Рисунок 1 – Титульные листы национальных стандартов
Автор: Ю. Н. Балаков
Источник: Энергобезопасность и энергосбережение № 4, 2009
В 2008 г. Международной электротехнической комиссией (МЭК) опубликованы два основополагающих документа, относящихся к вопросам качества электрической энергии (КЭ), – Международный стандарт МЭК 61000-4-30:2008 (2-е изд.) [1] и Изменение 1 (2008 г.) Mеждународного стандарта МЭК 61000-4-7: 2002 (2-е изд.) [2]. Публикация данных документов свидетельствует о повышенном внимании за рубежом к проблемам качества электрической энергии, а также о том, что специалисты многих стран, участвующие в работе технического комитета ТК 77 МЭК, выработали согласованные требования к составу показателей КЭ, точности их измерений, методам измерений, характеристикам средств измерений, оценке КЭ по результатам измерений, организации мониторинга КЭ.
О важности данных международных стандартов свидетельствует проводимый в настоящее время с их учетом пересмотр европейского стандарта ЕН 50160:2007 [3], устанавливающего нормы КЭ в странах ЕС.
Естественно, что при решении проблем обеспечения КЭ в Российской Федерации положения, относящиеся к данной проблеме, принятые на международном уровне, должны быть учтены. Для их учета в 2008 г. были разработаны на основе вышеуказанных стандартов МЭК, утверждены и в настоящее время издаются национальные стандарты ГОСТ Р 51317.4.30–2008 (МЭК 61000-4-30:2008) и ГОСТ Р 51317.4.7–2008 (МЭК 61000-4-7:2002). Разработка стандартов проведена ЗАО Научно-испытательный центр САМТЭС
, ФГУП ВНИИМ им. Д. И. Менделеева
, ФГУП ВНИИМС
и ТК 30. Данные стандарты вводятся в действие с 1 января 2010 г. Титульные листы стандартов приведены на рис. 1.
Рисунок 1 – Титульные листы национальных стандартов
Известно, что в Российской Федерации действует межгосударственный стандарт в области КЭ – ГОСТ 13109–97 [4]. ГОСТ 13109–97 является единственным в стране нормативным документом, устанавливающим основные положения в этой области. Однако он разработан более 10 лет назад и нуждается в пересмотре для учета требований международных стандартов. Пересмотр ГОСТ 13109–97 предусмотрен Программой национальной стандартизации и должен быть проведен в 2009 – 2010 гг. Целесообразно, чтобы новый национальный стандарт был введен взамен ГОСТ 13109–97 одновременно с ведением нового европейского стандарта ЕН 50160:2009, устанавливающего нормы КЭ, документ в настоящее время находится на разработке.
Сложившаяся ситуация требует проведения детального сравнительного анализа применяемой в Российской Федерации системы показателей КЭ, норм и методов измерений и контроля и положений международных и европейских стандартов с тем, чтобы обоснованно определить направления работ в данной важной области.
В этой связи целью настоящей статьи является краткий анализ основных положений ГОСТ Р 51317.4.30–2008 и ГОСТ Р 51317.4.7–2008, их отличий от положений, применяемых в настоящее время в Российской Федерации, и значения данных стандартов для работ по оценке и мониторингу качества электрической энергии.
1. Прежде всего необходимо отметить, что в ГОСТ Р 51317.4.30–2008 введены два класса характеристик процесса измерений показателей качества электрической энергии – A и S. Для каждого класса установлены методы измерений различных показателей КЭ и требования к характеристикам средств измерений. Обозначения классов следующие: А (advanced) – повышенного типа; S (survey) – для наблюдений.
Класс А должен применяться при проведении точных измерений, например при проверке соответствия стандартам, устанавливающим нормы КЭ, при выполнении условий договоров, предусматривающих возможность разрешения спорных вопросов путем измерений, и т.д.
Класс S допускается применять при проведении обследований и непрерывного мониторинга, при оценке КЭ с использованием статистических методов, в том числе при ограниченной номенклатуре показателей.
