Разработка геометрических оценок качества электромагнитных процессов в электрических цепях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.05, кандидат технических наук Мареева, Ольга Алексеевна

• Мареева, Ольга Алексеевна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мареева, Ольга Алексеевна

Введение.

Глава 1. Геометрические образы и категории в интегральных оценках установившихся процессов в электрических цепях.

1.1 Интегральные оценки установившихся процессов в электрических цепях.

Показатели интенсивности электромагнитных процессов.

Показатели качества электромагнитных процессов (качества электроэнергии):.

1.2 Геометрические образы и категории в интегральных оценках установившихся процессов в электрических цепях.

Геометрические образы и категории показателей интенсивности электромагнитных процессов.

Геометрические образы показателей качества электромагнитных процессов.

1.3 Анализ графических форм представления показателей качества электроэнергии.

График изменения ПКЭ.

Спектры высших гармонических составляющих напряжения и тока.

Гистограмма.

1.4 Лепестковая диаграмма показателей качества установившихся процессов в электрических цепях.

1.5 Выводы.

Глава 2. Разработка геометрического подхода к анализу качества установившихся процессов в электрических цепях.

2.1 Геометрия траекторий установившихся процессов в электрических цепях, отраженных в полярных координатах.

2.2. Введение коэффициента геометрической формы для интегральной оценки качества установившихся процессов в электрических цепях.

2.3 Применение коэффициента геометрической формы для интегральной оценки искаженного синусоидального тока.

2.4 Применение коэффициента геометрической формы для оценки искаженного постоянного тока.

2.5 Выводы.

Глава 3. Разработка и исследование возможностей применения коэффициента геометрической формы для оценки качества установившихся процессов в цепях с негладкими функциями токов и напряжений, цепях с почти периодическими режимами, а также в многофазных цепях.

3.1 Применение коэффициента геометрической формы для оценки качества электромагнитных процессов в вентильных цепях.

3.2 Применение коэффициента геометрической формы для оценки качества процессов в трехфазных электрических цепях.

3.3 Определение коэффициента геометрической формы для почти периодических процессов.

3.4 Геометрическая оценка процессов с неограниченной скоростью флуктуаций.

3.5 Выводы.

Глава 4. Разработка и исследование геометрических оценок качества переходных процессов.

4.1 Оценки качества переходных процессов и геометрическое содержание этих оценок.

4.2 Геометрические оценки переходных процессов в электрических цепях с жесткими математическими моделями.

4.3 Тополого-геометрические оценки особенностей жестких цепей и процессов.

4.4 Геометрические оценки процессов в цепях с «дребезжащими» математическими моделями.

4.5 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка геометрических оценок качества электромагнитных процессов в электрических цепях»

При описании интенсивности и качества электромагнитных процессов в электроустановках специалистами обычно используется лексика из учебной электротехнической литературы и из некоторых стандартов, например, упомянутых в [27,28,52]. Сформировавшаяся многие десятилетия назад, многократно обсуждавшаяся в прессе, выверенная практикой она абсолютно адекватна тем наиболее типичным, в основном, установившимся процессам (режимам) и простым по физической картине переходным процессам, которые типичны для практики и собственно являют предмет этих учебников и стандартов. Но ее не достаточно для более тонких оценок даже этих процессов. Так, для характеристики процессов в электродинамических системах и электрических цепях с большим разбросом собственных частот привлекают терминологию из вычислительной математики, говоря о явлении жесткости, пограничных слоях траекторий рассматриваемых процессов. В других случаях привлекают терминологию из информатики, связи и т.д. Использование в электротехнике новых физических принципов и явлений, нетрадиционных частот приводят к тому, что ряд процессов (в частности разрядных), ранее рассматривавшихся исключительно как нежелательные, паразитные, ныне приходится описывать как рабочие, например, в электротехнологиях, не говоря уже о том, что необходимо как-то оценивать и собственно паразитные явления во всем их многообразии. В этой связи требуется постоянное пополнение электротехнической лексики для идентификации подобных процессов и сравнения их количественных характеристик.

