I 1 / I - магистр-3м

P1
Непрерывный интернет-контроль
Текущих Параметров Качества
Электроэнергии «умной»
трансформаторной подстанции МЭИ для
инженерного образования.
Анализ показателей качества
электроэнергии в реальном времени,
основанный на данных виртуальной
лаборатории.
Прямая трансляция мониторинга.
Москва. Россия.
P2
В настоящее время в области традиционной электроэнергии происходят
значительные изменения. Эти изменения включают в себя активное
использование силовой электроники, IT-технологии, повышенное внимание к
энергосбережению, развитию подходов к созданию "Smart Grid», интеграции
традиционной системы питания возобновляемых источников энергии и т.д.
Существует взаимное проникновение новых концепций в области энергетики,
информационных и телекоммуникационных технологий планируется
создание нового поколения энергетических систем - интеллектуальных
энергетических сетей.
P3
Промышленный интернет (Industrial Internet) или интернет вещей (Internet of
Things) обозначил новую эру промышленной революции. Иногда применяют
термин Индустрия 4.0 (Industrie 4.0). Это происходит благодаря тому, что
компьютерные технологии, продвинутые вычисления, анализы,
интегрируются в промышленный сектор. Эти инновации обещают принести
большую скорость и эффективность в различные сектора экономики, такие
как промышленное производство, энергетика, нефте- и газодобывающие
отрасли. Индустрия 4.0 объединяет все новые тренды для достижения более
интеллектуальных промышленных процессов, включая кибер-промышленные
системы, умные промышленные объекты.
Сложность
Эффективность
Цифровые
технологии
Электрификация
Механизация
Индустрия 4.0
Ручной труд
Время
1800-е
1900-е
1960-е
2010-е
P4
Публикации по теме Industrial Internet.
P.C.Evans, M.Annunziata "Industrial Internet. Pushing the Boundaries of Minds and
Machines " GE imagination at work, November 26, 2012.
Available: http://www.ge.com/docs/chapters/industrial_internet.pdf
Industrial Internet Consortium. (2015, June). The Industrial Internet Reference
Architecture Technical Document. [Online].
Available: http://www.iiconsortium.org/IIRA.htm
J. Leber. (2012, Nov. 28). General Electric’s
San Ramon Software Center Takes Shape MIT
Technology Review. [Online]. Available: www.technologyreview.com
A.Stork “Visual Computing Challenges of Advanced Manufacturing and Industrie 4.0”
IEEE Computer Graphics and Applications
Year: 2015, Volume: 35, Issue: 2
www.magistr.tv/demo - ИННОВАЦИОННАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА НИУ МЭИ
P5
Инженерное образование выходит на новый уровень качества. Появляется новая
концепция виртуальной лаборатории. Согласно определению, виртуальная
лаборатория это распределенное рабочее место, основная цель которого – обеспечить
связь между лабораторным оборудованием и вычислительными ресурсами. Основой
виртуальной лаборатории являются экспериментальные данные, полученные с
действующего удалённого оборудования через сеть INTERNET. Таким образом, при
открытом доступе студент работает с реальными данными, находясь в учебной
аудитории. Оборудование, как правило, находится в труднодоступном месте. Это
соответствует понятию Открытых Образовательных Ресурсов (Open Educational
Resources). Open Educational Resources являются одним из направлений деятельности
ЮНЕСКО с 2002 года.
Публикации по теме Open Educational Resources.
UNESCO, “UNESCO promotes new initiative for free educational resources
on the Internet,” 2002 [Online]. Available:
http://www.unesco.org/education/news_en/080702_free_edu_ress.shtml
S. Downes, “Open educational resources: A definition,” 2011
[Online]. Available:
http://halfanhour.blogspot.com/2011/07/open-educational-resources-definition.html
D. White and M. Manton, “Open educational resources: The value of
reuse in higher education,” University of Oxford, Oxford, U.K., JISCfunded
OER impact study, 2011.
www.magistr.tv/demo - ИННОВАЦИОННАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА НИУ МЭИ
P6
В МЭИ в течение последних 15 лет
ведется работа в направлении
энергосбережения и эффективности
электроэнергии за счет внедрения
элементов интеллектуальной энергии на
объектах Москвы. Мы перенесли этот
опыт в область инженерного
образования.
