Введение

Измерение параметров мощности. Качество электроэнергии – это степень соответствия напряжения, частоты и формы волны системы электроснабжения установленным требованиям. Хорошее качество электроэнергии можно определить как стабильное напряжение питания, остающееся в пределах допустимого диапазона, стабильную частоту переменного тока, близкую к номинальному значению, и плавную форму волны напряжения (напоминающую синусоиду). В целом, целесообразно рассматривать качество электроэнергии как совместимость между тем, что поступает из электрической розетки, и подключенной к ней нагрузкой. Этот термин используется для описания электроэнергии, питающей электрическое устройство, и способности этого устройства функционировать правильно. Без надлежащего электропитания электрическое устройство (или нагрузка) может работать некорректно, преждевременно выйти из строя или вообще не работать. Существует множество факторов, влияющих на качество электроэнергии, и множество причин, вызывающих его ухудшение. Электроэнергетическая отрасль включает в себя производство электроэнергии (переменного тока), передачу и распределение электроэнергии до электросчетчика, расположенного в помещении конечного потребителя. Затем электроэнергия проходит по электропроводке потребителя до нагрузки. Сложность системы передачи электрической энергии от точки производства до точки потребления, в сочетании с изменениями погодных условий, объемов производства, спроса и других факторов, создает множество возможностей для ухудшения качества электроснабжения. Хотя термин "качество мощности" удобен для многих, он фактически описывает качество напряжения, а не мощности или тока. Мощность – это просто поток энергии, а потребляемый нагрузкой ток в значительной степени неконтролируем.

Введение

Качество электроэнергии может быть описано как набор значений параметров, таких как:

Непрерывность электроснабжения (подвержена ли электроэнергия провалам или превышениям напряжения ниже или выше порогового уровня, вызывающим отключения или понижение напряжения)
Изменение величины напряжения (см. ниже)
Импульсные напряжения и токи
Гармонический состав формы волны переменного тока

Часто полезно рассматривать качество электроэнергии как проблему совместимости: совместимо ли подключенное к сети оборудование с событиями, происходящими в сети, и совместима ли электроэнергия, поставляемая сетью, включая эти события, с подключенным оборудованием? Проблемы совместимости всегда имеют как минимум два решения: в данном случае, либо улучшить качество электроэнергии, либо повысить устойчивость оборудования. Чувствительность оборудования для обработки данных к колебаниям напряжения часто характеризуется кривой CBEMA, которая определяет допустимую длительность и величину этих колебаний. В идеале переменное напряжение должно подаваться электросетью в виде синусоиды с амплитудой и частотой, установленными национальными стандартами (для электросети) или спецификациями системы (для питания, не подключенного непосредственно к электросети), при импедансе, равном нулю на всех частотах.

Напряжение

Изменения в пиковом или среднеквадратичном (RMS) напряжении важны для различных типов оборудования. Когда напряжение RMS превышает номинальное на 10–80% в течение 0,5 цикла до 1 минуты, это событие называется "повышением напряжения". "Провал" (в британском английском) или "провалом" (в американском английском эти два термина эквивалентны) является противоположной ситуацией: напряжение RMS ниже номинального на 10–90% в течение 0,5 цикла до 1 минуты. Случайные или повторяющиеся изменения напряжения RMS в пределах от 90 до 110% номинального могут вызывать явление, известное как "мерцание" в осветительном оборудовании. Мерцание – это быстрые видимые изменения уровня освещенности. Определение характеристик колебаний напряжения, вызывающих нежелательное мерцание света, является предметом продолжающихся исследований. Внезапные, очень кратковременные увеличения напряжения, называемые "импульсами", "скачками" или "перенапряжениями", обычно вызываются включением больших индуктивных нагрузок или, более серьезно, ударами молнии. "Пониженное напряжение" возникает, когда номинальное напряжение падает ниже 90% более чем на 1 минуту. Термин "brownout" (понижение напряжения) точно описывает падение напряжения где-то между полной мощностью (яркий свет) и полным отключением (отсутствие питания – отсутствие света). Это проявляется в заметном или значительном затемнении обычных ламп накаливания во время сбоев в системе или перегрузок и т.д., когда недостаточно мощности для достижения полной яркости в (обычно) бытовом освещении. Этот термин в обычном употреблении не имеет формального определения, но обычно используется для описания снижения напряжения системой энергоснабжения или оператором системы для снижения спроса или увеличения запаса прочности системы. "Повышенное напряжение" возникает, когда номинальное напряжение поднимается выше 110% более чем на 1 минуту. Для компенсации последовательного провала напряжения используются динамический регулятор напряжения (DVR) и статический синхронный последовательный компенсатор (SSSC). Защитное устройство от перенапряжений, простой конденсатор или варистор могут защитить от большинства условий повышенного напряжения, а молниеотвод защищает от сильных импульсов. Электронные фильтры могут устранять гармоники.

