По оценке европейских специалистов, снижение качества электрической энергии обходится промышленности и в целом деловому сообществу Европейского союза в 10 млрд евро в год. Подсчитаны на Западе и убытки от снижения качества электроэнергии по отраслям промышленности, которые составляют от 30000 евро/мин в телекоммуникационной сфере до нескольких миллионов евро за событие в областях с непрерывным энергоемким технологическим процессом, таких как целлюлозно-бумажная промышленность, производство алюминия и т. д. [1]. В 1997 г. в Союзе независимых государств (СНГ) Межотраслевым Советом по стандартизации, метрологии и сертификации принят разработанный Россией ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [2], который действует в большинстве стран СНГ.
Стандарт устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединены электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей электрической энергии, или приемники электрической энергии. Наряду с нормами качества электрической энергии стандарт содержит обязательные приложения, регламентирующие способы расчета и методики определения показателей качества электрической энергии (ПКЭ), а также требования к цифровым средствам измерений (СИ).
В обеспечение действия стандарта в период с начала его введения (с 01.01.1998 г.) в России разработано около 10 типов СИ, включенных в Государственный Реестр СИ. Все СИ, включенные в Госреестр, обеспечивают измерение ПКЭ в соответствии с требованиями ГОСТ 13109-97 и РД 153-34.0-15.501-00 «Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 1. Контроль качества электрической энергии» [3]. Часть указанных СИ, наряду с измерениями ПКЭ, обеспечивает измерения параметров электрической энергии (токи, мощности, фазовые углы и др.) с целью определения влияния конкретных потребителей электрической энергии на ухудшение ее качества в общей точке присоединения нескольких потребителей (анализ качества электрической энергии) в соответствии с РД 153-34.0-15.501-2002 «Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 2. Контроль качества электрической энергии» [4]. Разработанные СИ производятся в количествах, обеспечивающих сложившийся в России спрос. 
Анализ характеристик СИ отечественного производства показывает: СИ применимы для различной номенклатуры ПКЭ; климатические условия применения СИ, указанные в эксплуатационных документах, как правило, достаточно ограничены; различны способы учета температурных погрешностей СИ; СИ имеют низкий уровень устойчивости к электромагнитным помехам; интервал накопления информации не превышает 15 сут. Контроль качества электрической энергии с применением указанных СИ проводят периодически в течение 1-7 сут. Измерения ПКЭ, проводимые периодически в электрических сетях, имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что событие в электрической сети, повлекшее за собой, например, выход из строя дорогостоящего оборудованияу потребителя, обычно происходит вне пределов времени, в течение которого производились измерения. Поэтому в настоящее время в мировой практике наблюдается эволюция в сторону создания систем мониторинга ПКЭ, представленная двумя подходами построения таких систем: системы на основе автономных средств измерения, собирающих, обрабатывающих, анализирующих и передающих информацию по всему спектру событий в электросети; централизованные системы, в которых средство измерения регистрирует показатели качества электроэнергии, а основные операции по статистической обработке и анализу осуществляет единый центральный процессор (сервер).
Анализ показывает, что централизованные системы имеют ряд преимуществ: более низкую относительную стоимость системы по сравнению с аналогичным набором СИ; больше возможностей для расширения, модернизации и адаптации к конкретным условиям; значительные преимущества по скорости передачи и обмена данными. Важным требованием к разрабатываемым системам является возможность встраивания и техническая совместимость с существующими и разрабатываемыми АСКУЭ. Разработка систем мониторинга показателей качества электроэнергии в режиме реального времени на всей территории предприятия или целого региона в суровых погодных условиях России на сегодняшний день является актуальной задачей как для целей энергоаудита, так и для совершенствования договорных отношений: энергоснабжающая организация — потребитель электрической энергии. 
Примером создания централизованной территориальной системы мониторинга ПКЭ за рубежом является Общенациональная система мониторинга качества электрической энергии США и Канады (система I-Grid), которая была введена в действие в середине 2002 г. [5]. Эта система развернута в сотрудничестве с министерством энергетики США и ведущими предприятиями и предполагает установку компактных СИ качества электроэнергии более чем в 50 000 контрольных точках США и Канады. Основанная на web-технологии система I-Grid предназначена для представления информации на локальном и общенациональном уровне. Дешевые приборы-датчики фиксируют ПКЭ и, используя внутренний модем, пересылают их каналами Internet в центральную базу данных. Ряд известных зарубежных фирм, такие как «Хонда», «Боинг» и «Оракл», установили на своих предприятиях крупномасштабные системы мониторинга качества электрической энергии. Заключен 10-летний контракт между энергоснабжающей организацией «Detriot Edison» и большой тройкой автопроизводителей, в котором оговорены допустимые характеристики по качеству электрической энергии и величины штрафов при электроснабжении предприятий автозаводов. НПП «Прорыв» разработало систему мониторинга ПКЭ «Прорыв» [7-11], обеспечивающую непрерывный контроль ПКЭ в режиме реального времени на основе прибора «Прорыв-КЭ» [6] (рис. 1). 