P7
Интеллектуализация электроэнергии решает
проблемы:
• Создание «умных» приборов и устройств
для подстанций, обеспечивая учет и
управление энергопотреблением в сочетании
с мониторингом и непрерывным контролем
качества электрической энергии в
стационарных и переходных режимах.
• Организация и разработка принципов
интеллектуальных трансформаторных
подстанций 10 / 0,4 кВ.
• Формирование концепции и тестирования
фрагментов интеллектуальной энергии в
виде Micro Smart Grid на основе отдельных
структур электросетевого хозяйства,
расположенных на небольшой площади
(например, вокруг МЭИ).
• Реализация концепции Smart Grid в
образовательном процессе.
P8
Особенности современного электроснабжения
Увеличение нелинейных нагрузок
с 1960-х годов
Структура электропотребления
В США
Частный
сектор
Коммерческ
ий сектор
Промышлен
ность
Низкое
напряжение
(0,4 кВ)
Низкое
напряжение
(0,4 кВ)
Среднее
напряжение
(3-10кВ)
37 %
36%
27%
IEEE Power&Energy, volume 10, number 3, May/June 2012
Источниками ухудшения качества электроэнергии стали учреждения, жилые дома,
школы, больницы и т.д., главным образом из-за однофазных выпрямителей:
компактные люминесцентные и светодиодные лампы, сервера, оргтехника,
бытовая техника, импульсные источники питания, установленные в телевизорах,
компьютерах и т.д.
Можно утверждать, что нынешняя несинусоидальности в современных сетях
низкого напряжения, в основном, обусловлена несовершенством вторичных
источников питания.
P9
Тенденции в области производства ЭЭ.
Электросбережение
Снижение темпа роста производства ЭЭ.
Ежегодный прирост производства(%)
1949 – 1973
8,3 %
1973 – 2006
2,5 %
2010 – 2030
0,9 %
Разработка стандартов применения
постоянного тока в жилом секторе.
IEEE Power&Energy, volume 10, number 3, May/June 2012
Уровень потерь на передачу и распределение
энергии в США с 1926 по 2007 год. Снижение
уровня потерь на 1% каждые 10 лет
DC in the Home
Потери на передачу и распределение энергии в
США составляют около 7% (в России по
неподтвержденным данным до 17%).
Программа «Smart Grid»:
Основой является известный факт
существования дополнительных потерь в
бытовых электронных устройствах.
Потери: AC/DC – 17-35%
PV/AC – 23-28%
Dynamic Pricing
Одним из основных преимуществ Smart Grid является обеспечение контроля потребления
90 %
ЭЭ в режиме online с помощью доступа к реальной информации от поставщика ЭЭ и
возможность получать сведения о потреблении энергии в реальном времени (режим
«динамического тарифа», dynamic pricing).
P10
Современная сеть
электроснабжения 0,4 кВ
буквально засорена высшими
гармониками
Аппаратная НТВ
Три однофазных выпрямителя
МОСВОДОКАНАЛ
Частотный привод
Регулируемое освещение
Диммирование
P11
В современной четырехпроводной сети
0,4 кВ при равенстве фазных токов
(«сбалансированная нагрузка») из-за
высших гармоник возникают
сверхбольшие токи в нейтрали.
Аппаратная НТВ
Три однофазных выпрямителя
МОСВОДОКАНАЛ
Частотный привод
Регулируемое освещение
Диммирование
P12
Источниками ухудшения качества ЭЭ
стали учреждения, жилые дома, школы,
больницы и т.д., из-за нелинейных
нагрузок (в основном управляемых
однофазных выпрямительных
устройств): импульсные источники
питания, установленные в ТВ, ЭВМ,
сервера, компактные люминесцентные
и светодиодные лампы, офисное
оборудование, бытовая техника.
P13
Возникновение гармоник тока в устройствах силовой электроники.
Моделирование качества ЭЭ при 3-фазной симметричной нелинейной нагрузке.
Нагрузка
После
разложения
в
ряд
Фурье
несинусоидальный ток нагрузки iн(t)
представлен в виде суммы токов 1,3,5,7,9…
гармоник.
Несмотря на отсутствие в цепи реактивных
элементов, между первой гармоникой тока
i1(t) и напряжением u(t) появляется
фазовый сдвиг.
