THE ALGORITHM FOR DETERMINING THE CONDUCTIVE LOW-FREQUENCY ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE BY THE COEFFICIENT OF THE NTH HARMONIC COMPONENT OF THE VOLTAGE

Abstract


The electric power systems (EPS) of various industrial enterprises for a number of reasons are characterized by low quality of electric energy, in particular, the presence of higher harmonics in the grids, as a result of which conductive low-frequency electromagnetic interference (EMI) occurs, which has a negative effect on electrical equipment. This leads to the problem of the quality of electric energy in the EPS, which negatively affects the electrical equipment. The question of determining the conductive low-frequency EMI by the coefficient of the n-th harmonic component of the voltage within the framework of this problem remains unresolved. Purpose: development of an algorithm for determining the conductive low-frequency EMI by the coefficient of the n-th harmonic component of the voltage, which allows scientifically sound estimation of the electromagnetic environment in electric grids. Methods: the formation of a sequence of actions to determine the quality criterion for the functioning of electric power systems by the coefficient of the n-th harmonic component of the voltage. Results: based on the theory of probability and mathematical statistics, an algorithm has been developed for determining the conductive low-frequency electromagnetic field by the coefficient of the nth harmonic component of the voltage, based on the requirements of the standard GOST 32144-2013. Based on the algorithm, a computer program that allows automated calculation of the parameters of the electromagnetic environment, including the distribution parameters of the coefficient of the n-th harmonic component of the voltage, such as the mean and standard deviation, the probability of the coefficients of the n-th harmonic component of the voltage exceeding the normalized values and the probability of the conductive low-frequency EMI by the coefficient of the n-th harmonic component of the voltage was developed. The program allows you to visualize the data arrays that were obtained during various experimental studies using waveforms and histograms. Practical relevance: the proposed algorithm allows you to generate reliable information about electromagnetic environment in EES and can be used to develop a concept for improving the quality of electric energy, taking into account the analytical and numerical aspects of computer research.

