Введение к работе
Актуальность темы.
Реформирование электроэнергетического комплекса Российской Федерации, запуск конкурентного рынка электроэнергии, формирование новой системы отношений как непосредственно между предприятиями электроэнергетики, так и между предприятиями и потребителями электрической энергии выдвигают в число важнейших проблем обеспечение качественного планирования и прогнозирования электропотребления. Субъекту оптового рынка электроэнергии необходимо спрогнозировать свое потребление, чтобы вложиться в заданный коммерческим оператором график планового почасового потребления или торговый график.
Фактором, влияющим на точность планирования и прогнозирования электропотребления, является наличие у потребителя современных автоматизированных информационно-измерительных системами коммерческого и технического учета (АИИСКУЭ и АСТУЭ), которые соответствуют существующим требованиям оптового рынка (НОРЭМ) и розничного рынка электроэнергии. При этом АИИС КУЭ позволяет вести расчеты на оптовом и розничном рынке, а АСТУЭ является дополнительной системой контроля работы АИИС КУЭ, а так же - поставщиком данных для составления прогнозов электропотребления.
Еще одним фактором, также влияющими на достоверность данных, полученных от систем АИИС КУЭ и АСТУЭ, являются использование элементов информационно -измерительных каналов с высоким классом точности, а также учет электромагнитной обстановки энергообъекта, на котором размещается система учета электроэнергии, поскольку в состав таких систем входит микропроцессорная аппаратура (МПА).
В вопросах теории и практики оценки ЭМО и ЭМС большой вклад внесли Е.С. Колечипкий, Ш.И. Лутидзе, А.И.ПІваб, М.К. Костин, А.Ф.Дьяков, Г.Г. Пучков, В.В. Бургсдорф, А.И. Якобе, Ю.В. Целебровский, В.Т. Черемисин, В.Г.Сальников, Н.Н. Лизалек и др. В последнее время появилось много публикаций и нормативных документов на эту тему. Активно работают в этом направлении Московская фирма 000«ЭЗОП» - «Электроэнергетика. Защита от помех» (к.ф.-м.н. М.В.Матвеев; к.т.н. В.Х. Ишкин и др.), НПФ ЭЛНАП (к.т.н. Р.К. Борисов) и др.
Оборудование АИИС КУЭ и АСТУЭ на протяжении всего срока службы подвергается электромагнитным воздействиям разного вида, возникающим при коротких замыканиях, переключениях первичного оборудования, ударах молнии, коммутациях во вторичных цепях, работе высокочастотной связи разного назначения и т.п. Приведенный ОАО «ФСК ЕЭС» анализ результатов обследования 100 действующих подстанций ФСК, показал, что в большинстве случаев электромагнитная обстановка (ЭМО) крайне неблагоприятна. Из-за такого состояния ЭМО до 15% случаев повреждения или неправильного функционирования вторичного оборудования обусловлены невыполнением условий электромагнитной совместимости (ЭМС). Причем анализ проводился для объектов, на которых установлено лишь около 3% микропроцессорных устройств от всех устройств.
Ситуация осложняется тем, что сегодня повышается вероятность воздействия на МПА опасных уровней электромагнитных помех. Во-первых, рост мощности энергосистем, особенно в крупных городах и промышленных центрах, сопровождается возрастанием величин токов короткого замыкания. Протекание тока КЗ - один из наиболее опасных источников разностей потенциалов, приложенных вдоль трасс прокладки вторичных цепей, а также магнитных полей, воздействующих непосредственно на МПА. Во-вторых, сегодня все большее распространение получают компактные компоновки энергообъектов, что связано с высокой стоимостью свободной земли в крупных городах и промышленных центрах. Такая компактность часто приводит к тому, что источники помех (первичное
оборудование, элементы системы молниезащиты и т.п.) оказываются приближенными к местам размещения МПА. В-третьих, очень часто современное оборудование внедряется на объектах, существенная часть территории которых не подвергается реконструкции, например, необходимость размещения оборудования АИИС КУЭ (трансформаторов тока и напряжения, микропроцессорных счетчиков и информационно-вычислительных комплексов) в непосредственной близости от существующего оборудования. В подобной ситуации микропроцессорная аппаратура размещается на объекте, спроектированном без учета требований ЭМС, причем возможности для его реконструкции минимальны. Похожая ситуация складывается в случаях поэтапной реконструкции действующих объектов, достройки дополнительных ячеек и распределительных устройств и т.п.
Следует отметить общую тенденцию снижения качества выполнения проектных и монтажных работ в части слабой организации работ по обеспечению электромагнитной совместимости в рамках единого процесса проектирования, строительства и приемки в эксплуатацию, а также не до конца проработанной методической поддержки на уровне нормативной и технической документации.
Таким образом, совершенствование структуры измерительных систем электростанций и подстанций, а именно: выбор мест установки основного оборудования, маршрутов трасс прокладки вторичных цепей и выбор схем заземляющих устройств с учетом сложившейся на энергообъектах электромагнитной обстановки - является актуальной для повышения точности и достоверности данных об электроэнергии и мощности.
Объектом исследования являются измерительные комплексы микропроцессорных систем измерения.
Предмет исследования - индуктивные электромагнитные помехи во вторичных цепях измерительных систем электростанций и подстанций.
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии. Работа выполнялась в соответствии с Федеральной целевой программой «Энергоэффективная экономика на 2002 - 2005 гг. и на перспективу до 2010 г.», утвержденной постановлением Правительства РФ №796 от 17 ноября 2001 г. и с научной целевой комплексной темой ФГОУ ВПО «НГАВТ» (Гос.регистр №0188.0004137), раздел «Повышение уровней электромагнитной совместимости технических средств в региональных электроэнергетических системах», с основными направлениями научных исследований этой академии на 2007 - 2010 гг. (раздел 1.10 «Разработка мероприятий и технологий по модернизации систем теплоэлектроснабжения объектов России»).
