Качество электроэнергии

Качество электроэнергии — это степень, в которой напряжение, частота и форма сигнала системы электроснабжения соответствуют установленным характеристикам. Хорошее качество электроэнергии можно определить как стабильное напряжение питания, находящееся в заданном диапазоне, стабильную частоту переменного тока, близкую к номинальному значению, и плавную форму кривой напряжения (напоминающую синусоидальную волну ). В целом полезно рассматривать качество электроэнергии как совместимость между тем, что выходит из электрической розетки, и нагрузкой, которая к ней подключена . ^[1] Этот термин используется для описания электрической энергии, которая приводит в действие электрическую нагрузку , и способности нагрузки функционировать должным образом. Без надлежащего питания электрическое устройство (или нагрузка) может работать неправильно, преждевременно выйти из строя или вообще не работать. Существует много причин, по которым электроэнергия может быть низкого качества, и еще много причин такого низкого качества электроэнергии.

Электроэнергетика распределение включает в себя производство электроэнергии ( энергия переменного тока ), передачу электроэнергии и, в конечном итоге, электроэнергии по счетчику электроэнергии , расположенному в помещении конечного потребителя электроэнергии. Затем электричество . проходит через систему проводки конечного пользователя, пока не достигнет нагрузки Сложность системы перемещения электроэнергии от точки производства к точке потребления в сочетании с изменениями погоды, генерации, спроса и других факторов открывают множество возможностей для ухудшения качества поставок.

качество напряжения , а не мощности или электрического тока Хотя «качество электроэнергии» является для многих удобным термином, на самом деле этим термином описывается . Мощность — это просто поток энергии, а ток, требуемый нагрузкой, практически не поддается контролю.

Введение

Качество электрической энергии можно описать как совокупность значений параметров, таких как:

Непрерывность обслуживания (независимо от того, ли электроэнергия подвергается падениям напряжения или перегрузкам ниже или выше порогового уровня, что приводит к отключениям или отключениям электроэнергии). ^[2])
Изменение величины напряжения (см. ниже)
Переходные напряжения и токи
Гармонический состав сигналов переменного тока

Часто полезно рассматривать качество электроэнергии как проблему совместимости : совместимо ли оборудование, подключенное к сети, с событиями в сети, и совместима ли мощность, подаваемая сетью, включая события, с подключенным оборудованием? Проблемы совместимости всегда имеют как минимум два решения: в этом случае либо убрать питание, либо сделать оборудование более отказоустойчивым.

Устойчивость оборудования обработки данных к изменениям напряжения часто характеризуется кривой CBEMA , которая показывает продолжительность и величину допустимых изменений напряжения. ^[3]

В идеале переменное напряжение подается от коммунальной сети как синусоидальное, имеющее амплитуду и частоту, заданные национальными стандартами (в случае сети ) или спецификациями системы (в случае источника питания, не подключенного напрямую к сети), с полным сопротивлением, равным нулю . Ом на всех частотах .

Отклонения

Ни один реальный источник питания не является идеальным и обычно может отличаться по крайней мере по следующим причинам:

Напряжение

Изменения пикового или среднеквадратического ( RMS) напряжения важны для разных типов оборудования.
Когда среднеквадратичное напряжение превышает номинальное напряжение на 10–80 % в течение периода от 0,5 цикла до 1 минуты, это событие называется «выбросом напряжения».
«Провал» (в британском английском) или «провал» (в американском английском эти два термина эквивалентны) представляют собой противоположную ситуацию: среднеквадратичное напряжение ниже номинального напряжения на 10–90% в течение периода от 0,5 цикла до 1 минуты.
Случайные или повторяющиеся изменения среднеквадратического напряжения от 90 до 110 % от номинального могут вызвать в осветительном оборудовании явление, известное как « мерцание ». Мерцание – это быстрые видимые изменения уровня освещенности. Определение характеристик колебаний напряжения, вызывающих нежелательное мерцание света, является предметом текущих исследований.
Резкие, очень кратковременные повышения напряжения, называемые « скачками », «импульсами» или «скачками», обычно вызванные больших индуктивных нагрузок включением или, что еще хуже, ударом молнии .
«Пониженное напряжение» возникает, когда номинальное напряжение падает ниже 90% в течение более 1 минуты. ^[4] Термин «отключение напряжения» является подходящим описанием падения напряжения где-то между полной мощностью (яркий свет) и отключением электроэнергии (нет питания – нет света). Это происходит из-за заметного или значительного затемнения обычных ламп накаливания во время сбоев системы или перегрузки и т. д., когда мощности недостаточно для достижения полной яркости (обычно) бытового освещения. Этот общепринятый термин не имеет формального определения, но обычно используется для описания снижения напряжения в системе коммунальным предприятием или оператором системы с целью снижения спроса или увеличения эксплуатационного запаса системы.
« Перенапряжение » возникает, когда номинальное напряжение превышает 110% в течение более 1 минуты. ^[4]