Full Text

Введение. Разработка и внедрение интеллектуальных электросетевых технологий в системах электроснабжения промышленных предприятий Российской Федерации (РФ) позволят создать интеллектуальные системы электроснабжения в любой отрасли. В то же время новые интеллектуальные системы электропитания должны быть адаптированы к различным возможностям потребителей промышленных предприятий, и в случае обнаружения нарушений электроснабжения их следует эффективно выявлять и устранять. Результаты многочисленных теоретических и экспериментальных исследований [1-3] показали, что основным источником нелинейных искажений в источнике питания является наличие электромагнитных помех, вызывающих несоответствие уровня качества энергии и нарушение электромагнитной совместимости электрического оборудования. В РФ с её огромными запасами энергоресурсов, гигантской протяжённостью высоковольтных линий электропередач, высокой степенью износа электрического оборудования одной из главных является задача обеспечения эффективности работы электросетевого комплекса при ограниченных инвестициях и дефиците времени на основе концепции Smart Grid («интеллектуальной сети»), принятой правительством РФ. Ключевым требованием, предъявляемым к системам электроснабжения, является качество использования сетей общественного назначения, которое определяется степенью соответствия техническим стандартам ГОСТ 32144-2013 [1]. Системы электроснабжения по ряду причин обусловлены неэффективной электромагнитной обстановкой (ЭМО), вызванные кондуктивными низкочастотными ЭМП в системах электроснабжения [2]. Улучшение ЭМО является решением электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств (ТС). Проблема ЭМС имеет очень широкий диапазон различных аспектов и требований, а также вопросов по решению научно-технической задачи, которая заключается в определении кондуктивной низкочастотной ЭМП по данному показателю качества электроэнергии (ПКЭ). Возникает потребность в разработке алгоритма определения кондуктивной низкочастотной ЭМП по KU(n). Это позволяет своевременно обнаруживать наличие помех и вероятность появления их в электрических сетях различного уровня напряжения. Без этого достаточно трудно подавлять данную ЭМП, так как неизвестно, где и в какой момент времени может появиться эта помеха. А подавлять её очень важно, так как кондуктивная низкочастотная ЭМП по KU(n) приводит к ряду отрицательных воздействий для электрооборудования, таких как потери в обмотках ротора, вследствие чего сокращается срок службы изоляции, что может привести к негативным последствиям, а также приводит к образованию вибрации на валу различных электрических машин, что влечет снижение срока службы [3-11]. В связи с этим появляется потребность в формировании алгоритма автоматизированного определения кондуктивных низкочастотных ЭМП по KU(n). Это даёт возможность вовремя выявить ЭМП и вычислить вероятность её появления в электрических сетях. Цель: разработать алгоритм определения кондуктивной низкочастотной ЭМП по KU(n). Задачи: - определить нормально и предельно допустимые значения коэффициента KU(n) в трехфазных трехпроводных сетях с различным номинальным напряжением в соответствии с ГОСТ 32144-2013; - с помощью методов теории вероятности и математической статистики разработать порядок действий для определения кондуктивной низкочастотной ЭМП по KU(n). Анализ методологической базы исследования ЭМС технических средств показывает достаточно высокий физико-математический уровень разработок. При этом применение известных программных средств для исследования режимов электрических сетей с нелинейной нагрузкой в рамках концепции подавления кондуктивных низкочастотных ЭМП вызывает трудности для специалистов электроэнергетиков. Поэтому существует потребность в компьютерных программах, которые позволяют производить автоматизированный расчёт параметров ЭМО. Для этих целей сформирован алгоритм определения кондуктивной низкочастотной ЭМП по KU(n). Представленный в данной статье алгоритм разработан в соответствии с теорией кондуктивных низкочастотных ЭМП, а также обеспечивает применение этой теории для определения кондуктивных низкочастотных ЭМП по KU(n) [12, 13]. Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента KU(n) в трехфазных трехпроводных сетях с различным номинальным напряжением Un приведены на рис. 1-4 в соответствии с ГОСТ 32144-2013 [1]. Предельно допустимое значение данных коэффициентов вычисляют по формуле (1) Уровень ЭМС ТС по KU(n) в точке общего присоединения к трехпроводной электрической сети соответствует требованиям ГОСТ 32144-2013 [1]. Значения коэффициента KU(n), полученные в ходе проведенных исследований, не должны превышать нормально допустимые значения, которые приведены на рис. 1-4. Рис. 1. Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения в трехфазных трехпроводных сетях в процентах для электрической сети 0,38 кВ Рис. 2. Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения в трехфазных трехпроводных сетях в процентах для электрической сети 6-25 кВ Рис. 3. Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения в трехфазных трехпроводных сетях в процентах для электрической сети 35 кВ Рис. 4. Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения в трехфазных трехпроводных сетях в процентах для электрической сети 110-220 кВ В электрических сетях коэффициент KU(n) является непрерывно распределённой случайной величиной, зависящей от многих случайных событий. Коэффициент KU(n) связан с полем событий, который характеризуется таблицей вероятностей [14]: , где - различные значения коэффициента KU(n) в течение одного полного дня (24 ч), %; - вероятности появления этих значений; k - 1,2,3… - порядковый номер значения KU(n). При превышении значений коэффициента KU(n), представленных в [1], часть поля событий обусловливает появление помехи, вызванной особенностями различных технологических процессов [15-18]. Достоверное значение ЭМП может быть определено только статистическими методами. Процесс возникновения кондуктивной низкочастотной ЭМП по KU(n) представляется математической моделью [19]: (2) где - кондуктивная низкочастотная ЭМП электромагнитной совместимости в трёхфазных трёхпроводных электрических сетях по коэффициенту KU(n), %. На основании данной формулы можно предположить следующее: помеха появляется в сети в том случае, когда вероятность нахождения величины KU(n) в пределах (KU(n),н; KU(n),п) превышает 0,05 в течение одного дня, а в пределах (KU(n),п; ∞) не равна нулю. Стоит отметить важный фактор: если хотя бы одно условие не выполняется, то в электрической сети происходит появление помехи . Используя математический аппарат теории вероятности и математической статистики, определяем интегральные функции распределения случайной величины KU(n): (3) (4) (5) где - плотность вероятности распределения величины KU(n), 1/%; - математическое ожидание соответственно величины и , %; - средние квадратические отклонения указанных величин, %, - плотность вероятности распределения случайной величины , 1/%; - плотность вероятности распределения случайной величины, 1/%; Вероятность появления кондуктивной низкочастотной ЭМП определяется по формуле (6) [20]: (6) Рис. 5. Алгоритм определения кондуктивной низкочастотной ЭМП по коэффициенту KU(n) На основании формул (3)-(6) сформирован порядок действий по определению кондуктивной помехи по KU(n) (рис. 5). На данный алгоритм получено свидетельство [21]. В рамках разработанной концепции используют различные программные продукты для исследования режимов работы электрических сетей с искажающей нагрузкой. Их можно представить двумя семействами, различие этих семейств обусловливается видом математической модели: - модели в виде схем замещения (блок-схем, принципиальных схем и т.д.) для программ моделирования Electronics Workbench, Saber, Spice, Microcap и т.д.; - модели в виде систем дифференциальных уравнений для прикладных программ решения задач технических вычислений MatLab, Mahtcad, Matrix, Simnon и т.д. Тем не менее для обеспечения качественного функционирования сетей электроснабжения необходимо своевременно выявлять кондуктивные низкочастотные ЭМП по коэффициенту n-х гармонических составляющих напряжений (параметры распределения, вероятность их появления), однако перечисленные выше программные продукты не имеют соответствующих функциональных возможностей и не способны производить расчет кондуктивных низкочастотных ЭМП по KU(n) в автоматизированном режиме. На основании разработанного алгоритма и методического подхода к разработке концепции повышения качества электрической энергии возникла необходимость в компьютерной программе, позволяющей производить автоматизированный расчёт параметров электромагнитной обстановки. В связи с этим разработана программа для ЭВМ в среде программирования LabVIEW. Данная программа даёт возможность оценивать массив данных измерений коэффициентов n-х гармонических составляющих напряжения. Не стоит забывать, что все современные анализаторы качества электроэнергии могут экспортировать полученный массив данных в формат MS EXCEL. Программа производит автоматизированный расчёт таких параметров распределения значений KU(n), как математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение. Кроме этого программа производит автоматизированный расчёт вероятности выхода коэффициентов n-й гармонической составляющей напряжения за нормируемые значения и вероятность появления кондуктивной низкочастотной ЭМП по коэффициенту n-й гармонической составляющей напряжения за расчётный период. Интерфейс программы представлен на рис. 6. Рис. 6. Интерфейс программы для определения кондуктивной низкочастотной ЭМП по коэффициенту n-й гармонической составляющей напряжения Рис. 7. Интерфейс программы для ЭВМ по обработке результатов исследований коэффициент 21-й гармонической составляющей напряжения (фаза А) С помощью разработанного алгоритма и программы для ЭВМ произведена обработка результатов на предприятии ЗАО «Сибгазстройдеталь» [3, 22-24]. Некоторые результаты измерений представлены на рис. 7. Как видно из осцилограммы напряжений, замеры проходят для каждой фазы, количество измерений при этом чуть меньше 1200, так как интервал измерений выбран равным 60 с. Зеленой линией указывается нормированное значение напряжения, штрихпунктирной - нормально допустимое значение коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения. Выводы. В статье определены нормально и предельно допустимые значения коэффициента KU(n) в трехфазных трехпроводных сетях с различным номинальным напряжением в соответствии со стандартом ГОСТ 32144-2013. На основании математических моделей определены вероятности нахождения величины коэффициента KU(n) в различных пределах. С помощью методов теории вероятности и математической статистики разработана интегральная функция распределения непрерывно распределённой случайной величины и определена вероятность появления кондуктивной низкочастотной ЭМП . Разработанный алгоритм определения кондуктивной низкочастотной ЭМП позволяет научно обоснованно оценивать ЭМО в ЭЭС. С помощью разработанного алгоритма определения кондуктивной низкочастотной ЭМП по коэффициенту KU(n) разработана программа для ЭВМ, которая позволяет обрабатывать данные, полученные в ходе экспериментальных исследований по качеству электрической энергии. В отличие от существующих компьютерных программ (MatLab, Mahtcad, Matrix, Spice и т.д.) данная программа имеет функциональные возможности автоматизированного определения кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех [3, 22-24].