Интеллектуальные сети и качество электроэнергии

Современные системы используют датчики, называемые фазорными измерительными блоками (PMU), распределенные по всей сети для мониторинга качества электроэнергии и, в некоторых случаях, автоматической реакции на изменения. Использование таких возможностей "умных" сетей, как быстрое обнаружение и автоматическое самовосстановление аномалий в сети, позволяет повысить качество электроэнергии и сократить время простоя, одновременно поддерживая электроснабжение от непостоянных и распределенных источников генерации, которые без надлежащего контроля могут ухудшить качество электроэнергии.

Алгоритм сжатия

Алгоритм сжатия качества электроэнергии — это алгоритм, используемый при анализе качества электроэнергии. Для обеспечения электроснабжения высокого качества необходимо контролировать качество электрических сигналов, также называемое качеством электроэнергии (PQ), в различных точках электрической сети. Электроэнергетические компании постоянно и тщательно отслеживают формы волн и токи в различных узлах сети, чтобы понять причины любых непредвиденных событий, таких как перебои в электроснабжении и масштабные отключения. Это особенно важно на объектах, где под угрозой находятся окружающая среда и общественная безопасность (например, больницы, очистные сооружения, шахты и т.д.).

Сжатие исходных данных

Nisenblat et al. предлагает идею алгоритма сжатия качества электроэнергии (подобного методам сжатия с потерями), который позволяет счетчикам непрерывно сохранять форму волны одного или нескольких сигналов электроэнергии, независимо от того, было ли зафиксировано событие, представляющее интерес. Этот алгоритм, известный как PQZip, обеспечивает процессор памятью, достаточной для хранения формы волны в нормальных условиях электроснабжения в течение длительного периода времени – не менее месяца, двух месяцев или даже года. Сжатие выполняется в реальном времени по мере поступления сигналов; решение о сжатии принимается до получения всех сжатых данных. Например, если один параметр остается постоянным, а другие изменяются, решение о сжатии сохраняет только релевантную информацию из постоянных данных и все данные об изменениях. Затем алгоритм раскладывает форму волны сигнала электроэнергии на множество компонентов в различные периоды волны. Процесс завершается сжатием значений как минимум некоторых из этих компонентов для разных периодов по отдельности. Этот алгоритм сжатия в реальном времени, выполняемый независимо от дискретизации, предотвращает пропуски в данных и обеспечивает типичное соотношение сжатия 1000:1.

Сжатие агрегированных данных

Типичной функцией анализатора мощности является создание архива данных, агрегированных за заданный интервал времени. Чаще всего используются интервалы в 10 или 1 минуту, как это предписано стандартами IEC/IEEE PQ. В процессе работы такого прибора создаются архивы значительного объема. Как показали Краус и другие, коэффициент сжатия таких архивов с использованием алгоритма Lempel–Ziv–Markov chain, bzip или других подобных алгоритмов сжатия без потерь может быть весьма существенным. Эффективность последующего сжатия обычно дополнительно повышается за счет применения методов прогнозирования и моделирования к сохраненным временным рядам в архиве данных по качеству электроэнергии. Эта комбинация простых методов позволяет экономить как на хранении данных, так и на процессах их сбора.