Universitatea Transilvania din Braşov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de...

Universitatea Transilvania din Braşov

Şcoala Doctorală Interdisciplinară

Centrul de cercetare: Sisteme electrice avansate

Ing. Dipl. Cătălin Nicolae MIHAI

Îmbunătăţirea calităţii energiei electrice

şi a eficienţei energetice în

sisteme electrice de distribuţie

Improvement of power quality and energy efficiency in

distribution electrical systems

Rezumatul tezei de doctorat

Ph.D. Thesis Summary

Conducător ştiinţific

Prof. dr. ing. Elena HELEREA

BRAŞOV, 2013

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENŢA

Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov

Nr. 6063 din 30.09.2013

PREŞEDINTE: Conf.univ.dr.ing. Carmen GERIGAN DECAN, Facultatea de Inginerie Electrică şi Ştiinţa

Calculatoarelor, Universitatea „Transilvania” din Braşov

CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: Prof.univ.dr.ing. Elena HELEREA

Universitatea „Transilvania” din Braşov

REFERENŢI: Prof.univ.dr.ing. Călin MUNTEANU

Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca

Col. prof.univ.dr.ing. Marian PEARSICĂ

Academia Forţelor Aeriene „Henri Coandă” Braşov

Prof.univ.dr.ing. Marius GEORGESCU Universitatea „Transilvania” din Braşov

Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: vineri, 15.11.2013,

ora 10, în Aula Sergiu T. Chiriacescu a Universităţii Transilvania din Braşov,

sala U.II.3.

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le

transmiteţi în timp util, pe adresa Universităţii Transilvania din Braşov, Catedra de

Inginerie Electrică a Facultăţii de Inginerie Electrică şi Ştiinţa Calculatoarelor.

Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de

doctorat.

Vă mulţumim.

3

CUPRINS

Pg. teza

Pg.

rezumat

INTRODUCERE 1 7

Capitolul 1. CONCEPTUL ŞI COSTURILE CALITĂŢII ENERGIEI

ELECTRICE 6 10 1.1. Evoluţia conceptului de calitate a energiei electrice 6 10

1.2. Costurile calităţii şi eficienţa energetică 9 - 1.3. Setul indicatorilor de calitate ai energiei electrice 11 11 1.4. Variaţia de frecvenţă 13 12

1.5. Variaţia de tensiune 16 13 1.5.1. Variaţii lente de tensiune 17 13

1.5.2. Supratensiuni temporare 19 14

1.5.3. Goluri de tensiune 21 14 1.5.4. Fluctuaţii de tensiune 24 15

1.6. Deformarea undelor de curent şi tensiune 26 16 1.7. Nesimetria sistemelor trifazate de tensiuni şi curenţi 29 17 1.8 Concluzii 30 17

Capitolul 2. METODE ŞI PROCEDEE DE MONITORIZARE A

INDICATORILOR DE CALITATE A ENERGIEI ELECTRICE 32 18 2.1. Perturbaţiile conduse în sistemul energetic 32 18 2.2. Monitorizarea perturbaţiilor conduse 35 18-

2.2.1. Monitorizarea variaţiilor de frecvenţă 37 18 2.2.2. Monitorizarea variaţiilor lente de tensiune 39 19 2.2.3. Monitorizarea supratensiunilor temporare 42 21 2.2.4. Monitorizarea golurilor de tensiune 44 21 2.2.5. Monitorizarea fluctuaţiilor de tensiune şi a flickerului 47 22

2.2.6. Monitorizarea regimului deformant 50 24 2.2.7. Monitorizarea nesimetriei sistemelor trifazate de tensiuni şi curenţi 54 25

