміру активної і реактивної потужності, засновані на статистичній обробці миттєвих значень, є найбільш ефективними для інформаційного забезпечення симетруючих пристроїв.

Об'єктами дослідження в дисертаційній роботі є трифазні мережі з несиметричними режимами роботи.

Предметом дослідження є методи і засоби контролю симетричних складових у трифазній мережі і симетрування три- і чотирипроводових них мереж.

Методи дослідження. Дослідження проводилися із використанням теорії інформації, теорії імовірностей випадкових процесів, теорії функції комплексного змінного, теорії лінійних і дискретних систем, методів математичного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів:

- одержали подальший розвиток цифрові методи контролю симетричних складових трифазних мереж, засновані на кореляційній обробці сигналів, що дозволяє здійснити вимір зворотної і нульової послідовностей напруг на основній частоті, відфільтрувавши вищі гармоніки сигналу;

- уперше розроблений метод оцінки динамічної похибки першого роду для цифрових вимірювачів несиметрії напруг, в основу роботи яких покладена кореляційна обробка сигналів, що володіє високою перешкодозахищеністю;

- подальший розвиток одержали методи і засоби симетрування трифазних мереж при зміні навантаження за випадковим законом.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

- удосконалені оперативні алгоритми симетрування трифазних мереж за струмами нульової і зворотної послідовностей, що дозволяють синтезувати структурну схему симетруючих пристроїв для випадків, коли в мережі присутні чи відсутні вищі гармоніки в СЕС;

- розроблена структурна схема симетруючого пристрою, де інформаційними параметрами є активна і реактивна потужності фаз електроспоживача;

- розроблена методика керування параметрами в симетруючих пристроях в умовах використання таких інформаційних величин, як струми нульової і зворотної послідовностей, дійсні струми навантаження, значення провідностей і потужностей фазових навантажень, що дозволяє здійснити енергозбереження;

- розроблена методика цифрових засобів контролю несиметрії напруг і струмів і оцінка помилок цих вимірів використані в двох лекціях і практичних заняттях за навчальним курсом "Основи електропостачання та електрозбе-реження" для студентів денної форми навчання спеціальності 6.090.603.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на семінарах кафедр електропостачання в Донецькому і Приазовському державних технічних університетах і 1-й Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці й електроенергетиці” в м. Львові у 1995 р.

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 5 збірниках наукових праць, з яких 4 опубліковані самостійно.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, заключних висновків, переліку використаних джерел та додатка з актами впровадження практичних результатів роботи. Дисертація надрукована на 145 сторінках, основний текст викладено на 113 сторінках, містить 20 рисунків, 4 таблиці та перелік з 148 літературних джерел.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність вирішуваної проблеми, сформульовані мета, головні напрямки досліджень а також головні наукові результати, які виносяться на захист. Наведені дані про апробацію та практичне використання результатів роботи. Коротко подано інформацію про структуру дисертації, зміст окремих розділів та додатків.

Перший розділ містить аналіз існуючих методів і засобів контролю та регулювання якості електричної енергії а також аналіз впливу якості електричної енергії на роботу її споживачів, особливо впливу відхилення і коливання напруги, відхилень частоти, нелінійних спотворень, несиметрії напруги. Огляд існуючих методів та засобів контролю якості електричної енергії дозволив відокремити дві найважливіші тенденції контролю показників якості електроенергії (ПЯЕ). Розглянуто також методи корекції несиметричних режимів трифазної мережі і засобів контролю.

Викладений в цьому розділі аналіз методів та засобів контролю якості електроенергії свідчить про те, що найбільші складності при вимірюваннях спричиняє несиметрія напруг. Це створюється тривимірністю ефекту, що завдає несиметрія напруг. Присутність у мережі вищих гармонік значно збільшує похибку вимірювання.

Беручи до уваги вищеозначене, обгрунтовано необхідність розвитку нових принципів побудови приладів і систем контролю та регулювання, що базуються на теорії цифрової обробки сигналів.

У цьому розділі сформульовані головні завдання даної роботи, а саме:

- розробити загальний теоретичний підхід до симетрування, що дозволить усунути несиметрію напруг та компенсацію реактивної потужності в трипроводових і чотирипроводових трифазних мережах в присутності вищих гармонік та при довільній зміні навантажень;

- розробити теорію контролю несиметрії струмів і напруг, що базується на кореляційній обробці сигналів, яка б дозволяла здійснювати їх контроль на основі вищих гармонік.

У другому розділі проаналізовано методи симетрування напруг і струмів ув системах електропостачання промислових підприємств. Визначені проблеми симетрування та теоретично обгрунтовані нові аналітичні відображення параметрів симетрувального пристрою для загальних випадків несиметричного навантаження для три- і чотирипроводової трифазної мережі. Одночасно з цим вирішено задачу про одержання необхідного коефіцієнта потужності. Проведено оцінку похибок і стабільності процесу симетрування трифазних мереж.

Проаналізовано головні напрямки симетрування напруг і струмів з одночасною компенсацією реактивної потужності в системах електропостачання промислових підприємств, а також симетрування трифазної мережі з нульовим проводом. У зв'язку з цим розглянуто трифазну чотирипроводову мережу, що має симетричну систему фазних напруг джерела, а навантаження є несиметричним. Симетрувальний пристрій СП1 введено провідностями . Симетричні складові фазного струму СП1 у цьому разі дорівнюють:

, (1)

де - матриці-стовпці струмів симетричних складових, фазних струмів, фазних напруг; - діагональна матриця фазних провідностей СП1; - матриця переходу від системи фазних координат до системи симетричних складових, що є оберненою матрицею переходу від симетричних складових до фазних координат.

Перемножування матриць відтворює зв'язок між симетричними складовими струмів і провідностей СП1

 (2)

де - матриця-стовпець симетричних складових провідностей СП1.

Одержані рівняння дозволяють визначити головну умову для компенсації струмів нульової послідовності:

(3)

Вирази реактивних елементів ( ), за умов використання спряжених операторів повороту фаз (), дозволило знайти зв'язок між провідностями симетричних складових СП:

(4)

З урахуванням умови (3) одержуємо математичне відображення вимог для вибору провідностей СП1:

(5)

Перехід до фазних координат дозволяє знайти умови вибору параметрів СП1:

(6)

Підхід, аналогічний розглянутому вище, було застосовано при визначені параметрів симетрувального пристрою СП2, який виконано з використанням міжфазних провідностей . При цьому умови компенсації струмів зворотної послідовності має математичне відображення:

(7)

У фазних координатах рівняння (7) має вигляд:

(8)

Дослідження можливості сполучення компенсації несиметрії і реактивної потужності в мережі дозволило одержати рівняння, що є умовою повної компенсації струмів зворотної послідовності і реактивної потужності ():

 (9)

У фазних координатах умова (9) має вигляд

(10)

Далі в роботі розглянуто приклади різних випадків несиметрії і застосування одержаних математичних моделей для розрахунку параметрів симетрування пристроїв.

Поряд із симетруванням трифазних мереж на базі діючих значень або симетричних складових струмів навантаження як інформаційних параметрів, симетрування можливе, якщо інформаційними параметрами є фазові потужності.

Рівняння (6) при симетруванні за фазовими потужностями приймає вигляд:

(11)

де - матриці фазових потужностей СП та навантаження; - реактивна потужність вихідної частини СП з номінальними параметрами, відносно яких відбувається їх перебудова при симетруванні:



Перетворення умови (10) приводить до наступного рівняння

, (12)

де ,

Розглянуті методи дозволяють оперативно і, практично, без витрат часу визначити параметри симетрувальних пристроїв, які здійснюють компенсацію струмів нульової та зворотної послідовностей з одночасною компенсацією реактивної потужності. Ці результати мають практичне значення для трифазних мереж промислових підприємств.

У третьому розділі на базі методичних розробок, одержані алгоритми керування СП, за якими були синтезовані структурні схеми СП. Найбільш плідними виявилися автоматичні СП, що дозволяють підтримувати рівень несиметрії струмів чи напруг у визначених межах при довільних змінах навантаження.

Автоматичне СП повинне мати високу точність симетрування при заданому коефіцієнті потужності. Виходячи з цих вимог, система керування автоматичним СП повинна обчислювати параметри та синтезувати схему пристрою в будь-якому випадку при довільному несиметричному навантаженні трипроводової або чотирипроводової трифазної мережі за умов існування вищих гармонік. При вирішенні загальної задачі симетрування необхідно також брати до уваги властивості внутрішньої симетрії, притаманної трифазній системі струмів, - трифазна система напруг має вісь третього порядку, нормальну до комплексної площини, отже, потрійне обертання навколо цієї осі повинно повернути систему у вихідне положення, бо при комплексному спряженні пряма та зворотна послідовності міняються місцями. Використання цих властивостей дозволяє одержати зручні для практичного використання аналітичні вирази, запобігаючи, таким чином, обчислення детермінантів дванадцятого порядку. Використовуючи ці вирази, можна синтезувати узагальнену структурну схему автоматичного симетрувального пристрою.

Автоматичний симетрувальний пристрій має три найважливіші складові: вимірювач інформаційних величин; обчислювач параметрів та силову частину (виконавчий орган).

Розроблений загальний підхід до процесу симетрування, а також використання мікропроцесорної техніки, дає змогу створити уніфіковану систему керування параметрами симетрування пристрою для трипроводових та чотирипроводових трифазних мереж за будь-якого способу симетрування: індивідуального, групового, центрального і комбінованого.

В автоматичних пристроях симетрування трифазних мереж як інформаційні можуть бути використані величини струмів нульової і зворотної послідовностей. Параметри несиметричної частини СП, виражені через струми нульової і зворотної послідовностей, мають вигляд

(13)

де - матриці параметрів несиметричної частини провідностей симетрувального пристрою, спричинених несиметрією приймача; - провідності фаз симетрувального пристрою. При цьому величини та становлять:

; .

Параметри СП для симетрування 4-х проводової трифазної мережі можуть бути виражені таким чином:

(14)

Алгоритм симетрування трипроводової трифазної мережі одержимо, якщо в попередніх вирази приймемо :

(15)

Далі в роботі розглянуто конкретну структурну схему симетрувального пристрою, що складається з вимірювача діючого значення напруги (ВН), вимірювача струмів зворотної та нульової послідовності (ВС), вимірювача фазових зрушень (ВФ), фазообертача (Ф) та силової частини симетруючого пристрою (С).

Розглянемо оперативне симетрування трифазної мережі за квадратурними складовими струмів нульової і зворотної послідовностей. В цьому разі алгоритми можуть бути поданими в такому вигляді:

- для чотирипроводової мережі

(16)

- для трипроводової мережі

, (17)

де: - квадратурні складові струмів, відповідно, нульової та зворотної послідовностей.

Використовуючи можливості дискретних Фур'є-перетворень, подане вище можна одержати в наступному вигляді:

- для чотирипроводової мережі



- для трипроводової мережі

(19)

Розроблені алгоритми та типи симетрувальних пристроїв, в яких втілені ці алгоритми, надають можливість в явній формі визначити параметри симетрувальних пристроїв. Їх можна визначати або за результатами вимірювань діючих значень струмів нульової та зворотної послідовностей і фазовими зрушеннями цих струмів відносно базової напруги, або за квадратурними складовими струмів нульової і зворотної послідовностей.

При побудові алгоритмів слід враховувати довільний характер змін навантаження в мережі. Так зміни навантаження є причиною того, що регулювання параметрів симетрувального пристрою здійснюється за ретроспективною інформацією про величину навантаження. При цьому найбільш зручним інформаційним параметром виявляється математичне сподівання випадкової величини (струми нульової та зворотної послідовностей, діючі значення струмів електроспоживача та фазові зрушення відносно існуючих напруг, активні і реактивні потужності фаз електроприймачів, провідності навантаження).

Таким чином розроблено алгоритм (21), який використовує статистичний метод обробки вихідної інформації і здійснює симетрування, спираючись на величину математичного сподівання квадратурних складових струмів нульової та зворотної послідовностей для чотирипроводових мереж.

Цей алгоритм має суттєві переваги при синтезі параметрів симетрування, завдяки яким:

- виключені затримки в часі при флуктуаціях навантаження, оскільки в розрахунках використано середні значення інформаційних величин;

- існує можливість прогнозування тенденції зміни навантаження за результатами статистичної обробки вихідних інформаційних сигналів;

- практично не існує обмежень для використання розробленого алгоритму в складі відомих типових вимірювальних схем, і тому його можна впровадити в будь-яку із відомих схем, що експлуатуються, не вдаючись до суттєвих структурних змін.

Вибір конкретної схеми симетрування визначається в такому разі лише типом інформаційних параметрів. Зміна в роботі схеми за новим алгоритмом симетрування полягає в функціонуванні обчислювача ОП, який мусить додатково визначати середні значення інформаційних параметрів СП.

У розділі 3 доведено, що витрати часу на визначення параметрів СП (за винятком часу, що витрачається на вимірювання інформаційних параметрів), залежать лише від тривалості роботи обчислювача ОП за відповідним алгоритмом. Отже, аналітичну та інформаційну спроможності розроблених алгоритмів необхідно узгоджувати з метрологічними властивостями вимірювальної апаратури. Тривалість та точність симетрування за допомогою розробленого алгоритму в значній мірі визначається методами та засобами контролю інформаційних параметрів. Тому четвертий розділ дисертації присвячений розробкам, спрямованим на підвищення якості вимірників.

У четвертому розділі розглянуті цифрові методи і засоби вимірювання несиметрії напруг, а також проблеми контролю активної та реактивної потужностей. Усі методи вимірювань базуються на обробці миттєвих значень досліджуваних сигналів. У даній главі розглянуто принцип побудови вимірників інформаційних параметрів СП, що дозволяють у реальному масштабі часу здійснювати контроль означених величин у мережах, "забруднених" вищими гармоніками.

У четвертому розділі окремо розглянуто метод та засіб контролю симетричних складових. Суть методу полягає в обчисленні ортогональних (квадратурних) складових інформаційних сигналів із застосуванням їх кореляційної обробки. Завдяки цьому забезпечується захист інформації від завад. Наведено структуру пристрою, в якому розроблений метод може бути реалізованим, та здійснено детальний аналіз його функціонування.

У зв'язку з тим, що в останній час спостерігається збільшення рівня флуктуації потужностей та кількість екстремально несиметричних навантажень в системах електропостачання промислових підприємств, важливим є питання про можливість використання величин активної та реактивної потужностей у ролі інформативних параметрів симетрувальних пристроїв. В дисертації підтверджено, що найбільш доцільним методом одержання числових еквівалентів активної та реактивної потужностей є обробка миттєвих значень струмів i(t) та напруг u(t). Розроблено математичний апарат для обробки цих вимірювань. Запропоновано схему цифрового вимірювача потужності, який перетворює миттєві i(t) та u(t) в числові еквіваленти.

Окремо розглянуто проблему контролю коефіцієнта пульсацій, що є важливим для експлуатації мереж постійного струму і коефіцієнта нелінійних спотворень , розроблено математичний апарат для контролю коефіцієнта пульсацій. За результатами цих досліджень та теоретичних розробок створено прилад - цифровий вимірювач коефіцієнта пульсацій. Цей прилад розроблено на базі вимірювача нелінійних спотворень.

ВИСНОВКИ

1. На підставі аналізу існуючих проблем контролю і регулювання показників якості електроенергії у трифазних мережах промислових підприємств сформульовано і вирішено задачі створення цифрових систем контролю показників якості електроенергії з одночасним оперативним усуненням несиметрії струмів (напруг) та регулюванням реактивної потужності, стабільно функціонуючих в умовах довільної зміни навантажень на тлі вищих гармонік.

2. Одержані нові аналітичні вирази, що спрощують процес обчислень, необхідних при синтезі параметрів симетрувальних пристроїв. При розробці цих аналітичних виразів взято до уваги відсутність у явному вигляді нульової складової струмів в трифазній мережі, якій властива параметрична симетрія. Нові вирази дозволили розширити коло можливих варіантів вхідних інформаційних параметрів:

- струмів нульової та зворотної послідовностей;

- дійсних струмів навантаження;

- провідностей та потужностей фаз навантажень.

3. Досліджено ефективність використання розроблених аналітичних виразів для різноманітних випадків симетрування і одержано загальний аналітичний метод вирішення задачі синтезу параметрів симетрування.

4. На базі одержаних аналітичних методів побудовані алгоритми оперативного симетрування трифазних мереж, які можуть бути використані для різного характеру змін навантажень і засобів здійснення симетрування. Запропоновані конкретні структурні схеми симетрування, які за оперативними алгоритмами виконують усунення струмів нульової та зворотної послідовностей з одночасною компенсацією реактивної потужності. Ці структурні схеми реалізовано в автоматичних симетрувальних пристроях, які використовують різноманітні набори інформаційних параметрів.

5. Досліджено залежність похибки від методів і засобів вимірювання симетричних складових. Доведено, що при цифрових методах вимірювання симетрії напруг із застосуванням кореляційної обробки сигналів може бути досягнуто найвищий ступінь захисту від завад.

6. Встановлено, що внаслідок присутності в мережі вищих гармонік найбільшу точність та швидкодію вимірювань можна досягти при застосуванні кореляційної обробки сигналів з використанням Фур'є-перетворень. Ці висновки були одержані при вимірюваннях:

- симетруючих складових за методом базових точок;

- несиметрії трифазної системи синусоїдних напруг з попереднім перетворенням трифазної системи напруг на двофазну за допомогою аналогових методів.

7. Доведено, що методи вимірювання активної та реактивної потужностей, що базуються на статистичній обробці миттєвих значень, є найбільш ефективними для інформаційного забезпечення симетруючих пристроїв. Обгрунтовані переваги від використання цифрових методів вимірювання потужності, які дозволяють не тільки підвищити рівень точності контролю, але й створити автоматизований контроль вимірювань.

8. На базі вимірювача нелінійних спотворень побудований цифровий прилад для визначення пульсацій низького рівня. завдяки цьому було розширено аналітичні можливості серійного приладу для одночасного оперативного контролю нелінійних спотворень та коефіцієнта пульсацій.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Абдель Рахим Ф.Ф. Анализ динамической погрешности первого рода цифрового измерителя несимметрии напряжений // Вестник ХГПУ. - Харьков: ХГПУ. - 1998. - Вып. 11. - С. 118-119.

2. Абдель Рахим Ф.Ф. Оперативное симметрирование трехфазных сетей: Четырехпроводные сети // Весник ХГПУ. - Харьков: ХГПУ. - 1998. - Вып. 14. - С. 188-192.

3. Абдель Рахим Ф.Ф. Измерение мощности при флуктуациях нагрузок // Коммунальное хозяйство городов: Науч.-техн. сб. Вып. 17. - К.: Техніка. - 1998. -С. 104-107.

4. Абдель Рахим Ф.Ф. Контроль коэффициента пульсаций в сетях постоянного тока // Коммунальное хозяйство городов: Науч.-техн. сб. Вып. 18. - К.: Техніка. - 1999. - С. 174-176.

5. Абдель Рахим Ф.Ф., Бородин Д.В., Ващенко А.А., Левин В.И. Исследование динамической погрешности цифрового измерителя отклонения напряжения трехфазной городской электрической сети // Повышение эффективности и надежности систем городского хозяйства. - К.: 1995. - С. 68-70.

Размещено на Allbest.ru