вкл=0о
выкл=74,6о
вкл=55о
выкл=90о
Сдвиг
может
быть
опережающим
(емкостным), нулевым (резистивным) или
отстающим (индуктивным) в зависимости от
моментов коммутации ключа S.
В компактных люминесцентных лампах и
светодиодных
светильниках
первая
гармоника
тока
опережает
первую
гармонику напряжения.
Результаты
моделирования
Irms=98,69A
I1 =75,8A / 42o
THD=83%
Fr=67 29 20 17
Kfactor = 6,7
Irms=100,47A
I1 =64,4A / 15o
THD=125%
Fr=88 66 39 13
Kfactor = 10,53
Irms=102,7A
I1 =60,7A / 0o
THD=135%
Fr=90 71 48 23
Kfactor = 12,8
вкл=74,6о
выкл=105,4о
Irms=98,69A
I1 =75,8A /-42o
THD=83%
Fr=67 29 20 17
Kfactor = 6,8
В устройствах диммерного (тиристорного)
регулирования света первая гармоника тока
отстаёт от первой гармоники напряжения.
Ток в нейтрали в обоих случаях создаётся
гармониками, кратными трём, и может
превышать фазный ток в 1,5-2 раза.
1-я гармоника
вкл=105,4о
выкл=180о
P14
Возникновение гармоник тока в устройствах силовой электроники.
Моделирование качества ЭЭ при 3-фазной симметричной нелинейной нагрузке.
Зависимость коэффициента мощности от несинусоидальности тока.
cos 1  pf  1  THDi 2
pf, cosϕ1
1
0.95
0.9
0.85
THDi,%
0.8
i1(t)
iн(t)
0
I1
U(t)
U
U(t)
вкл=0о
выкл=115о
-20o
i1(t)
iн(t)
U
U(t)
0o
выкл=130о
iн(t)
i1(t)
U(t)
I1
U
вкл=65о
выкл=180о
U(t)
20o
40
Iн=100A (rms)
I1 = 91A / -20o
THD = 42,94%
Fr = 34 17 9 9
Kfactor = 3,27
Cosfi = 0,94
Pf = 0,86
Iн=100A (rms)
I1 =89A / 0o
THD=53,33%
Fr=46 8 18 2
Kfactor = 3,58
Cosfi = 1
Pf = 0,88
I1
U(t)
вкл=50о
20
Iн=100A (rms)
I1 =91A / 20o
THD=42,94%
Fr=34 17 9 9
Kfactor = 3,27
Cosfi = 0,94
Pf = 0,86
60
Токи в нейтрали в трёхфазной сети при однофазных нелинейных нагрузках.
P15
U(t)
iн(t)
U1(t)
Ток в нейтрали RMS=144A
U1(t)
Ток в нейтрали RMS=144A
I1(t)
U(t)
I1(t)
iн(t)
U(t)
iн(t)
U1(t)
I1(t)
PF = P / S = ( I1 / I ) * cos(φ1)
Ток в нейтрали RMS=173A
Irms=101,67A
I1 =86A / 31o
THD=63%
3 гарм: 52 / -93o
5 гарм: 18 / 79o
7 гарм: 18 / -101o
9 гарм: 11 / 72o
Kfactor = 4,74
PF = 0,73
Cos(fi) = 0,86
Irms=101,67A
I1 =86A / -31o
THD=63%
3 гарм: 52 / 93o
5 гарм: 18 / -79o
7 гарм: 18 / 101o
9 гарм: 11 / -72o
Kfactor = 4,74
PF = 0,73
Cos(fi) = 0,86
Irms=100,03A
I1 =69A / 0o
THD=100,76%
3 гарм: 80 / 180o
5 гарм: 46 / 0o
7 гарм: 12 / 180o
9 гарм: 13 / 180o
Kfactor = 6,89
PF = 0,69
Cos(fi) = 1
P16
Стандарт США ANSI/IEEE C57.110
Дополнительные потери в трансформаторе при несинусоидальном токе.