2.3. Analiza statistică descriptivă în caracterizarea indicatorilor de calitate a

energiei electrice 55 25

2.3.1. Statistică descriptivă 56 26 2.3.2. Studiul de caz: Stabilirea indicatorilor variaţiei de tensiune într-o

reţea electrică de distribuţie 61 27 2.3.3. Studiul de caz: Stabilirea indicatorilor variaţiei de tensiune la un

consumator industrial 67 - 2.4. Concluzii 72 32

Capitolul 3. CALITATE ŞI EFICIENŢĂ ÎN REŢELE ELECTRICE DE

DISTRIBUŢIE 74 33 3.1. Particularităţile reţelelor electrice de distribuţie 74 33 3.2. Consumatorul de sarcină electroenergetică 76 33

3.2.1. Clasificarea şi modelarea consumatorului 76 33

3.2.2. Caracterizarea sarcinilor electroenergetice 78 34 3.3. Consumul propriu tehnologic 81 34

3.3.1. Consumul strategic de energie în România 81 34 3.3.2. Piaţa de energie electrică şi tarifarea 82 - 3.3.3. Cercetări privind evaluarea consumului propriu tehnologic 84 - 3.3.4. Metode de evaluare a consumului propriu tehnologic 85 35 3.3.5. Metode de reducere a consumului propriu tehnologic 91 37

3.4. Reducerea consumului propriu tehnologic prin modernizări la posturile de

transformare 93 37

4

3.4.1. Necesitatea studiului şi situaţia existentă 93 37 3.4.2. Procedura de evaluare a eficienţei energetice la transformatoare 99 39 3.4.3. Fundamentarea soluţiei de reducere a consumului tehnologic 104 42

3.5. Concluzii 112 46

Capitolul 4. INDICATORI SPECIFICI ŞI METODE DE ANALIZĂ A

CURBELOR DE SARCINĂ 114 47 4.1. Necesitatea modelării şi analizei curbelor de sarcină 114 47

4.1.1. Profilul de sarcină 116 - 4.1.2. Indicatori specifici de caracterizare a curbei de sarcină 118 47 4.1.3. Aplatizarea curbelor de sarcină 122 -

4.2. Prognoza consumului de energie şi putere 124 48 4.2.1. Analiza comparativă asupra metodelor de prognoză 126 48 4.2.2. Prognoza cu metoda factorilor de modulaţie 127 -

4.2.3. Prognoza cu metoda seriilor de timp 131 49 4.2.4. Influenţa factorilor meteorologici 132 - 4.2.5. Prognoza cu metoda reţelelor neuronale artificiale 133 - 4.2.6. Metode analitice pentru prognoza consumului de energie 135 50

4.3. Studiul de caz: Analiza datelor şi prognoza curbelor de sarcină la perioade

lungi de măsurare 136 51 4.3.1. Analiza curbelor de sarcină la un consumator industrial 139 52

4.3.2. Dezvoltarea unei proceduri pentru prognoza cu analiza seriilor de

timp 143 56

4.4. Concluzii 147 62 Capitolul 5. SISTEM DE MONITORIZARE A INDICATORILOR DE

CALITATE A ENERGIEI ELECTRICE ÎN SISTEMELE ELECTRICE DE

DISTRIBUŢIE 148 60 5.1. Necesitatea monitorizării indicatorilor de calitate a energiei electrice 148 60

5.2. Condiţii de realizare a monitorizării 151 60 5.3. Dezvoltarea soluţiei software şi date de intrare 153 61 5.4. Descrierea softului de analiză a calităţii energiei electrice 154 62 5.5. Rezultate obţinute cu soluţia software dezvoltată 164 64 5.6. Concluzii 172 70

Capitolul 6. CONCLUZII FINALE ŞI CONTRIBUŢII PERSONALE 173 71 BIBLIOGRAFIE 179 77

ANEXE 185 -


Curriculum Vitae 81

TABLE OF CONTENTS

Pg. teza

Pg.

rezumat

INTRODUCTION 1 7

Chapter 1. THE CONCEPT AND THE COSTS POWER QUALITY 6 10 1.1. The evolution of the power quality concept 6 10 1.2. Quality costs and energy efficiency 9 - 1.3. The set of power quality indicators 11 11 1.4. Frequency variation 13 12