Частота

Изменения частоты .
Ненулевой низкочастотный импеданс (когда нагрузка потребляет больше мощности, напряжение падает).
Ненулевой высокочастотный импеданс (когда нагрузка требует большого тока, а затем внезапно перестает его требовать, произойдет провал или скачок напряжения из-за индуктивностей в линии питания).
Изменения формы волны – обычно описываются как гармоники на более низких частотах (обычно менее 3 кГц) и описываются как синфазные искажения или интергармоники на более высоких частотах.

Форма волны

Колебания напряжения и тока в идеале имеют форму синуса или косинуса, однако они могут изменяться из-за несовершенства генераторов или нагрузок.
Обычно генераторы вызывают искажения напряжения, а нагрузки вызывают искажения тока. Эти искажения возникают как колебания, более быстрые, чем номинальная частота, и называются гармониками.
Относительный вклад гармоник в искажение идеальной формы сигнала называется полным гармоническим искажением (THD).
Низкое содержание гармоник в сигнале является идеальным, поскольку гармоники могут вызывать вибрации, шум, искажения оборудования, а также потери и перегрев в трансформаторах.

Каждая из этих проблем с качеством электроэнергии имеет свою причину. Некоторые проблемы являются результатом общей инфраструктуры. Например, сбой в сети может вызвать провал, который затронет некоторых клиентов; чем выше уровень неисправности, тем большее число затронутых. Проблема на сайте одного клиента может вызвать переходный процесс, который затронет всех остальных клиентов в той же подсистеме. Проблемы, такие как гармоники, возникают внутри собственной установки клиента и могут распространяться на сеть и влиять на других клиентов. Проблемы с гармониками можно решить с помощью сочетания передовой практики проектирования и хорошо зарекомендовавшего себя оборудования для снижения гармоник.

Кондиционирование мощности

Кондиционирование мощности – это изменение мощности для улучшения ее качества.

Источник бесперебойного питания (ИБП) можно использовать для отключения сетевого питания, если возникает переходный на линии (временный) режим. Однако более дешевые ИБП сами по себе создают электроэнергию низкого качества, что похоже на наложение более высокой частоты и меньшей амплитуды прямоугольной волны поверх синусоидальной волны. Высококачественные ИБП используют топологию двойного преобразования, которая преобразует входящую мощность переменного тока в постоянный, заряжает батареи, а затем восстанавливает синусоидальную волну переменного тока. Эта восстановленная синусоидальная волна имеет более высокое качество, чем исходный источник питания переменного тока. ^[5]

Динамический стабилизатор напряжения (DVR) и статический синхронный последовательный компенсатор (SSSC) используются для последовательной компенсации провалов напряжения.

Сетевой фильтр , простой конденсатор или варистор могут защитить от большинства условий перенапряжения, а грозовой разрядник защищает от сильных скачков напряжения.

Электронные фильтры могут удалять гармоники.

Умные сети и качество электроэнергии

Современные системы используют датчики, называемые блоками векторных измерений (PMU), распределенными по всей сети, для мониторинга качества электроэнергии и в некоторых случаях автоматически реагируют на них. Использование таких функций интеллектуальных сетей , как быстрое обнаружение и автоматическое самовосстановление аномалий в сети, обещает обеспечить более высокое качество электроэнергии и сокращение времени простоев, одновременно поддерживая подачу электроэнергии от прерывистых источников питания и распределенной генерации , что, если их не остановить, ухудшит качество электроэнергии.