K1 – тепловая нагрузка
К4 – UPS с встроенным фильтром
К13 – UPS без фильтра
К20 – частотный привод
К30 – лабораторное оборудование
P17
«Умный» измерительный прибор – контроллер качества
электрической энергии «МАГИСТР-430 КЭ». Удовлетворяет ГОСТ
30804.4.30-2013
(IEC 61000-4-30). Первичный интервал
объединения = 10T (200 мс). Прибор обеспечивает основную задачу
непрерывного мониторинга – получение Текущих Параметров
Качества
Электрической
Энергии.
«Текущие
Параметры»
соответствуют интервалу объединения 3 секунды.
Измерение напряжения:
Пределы допускаемой
основной приведенной (к
номинальному значению
фазного напряжения)
погрешности ±0,1 %
Измерение тока:
Пределы допускаемой
основной приведенной (к
номинальному значению
фазного тока) погрешности
±0,1 %
P18
Текущие Параметры Качества Электроэнергии (ТПКЭ) –
основа непрерывного мониторинга. www.magistr.tv/demo
P19
Таблица Текущих Параметров Качества Электроэнергии
(таблица ТПКЭ)
Старая версия
Новая версия
P20
Вычислитель вклада гармоник тока.
Для оценки влияния отдельных гармоник на уровень дополнительных потерь в системах
электроснабжения был разработан специальный вычислитель вклада гармоник тока.
Вычислитель предназначен для вычисления действующих значений токов в фазных и
нейтральном проводниках, действующего значения гармонического тока и коэффициента
искажения синусоидальности Ki (THDi). Исходными данными для вычислителя являются
значения 1,3,5,7,9 гармоники по каждой фазе.
Исходные данные могут быть введены в ячейки вручную либо скопированы из данных
реального времени соответствующего контроллера качества.
Вычислитель может включать в себя 1, 2 или 3 кнопки запроса данных. Если вычислитель
привязан к одному контроллеру, то копирование исходных данных происходит при нажатии
кнопки [Запрос]. Если вычислитель привязан к двум или трём контроллерам, то копирование
исходных данных происходит при нажатии кнопки [1], [2] или [3] (номера кнопок
соответствуют номеру таблицы ТПКЭ на веб-карте).
При последующем нажатии кнопки [Расчёт] производится вычисление искомых токов в
фазных и нейтральном проводнике и коэффициентов.
Примечание: все рассчитываемые параметры вычисляются с учётом 1,3,5,7,9 гармоник (в таблице ТПКЭ они
вычисляются с учетом всех гармоник вплоть до 50-й).
Исходное состояние
вычислителя
Состояние вычислителя
с исходными данными
Конечное состояние
вычислителя
P21
Информационно-Измерительный Комплекс Систем Электроснабжения
Комплекс адресован шести основным категориям специалистов:
1. персоналу дежурной смены электриков;
2. инженерному составу службы Главного энергетика;
3. научно-инженерному составу внешней
специализированной организации, помогающий в
анализе нештатных ситуаций;
4. менеджерам (не электрикам) среднего и высшего
уровня;
5. студентам высших и специальных учебных заведений;
6. научным работникам, для которых создан новый
исследовательский инструментарий;
P22
Информационно-Измерительный Комплекс Систем Электроснабжения
Возможности интернет-контроля параметров качества электрической энергии
1.
Интернет контроль электрических сетей предполагает временное и
параметрическое единство измерительных технологий.
2.
Непрерывный интернет контроль и доступность параметров
качества электрической энергии обеспечивают«прозрачность» и
общественный контроль взаимоотношений продавца и покупателя
электрической энергии.
3.
Применение технологии Интернет сети означает новый подход для
измерительных технологий в электрических сетях.
Синхронизированную по эталонному времени совокупность
ИИКСЭ можно рассматривать в качестве дополнительного
инструмента для анализа стационарных и аварийных процессов
распределенных энергетических систем.
4.
Интернет-контроль даёт возможность производить оценку потерь в
линиях электропередач и силовых трансформаторах, обеспечивая
инструментальный контроль реального энергосбережения.
Приборное и программное обеспечение непрерывного
мониторинга показателей и текущих параметров качества
электроэнергии систем электроснабжения. www.magistr.tv/demo
P23
Ethernet
Электрическая сеть (GRID)
объекта №1
InterNET
Сервер(а) сбора,
анализа и хранения
информации.
Ethernet-GSM шлюз
GRID+NET
Клиенты
Ethernet
Электрическая сеть (GRID)
объекта №2
Ethernet-GSM шлюз
АРМ оператора на
объекте(-ах),
локальный сервер
хранения информации.