1.5. Voltage variation 16 13 1.5.1. Slow voltage variations 17 13 1.5.2. Temporary surges 19 14 1.5.3. Voltage dips 21 14

5

1.5.4. Voltage fluctuations 24 15 1.6. Deformation of current and voltage waveforms 26 16 1.7. Unbalance of three phase systems of voltages and currents 29 17 1.8 Concluzii 30 17

Chapter 2. METHODS AND PROCEDURES FOR MONITORING POWER

QUALITY INDICATORS 32 18 2.1. Perturbaţiile conduse în sistemul energetic 32 18 2.2. The monitoring of conducted disturbances 35 18-

2.2.1. The monitoring of frequency variations 37 18 2.2.2. The monitoring of slow voltage variations 39 19 2.2.3. The monitoring of temporary surges 42 21 2.2.4. The monitoring of voltage dips 44 21 2.2.5. The monitoring of voltage fluctuations and flicker 47 22

2.2.6. The monitoring of the distorting regime 50 24 2.2.7. The monitoring of three phase voltages and currents systems

unbalance 54 25 2.3. Descriptive statistical analysis in the characterization of power quality

indicators 55 25 2.3.1. Descriptive statistics 56 26 2.3.2. Case Study: Establishing voltage variation indicators in a power

distribution network 61 27 2.3.3. Case Study: Establishing voltage variation indicators for an

industrial consumer 67 - 2.4. Conclusions 72 32

Chapter 3. QUALITY AND EFFICIENCY IN ELECTRIC DISTRIBUTION

NETWORKS 74 33 3.1. The particularities of electricity distribution networks 74 33 3.2. Electrical energy load consumer 76 33

3.2.1. The classification and modelling of the consumer 76 33 3.2.2. The characterization of power loads 78 34

3.3. Own technological consumption 81 34 3.3.1. Strategic energy consumption in Romania 81 34 3.3.2. Electricity market and pricing 82 - 3.3.3. Researches regarding the assessment of own technological

consumption 84 - 3.3.4. Methods of assessing own technological consumption 85 35 3.3.5. Methods to reduce own technological consumption 91 37

3.4. Reducing own technological consumption by upgrading transformers 93 37 3.4.1. The necessity of this study and the existing situation 93 37 3.4.2. The procedure for assessing transformer energy efficiency 99 39 3.4.3. Substantiation of solutions to reduce own technological consumption 104 42

3.5. Conclusions 112 46 Chapter 4. SPECIFIC INDICATORS AND METHODS FOR ANALYZING

LOAD CURVES 114 47 4.1. The need for modelling and analysis of load curves 114 47

4.1.1. Load profile 116 -

4.1.2. Specific indicators for characterizing the load curve 118 47 4.1.3. The flattening of the load curves 122 -

4.2. Power consumption forecast 124 48 4.2.1. Comparative analysis of forecasting methods 126 48 4.2.2. Modulation factors forecast method 127 -

4.2.3. Time series forecast method 131 49 4.2.4. The influence of meteorological factors 132 -

6

4.2.5. Artificial neural networks forecast method 133 - 4.2.6. Analytical methods for forecasting energy consumption 135 50

4.3. Case Study: Data analysis and load curves forecast for long periods of

measurement 136 51 4.3.1. Analysis of the load curves at an industrial consumer 139 52 4.3.2. Development of a procedure for time series analysis Forecasting 143 56

4.4. Conclusions 147 62 Chapter 5. SYSTEM OF MONITORING POWER QUALITY INDICATORS IN

ELECTRICAL DISTRIBUTION SYSTEMS 148 60 5.1. The necessity of monitoring power quality indicators 148 60 5.2. Conditions for carrying out the monitoring 151 60 5.3. Developing software solutions and input data 153 61 5.4. Description of the power quality analysis software 154 62 5.5. Results obtained with the developed software solution 164 64 5.6. Conclusions 172 70

Chapter 6. FINAL CONCLUSIONS AND PERSONAL CONTRIBUTIONS 173 71 Bibliography 179 77 Annexes 185 -

Abstract short

Curriculum Vitae 81

În rezumat s-au păstrat notaţiile figurilor, relaţiilor, tabelelor şi referinţelor bibliografice din teza de

doctorat.