About the authors

D. Yu Rudi

Siberian State University of Water Transport

S. V Gorelov

Siberian State University of Water Transport

M. G Vishnyagov

Omsk Institute of Water Transport

D. A Zubanov

Omsk Institute of Water Transport

N. V Zubanova

Siberian State University of Water Transport

D. M Ivanov

Novosibirsk State Technical University

A. A Ruppel

Omsk Institute of Water Transport

References

  1. ГОСТ 32144-2013. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. (Взамен ГОСТ 13109-97; введ. 2014-07-01). - М.: Стандартинформ, 2014. - 20 с.
  2. Повышение качества функционирования линий электропередачи / Г.А. Данилов, Ю.М. Денчик, М.Н. Иванов, Г.В. Ситников / под ред. В.П. Горелова, В.Г. Сальникова. - Новосибирск: Изд-во Новосиб. гос. акад. водн. трансп., 2013. - 559 с.
  3. Исследование высших гармоник в электрических сетях низкого напряжения / Д.Ю. Руди, А.И. Антонов, М.Г. Вишнягов [и др.] // Омский научный вестник. - 2018. - № 6(162). - С. 119-125.
  4. Проблемы качества электроэнергии в системах электроснабжения / К.В. Хацевский, Ю.М. Денчик, В.И. Клеутин [и др.] // Омский научный вестник. - 2012. - № 2(110). - С. 212-214.
  5. Иванова Е.В., Руппель А.А. Кондуктивные электромагнитные помехи в электрических сетях 6-10 кВ: моногр. / под ред. В.П. Горелова. - Омск: Изд-во НГАВТ, Омск. фил., 2004. - 284 с.
  6. Григорьев О. Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ // Новости электротехники. - 2003. - № 1. - С. 54-56.
  7. Степанов В.М., Базыль И.М. Влияние высших гармоник в системах электроснабжения предприятия на потери электрической энергии // Известия Тул. гос. ун-та. Технические науки. - 2013. - № 12-2. - С. 27-31.
  8. Глотов А.А., Денчик Ю.М. Обеспечение электромагнитной совместимости электрических сетей по допустимым уровням кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех // Энергетика: эффективность, надежность, безопасность: материалы XXI Всерос. науч.-техн. конф.: в 2 т. - 2015. - С. 12-15.
  9. Иванова Е.В. Кондуктивные электромагнитные помехи в электроэнергетических системах / под ред. В.П. Горелова, Н.Н. Лизалека. - Новосибирск: Изд-во Новосиб. гос. акад. вод. транспорта, 2006. - 432 с.
  10. Olhovskiy V.Ya., Myateg S.V., Myateg T.V. Analyzes of high harmonics generation and power losses of low power consumers within 1000 V networks // 2016 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2016 - Proceedings 2. - 2016. - P. 7911026.
  11. Ded A.V., Maltsev V.N., Sikorski S.P. Comparative analysis of the specifications on the power quality of the european union and the Russian Federation // Journal of Physics: Conference Series Theory and Practice. Ser. Metrology, Standardization, Quality: Theory and Practice, MSQ 2017. - 2018. - P. 012007.
  12. Денчик Ю.М. Методика определения кондуктивной низкочастотной электромагнитной помехи в электрической сети при гармоническом воздействии // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2013. - № 2. - С. 218-221.
  13. Анализ определения кондуктивной низкочастотной помехи по коэффициенту несинусоидальности кривой напряжения / А.И. Антонов, М.Г. Вишнягов, Ю.М. Денчик [и др.] // Омский научный вестник. - 2015. - № 3(143). - С. 244-247.
  14. Денчик Ю.М. Определение параметров поля событий в электрических сетях при сложной электромагнитной обстановки // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2010. - № 2. - С. 418-424.
  15. Математическое описание процесса формирования в электрической сети кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех / А.Ю. Ковалев, Н.А. Ковалева, Е.В. Иванова [и др.] // Культура, наука, образование: проблемы и перспективы: материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. - 2017. - С. 143-145.
  16. Вероятность и процесс возникновения кондуктивной электромагнитной помехи в электроэнергетических системах / А.И. Антонов, М.Г. Вишнягов, В.И. Клеутин, А.А. Руппель // Сборник науч. труд. Омск. ин-та водного транспорта (филиал) - СГУВТ. - Омск, 2015. - С. 4-8.
  17. Иванова Ю.М. Методология исследования кондуктивных электромагнитных помех, распространяющихся по сетям // Кондуктивные электромагнитные помехи в электроэнергетических системах / под ред. В.П. Горелова, Н.Н. Лизалека. - Новосибирск: Изд-во НГАВТ, 2006. - 432 с. - С. 52-56.
  18. Денчик Ю.М. Методика определения кондуктивной низкочастотной электромагнитной помехи в электрической сети при гармоническом воздействии // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2013. - № 2. - С. 218-221.
  19. Иванова Е.В., Куликов С.Г. Определение кондуктивной электромагнитной помехи по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в сети общего назначения // Транспортное дело России. - 2006. - № 11-1. - С. 42-44.
  20. Горелов С.В., Глотов А.А., Денчик Ю.М. Допустимые уровни электромагнитной совместимости для кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех в электроэнергетической системе // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2015. - № 3. - С. 194-197.
  21. Алгоритм определения кондуктивной низкочастотной электромагнитной помехи по коэффициенту n-й гармонической составляющей напряжения / А.И. Антонов, Ю.М. Денчик, Д.А. Зубанов [и др.]. № 24171; заявл. 15.07.2019 г.; опубл. хроники объединён. фонда электронных ресурсов // Наука и образование. - Август 2019. - № 8(123). - C. 28.
  22. Руди Д.Ю., Горелов С.В., Руппель А.А. Исследование высших гармоник в рабочей электрической сети низкого напряжения // Актуальные вопросы профессионального образования и пути их решения: материалы междунар. науч.-практ. конф. - Якутск, 2019. - С. 27-32.
  23. Руди Д.Ю. Исследование суммарного коэффициента гармонических составляющих в электрических сетях низкого напряжения // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки: материалы LXXVII Студ. междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск, 2019. - С. 231-238.
  24. Руди Д.Ю. Исследование показателей качества электроэнергии в рабочей электрической сети цеха металлоизделий // Теоретические и практические проблемы развития современной науки: сб. материалов XVIII Междунар. науч.-практ. конф. - 2019. - С. 7-14.

Statistics

Views

Abstract - 64

PDF (Russian) - 34

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2022 PNRPU Bulletin. Electrotechnics, Informational Technologies, Control Systems

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies