Первинні вимірювальні канали систем комплексної автоматизації електроенергетичних об’єктів

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

УДК 621.31:681.5

Первинні вимірювальні канали систем комплексної автоматизації електроенергетичних об'єктів

Спеціальність 05.14.02 - електричні станції, мережі і системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Танкевич Євгеній Миколайович

Київ 2004

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі автоматизації електричних систем Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор, академік НАН України Стогній Борис Сергійович, завідувач відділу автоматизації електричних систем Інституту електродинаміки НАН України.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Яндульський Олександр Станіславович, декан факультету електроенерготехніки і автоматики Національного технічного університету України “КПІ” МОН України;

- доктор технічних наук, професор Стасюк Олександр Іонович, завідувач кафедри інформаційних систем і технологій Київського університету економіки і технологій транспорту Міністерства транспорту України;

- доктор технічних наук, професор Назаров Володимир Васильович, професор кафедри машин і апаратів Хмельницького державного університету МОН України.

Провідна установа - Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України (відділ спеціалізованих засобів моделювання), м. Київ.

Захист відбудеться “16” червня 2004 р. об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.03 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ - 57, проспект Перемоги, 56.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ - 57, проспект Перемоги, 56.

Автореферат розіслано “12” травня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.І. Титко

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

трансформатор напруга електроенергетика

Актуальність теми. Технічна досконалість систем комплексної автоматизації електроенергетичних об'єктів (СКА ЕЕО) - розподільчих пристроїв електричних станцій, високовольтних електричних підстанцій енергосистем і споживачів електроенергії - є одним з вирішальних чинників ефективного та надійного функціонування електроенергетичної галузі країни. Постійно зростаюча в процесі розвитку енергосистем складність задач автоматизації супроводжується підвищенням ролі інформаційного забезпечення в їх управлінні, а, відповідно, і зростанням вимог до інформації про стан і режими ЕЕО та засобів її одержання. Останні в своєму розвитку пройшли шлях від найпростішої структури в складі лише одного датчика до сучасної, що складається з аналогової, аналого-цифрової та цифрової частин, об'єднаних під назвою первинний вимірювальний канал (ПВК). Основу ПВК складає ланцюг послідовно з'єднаних вимірювальних перетворювачів (ВП), включно з датчиком - первинним ВП, що безпосередньо сприймає вимірювальний сигнал. ПВК призначені для розв'язання однієї з основних задач при практичній реалізації цифрових СКА ЕЕО - одержання з потрібною точністю, швидкістю та надійністю кількісної інформації про контрольовані процеси в первинній мережі, її попередньої обробки і введення в наступні структурні компоненти спеціалізованих пристроїв цих систем.

ПВК струму та напруги, являючись основними засобами одержання та формування єдиної інформаційної бази даних СКА ЕЕО, значною мірою визначають їх технічний рівень і ефективність функціонування комплексів та систем усіх наступних ієрархічних рівнів управління електроенергетичною системою (ЕЕС). Це, а також велика потреба електроенергетики в технічно досконалих таких засобах визначають актуальність проблеми створення ПВК з заданими технічними характеристиками і прийнятними економічними показниками.

Багатогранність та складність контрольованих процесів в ЕЕС, існуюча технічна невідповідність між великими можливостями сучасних цифрових систем вимірювань, збору та обробки даних і обмеженими характеристиками датчиків, територіальна рознесеність компонентів ПВК, різновид вимог і принципів їх виконання, дія на них різних зовнішніх впливів робить зазначену проблему однією з самих складних проблем автоматизації та управління ЕЕС.

Спільним для усіх відомих, пов'язаних з цією проблемою досліджень, які до цього проводилися в Інституті електродинаміки НАН України, Київському, Харківському, Білоруському, Ризькому, Ленінградському та Новочеркаському політехнічних інститутах, Московському енергетичному та Всесоюзному науково-дослідному інституті електроенергетики є те, що вони, як правило, розрізнені, і стосувалися, головним чином, або датчиків - високовольтних трансформаторів струму (ТС) та напруги (ТН), або ж низьковольтної частини ПВК, розташованої на пункті управління ЕЕО, тобто кожна із зазначених частин розглядалася окремо. Це ускладнювало забезпечення необхідних характеристик і оцінювання результуючої точності отримуваної інформації. Отже, за таких умов особливого значення набуває розгляд та дослідження ПВК як єдиної функціональної системи, що поєднує в собі електротехнічне обладнання, обчислювальну техніку і програмне забезпечення з метою оптимізації характеристик ПВК і зменшення їх вартості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Теоретичні дослідження і конкретні практичні розробки здійснювалися в процесі виконання Цільової комплексної програми 0.И.003.П.03.02.07.И5 - “Изготовление опытного образца элегазового КРУЭ-1150 кВ” (1980-1985рр.); Державної програми “Електротехніка України” Мінмашпрому України, розділ 1.10.12Е (1992-1994 рр.); програми НДДКР Управління електрифікації і електричних мереж Міненерго України на 1991-1995 рр., розділ VIII.08-03; плану НДДКР Українського НВО “Енергопрогрес” Міненерго України на 1995р., тема №64.08.008, робота 8.4, в яких здобувач був відповідальним виконавцем; плану НДДКР Держкоменергозбереження на 2003-2004 рр., тема №35-1/02, в якій здобувач є відповідальним виконавцем, а також планів НДР Інституту електродинаміки НАН України (№ДР 76080799; №ДР 81027754; №ДР 1830068110; №ДР 01.84.0076930; №ДР 01.86.0087250; “Канал-П”, №ДР 01.91.0011451; “Інтерфейс”, №ДР 193U032012; “Регіон”, №ДР 0198U001366; „Інфотех-2П”, №ДР 0101U003455, в яких здобувач був науковим керівником одного з розділів, і господарських угод з рядом організацій.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення основ теорії ПВК струму та напруги СКА ЕЕО, які будуються на основі мікропроцесорної техніки, єдиного інформаційного забезпечення і функціонують в темпі електромагнітних процесів в первинних колах; розробка на цій основі методів їх аналізу, синтезу та випробувань з урахуванням складної структури ПВК і режимів роботи ЕЕО; створення і впровадження нових ПВК та їх компонентів, що відповідають сучасним світовим тенденціям технологічного розвитку.