Алгоритм сжатия

Алгоритм сжатия качества электроэнергии — это алгоритм , используемый при анализе качества электроэнергии. Чтобы обеспечить высокое качество электроэнергетических услуг, важно контролировать качество электрических сигналов, также называемое качеством электроэнергии (PQ), в различных местах электроэнергетической сети . Электроэнергетические компании постоянно тщательно отслеживают формы сигналов и токи в различных точках сети, чтобы понять, что приводит к непредвиденным событиям, таким как отключение электроэнергии и отключения электроэнергии. Это особенно важно на объектах, где окружающая среда и общественная безопасность находятся под угрозой (такие учреждения, как больницы, очистные сооружения, шахты и т. д.).

Проблемы

Инженеры используют множество видов измерителей, ^[6] которые считывают и отображают формы сигналов электрической мощности и вычисляют параметры сигналов. Они измеряют, например:

ток и напряжение RMS
фазовое соотношение между формами сигналов многофазного сигнала
коэффициент мощности
частота
полное гармоническое искажение (THD)
активная мощность (кВт)
реактивная мощность (квар)
Полная мощность (кВА)
активная энергия (кВтч)
реактивная энергия (кВАрч)
полная энергия (кВАч)
и многое другое

Чтобы в достаточной степени отслеживать непредвиденные события, Рибейро и др. ^[7] объясняет, что недостаточно отображать эти параметры, но также постоянно собирать данные о форме сигнала напряжения. Это неосуществимо из-за большого объема задействованных данных, что приводит к так называемому «эффекту бутылки». Например, при частоте выборки 32 выборки за цикл в секунду собирается 1920 выборок. Для трехфазных счетчиков, измеряющих как напряжение, так и ток, данные в 6–8 раз больше. энергосистемы Более практичные решения, разработанные в последние годы, сохраняют данные только при возникновении события (например, при обнаружении высоких уровней гармоник ) или, альтернативно, для хранения среднеквадратического значения электрических сигналов. ^[8] Однако этих данных не всегда достаточно для определения точного характера проблем.

Сжатие необработанных данных

Низенблат и др. ^[9] предлагает идею алгоритма сжатия качества электроэнергии (аналогичного методам сжатия с потерями ), который позволяет счетчикам непрерывно сохранять форму одного или нескольких сигналов мощности, независимо от того, было ли идентифицировано интересующее событие или нет. Этот алгоритм, называемый PQZip, наделяет процессор памятью, достаточной для хранения формы сигнала при нормальных условиях питания в течение длительного периода времени, по крайней мере, месяца, двух месяцев или даже года. Сжатие выполняется в реальном времени по мере получения сигналов; он вычисляет решение о сжатии до того, как будут получены все сжатые данные. Например, если один параметр остается постоянным, а другие колеблются, решение о сжатии сохраняет только то, что важно из постоянных данных, и сохраняет все данные о колебаниях. Затем он разлагает форму сигнала мощности на множество компонентов по различным периодам формы волны. Он завершает процесс сжатием значений по крайней мере некоторых из этих компонентов за разные периоды по отдельности. Этот алгоритм сжатия в реальном времени, выполняемый независимо от выборки, предотвращает пробелы в данных и имеет типичную степень сжатия 1000:1.

Сжатие агрегированных данных

Типичной функцией анализатора мощности является формирование архива данных, агрегированных за заданный интервал. Чаще всего используется интервал в 10 или 1 минуту, как указано в стандартах IEC/IEEE PQ. При работе такого инструмента создаются архивы значительных размеров. Как Краус и др. ^[10] продемонстрировали, что степень сжатия таких архивов с использованием цепного алгоритма Лемпеля-Зива-Маркова , bzip или других подобных алгоритмов сжатия без потерь может быть значительной. Используя прогнозирование и моделирование на основе временных рядов, хранящихся в реальном архиве качества электроэнергии, эффективность сжатия постобработки обычно дополнительно повышается. Такое сочетание упрощенных методов предполагает экономию как в процессах хранения, так и в процессах сбора данных.