Требования к точности измерений по классу S примерно в пять раз ниже, чем по классу А, в результате чего измерительные приборы, соответствующие классу S, должны иметь меньшую стоимость по сравнению с приборами класса А.
Таким образом, международные стандарты относят наблюдение за качеством электрической энергии, в том числе непрерывный мониторинг, к необходимому аспекту деятельности электросетевых компаний и потребителей электрической энергии.
Для обеспечения непрерывного мониторинга и наблюдений за качеством электрической энергии должны быть разработаны измерительные приборы класса S, которые в настоящее время в Российской Федерации не производятся. Средства измерений показателей КЭ с характеристиками по классу S могут найти широкое применение в практике сетевых организаций и потребителей электрической энергии, если изготовителями будет обеспечена их приемлемая стоимость.
2. Под качеством электрической энергии понимают соответствие характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупности нормированных показателей КЭ. Введение нового стандарта – ГОСТ Р 51317.4.30–2008 потребует внести изменения в состав и характеристики показателей КЭ, измеряемых в настоящее время в соответствии с ГОСТ 13109–97.
Наибольшие различия связаны с показателем отклонения напряжения в электрической сети от номинального значения. В соответствии с ГОСТ 13109–97 отклонение напряжения характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения, под которым понимают отклонение от номинального значения действующего значения напряжения основной частоты. Согласно же ГОСТ Р 51317.4.30–2008 отклонение напряжения характеризуют показателем значения и положительного, и отрицательного отклонений напряжения электропитания, под которыми понимают отклонение от номинального значения действующего значения напряжения, включая гармоники, интергармоники, информационные сигналы в электрических сетях и т.д.
Таким образом, возможны два различных подхода к данному важнейшему показателю КЭ. Каждый из данных подходов имеет свои преимущества и недостатки, которые должны быть проанализированы для того, чтобы принять решение о замене действующего в настоящее время в Российской Федерации показателя КЭ установившееся отклонение напряжения
на новый показатель, применяемый международным сообществом.
Существенные различия между ГОСТ 13109–97 и ГОСТ Р 51317.4.30–2008 имеют место также в отношении показателей искажения синусоидальности напряжения в электрических сетях. В настоящее время в Российской Федерации искажения синусоидальности напряжения характеризуют в соответствии с ГОСТ 13109–97 коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициентами n-й гармонической составляющей напряжения. Данные показатели определяют на основе результатов дискретного преобразования Фурье отсчетов напряжения в измерительном окне, причем в существующих отечественных измерительных приборах учитываются только составляющие спектра на гармонических частотах, кратных основной частоте. Поэтому коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициенты n-й гармонической составляющей напряжения, измеряемые в соответствии с ГОСТ 13109–97, адекватно характеризуют искажения синусоидальности напряжения в электрической сети только в том случае, если сигнал в измерительном окне является периодическим. Однако напряжение в сетях в общем случае представляет собой нестационарный процесс (что практически выражается, например, в колебаниях напряжения и наличии интергармонических составляющих). Результатом нестационарности измеряемого сигнала является передача части энергии от конкретной гармонической составляющей соседним спектральным линиям. Поэтому в ГОСТ Р 51317.4.30–2008 и ГОСТ Р 51317.4.7–2008 введены требования к группированию составляющих спектра на гармонических частотах с соседними спектральными составляющими, отделенными частотным интервалом. Процесс образования гармонических и интергармонических подгрупп напряжения схематично на рис. 2.
Именно гармонические подгруппы и суммарный коэффициент гармонических подгрупп, определяемые по ГОСТ Р 51317.4.7–2008, введены в ГОСТ Р 51317.4.30–2008 в качестве показателей КЭ вместо коэффициента n-й гармонической составляющей и коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, примененных в ГОСТ 13109–97.