Прибор «ПрорывКЭ» прошел испытания типа СИ, включен в Государственный реестр СИ (сертификат № РОСС RU.АЯ46.В64592 от 23.09.2003) и имеет следующие технические характеристики. Класс прибора по электробезопасности II Интервал накопления информации 30 сут. Наработка на отказ не менее 10000 ч. Интерфейс RS 485/232 Габаритные размеры 110 мм х 150 мм х 35 мм Рабочая температура от -40 до +50 oС Во всeм рабочем диапазоне температур прибор не имеет дополнительной температурной погрешности. Поверка прибора осуществляется стандартными калибраторами типа Ресурс-К2, включенными в Госреестр СИ РФ.
Прибор обеспечивает измерение следующих ПКЭ: установившееся отклонение напряжения, δUy; отклонение частоты, Δf; коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, Ku; коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения, KU(n); коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности, K2U; коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности, K0U; глубина провала напряжения, δUп; длительность провала напряжения, Δtп; коэффициент временного перенапряжения, KперU; длительность временного перенапряжения, ΔtперU; среднеквадратичное значение тока, I; коэффициент искажения синусоидальности тока, KI; коэффициент n-ой гармонической составляющей тока, KI(n); коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности, K2I; коэффициент несимметрии токов по нулевой последовательности, K0I.Окно просмотра: 1 — контроль соответствия показателей качества электроэнергии диапазону допустимых значений; 2 — анализ информации; 3 — мониторинг состояния в контрольных точках системы, в том числе угрозы возникновения пожара; 4 — интерфейс web-браузера с указанием месторасположения прибора. Визуализация событий — согласно ГОСТ 13109 и РД 153-34.0-15.501-00. Характеристика событий — согласно ГОСТ 13109 и IEEE 1159.1: снижение, повышение, минимальное, максимальное значение напряжения, прерывание.
Синхронизация времени основана на SNTP временном протоколе. Нижний уровень содержит приборы «Прорыв-КЭ», установленные в контрольных точках заданной территории (предприятия). Технические характеристики прибора приведены выше. Средний уровень включает устройства сбора и передачи данных (УСПД) на базе промышленных контроллеров. Инструментальные средства УСПД позволяют непрерывно опрашивать приборы «Прорыв-КЭ», визуально отображать данные (включая графики изменения параметров качества электрической энергии во времени, осциллограммы напряжений) и дают возможность создания отчетов в графическом виде и наблюдения событий в электросети в реальном масштабе времени. Синхронизация времени осуществляется через NTP (протокол, обеспечивающий отсчет времени в сети Internet c точностью до нескольких миллисекунд на основе использования атомных часов) или с помощью опции GPS (глобальная система навигации и определения положения). Предупреждения и сообщения посылаются через электронную почту, пейджер или дополнительный адаптер.
Верхний уровень обеспечивает построение централизованной системы с мониторингом показателей качества электроэнергии в режиме реального времени на всей территории и реализует следующие возможности: архивирование всей собираемой информации; классификация событий в электрической сети по международному стандарту IEEE 1159 или согласно требованиям пользователя для последующего их анализа;круглосуточный и многопользовательский доступ к информации из любой точки мира; совместимость с типичным программным обеспечением пользователя; совместимость платформы и программного обеспечения с западными аналогами; защита от сбоев и контроль функционирования системы, в том числе с помощью встроенного датчика температуры прибора «Прорыв-КЭ», мониторинг температуры до 85 оC (тепловая инерция корпуса ~30 с) с выдачей информации об угрозе возникновения пожара.
Система имеет дополнительные возможности расширения в ходе эксплуатации, в том числе организации доступа к УСПД по каналам GSM и каналам радиосвязи. Дополнение системы новыми средствами измерения (модули анализа данных) позволит: автоматически обнаруживать провалы электрического напряжения и определять направление их распространения; идентифицировать источник и место возникновения дефектов линии и вычислять расстояние от контрольной точки до дефекта; измерять импульсные напряжения с передачей информации на УСПД, производить измерение и запись по токовым каналам следующей информации: среднеквадратическое значение тока; расчет активной и реактивной мощности и угла сдвига фаз; расчет коэффициента n-й гармонической составляющей тока с 1-й по 40-ю с последующей передачей информации через УСПД на центральный сервер для поиска источника помех. Реализация дополнительного расширения системы позволит предотвращать аварии и минимизировать последствия инцидентов, идентифицировать источник нарушения допустимого уровня ПКЭ, значительно снизить технические и коммерческие потери энергоснабжающих организаций и потребителей, обеспечить нормативные параметры качества электроэнергии согласно требованиям технического регламента по электромагнитной совместимости. Функциональная схема территориальной системы мониторинга показателей качества электроэнергии «Прорыв» представлена на рис. 3.