Стандарты

Качество поставляемой электроэнергии определяется международными стандартами и их местными производными, принятыми в разных странах:

EN50160 — это европейский стандарт качества электроэнергии, устанавливающий допустимые пределы искажений для различных параметров, определяющих напряжение в сети переменного тока.

IEEE-519 — это североамериканский стандарт для энергосистем. Это определяется как «рекомендуемая практика». ^[11] и, в отличие от EN50160, это указание относится как к искажению тока, так и к напряжению.

IEC 61000-4-30 — это стандарт, определяющий методы контроля качества электроэнергии. Издание 3 (2015 г.) включает измерения тока, в отличие от более ранних изданий, которые касались только измерения напряжения.

См. также

Динамическое восстановление напряжения

Ссылки

^ Фон Мейер, Александра (2006). Электроэнергетические системы: концептуальное введение (PDF) . Джон Уайли и сыновья . п. 1 . ISBN 9780470036402 .
^ Ассоциация хранения энергии
^ «Граница допуска по напряжению» (PDF) . страница.com . Тихоокеанская газовая и электрическая компания. Архивировано из оригинала (PDF) 1 апреля 2018 года . Проверено 21 июня 2022 г.
^ Jump up to: ^а ^б Шертукде, Хемчандра Мадхусудан (2014). Распределенные фотоэлектрические сетевые трансформаторы . ЦРК Пресс. п. 91. ИСБН 978-1482247190 . OCLC 897338163 .
^ «Фильтрация гармоник в центре обработки данных? [Обсуждение качества электроэнергии при проектировании ИБП]» . DataCenterFix.com . Архивировано из оригинала 8 июля 2011 г. Проверено 14 декабря 2010 г.
^ Галли; и др. (октябрь 1996 г.). «Изучение возможностей вейвлет-анализа». Компьютерные приложения IEEE в сфере энергетики . 9 (4). IEEE: 37–41. дои : 10.1109/67.539845 .
^ Рибейру; и др. (2001). «Усовершенствованный метод сжатия данных для приложений анализа качества электроэнергии». ИЭКОН '01 . 29 ноября – декабрь. 2 октября 2001 г., IEEE, 27-я ежегодная конференция Общества промышленной электроники IEEE. Том. 1. С. 676–681. дои : 10.1109/IECON.2001.976594 .
^ Рибейру; и др. (апрель 2004 г.). «Улучшенный метод обработки и сжатия сигналов при оценке качества электроэнергии». 2003 г. Общее собрание Общества энергетиков IEEE (номер по каталогу IEEE 03CH37491) . Том. 19. ИИЭР. стр. 464–471. дои : 10.1109/PES.2003.1270480 . ISBN 0-7803-7989-6 . S2CID 62578540 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )
^ США 7415370 , Низенблат, Пол; Броши, Амир М. и Эфрати, Офир, «Мониторинг качества электроэнергии», опубликовано 18 апреля 2004 г., выпущено 21 сентября 2006 г.
^ Краус, Ян; Тобиска, Томас; Бубла, Виктор (2009). «Кодирование без потерь и алгоритмы сжатия, применяемые к наборам данных о качестве электроэнергии» . CIRED 2009 — 20-я Международная конференция и выставка по распределению электроэнергии — Часть 1 . 20-я Международная конференция и выставка по распределению электроэнергии, 8–11 июня 2009 г. стр. 1–4. ISBN 978-1-84919126-5 .
^ «IEEE 519-2014 — Рекомендуемая практика и требования IEEE к контролю гармоник в электроэнергетических системах» . ИИЭЭ . Проверено 16 ноября 2020 г.