Рисунок 2 – Процесс образования гармонических и интергармонических подгрупп
Кроме того, в ГОСТ Р 51317.4.30–2008 установлен ряд показателей КЭ, отсутствующих в ГОСТ 13109–97, в том числе связанных с интергармоническими составляющими напряжения, сигналами, передаваемым по электрическим сетям, провалами напряжения и перенапряжениями; прерываниями напряжения. Следует учитывать, что реальный состав нормируемых показателей КЭ должен быть установлен при разработке национального стандарта взамен ГОСТ 13109–97 и должен учитывать требования нового европейского стандарта ЕН 50160: 2009.
3. Введение ГОСТ Р 51317.4.30–2008 изменяет требования к длительности основного интервала времени измерений показателей КЭ, объединению результатов измерений по времени, неопределенности измерения текущего времени. Новым и весьма важным является требование о маркировании результатов измерений показателей КЭ, если имели место провалы, прерывания напряжения и перенапряжения.
В качестве основного интервала времени при измерениях показателей КЭ, относящихся к напряжению, гармоникам, несимметрии напряжений, в системах электроснабжения частотой 50 Гц должен быть интервал длительностью 10 периодов [т.е. приблизительно 0,2 с (с учетом реального значения частоты)]. Пропуски между интервалами измерения не допускаются. Отечественные приборы, предназначенные для измерений показателей КЭ, этим требованиям не соответствуют, так как для приборов по ГОСТ 13109–97 допускается применение интервалов измерения от 5 до 25 периодов с возможностью пропусков между ними.
Неопределенность измерений показателей КЭ на основных интервалах времени 10 периодов включают в неопределенность измерения каждого показателя КЭ, указываемую в протоколе измерений. Результаты измерений на основных интервалах времени должны быть объединены для получения значений показателей КЭ для трех различных объединенных интервалов времени. Следует отметить, что в ГОСТ 13109–97 операция объединения измеренных значений не вполне корректно названа усреднением
.
Объединенные интервалы в соответствии с ГОСТ Р 51317.4.30–2008 должны быть следующими: 3 с, 10 мин, 2 ч.
Объединенное значение величины на интервале времени 10 минут должно быть связано с текущим временем (включать метку текущего времени). Метка времени должна указывать время окончания 10-минутного интервала. Каждый 10-минутный интервал начинается в момент 10-минутной отметки текущего времени. 10-минутные отметки текущего времени используются также для синхронизации основных интервалов 10 периодов и объединенных интервалов 150 периодов. Отсюда следует, что при оценке напряжения и отклонений напряжения основное значение должно приобрести объединенное значение напряжения на интервале времени 10 минут. Именно применительно к 10-минутным интервалам объединения установлены нормы КЭ в европейском стандарте ЕН 50160. Это существенное отличие от требований ГОСТ 13109–97, в котором в качестве объединенного интервала времени при измерении установившегося отклонения напряжения установлен интервал времени 1 минута. Вместе с тем допускается применять другие объединенные интервалы, например 1 минута. При их использовании метод объединения результатов измерений и порядок их синхронизации с текущим временем должны соответствовать установленному в ГОСТ Р 51317.4.30–2008.
В ГОСТ Р 51317.4.30–2008 установлены весьма жесткие требования к неопределенности измерения текущего времени для измерений по классу А. Значение неопределенности измерений не должно превышать 20 мс. Чтобы выполнить данное требование необходимо будет применять процедуры синхронизации, которые должны периодически проводиться во время измерений с помощью тюнера систем ГЛОНАСС, GPS или путем приема радиосигналов точного времени. Для класса S неопределенность измерения текущего времени не должна превышать ± 5 с за 24 часа. Если синхронизация нарушается из-за потери внешнего сигнала, допустимое отклонение текущего времени при измерениях по классу А должно быть менее 1 с за 24 часа. Отечественные приборы, предназначенные для измерений показателей КЭ, требованиям к неопределенности измерения текущего времени по классу А не соответствуют. Некоторые приборы в этом отношении не соответствуют классу S.
