Презентация "Разработка математической модели анализатора качества электроэнергии" – проект, доклад

Разработка математической модели анализатора качества электроэнергии в соответствии с ГОСТ Р 32144-2013 на базе программного пакета Matlab с приложением Simulink для анализа качества напряжения в системах электроснабжения мощных дуговых сталеплавильных печей

ФГБОУ ВПО МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Г.И. НОСОВА

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Магнитогорск 2015

НИКОЛАЕВ Александр Аркадьевич.

Карпеш Антон Алексеевич Спирова Екатерина Дмитриевна

С.0

С.1

Особенности ГОСТ на качество электроэнергии. Хронология принятия стандартов на ПКЭ.

ГОСТ 13109-97 - определял основные показатели качества электрической энергии, их нормативные значения, интервалы усреднения и отчетный период. РД 153-34.0-15.501-00 и РД 153-34.0-15.502-2002 – «Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», которые определили процедуры выполнения измерений, обработки и представления результатов. В 2008 году на смену РД 153-34.0-15.501-00 и РД 153-34.0-15.502-2002 пришел ГОСТ Р 53333-2008, устанавливающий основные положения по организации и проведению контроля качества электроэнергии, который в том числе описывал формы протоколов измерений. Также на базе международных стандартов были приняты в России ГОСТ Р 51317.4.7-2008 (методы измерения гармоник и интергармоник) и ГОСТ Р 51317.4.30-2008. Новый стандарт КЭ ГОСТ Р 54149-2010 был разработан с учетом положений принятых стандартов ГОСТ Р 51317.4.30-2008, ГОСТ Р 51317.4.7-2008 и европейского стандарта EN50160, а также специфических требований к электрическим сетям в России. В 2013 году на основе ГОСТ Р 54149-2010 был разработан международный стандарт по качеству электроэнергии - ГОСТ 32144-2013. Он был введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 июля 2014 г.

С.2

С.3

Нормально и предельно допустимые значения показателей качества электроэнергии в соответствии с ГОСТ 13109-97

С.4

Приборы для измерения значений показателей качества электроэнергии в соответствии с ГОСТ 13109-97

При анализе ПКЭ необходимо использовать специализированные измерительные приборы-анализаторы, что служит юридической гарантией достоверности результатов измерений и позволяет использовать их при разрешении споров между энергоснабжающей организацией и потребителем электроэнергии.

В качестве примера на рисунке приведены фотографии приборов для измерения показателей качества электроэнергии в трехфазных электрических сетях – американского анализатора ПКЭ Fluke 433 и отечественного измерительного комплекса «НЕВА ИПЭ». В обоих анализаторах имеются блоки гальванической развязки сигналов, быстродействующие аналого-цифровые преобразователи и микропроцессоры, осуществляющие обработку измеряемых мгновенных значений напряжений и токов и расчет основных показателей качества электроэнергии. Благодаря наличию внешней флэш-памяти или жесткого диска имеется возможность записи и сохранения большого объема измеренной информации, включая синусоиды токов и напряжений, снятых с высокой частотой дискретизации 0,4 – 100 МГц. Но, так как данные приборы не работают в соответствии с новым стандартом, то возникает необходимость создания виртуального анализатора ПКЭ на основе среды MATLAB Simulink.

С.5

Сравнительный анализ ГОСТ 13109-97 с ГОСТ 32144-2013

С.6

С.7

Сравнение предельных значений ГОСТ 13109-97 и ГОСТ 32144-2013

ГОСТ 32144-2013

С.8

Сравнительный анализ ГОСТ 32144-2013 с иностранными стандартами

С.9

Нормируемый уровень фликера в различных странах и стандартах

Сравнение нормируемых значений коэффициентов гармонических составляющих по 4-м стандартам

Основные этапы расчета ПКЭ с использованием регистратора электрических сигналов и математической модели анализатора ПКЭ

С.10

С.11

СОЗДАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АНАЛИЗАТОРА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА НАПРЯЖЕНИЙ И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Структура математической модели анализатора качества электроэнергии, реализованная в программе Matlab-Simulink

1 Структура блока обработки экспериментальных данных

(Массив мгновенных значений токов и напряжений поступает в математическую модель с использованием блока «From Workspace», затем осуществляется разделение сигналов на напряжения и токи. Линейным напряжениям и токам присваиваются уникальные обозначения)

С.12

2 Структура блока расчета основных ПКЭ

1. Расчет коэффициентов KU выполняется по отдельности для каждого линейного напряжения. Выходные сигналы с блоков «THD» умножаются на коэффициенты K = 100 и микшируются в один канал. С помощью блока «Fnc» рассчитывается среднее арифметическое значение коэффициента KUср, которое затем в соответствии со стандартом подвергается усреднению за 10 минут с помощью блока «Mean».