Для досягнення визначеної мети в роботі розв'язано наступні задачі:

аналіз і науково обґрунтований вибір математичних моделей вхідних струмів та напруг ПВК вторинних систем електроенергетики різного функціонального призначення з визначенням меж можливих, в умовах експлуатації, числових значень параметрів моделей;

розвиток методів математичного моделювання електромагнітних процесів у вимірювальних трансформаторах в напрямку більш точного урахування нелінійних властивостей елементів їх конструкцій, збільшення інформативності результатів моделювання;

розробка принципів побудови фізичної моделі ємнісного ТН, приладу для контролю миттєвих значень його вторинної напруги і методики непрямих випробувань цих апаратів в перехідних режимах;

уточнення математичної моделі ТС, розробка методики та засобів визначення її характеристик і побудова на цій основі алгоритму корекції миттєвих значень вторинного струму ТС, що реалізується в темпі процесу вимірювання;

розробка і обґрунтування принципів побудови, розрахунки конструктивних параметрів і дослідження особливостей перехідних процесів у ВП імпульсних струмів потужної електротехнологічної установки (ЕТУ) спеціального призначення;

обґрунтування доцільності застосування та розробка мікропроцесорної технології синхронних вимірювань параметрів режиму контрольованого ЕЕО;

вдосконалення методології оцінювання та розробка методів підвищення точності ПВК системи обліку електроенергії;

розробка, створення та випробування ПВК та їх компонентів для СКА ЕЕО, потужної ЕТУ та випробувальних стендів метрологічного спрямування;

аналіз стану та проблем метрологічного забезпечення розробки, виробництва та експлуатації компонентів ПВК і вимірювально-інформаційних систем в електроенергетиці, визначення задач щодо його вдосконалення.

Об'єкт дослідження - системи комплексної автоматизації ЕЕО.

Предмет дослідження - теорія і практика побудови ПВК та їх компонентів для СКА ЕЕО.

Методи дослідження. Для розв'язання перелічених задач застосовувались: матричний метод розв'язання систем лінійних диференціальних рівнянь [4]; квадратурно-різницевий [3], диференційних перетворень [7], підсумовування кінцевих приростів [1], асимптотичні методи аналізу нелінійних диференційних рівнянь [5,25]; регуляризація оператора інтегрування при цифровому відновленні вхідного сигналу ТС [11]; математичне моделювання вхідних сигналів ПВК [17], гармонічний аналіз сигналів і їх розклад на симетричні складові при розробці математичного забезпечення цифрового засобу вимірювання електричних величин [13,18-20,19,26,29,33]; методи теорії подібності та фізичне моделювання для експериментальної перевірки теоретичних положень [2,6]; стандартизовані і розроблені в роботі методи випробувань створеного обладнання і обробки їх результатів [6,7,10,11,21,22,28,32]; методи теорії похибок вимірювань при вдосконаленні методології оцінювання похибок ПВК [14,16].

Наукова новизна одержаних результатів міститься в наступних положеннях:

вперше ПВК струму та напруги ЕЕО розглянуто як єдиний функціональний пристрій, в складі датчика вимірювального сигналу, розташованого на ЕЕО, і техніки його спряження з мікропроцесорними вторинними системами, розташованої на диспетчерському пункті ЕЕО, що дозволило розробити та застосувати цифрові методи забезпечення високої наскрізної точності ПВК;

дістав подальший розвиток апарат математичного моделювання вимірювальних ТС і ТН, що полягає в застосуванні вперше для аналізу електромагнітних процесів в них асимптотичних методів аналізу нелінійних диференціальних рівнянь, як зручного та ефективного засобу одержання більш повної, в порівнянні з іншими методами, інформації про досліджувані процеси та її концентрованого представлення;

удосконалено математичну модель високовольтного одноступінчатого ТС і розроблено метод цифрової корекції миттєвих значень його вторинного струму на основі методів регуляризації некоректних задач на необмеженому інтервалі часу, що забезпечують тривалу роботу в темпі контрольованого процесу без накопичення похибок;

теоретично обґрунтовано можливість проведення випробувань ємнісних ТН в перехідних режимах при напрузі меншій напруги відбору потужності, що дозволило вдосконалити метрологічне забезпечення таких випробувань;

висунуто та науково обґрунтовано ідею інтеграції функцій вторинних ВП струму, напруги, активної та реактивної потужностей, лічильників активної та реактивної енергій, приладів для вимірювання показників якості електроенергії в одному багатофункціональному ВП, побудованому на основі цифрової реєстрації та обробки аналогових сигналів датчиків струму та напруги контрольованого приєднання, розроблено окремі аспекти теорії, що покладені в основу створення його прикладного математичного забезпечення;

вперше задачу інформаційного забезпечення СКА ЕЕО розв'язано шляхом застосування багатофункціонального ВП електричних величин, як єдиного уніфікованого джерела отримання в нормальному режимі точної та достовірної вимірювальної та повідомляючої інформації про контрольований об'єкт і ретранслятора командної інформації;

удосконалено існуючу методологію оцінювання похибок ПВК систем вимірювання та обліку електроенергії і розроблено метод їх автоматичної в процесі вимірювання корекції;

визначені напрямки та задачі розвитку метрологічного забезпечення розробки, виробництва та експлуатації ПВК та їх компонентів.

Практичне значення одержаних результатів визначається їхнім спрямуванням на побудову технічно досконалих і економічно привабливих СКА ЕЕО і забезпечується високими техніко-економічними показниками розроблених ПВК та їх компонентів. Запропоновані в роботі моделі та методи дозволяють: проводити ретельний аналіз електромагнітних процесів у ВП струму та напруги в усталених і перехідних режимах ЕЕС з урахуванням нелінійностей усіх елементів їх конструкцій; покращувати метрологічні характеристики ПВК шляхом програмної корекції похибок і збільшувати достовірність їх оцінювання; створювати ПВК, що задовольняють заданим вимогам за умов економії електротехнічних матеріалів, зменшення габаритів та вартості високовольтних ТС і ТН; забезпечити випробування та метрологічну атестацію ПВК та їх компонентів; організувати національне виробництво багатофункціонального ВП електричних величин - одного з базових елементів багаторівневих, розподілених систем управління електроспоживанням господарчих комплексів країни.

Результати роботи впроваджені в наступних організаціях та підприємствах:

методика непрямих випробувань ємнісного ТН в перехідних режимах і пристрій реєстрації його перехідних напруг - на випробувальних стендах Всесоюзного інституту трансформаторобудування Мінелектротехпрому СРСР (м. Запоріжжя) і Московського електрозаводу ім. В.В. Куйбишева;

два типи ВП імпульсного струму - в Інституті нових фізичних і прикладних проблем АН УРСР;

дослідний зразок програмно-технічного комплексу для вимірювання параметрів нормального режиму і обліку електроенергії, передачі і прийому інформації на диспетчерському пункті верхнього рівня управління - в Науково-інженерному центрі “Електромережа” Українського НВО “Енергопрогрес”;

технічний проект трифазного ВП струму на напругу 330 кВ з цифровим виходом - у Всеукраїнському інституті трансформаторобудування і АТ “Імпульс” Мінмашпрому України;

комплект науково-технічної документації та дослідні зразки трифазного багатофункціонального лічильника електроенергії типу „Каскад” - в ДП „Укренергоналадкавимірювання” і ВО “Київприлад”.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, що містяться в дисертації, одержані здобувачем самостійно. В роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать наступні результати: [1] - метод визначення нормованих в перехідних режимах похибок і [4] - аналіз характеристик відключення каскадного триступінчатого ТС типу ТФРМ 1150 - АУ1; [2,6] - обґрунтування доцільності, постановка задачі та принципи побудови фізичної моделі ємнісного ТН і компаратора перехідних напруг для випробувань ТН в перехідних режимах; [3,7] - математична модель ємнісного ТН, вибір методів моделювання електромагнітних процесів та аналіз їх результатів; [5,25] - визначення задач дослідження, оцінювання ефективності застосування відомих методів для їх розв'язання, обґрунтування математичних моделей та визначення їх параметрів, аналіз та встановлення особливостей перехідних процесів в первинних ВП струму та напруги з нелінійними характеристиками; [8] - аналіз світових тенденцій розвитку засобів вимірювання та обліку електроенергії, обґрунтування доцільності і показ перспектив застосування цифрової технології електричних вимірювань на ЕЕО; [9,13] - алгоритм функціонування системи та її часові характеристики; [12] - метод визначення складових електричної потужності і [29]-порівняльний аналіз алгоритмів визначення реактивної потужності; [10]- математична модель ТС, вимоги до неї та постановка експерименту з перевірки методу побудови її характеристик; [11] - метод корекції вихідного сигналу ТС, експериментальна перевірка; [14] - постановка задачі та методологія оцінювання похибки вимірювання електроенергії; [17] - математична модель трифазної системи струмів та напруг; [18] - метод вимірювання частоти мережі; [19,20,22,30] - ідея побудови, технічні вимоги, структура та характеристики багатофункціонального засобу вимірювання електричних величин; [21,32] - метод коригування систематичних похибок вимірювальних трансформаторів схеми увімкнення електронного лічильника електроенергії; [23] - ідея виконання другої компенсаційної обмотки, [24] - додаткової сигнальної обмотки ТС; [27] - постановка задачі та математична модель ТС; [26,28] - технічні вимоги, структура та принципи побудови ВП струму; [31] - узагальнення характеристик стану та перелік задач з вдосконалення метрологічного забезпечення ПВК та їх компонентів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що включені до дисертації, оприлюднені на: ІІ національній науково-технічній конференції з міжнародною участю “Проблеми розвитку і експлуатації електричних мереж високої і надвисокої напруги” Еленерго-83 (Варна, 1983 р.); Всесоюзних науково-технічних конференціях: “Створення комплексів електротехнічного обладнання високовольтної, перетворювальної, сильнострумової і напівпровідникової техніки” (Москва, 1989 р.); “Розробка методів і засобів економії електроенергії в електричних системах і системах електропостачання промисловості і транспорту” (Дніпропетровськ, 1990 р.); “Математичне моделювання в енергетиці” (Київ, 1990 р.); “Проблеми комплексної автоматизації електроенергетичних систем на основі мікропроцесорної техніки” (Київ, 1990 р.); Республіканських науково-технічних конференціях: “Електрофізичні і прикладні питання високовольтних вимірювань” (Запоріжжя, 1990 р.); “Пристрої перетворення інформації для контролю і управління в енергетиці” (Харків, 1982, 1985, 1992, 1996 рр.); І Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” (Львів, 1998 р.); VІІ Міжнародній конференції “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика” (Крим, 1999 р.); XIII Міжнародному семінарі “Перспективні системи управління на залізничному, промисловому і міському транспорті” (Крим, 2000 р.); Регіональному Європейському форумі Всеукраїнського Енергетичного Комітету “Київ-2000” “Ринкові перетворення в енергетиці. Перспективи на початок ІІІ-го тисячоліття” (Київ, 2000 р.); І, ІІ і ІІІ науково-практичній конференції “Метрологія електричних вимірювань в електроенергетиці” (Москва, 2001, 2002, 2003 рр.); І, ІІ, ІІІ та IV науково-практичних конференціях “Метрологічне забезпечення обліку електричної енергії” (Київ, 1997, 1999, 2001 та 2003 рр.).