Заметим, что традиционные оценки качества наблюдаемых процессов были введены в то время, когда возможности оперативной численной обработки данных были минимальны, а сами данные увязывались с относительно небольшим набором физических принципов их фиксации. Информативность подобных оценок достигалась их глубоким физическим смыслом и наглядностью, которая в те годы связывалась с глубокой геометрической интерпретацией процессов. Геометрическая интерпретация физических явлений и процессов была одним из самых плодотворных направлений развития электротехники, поскольку позволяла глобально, образно оценивать и описывать эти явления и процессы. Появление первых электронных средств вычислительной техники с их большими вычислительными, слабыми логическими и практически отсутствующими графическими возможностями, резко стимулировало развитие тех направлений теории электротехники, которые были связаны с вычислениями (моделирование процессов, управление и т.д.), но, к сожалению, оказало негативное воздействие на иллюстративно-геометрическое представление результатов. В оценках процессов стали использоваться сложные вычисления (особенно при частотной обработке наблюдаемых переменных), но геометрическая образность, позволяющая качественно анализировать процессы и режимы стала возвращаться только в последнее время с появлением персональных компьютеров с их богатыми графическими возможностями. Поскольку большинство интересующих специалистов оценок интенсивности и качества электромагнитных процессов имеют линейную, билинейную или квадратичную размерность, то с геометрической точки зрения все они суть длины и площади траекторий электромагнитных процессов, построенных в подходящих системах координат.

Актуальность темы. При исследовании процессов производства, передачи и преобразования энергии электромагнитного поля важнейшая роль отводится вопросам качества этих процессов. В наибольшей степени эти вопросы изучены применительно к электрическим цепям, процессы в которых принято подразделять на установившиеся и переходные.

Применительно к установившимся процессам вопросам качества особое внимание уделяется в электроэнергетике, что нашло отражение в Гражданском кодексе Российской Федерации, Федеральном законе «Об электроэнергетике», государственном стандарте ГОСТ 13109-97 [10] и многих других директивных документах, в частности, касающихся проблем электромагнитной совместимости. Следует отметить, что не только эти документы, но и развиваемые в электроэнергетике подходы к оценке качества электромагнитных процессов (в электроэнергетике употребляют термины «качество электроэнергии» и «показатели качества электроэнергии (ПКЭ)») носят конкретно регламентирующий характер [52] и касаются преимущественно процессов, близких к синусоидально изменяющимся или постоянным во времени.

Предлагаемые в теоретической электротехнике оценки установившихся процессов более общего вида [24] не позволяют глубоко охарактеризовать все расширяющееся многообразие последних, а используемый для получения этих оценок гармонический анализ является заведомо неэффективным инструментом описания процессов в вентильных цепях (из-за явления Гиббса) и процессов хаотической природы (из-за их непериодичности). В этой связи представляется актуальным дальнейшее развитие системы оценок качества установившихся процессов электрических цепей и, прежде всего — основанных на выделении инварианта, несвязанного с гармоническим анализом. Поскольку понятие качества процессов всегда связывается с их формой, то подобный инвариант и новые оценки качества целесообразно описывать в геометрических категориях.

Понятие качества переходных процессов в современную теорию динамических систем [31] пришло из теории автоматического регулирования и наиболее проработано для линейных и слабо нелинейных систем. Для его характеристики используются временные, частотные и корневые оценки качества процессов, более адекватные задачам управления и регулирования, но использующиеся также при исследовании явлений, возникающих при переходных процессах.

В последние десятилетия интерес к качеству переходных процессов электрических цепей простимулирован глубокими результатами К.С. Демирчяна, Ю.В. Ракитского, П.А. Бутырина, Н.В. Коровкина, В.А. Филина,

И.Г. Черноруцкого, С.М. Устинова. В этой связи весьма актуальным становится развитие оценок качества переходных процессов, подчиненных не только целям управления и регулирования, но и целям классификации явлений. Использование в этих оценках геометрических категорий позволяет не только качественно охарактеризовать картину переходных процессов, гораздо более богатую, нежели картина установившихся процессов, но и визуализировать эти оценки. Последнее отметим особо: все существующие оценки качества как установившихся, так и переходных процессов в электрических цепях были введены до массового распространения персональных компьютеров с их исключительными возможностями по геометрической визуализации результатов исследований. Новые оценки качества процессов изначально имеет смысл создавать с учетом этих возможностей.

В диссертации разрабатываются оценки качества электромагнитных процессов в электрических цепях, расширяющие существующие возможности описания этого качества, использующие геометрические категории и ориентированные на их компьютерную визуализацию.

