Для оценки и управления качеством электрической энергии используются количественные характеристики единичных свойств качества электрической энергии – показатели качества электрической энергии. Каждое из свойств может характеризоваться несколькими показателями качества электрической энергии. Требуемое качество регламентируется нормативными значениями показателей (с учетом требований, определяющих пригодность электрической энергии для нормальной работы ЭС). При этом учитываются возможности режимной управляемости ЭС.
Показатели качества электрической энергии могут выражаться в физических единицах измерения (например, вольт, герц) или условных единицах измерения (процент отклонения от регламентируемого стандарта), а также быть безразмерными (вероятность наступления ожидаемого события). Обычно они задаются в виде интервала (допустимого диапазона изменения значений контролируемой величины), в котором контролируемая величина должна находиться с вероятностью не менее заданной. Допустимые интервалы (нормально допустимые и предельно допустимые), а также вероятности, с которыми в этих интервалах будут находиться контролируемые величины, зависят от нагрузки в ЭС (минимальная она или максимальная).
На рис.1 показано соотношение комплексного свойства качества электрической энергии с его единичными свойствами и показателями качества электрической энергии, характеризующими каждое из единичных своств.
По единичным свойствам показатели распределяются следующим образом.
Показатели единичного свойства напряжение:
- установившееся отклонение напряжения;
- размах изменения напряжения;
- доза фликера;
- длительность провала напряжения;
- импульсное напряжение;
- коэффициент временного перенапряжения.
Показатели единичного свойства синусоидальность напряжения:
- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;
- коэффициент n – ой гармонической составляющей напряжения.
Показатели единичного свойства симметрия трехфазной системы напряжений:
- коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;
- коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности.
Показатели единичного свойства частота:
- отклонение частоты.
С 1 июля 2014 года был введен в действие ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.» в качестве национального стандарта Российской федерации.
Рис. 1 Показатели качества электрической энергии в соответствии с ГОСТ 13109-97.
На рис.2 показано в соответствии ГОСТ 32144-2013 соотношение комплексного свойства качество электрической энергии с его единичными свойствами и показателями качества электрической энергии, характеризующими каждое из единичных свойств. При введении этого ГОСТа часть показателей качества электрической энергии остались такими же как и в ГОСТ 13109-97 (например, отклонение частоты). На рис. 1 и рис. 2 они отмечены (I). Некоторые показатели изменили свое название (например, коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения изменил название на значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения). На рис. 1 и рис. 2 они отмечены (II). Некоторые не были включены (например, импульсное напряжение). На рис. 1 они отмечены (III). Были введены и новые (например, длительность прерывания напряжения), на рис. 2 отмечены (IV). Есть также и показатели, которые находятся в стадии доработки (например, допустимые уровни напряжения сигналов, передаваемых по электрическим сетям), на рис. 2 отмечены (V).
Иным стал допустимый диапазон изменения значений для отдельных показателей качества электрической энергии. Например, для показателей, относящихся к медленным изменениям напряжения, отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии в соответствии с ГОСТ 32144-2013 не должны превышать 10 % номинального (или согласованного) напряжения (в течение 100 % времени интервала в одну неделю), а в ГОСТ 13109-97 нормально допустимые (от -5 % до +5 %) и предельно допустимые (от -10 % до +10 %) значения отклонений от установившегося напряжения соответственно для часов минимума и максимума нагрузок в ЭС.
Расширение диапазона допустимых отклонений напряжения в соответствии с ГОСТ32144-2013 снижает требования к качеству поставляемой электрической энергии. Кроме того, этим стандартом снимается ответственность за качество электрической энергии у (на зажимах) конечных электроприемников.
Причины снижения качества электрической энергии могут быть как со стороны энергоснабжающей организации, так и по вине потребителей. К числу причин, снижающих качество электрической энергии со стороны ЭС следует, например, отнести нарушение топливоснабжения ТЭС и снижение водообеспеченности ГЭС. Например, снижение частоты и веерные отключений потребителей электрической энергии на Украине зимой в 2014 г. были из-за отсутствия денежных средств для оплаты договора на поставку топлива на территорию страны.
Основной вклад в снижение качества электрической энергии в современных ЭС вносят потребители, вызывающие несимметрию, несинусоидальность и колебания напряжения. Увеличение количества электроприемников с нелинейным и несимметричным характером нагрузок, повышение их установленной мощности сделали искаженные режимы характерной и неотъемлемой чертой работы ЭС России.. Наибольшее снижение качества электрической энергии наблюдается в сетях, питающих электрифицированную железную дорогу неременного тока, алюминивые заводы и крупные металлургические предприятия.
Действие факторов, снижающих качество электрической энергии, является объективной реальностью и может быть лишь уменьшено (доведено
Рис. 2.3. Показатели качества электрической энергии в соответствии с ГОСТ 32144-2013.
до установленной нормы) за счет соответствующих целенаправленных действий, но не устранено полностью (например, из-за ограниченных возможностей режимной управляемости ЭС). Поэтому абсолютное (100% -ное) качество электрической энергии не может быть достигнуто а, отклонения (даже в пределах допустимых значений), будут оказывать отрицательное влияние на потребителей электрической энергии.
Компенсация действия факторов, снижающих качество электрической энергии, достигается в результате: выбора соответствующей «конструкции» ЭС (наличие синхронных компенсаторов, батарей конденсаторов и др.); повышения надежности и улучшения конструктивных и технических характеристик оборудования (например, маневренности ‒ для генерирующих агрегатов); резервирования во всех звеньях системы (производство, преобразование, передача и распределение электроэнергии, система управления); выбора структуры и параметров средств управления системой; улучшения организации эксплуатации ЭС.
Кроме того, обеспечение эффективного экономического и административного влияния на работу инженерно-технического персонала позволяет существенно улучшить показатели качества электрической энергии. Например, в период с 1976 по 1985 г. включительно продолжительность работы ЕЭС СССР с частотой ниже минимально допустимой по ГОСТ 13109-67 составляла около 5000–7000 ч/год. При этом весьма значительным оказывался «скрытый» (за счет понижения частоты) недоотпуск электроэнергии; ежегодный экономический ущерб в результате работы потребителей с пониженной частотой оценивался многими сотнями тысяч рублей. Как следствие это приводило к резкому снижению энергоэффективности ЭС. Решение министра энергетики и электрификации СССР, принятое в начале 1986 г. (в том числе по изменению условий премирования эксплуатационного персонала), показало, что ситуация может быть изменена и поддержание частоты в ЕЭС в пределах, регламентируемых ГОСТ 13109-67, может быть обеспечено при тех же установленных мощностях.
За последние 15 лет (благодаря системному подходу к решению задачи повышения качества регулирования частоты в ЕЭС) отсутствуют нарушения требований стандарта по показателю отклонения частоты.
На рис. 3 показана взаимосвязь средств обеспечения качества электрической энергии, единичных свойств качества электрической энергии и показателей качества электрической энергии.
Рис. 3 Взаимосвязь средств обеспечения качества электрической энергии, единичных свойств качества электрической энергии и показателей качества электрической энергии