В данной системе средства измерения – приборы «Прорыв-КЭ» содержат ПО для измерения восьми показателей качества электроэнергии и передачи полученных результатов на УСПД по интерфейсу RS 485 с использованием протокола MODBUS-RTU. УСПД представляет собой промышленный компьютер, предназначенный для работы в жесткой электромагнитной обстановке и широком диапазоне температур. Базовое ПО, использованное в УСПД, – OCPB QNX4.25, имеет сертификат Гостехкомиссии РФ об отсутствии недекларированных возможностей. В качестве базового ПО может быть использована ОС из семейства LINUX. Для упрощения доступа к накопленной информации использована web-технология.
Модуль сбора (рис. 3) осуществляет опрос всех подключенных приборов «Прорыв-КЭ» и запись полученной от них информации в таблицы SQL-сервера (My SQL). В интернет/интранет пространстве УСПД имеет фиксированный IP-номер, и при обращении к нему средствами web-браузера пользователь получает всю необходимую информацию. Таким образом, не требуется установка дополнительного ПО на стороне пользователя. В случае необходимости полученная информация может быть зашифрована и предоставлена только после прохождения авторизации пользователем. В стандартном варианте УСПД сохраняет информацию в течение одного месяца с 32 приборов «Прорыв-КЭ». Для более длительного накопления и хранения информации, ее архивирования и более детальной обработки система содержит сервер. В отличие от УСПД сервер может размещаться в любом месте предприятия.
В нем использован более мощный SQL-сервер FireBird, созданный на базе Interbase фирмы Borland. ПО сервера может быть дополнено специальными программами, реализующими дополнительные возможности обработки данных, например, поиск источника помех. Разработанная система мониторинга показателей качества электроэнергии может встраиваться и работать в составе автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ). Таким образом, использование web-технологии позволяет получать информацию в режиме реального времени вне зависимости от средств связи (локальная сеть, телефонная линия, GSM и т.п.). Территориальная система технического контроля в режиме реального времени показателей качества электроэнергии нужна и поставщикам, и потребителям электроэнергии.
Так, сертифицируемые показатели качества электроэнергии — отклонение напряжения и отклонение частоты в контрольных точках распределительной сети — находятся в оперативном управлении диспетчерского персонала поставщика электроэнергии. Непрерывные измерения показателей качества электроэнергии в контрольных точках распределительной сети будут лежать в основе управления качеством электроэнергии и позволят поставщику определять требования к конкретным потребителям.
Система даст возможность осуществлять непрерывный контроль за техническим состоянием силового оборудования, контуров заземления, состояния изоляции, зануления, установившимся режимом работы распределительной сети, а также непрерывный контроль работы релейной защиты и автоматики, систем гарантированного энергоснабжения, грозозащиты и отключающих устройств. Потребители будут информированы об аварийных событиях, таких как короткие замыкания, провалы и перенапряжения, угроза возникновения пожара. Внедрение системы обеспечит реализацию права потребителя на получение электроэнергии надлежащего качества путем корректного составления договора на энергоснабжение в части качества электроэнергии и последующего контроля за соблюдением договорных условий, в результате функционирования системы появится доказательная база для эффективного страхования от опасных событий в электросети жизни и здоровья граждан, имущества физических и юридических лиц, муниципального и государственного имущества и окружающей среды, будут оптимизированы режимы энергопотребления предприятия с учетом требований качества электроэнергии.
По сути, пользователями этой информационной системы могут быть предприятия России любых форм собственности и частные лица, располагающие дорогостоящим оборудованием, ресурс и технические параметры которого, безусловно, зависят от качества электроэнергии. Пользователи системы будут иметь постоянную возможность получения технического заключения по качеству электроэнергии и протоколов независимой и компетентной организации — органа по сертификации электрической энергии и испытательной лаборатории, которые будут иметь юридическую силу при рассмотрении исков в арбитражных судах РФ в соответствии с Законом «O техническом регулировании». Предварительный расчет стоимости системы, состоящей из 5 или 32 приборов «Прорыв-КЭ», работающих на одно УСПД, показывает, как меняется приведенная стоимость прибора в системе (равная сумме затрат, деленной на число приборов в системе) в зависимости от числа приборов в системе. В системе, состоящей из 5 приборов, приведенная стоимость равна 3256 евро, при увеличении числа приборов до 32, работающих в системе на один УСПД, приведенная стоимость падает более чем в два раза — до 1538 евро. Окупаемость системы определяется:
• сокращением затрат на ремонт и замену оборудования, вышедшего из строя по причине систематических неконтролируемых событий в сети электропитания;
• возмещением исков поставщиками электроэнергии за поставку некачественной электроэнергии;
• возмещением страховых случаев по событиям в электросети;
• отсутствием потерь, связанных с браком выпускаемой продукции, вызванным плохим качеством электроэнергии.
Добавить комментарий