Целью работы является анализ геометрического содержания существующих показателей интенсивностей и качества электромагнитных процессов в электроустановках, оценка возможностей и перспектив использования геометрических категорий для более полной интегральной характеристики этих процессов во всем их многообразии, разработка таких новых геометрических подходов к оценке интенсивности и качества процессов, которые дополняют существующие оценки и наиболее эффективны для визуализации.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1. Исследование геометрического содержания существующих ПКЭ.

2. Выявление такой геометрической формы, которая позволяет одновременно наглядно и лаконично отобразить как все существующие ПКЭ, так и соответствие каждого из них установленным нормативам.

3. Выявление универсального геометрического инварианта установившихся процессов в электрических цепях, дающего эффективную оценку качества этих процессов.

4. Разработка и исследование возможностей использования выявленного геометрического инварианта установившихся процессов для оценки их качества применительно к различным классам электрических цепей -однофазных и трехфазных, вентильных, цепей с некратными частотами источников.

5. Исследование геометрического содержания существующих оценок качества переходных процессов в электрических цепях.

6. Разработка, исследование и визуализация геометрии оценок качества переходных процессов электрических цепей.

7. Разработка геометрических оценок качества переходных процессов, имеющих участки быстрого и медленного изменения переходных токов и напряжений и исследование возможностей применения этих оценок для решения различных задач теории электрических цепей.

8. Разработка геометрических оценок качества быстроосциллирующих (дребезжащих) процессов.

Заключение диссертации по теме «Теоретическая электротехника», Мареева, Ольга Алексеевна

4.5 Выводы.

1. Проведен обзор существующих оценок качества переходных процессов в линейных электрических цепях с интерпретацией этих оценок в геометрических категориях.

2. Предложено для оценки качества переходных процессов в линейных электрических цепях с жесткими и отдельно жесткими математическими моделями использовать геометрические образы - трапеции и системы трапеций, характеризующие распределение собственных частот цепи.

3. Разработаны тополого-геометрические подходы к анализу особенностей процессов в цепях с жесткими моделями, позволяющие, в частности, оценивать чувствительности этих процессов к возмущению параметров цепей, что является важным для задач управления и регулирования.

4. Исследованы возможности использования геометрических категорий при описании качества и особенностей дребезжащих процессов.

Заключение.

1. Проведено исследование геометрического содержания существующих оценок интенсивности и качества установившихся и переходных процессов в электрических цепях.

2. Предложено для одновременного интегрального представления существующих показателей качества установившихся процессов и определения их соответствия допустимым нормам качества использовать современный, ориентированный на компьютерную визуализацию геометрический образ - лепестковую диаграмму.

3. Обоснована целесообразность сопоставления установившимся процессам в электрических цепях геометрических образов в виде фигур, ограниченных траекториями этих процессов в полярных координатах, с введением универсального инварианта - отношения периметра этих фигур к корням квадратным из их площадей- в качестве новой оценки качества процессов.

4. Исследована возможность использования введенного геометрического инварианта (п.З) для оценки качества процессов в вентильных цепях, трехфазных цепях, цепях с почти периодическими процессами, а также процессов с неограниченной скоростью флуктуаций (дробовых, шумовых, разрядных и т.д.).

5. Предложены геометрические оценки качества переходных процессов в цепях с жесткими и отделимо жесткими моделями и разработаны тополого-геометрические методы исследования этих процессов, использующие расщепление моделей, идентификацию параметров их элементов и оценку чувствительности процессов к возмущениям параметров цепей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мареева, Ольга Алексеевна, 2007 год

1. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW7/ Под ред. Бутырина П.А. М.-ДМК Пресс, 2005. 264с.

2. Анго А. Математика для Электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1965, 649с.

3. Анищенко В.А., Антоневич В.Ф., Радкевич В.Н., Уласевич А.Ф. Контроль погрешности измерений в системе учета межгосударственных перетоков активной электроэнергии // Электрические станции. 2001. №4. С.5-8

4. Артым А.Д., Филин В.А., Есполов К.Ж. Новый метод расчета процессов в электрических цепях. СПб.: Элмор, 2001

5. Бредихина Е.А. Почти периодическая функция. Математическая энциклопедия. Под ред. И.М. Виноградова. Т.4. М.: Советская энциклопедия, 1984, 121 бет.

6. Бутырин П.А. Разработка аналитических и численно-аналитических методов решения уравнений состояния электрических цепей. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. М.: 1993

7. Бутырин П.А., Шатунова (Мареева) O.A. Оценки интенсивности и качества электромагнитных процессов в геометрических категориях.//Электричество. 2001. №10. С. 50-60.

8. Бутырин П.А., Мареева O.A. Жесткие математические модели электрических цепей: расщепление, идентификация параметров, локализация возмущений. // Электричество. 2006. №12. С. 58-61.

9. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. Таблицы, арифметика, алгебра, геометрия, тригонометрия, функции и графики. М: Государственное издательство физико-математической литературы,1958,413с.

10. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электроэнергии в системах энергоснабжения общего назначения. Минск: Издательство стандартов, 1998.31с.

11. ГОСТ 23875-88. Качество электрической энергии. Термины и определения. Минск: Издательство стандартов, 2003.- 16с.

12. Гришин Ю.А., Колосок И.Н., Коркина Е.С., Эм JI.B., Орнов В.Г., Шелухин H.H. Программно-вычислительный комплекс оценивания состояния энергосистем в реальном времени («Оценка») // Электричество. 1999. №2. С.8-16

13. Демирчян К.С., Нейман JI.P., Коровкин Н.В., Чечурин B.JI. Теоретические основы электротехники: В 3-х т. СПб.: Питер, 2003.

14. Демирчян К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей. М.: Высшая школа, 1988. 335с.

15. Демирчян К.С., Бутырин П.А., Савицки А.Стохастические режимы в элементах и системах электроэнергетики. Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1987, №3.

16. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. М.: Энергоатомиздат, 1984. 160с.

17. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. М.: Энергоатомиздат, 1986. 168с.

18. Жежеленко И.В., Рабинович M.JL, Божко В.М. Качество энергии на промышленных предприятиях. Киев: Техшка, 1981. 160с.

19. Железко Ю.С. , Артемьев A.B., Савченко О.В. Расчет, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях.

20. Руководство для практических расчетов. М: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. -280с.

21. Железко Ю.С. Влияние потребителя на качество электроэнергии в сети и технические условия на его присоединение // Промышленная энергетика. 1991. №8. С. 39-41

22. Железко Ю.С. Оценка потерь электроэнергии, обусловленных инструментальными погрешностями измерения // Электрические станции. 2001. №8. С. 19-24

23. Железко Ю.С. Стандартизация параметров электромагнитной совместимости в международной практике // Электричество . 1996. №1. С. 2-7.

24. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил A.B., Страхов C.B. Основы теории цепей: М.: Энергоатомиздат, 1989. 528с.

25. Ицхоки Я.С. Приближенный анализ переходных процессов в сложных линейных цепях. М.: Советское радио, 1969. 176с.

26. Зиновьев A.JL, Филиппов JI.H. Введение в теорию сигналов и цепей. М.: Высшая школа, 1975. 264с.

27. Карташев И.И., Пономаренко И.С., Ярославский В.Н. Требования к средствам измерения показателей качества электроэнергии // Электричество. 2000. №4. С. 11-17

28. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы. М: Наука, 1978. 833с.

29. Коровкин Н.В. Построение синтетических схем для численного анализа электромагнитных процессов, описываемых жесткими уравнениями. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. СПб. 1997г.

30. Кузнецов Ю.И. Ведение в теорию динамических систем. М.: Издательство МГУ, 1991. 132с.

31. Лохов С.П. Энергетические составляющие мощности вентильных преобразователей, 4.1,2. — Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 1999.

32. Лохов С.П. Повышение энергетической и технологической эффективности комплексов с вентильными преобразователями. -Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. — Челябинск, 2000.

33. Маевский O.A. Энергетические показатели вентильных преобразователей. -М.: Энергия, 1978.-320с.

34. Масленников Г.К., Западнов В.А., Суднова В.В. Качество электрической энергии в городских сетях // Промышленная энергетика. 2000. №8. С. 4044.

35. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 1 Контроль качества электрической энергии. РД 153-34.0-15.501-00. М: Энергосервис, 2001.-3 8с.

36. Михайлов В.Б. Численно-аналитические методы решения сверхжестких дифференциально-алгебраических систем уравнений. СПб.: Наука, 2005. -234с.