В 1985 році за розробку теорії, принципів побудови та створення на їх основі нового покоління ВП струму для сучасних електроенергетичних систем автору дисертації в складі авторського колективу присуджено звання лауреата Державної премії Української РСР в галузі науки і техніки, в 1988 році автор нагороджений срібною медаллю Виставки досягнень народного господарства СРСР.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 72 праці, з них 33 статті в фахових наукових виданнях, 1 патент України, 3 авторських свідоцтва на винаходи, 1 препринт, 9 доповідей і 9 тез доповідей на науково-технічних конференціях, 9 звітів по закінчених НДР, що мають номери держреєстрації, а також 7 статей в інформаційно-аналітичних виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з переліку умовних позначень, вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел з 474 найменувань та чотирьох додатків. Загальний обсяг роботи становить 444 сторінки, в тому числі 292 сторінки основного тексту, 78 рисунків і 17 таблиць.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита сутність і стан досліджуваної науково-технічної проблеми, наведено обґрунтування необхідності проведення досліджень, подана загальна характеристика роботи.

Перший розділ присвячений аналізу вхідних сигналів та вимогам до ПВК струму та напруги ЕЕО та ЕТУ. Вхідними сигналами ПВК є струми та напруги ЕЕО в місцях розміщення датчиків - ТС та ТН згідно з чинними в електроенергетиці принципами одержання та використання інформації про стан та режими ЕЕО (рис.1).

В результаті проведеного аналізу відомих досліджень первинних струмів і напруг ЕЕО і потужних промислових споживачів визначені властивості та математичні моделі сигналів, які підлягають вимірюванням в усталеному нормальному та перехідному аварійному режимах ЕЕС. З'ясовано спектральний склад і відносні рівні окремих гармонік в електромережах різних класів напруг зі значними нелінійними, несиметричними та нестабільними навантаженнями в нормальному режимі роботи, структуру струмів к.з. і можливі значення характеристик їх вимушених та вільних складових в ЛЕП з зосередженими та розподіленими параметрами, включно і для перехідних хвильових процесів, а також види і рівні завад в умовах ЕЕО. Подано математичні моделі імпульсних струмів трапецієвидної та трикутної (рис.2) форм, найбільш характерних для потужної ЕТУ:

де - функція Хевісайда.

Досліджено властивості, недоліки та переваги характерних для вторинних систем електроенергетики структурних схем ПВК ЕЕО, які побудовані з основних компонентів, що виконують типові функціональні перетворення.

Проаналізовано вимоги до ПВК, насамперед, як до сучасних засобів автоматизації з боку ринку, вимоги до надійності, точності, завадостійкості, електричної міцності та стійкості функціонування в умовах впливів електричних і електромагнітних полів ЕЕО, а також ряд специфічних вимог, які виставляються до них, як до засобів одержання та вводу сигналів в системи управління ЕЕО.

З метою встановлення структури результуючої похибки ПВК системи обліку електроенергії і виявлення її домінуючих складових проведено дослідження номенклатури, способів і умов регламентації метрологічних характеристик компонентів ПВК. Показано, що робочі умови, для яких нормуються метрологічні характеристики вимірювальних ТС класів точності 0,1, 0,2 і 0,5 та електронних лічильників електроенергії різняться межами робочих зон значень струму і частоти. Тому для підвищення точності і забезпечення єдності вимірювань необхідно забезпечити повну метрологічну сумісність таких ТС і лічильників. Остання полягає у встановленні в їх нормативній документації однакових діапазонів вимірювання струму, який повинен становити 0,01ч1,2 номінального значення, та частоти, що має складати (50±2,5) Гц.

В другому розділі розглянуто задачі математичного та фізичного моделювання перехідних процесів в ТН. На основі застосування методу диференціальних перетворень і квадратурно-різницевого методу аналізу нелінійних електричних кіл, досліджено перехідні процеси в ємнісному ТН типу НДЕ-750, вимоги до характеристик яких встановлені стандартом. Аналіз процесів виконано за схемою заміщення, яка враховує всі нелінійні елементи конструкції (індуктивність намагнічування проміжного трансформатора, індуктивності реактора та демпфера), а також величину та характер вторинного навантаження. Розрахунками перехідних процесів за умов вмикання та вимикання первинної напруги, к.з. в первинному колі, відключення к.з. у вторинному колі підтверджено відповідність характеристик перехідних процесів в НДЕ-750 вимогам стандарту.

На основі розроблених критеріїв подібності визначені принципи побудови фізичної моделі ємнісного ТН, яка надає можливість проведення випробувань ємнісного ТН в перехідних режимах при напрузі в - раз меншій напруги відбору потужності. При величині останньої порядку сотень кіловольтів такий підхід забезпечує можливість проведення випробувань більш простим і дешевим методом порівняно з недостатньо методологічно обґрунтованими стандартними випробуваннями за еквівалентною схемою при напрузі відбору потужності. Необхідні за розрахунками параметри моделі досягаються виконанням обмоток високої напруги реактора і проміжного трансформатора із k паралельних проводів у вигляді плоского джгута і аналогічних використаним в оригіналі. При цьому автоматично зберігається рівність об'ємів каналів розсіювання магнітних потоків цих елементів моделі та оригіналу. Виконано оцінку впливу технологічних відхилень параметрів моделі ТН на її вихідні характеристики, яка показала некритичність останніх до змін контрольованих параметрів моделі в заданих межах.

Розроблено принципи реєстрації перехідних напруг, які реалізовані в компараторі перехідних напруг, призначеному для контролю миттєвих значень вторинної напруги ТН під час випробувань, та робочу методику проведення таких випробувань,

З метою експериментальної перевірки рівня відповідності фізичної моделі оригіналу виготовлені макет ТН і його фізична модель та створений спеціальний випробувальний стенд. Практична ідентичність одержаних на випробуваннях на стенді осцилограм вторинних перехідних напруг макета та моделі і відповідних їм вихідних сигналів компаратора (рис.3) засвідчила достатню для цілей випробувань точність моделі, високу точність і розрізнювальну здатність приладу.

Показано, що рівняння, які описують електромагнітні процеси в ТС та ТН, шляхом перетворення їх до безрозмірного вигляду, можуть бути приведені до рівнянь з малим параметром:

де матриця коефіцієнтів розмірністю ; мірні вектори стану, зовнішнього діяння та нелінійності, коефіцієнт, який функціонально залежить від параметрів трансформатора і характеризує степінь малості членів рівнянь, при яких він стоїть.