7

INTRODUCERE Definirea contextului general

Prezenta teză de doctorat abordează aspecte legate de calitatea energiei electrice şi creşterea eficienţei energetice în sistemele electrice de distribuţie.

Priorităţi în cercetarea ştiinţifică

Cercetarea din cadrul tezei de doctorat se înscrie în priorităţile Planului Naţional de Cercetare, Dezvoltare şi Inovare 2007-2013, în domeniul de cercetare: Energie, cu direcţia de cercetare 2.1 Sisteme şi tehnologii energetice durabile; securitate energetică, având ca temă de cercetare: creşterea eficienţei energetice pe întregul lanţ energetic şi în domeniul de cercetare Tehnologia Informaţiei şi Comunicaţii, cu direcţii de cercetare 1.6 Tehnologii pentru sisteme distribuite şi sisteme incorporate, având ca tema de cercetare: metode, modele şi algoritmi de simulare şi optimizare pentru rezolvarea unor problem complexe din ştiinţă, inginerie, economie şi societate. Actualitatea şi necesitatea cercetării

În prezent, s-a accentuat preocuparea consumatorilor, a fabricanţilor de echipamente şi a companiilor de distribuţie a energiei electrice pentru asigurarea calităţii energiei. Problematica actuală este concentrată, în principal, în următoarele direcţii: 1. Promovarea cercetărilor privind calitatea energiei electrice pentru stabilirea unor

instrumente de compatibilizare între cerinţele consumatorilor şi oferta furnizorului de energie electrică şi fundamentarea măsurilor mai mult sau mai puţin radicale privind penalizarea noncalităţii (conform concepţiei actuale, consumatorii care depăşesc limitele de perturbaţii alocate sunt deconectaţi) sau de măsuri stimulative, ca tarifele modulate.

2. Dezvoltarea de metode de măsurare comparabile şi controlabile a indicatorilor de calitate a energiei electrice;

3. Introducerea unor standarde şi precizarea unor obligaţii omogene din partea furnizorului, stabilite de o autoritate autonomă care să protejeze consumatorul, cu îmbunătăţirea metodelor de diseminare a informaţiei referitoare la conţinutul noilor standarde de calitate.

Până acum paşii pentru atingerea unor obiective ale calităţii energiei electrice constituiau o problemă internă a furnizorului de energie electrică, cu soluţii globale, deoarece producerea, transportul şi distribuţia energiei electrice erau integrate pe verticală. Odată cu deschiderea pieţei de energie, introducerea reglementărilor şi restructurarea sectorului energetic, au apărut probleme complexe, cu actori noi şi intermediari în piaţa de energie: brokeraj, producători privaţi, retailers etc.

În această situaţie, contractele între părţi trebuie să includă niveluri adecvate ale calităţii energiei electrice, iar reglementatorii trebuie să impună penalităţi specifice pentru nerealizarea unor obiective de bază ale calităţii energiei electrice. Pentru a fundamenta aceste obiective, reglementatorul are nevoie de analize comparative între diferite sisteme, cu noi date privind seturile de indicatori monitorizaţi, în special cu acelaşi tip de aparate de măsură sau care să se bazeze pe metode similare şi adecvate de măsurare şi monitorizare.