37. Михалин С.Н. Системы автоматического контроля качества и учета количества электроэнергии. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М.: МЭИ. 2005г

38. Никифорова В.Н., Белло С.Б., Картасиди Н.Ю., Гамазин С.И., Петрович В.А. Экспериментальные исследования несинусоидальности напряжения в электрических сетях Ленэнерго // Промышленная энергетика. 2001. №8. С. 40-50

39. Ортюзи Ж. Теория электронных цепей. Т.1 М.: Мир, 1970. 408с.

40. Основы современной энергетики. Часть вторая. Под редакцией Аметистова E.B. М.: Издательство МЭИ, 2000. 454с.

41. Правила присоединения потребителя к сети общего назначения поусловиям влияния на качество электроэнергии присоединение // Промышленная энергетика. 1991. №8. С. 45-48

42. Ракитский Ю.В. Разработка и исследование методов численного расчета переходных процессов в задачах электротехники и управления. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. Л.: 1972.

43. Ракитский Ю.В., Устинов С.М., Черноруцкий И.Г. Численные методы решения жестких систем М.: Наука, 1979.

44. Самосейко В.Ф. Периодические, почти периодические и стохастические процессы в электрических вентильных цепях с детерминированными возмущающими воздействиями. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. J1.1990г.

45. Смирнов С.С., Коверникова Л.И. Вклад потребителя в уровни напряжения высших гармоник в узлах электрической сети // Электричество . 1996. №1. С. 58-64.

46. Смирнов С.С., Коверникова Л.И., Влияние коммутаций элементов сети на режим высших гармоник // Промышленная энергетика. 2000. №8. С. 45-48

47. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева и A.B. Шинявского. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 616с.

48. Строев В.А., Шульженко C.B. Математическое моделирование элементов электроэнергетических систем. М.: Изд-во МЭИ, 2002 - 56с.

49. Тонкаль В. Е., Новосельцев А. В., Денисюк С. П. И др. Баланс энергий в электрических цепях. — Киев: Наук, думка, 1992.

50. Управление качеством электроэнергии. И.И Карташев, В.Н. Тульский, Р.Г. Шамонов и др.; под ред. Ю.В. Шарова. М.: Издательский дом1. МЭИ, 2006.- 320с.

51. Устинов С.М. Исследование особенностей жестких процессов в связи с моделированием и управлением сложными объектами. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. JL: 1977

52. Федер Е. Фракталы. М.: Мир, 1991. 260с

53. Филин В.А. Развитие теории и численных методов анализа переходных процессов в электрических цепях радиотехнических устройств. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. СПб, 1998г.

54. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике. М.: Энергоатомиздат, 1995. 304с.

55. Хайрер Э., Ваннер Г. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Жесткие и дифференциально-алгебраические задачи. М.: Мир, 1999.-685с.

56. Черноруцкий И.Г. Плохообу словленные задачи параметрической оптимизации в системах управления. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. Л.: 1987.

57. Шваб А. Электромагнитная совместимость. М.: Энергоатомиздат, 1998. -480с.

58. Шидловский А.К., Новский В.А., Каплычный H.H. Стабилизация параметров электрической энергии в распределенных сетях. Киев: Наукова думка, 1989. -312с.

59. Электротехника. В 3-х книгах. Книга 1./ Под ред. Бутырина П.А., Р.Х. Гафиятуллина, А.Л. Шестакова. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2003. -505с.

60. Budeanu С. Problleme de la presence des pussances reactives dans les installation de production et distribution d'energie elektrique. // Rap et discuss sur la puissance reactive 1929 - Pt.3. - P. 117-218.

61. Frise S. Wirk Blind - und Seheinleistury in elektrischen strowkreisen min michtsinysformigen verfaf von ström und Spannung. // Elektrotechn - 1932 -25 - S. 596-599; 26 - S. 625 -627; 29 - S. 700-702.

62. Tufte E R. The visual display of quantitative information. Cheshire, CT: Graphics Press, 1983

63. Williamson D F, Parker R A, Kendrick J S. The box plot: A simple visual method to interpret data Ann Intern Med 1989; 110:916-921.

64. Review methods for measurement and evaluation of the harmonic emission level from an individual distorting load. CIGRE 36.05/CIRED 2 joint WG CC02 (Voltage quality). 1999

65. The papers of 17-th International Conference of Electricity Distribution: CIRED/12 15 May 2003. Barselona