Це дозволяє застосувати для знаходження розв'язків таких рівнянь так звані асимптотичні методи малого параметру. Пошук розв'язків здійснюється у вигляді асимптотичного ряду, члени якого спадають за степенями :

Нульовий член цього ряду є розв'язком лінійної частини розглядуваних рівнянь, тобто Решта членів ряду є малими поправками до

Застосований в роботі метод багатьох масштабів поєднує в собі зручності та переваги аналітичних методів щодо можливості знаходження явних залежностей розв'язків рівнянь від параметрів схем заміщення трансформаторів та їх вхідних сигналів і числових методів стосовно виконання трудомістких розрахунків на ЕОМ, не поступаючись при цьому іншим методам в універсальності. Поєднання методу багатьох масштабів з методом нормальних форм Пуанкаре дозволяє спростити побудову скорочених рівнянь, яким повинні задовольняти члени асимптотичного ряду, чим суттєво полегшується їх аналіз. Метод багатьох масштабів дозволяє знаходити розв'язок з довільною (але кінцевою на заданому інтервалі часу, де знаходиться розв'язок) точністю і придатний для розв'язання як прямих (при заданій структурі математичної моделі і відомих її параметрах визначення відклику системи), так і зворотних задач (за відомої структури математичної моделі і відклику системи визначення параметрів моделі).

На основі застосування цього методу в дослідженні ферорезонансних явищ в індуктивному ТН одержані розрахункові співвідношення, які визначають умови виникнення низьковольтних і високовольтних коливань у вторинному колі ТН в залежності від амплітуди зовнішнього діяння, різниці частот власної та зовнішнього діяння, а також коефіцієнта нелінійності кривої намагнічування. Визначені умови поділу площини початкових даних на області виникнення високовольтних і низьковольтних коливань, а також обмеження на значення початкових даних, які забезпечують їх приналежність до вказаних областей.

Третій розділ містить результати аналітичних досліджень первинних ВП ЕЕО і потужної ЕТУ, вторинних (проміжних) ВП струм/напруга, включно ВП струм/напруга електронних лічильників електроенергії. Виконання проектних робіт по комплексу релейного захисту та протиаварійної автоматики (РЗА) промислової ЛЕП змінного струму напругою 1150 кВ Екібастуз-Урал спричинило потребу в додатковій, до одержаної в процесі розробки, побудови та випробувань, інформації науково-технічного характеру про один з основних елементів електричного обладнання цієї ЛЕП - триступеневий каскадний ТС типу ТФРМ-1150 АУ1. Насамперед, про його характеристики відключення, передавальну функцію та похибки в перехідних режимах з граничними параметрами струму к.з., які неможливо забезпечити на випробувальному стенді при прямих випробуваннях цього апарата, за умов наявності в його суцільних осердях ТС нижнього ступеня залишкової індукції.

Причиною особливої уваги до характеристик відключення ТФРМ-1150 АУ1 є наявність в його схемі увімкненої на додаткову вторинну обмотку ТС верхнього ступеня компенсуючої ємності, яка зумовлює його резонансні властивості. Вторинні струми компенсованого ТС містять, крім аперіодичної складової, періодичні складові з частотами відмінними від промислової частоти, які і є предметом особливого інтересу з боку РЗА. Тому для таких ТС разом з характеристиками відключення необхідно контролювати параметри власних вільних гармонік, а саме: частоту максимальне миттєве значення і постійну часу згасання Це і зумовило необхідність визначення окремих складових вільних вторинних струмів ТС. В дослідженні використана математична модель у вигляді системи лінійних неоднорідних диференціальних рівнянь з постійними коефіцієнтами, яка описує перехідні процеси в повній схемі заміщення ТФРМ 1150-АУ1. Виконані розрахунки перехідних струмів досліджуваного ТС за умов виникнення к.з. в ЕЕС зі струмом

і його наступному відключенні через (рис.4).

Наприклад, у випадку відключення струму к.з. в момент його переходу через нульове значення точка 3) вторинний струм описується наступним виразом:

Досліджено залежність параметрів вільної гармоніки від моменту відключення к.з., величини та характеру вторинного навантаження ТС. Зафіксовано практичний збіг розрахованих параметрів вільної гармоніки і отриманих експериментально з осцилограм прямих випробувань, які передбачені рекомендаціями Міжнародної електротехнічної комісії.

Розв'язана задача оцінки впливу нелінійності характеристики намагнічування комбінованого магнітопроводу ТС верхнього ступеня ТФРМ 1150-АУ1 на його передавальну функцію. Така оцінка здійснена на основі розв'язку системи нелінійних диференціальних рівнянь, які описують електромагнітні процеси в ТС верхнього ступеня асимптотичними методами, з урахуванням залежності передавальної функції ТС від параметрів його вхідного сигналу. Показано, що врахування нелінійності при побудові передавальної функції спричиняє появу додаткових полюсів на частотах кратних частоті вхідного сигналу, що відповідає присутності у вихідному сигналі ТС додаткових гармонік. Вміст цих складових у вторинних струмах ТФРМ 1150-АУ1 незначний, оскільки їх амплітуди не перевищують Для усталених режимів коефіцієнт гармонік може слугувати кількісною мірою нелінійності ТС. Водночас, порівняно з лінійним випадком, спостерігається збільшення частоти власних коливань і постійної часу їх згасання не більше чим на 5%.

За розробленою автором методикою, яка базується на застосуванні методу аналізу перехідних процесів в нелінійних електричних колах під назвою методу СКП (підсумовування кінцевих приростів), виконані розрахунки похибок ТФРМ 1150-АУ1 по вторинних обмотках для вимірювання та захисту з суцільними осердями за наявності в них залишкової індукції. Встановлено, що за умов граничного значення струму к.з. з постійною часу згасання його аперіодичної складової і номінального вторинного навантаження 190 ВА, повні похибки по періодичній складовій по вказаних обмотках за наявності в них залишкової магнітної індукції зростають до тоді як при відсутності такої вони, відповідно, становлять

На основі аналізу рівняння енергетичного балансу ТС запропоновано його уточнену математичну модель у вигляді

що дозволяє враховувати вплив гістерезису, вихрових струмів та магнітної в'язкості в осерді ТС на його похибки. Застосування моделі виправдано за умов, коли є можливість знехтувати залишковою індукцією в осерді ТС. Характеристики моделі- крива намагнічування і коерцитивна крива , які являють собою розклад петлі гістерезису в суму відповідно непарної та парної функцій, будуються на основі зареєстрованих миттєвих значень вторинного струму та струму намагнічування ТС. Програмна реалізація запропонованої моделі забезпечує надійне і оперативне визначення характеристики стану ТС (рис.5). Розрахунками за запропонованою моделлю продемонстровано відповідність поведінки ТС відомим правилам Маделунга.