Литература

Дуган, Роджер С.; Марк МакГранаган; Сурья Сантосо; Х. Уэйн Бити (2003). Качество электроэнергетических систем . McGraw-Hill Companies, Inc. ISBN 978-0-07-138622-7 .
Мейер, Александра фон (2006). Электроэнергетические системы: концептуальное введение . Джон Уайли и сыновья, Inc. ISBN 978-0471178590 .
Хейдт, GT (1991). Качество электроэнергии . Публикации «Звезды в кругу». Библиотека Конгресса 621.3191. ISBN 978-9992203040 .
Боллен, Math HJ (2000). Понимание проблем качества электроэнергии: провалы и перебои напряжения . Нью-Йорк: IEEE Press. ISBN 0-7803-4713-7 .
Шанкаран, К. (2002). Качество электроэнергии . ООО «ЦРЦ Пресс». ISBN 978-0-8493-1040-9 .
Багджини, А. (2008). Справочник по качеству электроэнергии . Уайли. ISBN 978-0-470-06561-7 .
Куско, Алекс; Марк Томпсон (2007). Качество электроэнергии в электрических системах . МакГроу Хилл. ISBN 978-0-07-147075-9 .
Чаттопадхьяй, Сураджит; Митра, Мадхучханда; Сенгупта, Самарджит (2011). Качество электроэнергии . Спрингер Наука+Бизнес . ISBN 978-94-007-0634-7 .

[1] Фон Мейер, Александра (2006). Электроэнергетические системы: концептуальное введение (PDF) . Джон Уайли и сыновья . п. 1 . ISBN 9780470036402 .

[2] Ассоциация хранения энергии

[pge_volts-3] «Граница допуска по напряжению» (PDF) . страница.com . Тихоокеанская газовая и электрическая компания. Архивировано из оригинала (PDF) 1 апреля 2018 года . Проверено 21 июня 2022 г.

[Shertukde-4] Jump up to: ^а ^б Шертукде, Хемчандра Мадхусудан (2014). Распределенные фотоэлектрические сетевые трансформаторы . ЦРК Пресс. п. 91. ИСБН 978-1482247190 . OCLC 897338163 .

[dcf_power_quality-5] «Фильтрация гармоник в центре обработки данных? [Обсуждение качества электроэнергии при проектировании ИБП]» . DataCenterFix.com . Архивировано из оригинала 8 июля 2011 г. Проверено 14 декабря 2010 г.

[6] Галли; и др. (октябрь 1996 г.). «Изучение возможностей вейвлет-анализа». Компьютерные приложения IEEE в сфере энергетики . 9 (4). IEEE: 37–41. дои : 10.1109/67.539845 .

[7] Рибейру; и др. (2001). «Усовершенствованный метод сжатия данных для приложений анализа качества электроэнергии». ИЭКОН '01 . 29 ноября – декабрь. 2 октября 2001 г., IEEE, 27-я ежегодная конференция Общества промышленной электроники IEEE. Том. 1. С. 676–681. дои : 10.1109/IECON.2001.976594 .

[8] Рибейру; и др. (апрель 2004 г.). «Улучшенный метод обработки и сжатия сигналов при оценке качества электроэнергии». 2003 г. Общее собрание Общества энергетиков IEEE (номер по каталогу IEEE 03CH37491) . Том. 19. ИИЭР. стр. 464–471. дои : 10.1109/PES.2003.1270480 . ISBN 0-7803-7989-6 . S2CID 62578540 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )

[9] США 7415370 , Низенблат, Пол; Броши, Амир М. и Эфрати, Офир, «Мониторинг качества электроэнергии», опубликовано 18 апреля 2004 г., выпущено 21 сентября 2006 г.

[10] Краус, Ян; Тобиска, Томас; Бубла, Виктор (2009). «Кодирование без потерь и алгоритмы сжатия, применяемые к наборам данных о качестве электроэнергии» . CIRED 2009 — 20-я Международная конференция и выставка по распределению электроэнергии — Часть 1 . 20-я Международная конференция и выставка по распределению электроэнергии, 8–11 июня 2009 г. стр. 1–4. ISBN 978-1-84919126-5 .

[11] «IEEE 519-2014 — Рекомендуемая практика и требования IEEE к контролю гармоник в электроэнергетических системах» . ИИЭЭ . Проверено 16 ноября 2020 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]