Качество электроэнергии
Измерение мощности, соответствующей спецификациям

Качество электроэнергии — это степень, в которой напряжение, частота и форма сигнала системы электроснабжения соответствуют установленным спецификациям. Хорошее качество электроэнергии можно определить как стабильное напряжение питания, которое остается в пределах предписанного диапазона, стабильную частоту переменного тока, близкую к номинальному значению, и плавную форму кривой напряжения (напоминающую синусоиду ) . 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 электроэнергии, которая питает электрическую нагрузку , и способности нагрузки функционировать должным образом. Без надлежащей мощности электрическое устройство (или нагрузка) может работать со сбоями, преждевременно выйти из строя или вообще не работать. Существует множество способов, при которых электроэнергия может быть низкого качества, и множество других причин такого низкого качества электроэнергии.

Электроэнергетическая отрасль включает в себя производство электроэнергии ( переменного тока ), передачу электроэнергии и, в конечном счете, распределение электроэнергии до счетчика электроэнергии, расположенного в помещении конечного потребителя электроэнергии. Затем электричество перемещается по системе электропроводки конечного потребителя, пока не достигнет нагрузки. Сложность системы перемещения электроэнергии от точки производства до точки потребления в сочетании с изменениями погоды, генерации, спроса и других факторов создает множество возможностей для ухудшения качества поставок.

Хотя «качество электроэнергии» — удобный термин для многих, на самом деле этот термин описывает качество напряжения , а не мощность или электрический ток . Мощность — это просто поток энергии, а ток, требуемый нагрузкой, в значительной степени неконтролируем.

Стабильность частоты некоторых крупных электрических сетей

Введение

Качество электроэнергии можно описать как совокупность значений параметров, таких как:

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

Устойчивость оборудования обработки данных к колебаниям напряжения часто характеризуется кривой CBEMA , которая показывает продолжительность и величину колебаний напряжения, которые могут быть допустимы. [3]

Кривая CBEMA

В идеале переменное напряжение подается от электросети в виде синусоидального сигнала с амплитудой и частотой, заданными национальными стандартами (в случае электросети ) или системными спецификациями (в случае подачи питания, не подключенного напрямую к электросети), с сопротивлением 0 Ом на всех частотах .

Отклонения

Ни один реальный источник энергии не идеален и, как правило, может иметь отклонения, по крайней мере, следующим образом:

Напряжение

  • Изменения пикового или среднеквадратичного ( RMS) напряжения важны для различных типов оборудования.
  • Когда среднеквадратичное напряжение превышает номинальное напряжение на 10–80 % в течение периода от 0,5 цикла до 1 минуты, такое событие называется «выбросом».
  • «Провал» (в британском английском) или «провал» (в американском английском эти два термина эквивалентны) — это противоположная ситуация: среднеквадратичное напряжение ниже номинального на 10–90 % в течение периода от 0,5 цикла до 1 минуты.
  • Случайные или повторяющиеся изменения среднеквадратичного напряжения между 90 и 110% от номинала могут вызывать явление, известное как « мерцание » в осветительном оборудовании. Мерцание — это быстрые видимые изменения уровня освещенности. Определение характеристик колебаний напряжения, которые вызывают нежелательное мерцание света, является предметом текущих исследований.
  • Резкие, очень кратковременные повышения напряжения, называемые « скачками », «импульсами» или «выбросами», обычно вызываются включением больших индуктивных нагрузок или, что более серьезно, молнией .
  • «Пониженное напряжение» происходит, когда номинальное напряжение падает ниже 90% в течение более 1 минуты. [4] Термин «понижение напряжения» является подходящим описанием падения напряжения где-то между полной мощностью (яркий свет) и отключением (нет питания – нет света). Он происходит от заметного или значительного затемнения обычных ламп накаливания во время сбоев системы или перегрузки и т. д., когда недостаточно мощности для достижения полной яркости в (обычно) бытовом освещении. Этот термин в общем употреблении не имеет формального определения, но обычно используется для описания снижения напряжения в системе коммунальным предприятием или системным оператором для снижения спроса или увеличения эксплуатационных запасов системы.
  • « Перенапряжение » происходит, когда номинальное напряжение превышает 110% в течение более 1 минуты. [4]

Частота

  • Изменения частоты .
  • Ненулевое низкочастотное сопротивление (когда нагрузка потребляет больше мощности, напряжение падает).
  • Ненулевое высокочастотное сопротивление (когда нагрузка потребляет большой ток, а затем внезапно прекращает его потреблять, произойдет провал или скачок напряжения из-за индуктивностей в линии электропитания).
  • Изменения формы волны — обычно описываемые как гармоники на более низких частотах (обычно менее 3 кГц) и называемые синфазными искажениями или интергармониками на более высоких частотах.