2. В блоке «3-Phase Sequence Analyzer» осуществляется расчет симметричных составляющих. Для прямой и обратной последовательности напряжений, с помощью функционального блока «Fnc» находится их отношение и умножается на 100%. После усреднения за 10 минут (с помощью блока «Mean») получается сигнал коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности.

3. В данном блоке рассчитываются действующие значения линейных напряжений , которые затем используются для определения установившегося отклонения напряжения δUу (для него составляется вспомогательная программа , в которой для каждого минутного интервала времени выполняется расчет отклонения напряжения и для анализируемого интервала строится график δUу(t))

4. Мгновенные значения напряжения линейных напряжений UAB(t), UBC(t), UCA(t) поступают на вход блока «RMS», который осуществляет расчет действующих значений за половину периода питающего напряжения. Далее сигналы подвергаются нормированию путем умножения на постоянный коэффициент 1/Uлmном., где Uлmном. – номинальная амплитуда линейного напряжения. После чего, нормированные сигналы поступают на вход блока расчета мгновенного фликера.

С.13

Структура блока определения симметричных составляющих линейных напряжений «3-Phase Sequence Analyzer»

Структура блока расчета коэффициента искажения синусоидальной кривой напряжения

Производится расчет результирующего действующего значения высших гармоник через разность результирующего действующего значения напряжения, действующего значения основной гармоники и постоянной составляющей . Для создания блока требуется три основных элемента: блока вычисления действующего значения сигнала «RMS»; блока расчета среднего значения «Mean»; блока преобразования Фурье «Fourier» для расчета действующего значения основной гармоники. Рассмотренная структура реализована в готовом блоке «THD».

Расчет коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности K2U осуществляется на основе метода симметричных составляющих с определением прямой Uл1 и обратной Uл2 последовательностей линейных напряжений с помощью готового блока «3-Phase Sequence Analyzer» . В данном блоке мгновенные значения линейных напряжений с помощью опорных синусоидальных сигналов Sin(nwt) и Cos(nwt), а также блоков «Phasor» преобразуются в векторы и записываются в комплексной форме, а затем осуществляется расчет симметричных составляющих.

С.14

Блок схема измерения фликера в соответствии с ГОСТ Р 32144-2013

Структура блока расчета мгновенного фликера

С.15

C.16

% Задание числа классов (по ГОСТ Р 51317.4.15-99 не менее 64) K = 100; % Определение числа точек в исходном массиве мгновенного фликера N_max = length(P_AB); % Определение максимального значения мгновенного фликера Max_F = max(P_AB); % Задание исходных массивов функции плотности распределения и интегрального распределения мгновенного фликера B = zeros(1, K); I = zeros(1, K); % ПОЛУЧЕНИЕ ФУНКЦИИ ПЛОТНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ % Для каждого класса делаем for k = 1 : 1 : K i = 0; % рабочая переменная, показывающая количество точек в каждом классе функции плотности распределения % Для каждого значения исходного массива «P_AB» делаем for n = 1 : 1 : N_max % Если значение попадает в заданный класс, тогда для этого класса прибавляем единицу % верхний уровень класса % нижний уровень класса if (P_AB(n) <= Max_F*k/K) && (P_AB(n) > Max_F*(k-1)/K) i = i + 1; % Если нет, то ничего не делаем; end; % Конец внутреннего цикла % Определяем сколько точек попало в каждый класс B(k) = i; end; % Конец внешнего цикла

Исходной информацией для расчетов кратковременных доз фликера являются массивы мгновенных значений фликера «Р_АВ, ВС, СА» и времени «Time_1», формируемых основной моделью анализатора качества электроэнергии.

Вспомогательная программа, реализующая работу классификатора фликерметра

% ПОЛУЧЕНИЕ ФУНКЦИИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ВЕРОЯТНОСТИ % Определяем конечное значение функции интегрального распределения I(K) = B(K); % Для каждого класса функции плотности распределения выполняем следующее действие: последовательно складываем, начиная с конца массива «В», значения «n» для каждого класса, т.е. проводим интегрирование функции «В» for k = (K-1) : -1 : 1 I(k) = I(k+1) + B(k) end; % Находим функцию интегральной вероятности I_per = I*100/N_max; % ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАДАННЫХ УРОВНЕЙ ФЛИКЕРА % Для каждого класса функции интегральной вероятности делаем сравнение for k = 1 : 1 : K if I_per(k) > 0.1 P0.1 = Max_P*k/K end; if I_per(k) > 0.7 P0.7 = Max_P*k/K end; if I_per(k) > 1.0 P1.0 = Max_P*k/K end; if I_per(k) > 1.5 P1.5 = Max_P*k/K end; if I_per(k) > 2.2 P2.2 = Max_P*k/K end; if I_per(k) > 3.0 P3.0 = Max_P*k/K end; if I_per(k) > 4.0 P4.0 = Max_P*k/K end; if I_per(k) > 6.0 P6.0 = Max_P*k/K end; if I_per(k) > 10 P10 = Max_P*k/K end; if I_per(k) > 13 P13 = Max_P*k/K end; if I_per(k) > 17 P17 = Max_P*k/K end; if I_per(k) > 30 P30 = Max_P*k/K end; if I_per(k) > 50 P50 = Max_P*k/K end; if I_per(k) > 80 P80 = Max_P*k/K end; % Определение сглаженных уровней фликера P1S = (P0.7 + P1 + P1.5)/3; P3S = (P2.2 + P3 + P4)/3; P10S = (P6 + P8 + P10 + P13 + P17)/5; P50S = (P30 + P50 + P80)/3; % РАСЧЕТ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ДОЗЫ ФЛИКЕРА P_St = sqrt(0.0314*P0.1 + 0.0525*P1S + 0.0657*P3S + 0.28*P10S + 0.08*P50S);