Вказана модель покладена в основу розробленого алгоритму відновлення вхідного струму одноступеневого ТС, що побудований за структурою наближеної зворотної моделі - аналогу методу регуляризації М.Лаврентьєва (рис.6)

Досліджені практичні можливості цифрової корекції вторинних струмів ТС з розрізним і суцільним осердями при гармонічному (рис.7) та імпульсному вхідних сигналах. Експериментально засвідчена адекватність використовуваної моделі ТС та ефективність корекції його похибок (рис.8).

Виконано комплекс досліджень по створенню ПВК імпульсних струмів потужної ЕТУ, що характеризуються амплітудами в сотні кА і тривалістю імпульсів від десятих часток мс до секунди і більше. Значні труднощі виконання таких вимірювань, зумовлені сильними електричними та магнітними полями, великими швидкостями їх зміни, значними динамічними зусиллями та ефектами розсіювання енергії, а також практична зорієнтованість існуючої міжнародної нормативної документації в цій сфері на вимірювання за допомогою шунтувальної апаратури і осцилографа, приводять до необхідності вибору способу вимірювання імпульсних струмів в кожному конкретному випадку в залежності від умов застосування та вимог до вимірювань.

Обґрунтовано побудову двох типів ВП імпульсного струму на основі електромагнітного ТС з лінійними та нелінійними характеристиками і відповідно з аналоговим і з цифровим відновленням вхідного вимірюваного сигналу. ТС характеризуються в порівнянні з іншими ЗВ струмів високою надійністю, простотою конструктивного виконання і, що особливо важливо в даному разі, високим рівнем метрологічного забезпечення. Виконані розрахунки перехідних процесів і конструктивних параметрів датчиків струму з урахуванням суперечливих вимог до точності і термічної стійкості водночас з додержанням встановлених габаритних обмежень. На рис.9 показано вторинний струм i2 і струм намагнічування i0 ТС з розрізним осердям при відношенні його постійної часу до періоду прямування імпульсів T, рівному 0,2, і первинному струмі:

Розв'язана задача забезпечення електромагнітної сумісності датчика аналогової інформації в складі ПВК з засобами її подальшої цифрової обробки. Розглянуті можливі варіанти реалізації проміжних ВП струму ПВК. На основі аналізу електромагнітного процесу в триобмотковому ТС з електронною корекцією похибок за запропонованою схемою заміщення розроблено рекомендації щодо розрахунку оптимальних, з точки зору забезпечення технічних вимог при заданих габаритах та елементній базі, параметрів таких ВП. Запропоновано два нових, захищених авторськими свідоцтвами на винаходи, типи проміжних ВП струму, один з яких характеризується підвищеною точністю, а другий - підвищеною надійністю. Подано опис їх структури та функціонування. Узагальнено технічні вимоги до ВП струму електронних лічильників електроенергії. Визначено допустимі межі їх кутової похибки для лічильників різних класів точності як трансформаторного, так і прямого ввімкнення. Виходячи з оцінки можливостей різних схем вводу струму в лічильник в забезпеченні висунутих до них вимог і необхідних для цього зусиль, вказано на ті, що є найбільш економічно привабливими і перспективними у масовому виробництві.

Четвертий розділ присвячений питанням комплексного забезпечення вимірювальною інформацією сучасних СКА ЕЕО. Проаналізовано недоліки існуючої системи автономного отримання інформації кожною з функціональних підсистем системи управління ЕЕО. Розглянута ретроспектива розвитку електронних аналогових засобів вимірювання електроенергії. Обґрунтована доцільність і показана перспективність застосування мікропроцесорної технології для побудови засобів вимірювання і обліку електроенергії на ЕЕО, тобто використання цифрового методу вимірювання, який реалізується шляхом часової вибірки миттєвих значень аналогових сигналів, пропорційних струму та напрузі, їх перетворення в цифрові еквіваленти, перемноження та підсумовування за допомогою мікропроцесора. Такі засоби будуються на основі програмованої логіки і найповніше задовольняють сучасним вимогам технологічного розвитку, який повністю зорієнтований на використання оптико-цифрових вимірювальних приладів.

Показано, що миттєві значення струмів та напруг контрольованих приєднань, з точки зору перспектив їх використання, є найбільш повноцінною та універсальною інформацією для усіх вторинних мікропроцесорних систем, які використовують різні інформативні параметри вимірюваних сигналів (миттєві або інтегральні значення повного сигналу, його окремих складових, їх похідних та інш.). Використання можливостей цифрової обробки миттєвих значень сигналів забезпечує можливість вибору для здійснення різних функцій управління нових критеріїв контролю режимів ЕЕО, знайдення нових шляхів їх аналізу. Тому число інформативних параметрів, які використовуватимуться для розв'язання різних задач управління, з часом буде збільшуватися.

Розроблено алгоритм вибору основних часових співвідношень при побудові цифрових засобів вимірювання параметрів нормального режиму ЕЕО, який ґрунтується на сприйнятті періоду старшої гармоніки, із враховуваних в розкладі Фур'є узагальненого для різних ЕЕО добового, усередненого за місяць, графіка навантаження, як характерного часового масштабу змін енергетичного режиму, які мають фіксуватися. З розкладу в ряд Фур'є, одержаного таким чином графіка, з точністю до 1%, що вимагало урахування вищих гармонік майже до 1000-ої, отримано значення хвилини. Це дозволило мінімізувати кількість виконуваних обчислень за рахунок вибору, узгоджених з потрібною точністю вимірювань, величин інтервалу відліку або звіту (періоду усереднення вимірюваної величини, який, як показано, не має сенсу приймати меншим 1,4 хв.), інтервалу запуску циклу реєстрації (періоду одержання проміжних значень, що підлягають усередненню на інтервалі відліку) та кроку дискретизації, який визначає точність визначення проміжних значень (наприклад, середньої за період промислової частоти потужності сигналу).

Враховуючи, що алгоритми визначення діючих значень струму та напруги, активних і реактивних потужностей і енергій в лічильнику електроенергії і визначення значень показників якості електроенергії у відповідних засобах вимірювання ґрунтуються на обробці миттєвих значень фазних струмів та напруг, запропоновано реалізувати усі перелічені функції одним багатофункціональним мікропроцесорним засобом, що має бути єдиним уніфікованим джерелом інформації для систем диспетчерського управління, систем комерційного обліку електроенергії, контролю та управління її якістю (рис.10).

Запропоновано спосіб визначення частоти електромережі, який потребує незначної за об'ємом вибірки вимірюваного сигналу (2 періоди), виконується в темпі реального процесу і характеризується високою точністю та незначним збільшенням обсягу обчислювальних процедур в алгоритмі визначення показників якості електроенергії. Його використання виправдане також в системах АЧР і АРЧ, де необхідне оперативне та точне визначення частоти мережі.

Розроблено спосіб визначення складових потужності сигналів електромережі, який ґрунтується на розкладі максимального струму, що досягається в ній за умови компенсації реактивних елементів, на складову паралельну реальному струмові та пасивну складову, яка ортогональна до нього. Такий підхід дозволяє визначати активну та реактивну потужності для довільних мережі та режиму на основі принципів максимальності повної потужності та адитивності всіх її складових. При цьому запропонований коефіцієнт реактивної потужності характеризує відхилення реального споживача від ідеального, тобто такого, що являє собою активний постійний опір, з урахуванням нескомпенсованості реактивних елементів мережі, нелінійності окремих її елементів, несиметрії багатофазної мережі та різкозмінного характеру навантаження.

Проведено порівняльний аналіз вимог стандартів до компонентів ПВК, що стосуються нормування робочих умов їх застосування в частині щодо допустимих спотворень форм кривих сигналів і несиметрії мережі, вимог стандарту на норми якості електроенергії, а також значень відповідних показників якості електроенергії в реальних умовах експлуатації. Похибки вимірювальних трансформаторів, задіяних в схемах обліку електроенергії, нормовані лише для умов їх роботи на промисловій частоті (відхилення від номінального значення не більше 0,5 Гц) і коефіцієнті несинусоїдальності кривої напруги не більше 5%. В той же час стандарт на норми якості електроенергії встановлює допустимі значення цього показника для мереж напругою 35 кВ рівним 6%, а для мереж 6-20 кВ - 8%. В реальних умовах експлуатації, що характеризуються вказаними, або ще більшими, значеннями коефіцієнтів несинусоїдальності кривої напруги, похибки вимірювальних трансформаторів залишаються невідомими. Продемонстровано залежність інструментальної похибки лічильника електроенергії в мережі зі спотвореною формою сигналів від частоти дискретизації, коли вона кратна основній частоті вхідного сигналу, та від неодномоментності реєстрації миттєвих значень фазних струму та напруги. Так, при часовому проміжку між реєстрацією струму та напруги однієї фази, що складає 30 мкс, і куті зсуву між ними, рівному , додаткова похибка визначення потужності, зумовлена несинхронною реєстрацією сигналів фази, становить для основної гармоніки 0,6%, а для 11-ої гармоніки 7,3%.

Стосовно ж несиметрії, то стандарти на лічильники електроенергії нормують допустимі межі їх похибок при роботі в режимах, що характеризуються несиметрією лише одного виду: несиметрією навантаження або несиметрією багатофазних напруг, коли присутня тільки потужність прямої послідовності. Отже, розглядувані вимоги зазначених стандартів, по-перше, не зовсім узгоджені між собою, а по-друге, не відображають усіх режимів вимірювань, які мають місце в реальних умовах експлуатації компонентів ПВК, наприклад, за наявності в мережі потужностей всіх послідовностей.

Досліджено вплив несиметричних режимів мережі на похибки компонентів ПВК системи обліку електроенергії. Виконано експериментальне порівняння роботи двох і трьохелементного лічильників в режимі тривалого однофазного замикання на землю однієї з фаз трифазної трипровідної мережі 35 кВ з ізольованою нейтраллю при різних значеннях коефіцієнта потужності та ємнісного струму замикання. Показання лічильників відрізняються і різниця досягає 17%, тоді як за відсутності струму замикання на землю вони однакові.

В мережі з заземленою нейтраллю в неповнофазних режимах присутні всі три симетричні складові активної потужності, тому в даному разі необхідно застосування вимірювальної схеми електроенергії в складі трьох ТС, трьох ТН і триелементного лічильника.

При роботі лічильників електроенергії, що реалізують різні алгоритми, в режимах мереж з показниками якості електроенергії, що перевищують їх значення, встановлені в стандартах, результати вимірювань будуть характеризуватися різними значеннями додаткових похибок, зумовлених низькою якістю електроенергії, і будуть різними. Це може бути однією з причин небалансу електроенергії на ЕЕО. Отримані результати свідчать про нагальну потребу розробки підсистеми державної системи вимірювання електроенергії в складі нормативної та технічної баз за робочих умов, що відповідають реальним умовам застосування компонентів ПВК, що сприятиме забезпеченню єдності вимірювань.

Виконано порівняльну оцінку алгоритмів функціонування лічильників реактивної енергії з точки зору ефективності урахування ними додаткових втрат електроенергії, спричинених несинусоїдальністю сигналів та несиметрією мережі. Відзначена необхідність розробки методики повірки таких лічильників за принципом однаковості алгоритмів функціонування робочих і еталонних засобів вимірювання, тобто контролю їх інструментальних похибок.