Форма волны

  • Колебание напряжения и тока в идеале следует форме синусоидальной или косинусоидальной функции, однако оно может изменяться из-за несовершенств генераторов или нагрузок.
  • Обычно генераторы вызывают искажения напряжения, а нагрузки вызывают искажения тока. Эти искажения возникают в виде колебаний, более быстрых, чем номинальная частота, и называются гармониками.
  • Относительный вклад гармоник в искажение идеальной формы волны называется полным коэффициентом гармонических искажений (THD).
  • Низкое содержание гармоник в форме волны является идеальным вариантом, поскольку гармоники могут вызывать вибрации, жужжание, искажения оборудования, а также потери и перегрев трансформаторов.

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

Кондиционирование мощности

Кондиционирование электроэнергии — это изменение электроэнергии с целью улучшения ее качества.

Источник бесперебойного питания (ИБП) может использоваться для отключения питания от сети, если на линии возникли переходные (временные) условия. Однако более дешевые блоки ИБП сами создают некачественное питание, похожее на наложение прямоугольной волны с более высокой частотой и меньшей амплитудой поверх синусоиды. Высококачественные блоки ИБП используют топологию двойного преобразования, которая разбивает входящий переменный ток на постоянный, заряжает батареи, а затем восстанавливает переменный синусоидальный ток. Эта восстановленная синусоида имеет более высокое качество, чем исходная подача переменного тока. [5]

Для компенсации последовательного проседания напряжения используются динамический регулятор напряжения (DVR) и статический синхронный последовательный компенсатор (SSSC).

Устройство защиты от перенапряжения , простой конденсатор или варистор могут защитить от большинства случаев перенапряжения, в то время как грозовой разрядник защищает от сильных скачков напряжения.

Электронные фильтры могут удалять гармоники.

Умные сети и качество электроэнергии

Современные системы используют датчики, называемые блоками измерения фазора (PMU), распределенные по всей сети, для мониторинга качества электроэнергии и в некоторых случаях автоматически реагируют на них. Использование таких интеллектуальных сетей, как функции быстрого обнаружения и автоматического самовосстановления аномалий в сети, обещает обеспечить более высокое качество электроэнергии и меньшее время простоя, одновременно поддерживая электроэнергию от непостоянных источников питания и распределенной генерации , которые, если их не контролировать, ухудшат качество электроэнергии.

Алгоритм сжатия

Алгоритм сжатия качества электроэнергии — это алгоритм , используемый при анализе качества электроэнергии. Для предоставления высококачественной услуги по электроснабжению необходимо контролировать качество электрических сигналов, также называемых качеством электроэнергии (PQ), в разных местах вдоль электросети . Электроэнергетические компании постоянно тщательно отслеживают формы волн и токи в разных местах сети, чтобы понять, что приводит к любым 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.).

Вызовы

Инженеры используют много видов счетчиков, [6] которые считывают и отображают формы волн электрической мощности и вычисляют параметры форм волн. Они измеряют, например:

Для того чтобы в достаточной степени контролировать непредвиденные события, Рибейро и др. [7] объясняют, что недостаточно отображать эти параметры, но также необходимо постоянно собирать данные о форме волны напряжения. Это невыполнимо из-за большого объема вовлеченных данных, что приводит к так называемому «эффекту бутылки». Например, при частоте выборки 32 выборки за цикл в секунду собирается 1920 выборок. Для трехфазных счетчиков, которые измеряют как формы волны напряжения, так и тока, данных в 6–8 раз больше. Более практичные решения, разработанные в последние годы, сохраняют данные только тогда, когда происходит событие (например, когда обнаруживаются высокие уровни гармоник энергосистемы ) или, в качестве альтернативы, сохраняют среднеквадратичное значение электрических сигналов. [8] Однако этих данных не всегда достаточно для определения точной природы проблем.

Сжатие необработанных данных

Нисенблат и др. [9] предлагают идею алгоритма сжатия качества электроэнергии (аналогичного методам сжатия с потерями ), который позволяет счетчикам непрерывно сохранять форму волны одного или нескольких сигналов мощности, независимо от того, было ли идентифицировано событие, представляющее интерес. Этот алгоритм, называемый PQZip, наделяет процессор памятью, достаточной для хранения формы волны 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 получения всех сжатых данных. Например, если один параметр остается постоянным, а различные другие колеблются, решение о сжатии сохраняет только то, что имеет значение из постоянных данных, и сохраняет все данные о колебаниях. Затем он разлагает форму волны сигнала мощности на многочисленные компоненты в течение различных периодов формы волны. Он завершает процесс, сжимая значения по крайней мере некоторых из этих компонентов в течение различных периодов по отдельности. Этот алгоритм сжатия в реальном времени, выполняемый независимо от выборки, предотвращает появление пробелов в данных и имеет типичный коэффициент сжатия 1000:1.

Сжатие агрегированных данных

Типичная функция анализатора мощности — генерация архива данных, агрегированных за заданный интервал. Чаще всего используется интервал в 10 минут или 1 минуту, как указано в стандартах IEC/IEEE PQ. Значительные размеры архива создаются во время работы такого прибора. Как продемонстрировали Краус и др. [10], коэффициент сжатия таких архивов с использованием алгоритма цепи Лемпеля–Зива–Маркова , bzip или других подобных алгоритмов сжатия без потерь может быть значительным. Используя прогнозирование и моделирование на сохраненных временных рядах в фактическом архиве качества электроэнергии, эффективность сжатия постобработки обычно дополнительно повышается. Такое сочетание упрощенных методов подразумевает экономию как в процессах хранения данных, так и в процессах сбора данных.

Стандарты

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

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

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

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

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Фон Майер, Александра (2006). Электроэнергетические системы: концептуальное введение (PDF) . John Wiley & Sons . стр. 1. ISBN 9780470036402.
  2. ^ Ассоциация по хранению энергии
  3. ^ "Voltage Tolerance Boundary" (PDF) . pge.com . Pacific Gas and Electric Company. Архивировано из оригинала (PDF) 1 апреля 2018 года . Получено 21 июня 2022 года .
  4. ^ аб Шертукде, Хемчандра Мадхусудан (2014). Распределенные фотоэлектрические сетевые трансформаторы . ЦРК Пресс. п. 91. ИСБН 978-1482247190. OCLC  897338163.
  5. ^ "Фильтрация гармоник в центре обработки данных? [Обсуждение качества электроэнергии при проектировании ИБП]". DataCenterFix.com . Архивировано из оригинала 2011-07-08 . Получено 2010-12-14 .
  6. ^ Галли и др. (октябрь 1996 г.). «Изучение возможностей вейвлет-анализа». IEEE Computer Applications in Power . 9 (4). IEEE: 37–41. doi :10.1109/67.539845.
  7. ^ Рибейро и др. (2001). «Усовершенствованный метод сжатия данных для приложений анализа качества электроэнергии». IECON '01 . 29 ноября — 2 декабря 2001 г., IEEE, 27-я ежегодная конференция Общества промышленной электроники IEEE. Том 1. стр. 676–681. doi :10.1109/IECON.2001.976594.
  8. ^ Рибейро и др. (апрель 2004 г.). «Улучшенный метод обработки и сжатия сигналов при оценке качества электроэнергии». 2003 IEEE Power Engineering Society General Meeting (IEEE Cat. No.03CH37491) . Vol. 19. IEEE. pp. 464–471. doi :10.1109/PES.2003.1270480. ISBN 0-7803-7989-6. S2CID  62578540. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  9. ^ US 7415370, Нисенблат, 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 по контролю гармоник в электроэнергетических системах". IEEE . Получено 16.11.2020 .

Литература

  • Дуган, Роджер С.; Марк МакГрэнаган; 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 . John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0471178590.
  • Heydt, GT (1991). Качество электроэнергии . Stars in a Circle Publications. Библиотека Конгресса 621.3191. ISBN 978-9992203040.
  • Bollen, Math HJ (2000). Понимание проблем качества электроэнергии: провалы и прерывания напряжения . Нью-Йорк: IEEE Press. ISBN 0-7803-4713-7.
  • Санкаран, К. (2002). Качество электроэнергии . CRC Press LLC. ISBN 978-0-8493-1040-9.
  • Баггини, А. (2008). Справочник по качеству электроэнергии . Wiley. ISBN 978-0-470-06561-7.
  • Куско, Алекс; Марк Томпсон (2007). Качество электроэнергии в электрических системах . McGraw Hill. ISBN 978-0-07-147075-9.
  • Чаттопадхьяй, Сураджит; Митра, Мадхучханда; Сенгупта, Самарджит (2011). Качество электроэнергии . Спрингер Наука+Бизнес . ISBN 978-94-007-0634-7.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Качество_электроэнергии&oldid=1245056095"