Цель работы - совершенствование механизмов подавления индуктивных электромагнитных помех во вторичных цепях измерительных систем электростанций и подстанций с учетом сложившейся на энергообъектах электромагнитной обстановки в части выбора мест установки основного оборудования, определения маршрутов трасс прокладки вторичных цепей и выбора схем заземляющих устройств.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
проанализировать и экспериментально оценить влияние наводимых электромагнитных помех на микропроцессорную аппаратуру и вторичные цепи АИИС КУЭ и АСТУЭ, создаваемые на действующих энергообъектах в условиях сложной электромагнитной обстановки;
разработать рекомендации для проектирования, позволяющие как на вновь
строящихся подстанциях, так и на уже действующих повысить точность измерений и снизить погрешность информационно-измерительных каналов АИИС КУЭ и АСТУЭ за счет применения современных решений цифровых технологий и снижения влияния электромагнитных помех на микропроцессорную аппаратуру и вторичные цепи измерительных каналов;
разработать модели адаптивной системы оперативного прогноза электропотребления предприятия на НОРЭМ на базе нейронных сетей, обеспечивающую выполнение требований оптового рынка по исполнению торгового графика электроэнергии;
оценить экономическую эффективность совершенствования системы контроля и учета электроэнергии субъектов оптового и розничного рынков.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использовались как теоретические, так и экспериментальные методы. Теоретические исследования выполнялись с применением фундаментальных положений теоретических основ электротехники, цифровых и динамических систем, методов математического моделирования с использованием пакета MathLab. Обработка экспериментальных данных выполнялась с привлечением нейронных сетей и регрессионного анализа.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: выбранными методами исследований, общепринятыми уровнями допущений при математическом описании явлений; обоснованностью исходных посылок, вытекающих из фундаментальных законов естественных наук; достаточным объемом выполненных исследований.
Научная новизна.
Усовершенствованы рекомендации по проектированию системы защиты элементов измерительных каналов от электромагнитных помех, создаваемых высоковольтным оборудованием в части выбора мест размещения элементов АИИС КУЭ и АСТУЭ, и маршрутов трасс прокладки вторичных цепей на энергообъектах.
Предложены рекомендации по выбору точек заземления вторичных цепей с учетом размещения высоковольтного оборудования на подстанции для снижения влияния электромагнитных помех.
Предложен метод выравнивания потенциалов на заземляющем устройстве в зонах размещения микропроцессорного оборудования с помощью электропроводящего бетона (бегала).
Разработана математическая модель измерительного канала, позволяющая определить в условиях наведенных электромагнитных помех на вторичные цепи информационно-измерительных каналов как исключаемую систематическую составляющую, так и случайную составляющую погрешности измерения электроэнергии и мощности.
Разработана математическая модель оперативного прогнозирования графика нагрузки для работы на рынках электроэнергии на базе регрессионной модели с использованием нейронных сетей.
Разработана методика оптимизации графика нагрузки электропотребления крупного потребителя, обеспечивающая минимизацию штрафных санкций при работе на оптовом и розничном рынках электроэнергии.
Практическая ценность работы.
Предложенные рекомендации по проектированию АИИС КУЭ и АСТУЭ по защите вторичных цепей от электромагнитных помех и схемы заземления элементов системы обеспечивают снижение погрешности измерения электроэнергии и позволяют повысить точность и достоверность данных измерений.
Выравнивание потенциалов на заземляющем устройстве в зоне размещения микропроцессорной аппаратуры с помощью электропроводящего бетона позволяет улучшить электромагнитную обстановку на энергообъекте предприятия.
Предложен метод повышения точности измерений электроэнергии и мощности за счет определения и компенсации исключаемой систематической погрешности измерения информационно-измерительного канала.
Предложенная математическая модель оперативного прогнозирования позволяет повысить эффективность работы на оптовом и розничном рынках электроэнергии, а также снизить затраты на штрафные санкции, связанные с невыполнением принятого графика нагрузки.
К защите представляются:
рекомендации по проектированию систем измерения электроэнергии, позволяющие повысить эффективность защиты микропроцессорной аппаратуры и вторичных цепей измерительных каналов от электромагнитных помех;
метод выравнивания потенциалов на заземляющем устройстве в зоне размещения
микропроцессорной аппаратуры с использованием электропроводящего бетона;
математическая модель информационно-измерительного канала, позволяющая повысить точность измерения электроэнергии и мощности за счет выделения исключаемой систематической погрешности измерения;
математическая модель оперативного прогнозирования графика нагрузки электроэнергии для работы потребителя - субъекта оптового рынка электроэнергии и мощности.
Реализация результатов работы. Рекомендации по совершенствованию механизмов подавления индуктивных электромагнитных помех во вторичных цепях измерительных систем были использованы при проектировании, модернизации и строительстве информационно-измерительных каналов АИИС КУЭ на подстанциях 110/35/10 кВ ОАО «РЖ» по Западно-Сибирской железной дороге, АСТУЭ НПС ОАО «Транснефть» и ОАО «Искитимцемент».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на междунар. науч.-тех. конф. «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Новосибирск, 2002); междунар. науч.-тех. конф. работников ВУЗов и предприятий (Новосибирск, 2003); науч.-техн. семинарах и конференциях «Новосибирской гос. академии водного транспорта» (2002 - 2009).
Публикации. Результаты исследований отражены в 9 научных трудах, в том числе -семи статей, одна из которых - в издании, входящем в перечень, утвержденный ВАК РФ; 2-х учебных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 179 наименований и 5 приложений. Общий объем диссертации 256 с, в том числе 79 рисунков, 37 таблицы.