% Уровни фликера Р0.1, Р0.7, Р1.0 и т.д. характеризуют значения мгновенного фликера, которые были превышены в течение 0,1%, 0,7%, 1% … времени за интервал наблюдения 10 мин.

С.17

3. Структура блока визуализации сигналов

4. Структура блока записи обработанных данных

Данный блок необходим для отображения результатов расчета ПКЭ. Отображения мгновенных значений напряжений и токов ДСП, а также рассчитанных ПКЭ осуществляется в осциллографах «Scope».

Основное назначение данного блока – запись рассчитанных ПКЭ в отдельные массивы для последующей графической обработки результатов расчетов, а также формирование исходных сигналов для вспомогательных программ вычисления установившегося отклонения напряжения и кратковременной дозы фликера. При создании блока использовались элементы библиотеки Simulink «From», «To Workspace» и «Clock». Последний элемент служит для записи массива модельного времени «Time_1», который необходим для построения графиков сигналов с использованием внутренней команды «plot», а также для запуска программы расчета показателя δUу. Еще одним назначением рассматриваемого блока является запись массивов мгновенных значений токов и напряжений для анализа n-ых гармонических составляющих с помощью инструмента быстрого преобразования «FFT Analysis».

Упрощенная схема электроснабжения металлургического завода БВК ЗАО Конар и ДСП-10

С.18

Применение виртуального анализатора ПКЭ на практике для оценки ПКЭ в системах электроснабжения ДСП различной мощности

С.19

БВК ЗАО Конар: ДСП-10 ГОСТ 13109-97 и ГОСТ 32144-2013

С.20

Сравнение старого и нового стандартов показало, что в новом стандарте появились новые термины (сетевая организация, качество электрической энергии и т.д.), изменилось время интеграции ПКЭ, так же были введены категории событий (прерывания напряжения, интергармонические составляющие напряжения и т.д.), а так же убраны некоторые показатели старого стандарта. Проведение сравнительного анализа с зарубежными стандартами выявило отличия в ПКЭ в зависимости от состояния электрической системы данной страны. Разработана новая математическая модель анализатора качества электроэнергии в соответствии с ГОСТ Р 54149-2010. Модель реализована в математическом пакете MATLAB с приложением Simulink. С использованием модели рассчитываются 5 основных показателей: медленное изменения напряжения, суммарное содержание гармонических составляющих линейного напряжения и тока, коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности, кратковременная доза фликера, отклонение напряжения. На основе экспериментальных данных, полученных на различных электросталеплавильных комплексах России (Шахтная печь ШП-120 (85 МВА) Череповецкого металлургического комбината ОАО «Северсталь», дуговая сталеплавильная печь ДСП-10 сталелитейного завода БВК ЗАО «КОНАР» г. Челябинск) были рассчитаны основные ПКЭ. На основе полученных результатов была выполнена оценка влияния обновленных алгоритмов расчета ПКЭ. По результатам анализа отмечается сильное влияние изменения времени интеграции показателей качества электроэнергии, что можно увидеть на примере Челябинского металлургического комбината. Показатели усредняются в такой степени, что в итоге не достигают предельных значений. А именно: - суммарное содержание гармонических составляющих напряжения в соответствии с результатами анализа по ГОСТ Р 54149-2010 не превышает 3%, а по ГОСТ 13109-97 доходит до значения 6%; - коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности, при анализе ПКЭ по ГОСТ Р 54149-2010, достигает 2%, в отличие от данного параметра по ГОСТ 13109-97, который в наихудшем случае достигает 7%; - медленное изменение напряжения в результате анализа ПКЭ по ГОСТ Р 54149-2010 не превышает 2,5%, в отличие от данного параметра по ГОСТ 13109-97, который в наихудшем случае достигает 5%. В соответствии с этим можно сказать, что при данных ПКЭ, анализируемых по ГОСТ Р 54149-2010, становится возможным режим работы электрооборудования, который при ПКЭ, анализируемых по ГОСТ 13109-97, являлся недопустимым.

Выводы