В п'ятому розділі розглянуті питання метрологічного забезпечення ПВК. Розглянуто роль та значимість метрологічного забезпечення електричних вимірювань в електроенергетиці, як основи забезпечення їх точності та єдності, важливого чинника ефективного функціонування та фінансування енергетичної галузі. Виконано аналіз стану метрологічного забезпечення розробки, виробництва та експлуатації окремих компонентів ПВК ЕЕО: високовольтних ТС, ТН, лічильників електроенергії, приладів для вимірювання показників якості електроенергії, а також вимірювально-інформаційних систем. Це дозволило виявити його недоліки та невідповідність сучасним вимогам. Зазначено, що відсутність регламентації та нормування метрологічних характеристик ТС для захисту в динамічних режимах на рівні державного стандарту, тоді як міжнародна практика вже давно це здійснила, стримує виробництво більш досконалих, за міжнародними мірками, ТС.

Показано на прикладі ЛЕП 750 кВ, що традиційно використовувана в практиці енергопідприємств при обчисленні небалансу електроенергії методика оцінювання похибок ПВК системи обліку електроенергії за умов зниження рівня електроспоживання недораховує її метрологічні втрати. Розроблена нова методологія такого оцінювання враховує як зростання похибок ТС і лічильника електроенергії при зміні струмового завантаження контрольованого приєднання, так і залежність похибки ПВК впродовж розрахункового періоду від динаміки рівня струму в електромережі. Запропоновано допустиму похибку ПВК в робочих умовах визначати за виразом

де - моменти початку і кінця розрахункового періоду обліку електроенергії; - діюче значення струму в контрольованій електромережі; - похибка ПВК у відтинок часу, протягом якого відносне струмове завантаження електромережі вважається незмінним

де - нормовані межі допустимих значень відносних амплітудних похибок ТС за первинного струму і ТН даних класів точності, %; - нормоване значення допустимого спаду рівня напруги у вторинному колі ТН,%; - межі допустимих значень основної похибки лічильника електроенергії і похибки, зумовленої кутовими похибками ТС і ТН, за первинного струму і коефіцієнта потужності електромережі.

З метою розробки і здійснення заходів з мінімізації похибок ПВК досліджено вплив похибок їх окремих компонентів на точність вимірювання потужності та обліку електроенергії. Встановлено, що при низькому, відносно номінального, струмовому завантаженні електромережі в поєднанні з нижчим 0,8, похибка, зумовлена кутовими похибками ТС і ТН , яка визначається за виразом: , може бути домінуючою складовою в результуючій похибці ПВК і в декілька разів перевищувати основну похибку лічильника. Це і стало відповіддю на питання, чому практичне забезпечення норм точності вимірювання електричної потужності на об'єктах комерційного обліку електроенергії є проблематичним навіть у випадках використання усіх компонентів ПВК високих класів точності.

На прикладі ПВК в складі ТС, ТН і лічильника електроенергії класів точності 0,5 за умов номінальної напруги і зміни струму в діапазоні (0,051,2) виконано оцінку зменшення похибок вимірювання потужностей та енергій за рахунок внесення поправок, які визначаються за вимірюваним електромережі та індивідуальними метрологічними характеристиками вимірювальних ТС і ТН (величинами їх похибок зі знаками ), отриманими в результаті їх повірки на місці експлуатації при реальному вторинному навантаженні. Внесення таких поправок у результат вимірювання потужностей в автоматичному режимі є ефективним шляхом зменшення (в 4 і більше разів) систематичної похибки ПВК (табл.1).

Таблиця 1 Похибки вимірювання електроенергії до і після введення поправок до результатів вимірювань

Розроблено спосіб та засіб (підтверджені патентом України), а також алгоритм автоматичної, в темпі процесу вимірювань, корекції результуючої похибки ПВК. Цим обґрунтована і показана доцільність розробки відповідної методики вимірювання електроенергії та її затвердження Держспоживстандартом України.

Розроблено перелік задач вдосконалення та розвитку метрологічного забезпечення електроенергетики за такими напрямками: побудова вимірювальних схем; робочі засоби вимірювання і еталонна база; нормативна документація. Зазначено, що однією з передумов розв'язання проблеми нормалізації якості електроенергії є забезпечення безперервного контролю її якості приладами масового виробництва і створення методичної та інструментальної баз для ідентифікації джерел спотворень з оцінкою міри їх участі в погіршенні якості електроенергії. Подано короткий огляд основних теоретичних проблем метрологічного забезпечення, спричинених сучасними найновішими тенденціями розвитку вимірювально-інформаційних систем.

В шостому розділі висвітлені питання практичної побудови та випробувань ПВК та їх окремих компонентів, подано опис та основні характеристики створеного електричного обладнання. Подано принципи побудови, структурну схему та опис функціонування компаратора перехідних напруг, в якому реалізовані запропоновані в роботі принципи реєстрації показників перехідного процесу при випробуваннях ємнісних ТН в перехідних режимах. Його застосування забезпечує підвищення точності та достовірності результатів випробувань. Відносна похибка компаратора не перевищує 2%. Атестація компаратора проведена Головною метрологічною службою АН УССР.

Наведено параметри виготовлених датчиків імпульсного струму, подано короткий опис та основні характеристики створених дослідних зразків ВП імпульсного струму з аналоговим і цифровим відновлення вимірюваного сигналу.

Для проведення випробувань виготовлених ВП був спеціально побудований лабораторний стенд імпульсного струму в складі джерела струму, взірцевих засобів вимірювання, спеціально розроблених і виготовлених проміжних нормувальних ВП струм/напруга (табл.2), атестованих УкрЦСМ, і системи реєстрації та обробки миттєвих значень сигналів.

Таблиця 2 Технічні характеристики нормувальних перетворювачів струму

Метрологічні дослідження перетворювачів, що проведені з використанням методу прямих випробувань на стенді, розрахунково-експериментального методу визначення похибок і шляхом імітаційного моделювання засвідчили відповідність їх метрологічних характеристик регламентованим технічними вимогами. Свідоцтва про метрологічну атестацію ВП подані в додатку до роботи.