Новым требованием к измерениям показателей КЭ, введенным в ГОСТ Р 51317.4.30–2008, является применение так называемой концепции маркирования. Во время провала напряжения, перенапряжения или прерывания напряжения алгоритм, применяемый при измерении других показателей КЭ (например, частоты), может привести к недостоверному результату. Маркирование результатов измерений позволяет избежать учета единственного события более чем один раз для различных показателей (например, учета единственного провала напряжения как одновременного провала напряжения и отклонения частоты) и показать, что объединенное значение может быть недостоверным. Маркирование проводят только при воздействии провалов напряжения, перенапряжений и прерываний напряжения. Маркирование должно выполняться при проведении измерений с характеристиками классов А и S показателей КЭ, относящихся к частоте, значению напряжения, дозе фликера, несимметрии напряжений, гармоникам и интергармоникам напряжения, напряжениям сигналов передачи данных и при измерениях отрицательного и положительного отклонений напряжения.
4. О требуемой точности измерений показателей КЭ. Представляет интерес сопоставить требования к точности измерений, установленные в ГОСТ Р 51317.4.30–2008 и ГОСТ Р 51317.4.7–2008, с характеристиками отечественных измерительных приборов, соответствующих требованиям ГОСТ 13109–97. Результаты такого сопоставления (применительно к ряду показателей КЭ) показывают, что показатели точности отечественных измерительных приборов превышают требования к точности измерений, установленные для класса S, но не дотягивают
до требований к точности измерений по классу А, как схематично представлено на рис. 3.
Рисунок 3 – Сопастовление требований к точности измерений
Этот вывод подтверждается данными о требованиях к точности измерений по ГОСТ Р 51317.4.30–2008 и ГОСТ 13109–97 четырех показателей КЭ: значения и отклонения (установившегося отклонения) напряжения, значения и отклонения частоты, коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения и коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности, приведенными в табл. 1. Таким образом, изготовителям приборов для измерения показателей КЭ необходимо будет совершенствовать конструкции и программное обеспечение для обеспечения соответствия характеристикам класса А. 5. В целом можно сделать вывод, что в новых национальных стандартах ГОСТ Р 51317.4.30–2008 и ГОСТ Р 51317.4.7–2008 установлены фундаментальные положения, принятые международным сообществом и рекомендуемые для применения в работах по обеспечению КЭ. Ряд положений новых стандартов отличается от положений, действующих в настоящее время в Российской Федерации, основанных на требованиях ГОСТ 13109–97. Поэтому введение ГОСТ Р 51317.4.30–2008 и ГОСТ Р 51317.4.7–2008 повлечет за собой изменения требований к составу показателей КЭ, точности их измерений, характеристикам средств измерений.
Должны быть разработаны новые приборы для измерения показателей КЭ по классу S, предназначенные для применения в системах наблюдения, в том числе непрерывного мониторинга КЭ, создаваемых электросетевыми компаниями и организациями – потребителями электрической энергии. Важнейшим требованием к таким приборам является их достаточно низкая стоимость. Создание систем непрерывного мониторинга КЭ в электросетевых компаниях рассматривается специалистами как необходимое условие обеспечения качества электрической энергии, передаваемой потребителям. Однако следует учитывать, что наличие на рынке приборов по классу S не приведет автоматически к широкому развертыванию систем непрерывного мониторинга КЭ в электросетевых компаниях. Причиной этого является неполнота российского законодательства и нормативно-правовых актов, устанавливающих отношения сторон при поставках и передаче электрической энергии потребителям (рис. 4).
Рисунок 4 – Отношение сторон при поставке и передаче электрической энергии потребителям
Действующие в Российской Федерации законодательные и нормативные правовые акты устанавливают обязанности энергосбытовых и электросетевых организаций поставлять и, соответственно, передавать потребителям электрическую энергию, качество которой соответствует установленным требованиям. Однако в настоящее время отсутствуют правовые основы установления обязанностей потребителей электрической энергии исключить ухудшение качества электрической энергии эксплуатируемыми энергопринимающими устройствами, подключенными к электрической сети. Только при установлении в нормативных правовых актах положений об обязанностях потребителей в отношении качества электрической энергии будут созданы условия для широкого внедрения в электросетевых компаниях систем непрерывного мониторинга КЭ с применением измерительных приборов с характеристиками по классу S.