P24
Информационно-Измерительный Комплекс Систем Электроснабжения
Архитектура интернет-контроля текущих параметров и показателей
качества электрической энергии.
Соответствует требованиям:
Измерительные
трансформаторы тока
ГОСТ 13109-97 (до 31.12.2012),
ГОСТ Р54149-2010 (с 01.01.2013)
ГОСТ 32144-2013 (с 01.07.2014)
Сервера сбора
информации системы
Интернет Доступ
Служба энергетика
Менеджеры
Внешний аудит
ГОСТ Р 51317.4.30-2008.
ГОСТ 30804.4.30-2013.
АРМы операторов системы
Информационные
каналы связи
Оптоволокно, радио
канал, GPRS,
Интернет.
Средство измерения
1
Точка контроля.
Три тока, три напряжения
Измерительный
трансформатор
напряжения
До 30 точек контроля на один сервер.
Удаление от сервера до 1000 метров
(RS232,RS485).
Сервер сбора информации объекта
Ethernet
29
30
RS232
RS485
УСПВД
АРМ оператора объекта
P25
Информационно-измерительный комплекс систем электроснабжения
(ИИКСЭ)
Пример лабораторной работы. Исследование активного фильтра.
Активный Фильтр ABB
P26
Информационно-измерительный комплекс систем
электроснабжения (ИИКСЭ)
Исследование активного фильтра
THDi levels before and after active filter during 29.04.2015. For
demonstration filter was off from 16:00 to 18:00.
P27
Интернет-система мониторинга электрической энергии
Исследование потерь в тарнсформаторе
Active power losses in T2, MPEI RTP-34, 22.04.2015
P28
«Умная» подстанция (Smart Substation).
Фрагмент распределительного щита РУНН РТП-34 с
анализаторами качества электроэнергии DM-306M.
Распределительное устройство
низкого напряжения РТП-34
P29
РТП-34 МЭИ
Прямая трансляция интернет
контроля текущих параметров
качества электрической энергии,
распределяемой трансформаторной
подстанцией МЭИ РТП-34
10/0,4кВ; 7000 кВА
www.magistr.tv/demo
P30
Информационно-Измерительный Комплекс Систем Электроснабжения
Спасибо за внимание.
ООО «МАГИСТР-3М»
Генеральный директор
Хруслов Лев Леонтьевич
8 (495) 362-71-92
[email protected]
[email protected]
www.magistr.tv/demo
P31
Дополнительная информация.
P32
Основные нормативные документы по теме сообщения.
ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии в
системах электроснабжения общего назначения.
ГОСТ 32144-2013 Нормы качества электрической энергии в
системах электроснабжения общего назначения.
ГОСТ 30804.4.30-2013 (МЭК 61000-4-30:2008)
ГОСТ 30804.4.7-2013 (МЭК 61000-4-7:2002)
рассматривается
только
напряжение
Оценка и мониторинг качества
электрической энергии
(рассматриваются напряжение и ток)
ГОСТ 51317.3.2 (0-16А)
Эмиссия гармонических
ГОСТ 51317.3.12 (16-75А)
составляющих
тока техническими средствами.
ГОСТ 51317.3.4 (более 75 А)
Стандарт IEEE 519-1992 Допустимые уровни гармоник напряжений и тока для сетей США.
Стандарт ANSI/IEEE C57.110 Устанавливает уровень дополнительных потерь в
трансформаторах США при несинусоидальном токе. Определяет уровни стандартных
значений K-factor: 1,4,9,13,20,30.
Напоминания из ТОЭ: линейная нагрузка Zл(t)=u(t)/i(t)=const;
нелинейная нагрузка Zн(t)= u(t)/i(t)=var;
При любой форме тока активная мощность периодического сигнала определяется
выражением:
, или через гармоники:
При несинусоидальной форме вводится понятие эквивалентная синусоида и по
аналогии используются понятия полная S и реактивная мощность Q. Отношение
активной мощности к полной мощности P/S называют коэффициентом мощности –
power-factor (аналог cos(phi) для синусоиды).
Наличие высших гармоник означает, что действует понятие эквивалентная синусоида.
P33
P34
P35