Pe altă parte, pentru satisfacerea compatibilizării între oferta de energie electrică a furnizorului şi cerinţele consumatorului sunt necesare eforturi din partea tuturor părţilor implicate: furnizorul de energie electrică, consumatorul şi fabricantul de echipamente, rolul esenţial revenind cercetării. Există însă limitări în ceea ce priveşte abordarea problematicii calităţii energiei

Îmbunătăţirea calităţii energiei electrice şi a eficienţei energetice în sistemele electrice de distribuţie

8

electrice, în special în cazul monitorizării perturbaţiilor care determină non-calitatea. Scopul indicatorilor de calitate a energiei electrice este de a defini modul de evaluare a diferitelor tipuri de perturbaţii, în vederea caracterizării sistemelor de alimentare cu energie electrică şi compararea lor cu un set de obiective (standarde) de calitate. Metodele actuale de monitorizare reflectă situaţia într-un punct al reţelei electrice şi nu indică efectele lor asupra părţilor (producător, operator/furnizor, consumator). Mai mult, obligaţia operatorului de reţea, de a asigura un anumit nivel de calitate, este necesar să fie completată cu obligaţia consumatorului final de a respecta limitele de emisii. Responsabilităţile părţilor sunt încă dificil de stabilit, deoarece nu există metode care să evalueze continuu cât este aportul la non-calitate a fiecărei părţi implicate. Astfel, sunt necesare mai multe cercetări privind acceptarea metodelor de măsurare a tensiunii şi modul de definire a responsabilităţilor. O altă limitare legată de monitorizarea indicatorilor de calitate a energiei electrice este cea spaţio-temporală: datele sunt disponibile o perioadă limitată de timp şi numai în anumite locaţii. De aceea sunt necesare noi cercetări în care să se obţină informaţii privind variaţia indicatorilor de calitate pentru anumite zone/site-uri şi sisteme ca un tot. Metodele metodele statistice/stocastice şi cele de predicţie pot contribui la fundamentarea obiectivelor de calitate şi la caracterizarea site-urilor şi sistemului în ansamblu. Având în vedere stadiul actual al cercetărilor şi necesităţile actuale privind implementarea principiilor sustenabilităţii în domeniul energiei electrice, prezenta teză de doctorat propune ca obiectiv central dezvoltarea de soluţii pentru îmbunătăţirea calităţii energiei electrice şi a eficienţei transferului de energie în sistemele electrice de distribuţie. Obiectivele tezei de doctorat Obiectivele specifice ale prezentei teze de doctorat sunt: Ob.1. Dezvoltarea de metode noi pentru identificarea, caracterizarea şi

monitorizarea indicatorilor de calitate a energiei electrice în sistemele electrice de distribuţie şi de alimentare la consumator;

Ob 2. Stabilirea de proceduri şi metode de îmbunătăţire a eficienţei energetice prin aducerea de noi date şi analize în vederea reducerii consumului propriu tehnologic şi a realizării prognozei consumurilor energetice;

Ob 3. Dezvoltare de soluţii software pentru măsurarea şi prelucrarea datelor în vederea obţinerii de noi informaţii privind obiectivele calităţii energiei electrice şi fundamentarea indicatorilor specifici de calitate în reţelele electrice de distribuţie şi la consumator.

Diseminarea rezultatelor

Rezultatele obţinute pe perioada pregătirii doctorale au fost diseminate prin realizarea a 2 monografii ştiinţifice, publicarea a 25 articole în jurnale şi în volume ale conferinţelor naţionale şi internaţionale, din care 9 lucrări ca prim autor şi 4 lucrări indexate în baze de date ISI, precum şi participarea în două programe de cercetare cu fonduri Europene.

Proiectul „Interacţiunea radiaţiei laser cu substanţa: modelarea fenomenelor fizice şi tehnici de depoluare electromagnetică”, valoarea proiect este de 110611 lei, a fost finanţat de Ministerul Educaţiei prin programul CNCS-UEFISCDI: Grant CNCS, PN-II-ID-PCE-2008, no 703/15.01.2009, code 2291. Din cadrul proiectului finanţat de Uniunea Europeană pentru SC FDEE EDTS S.A. cu titlul „Soluţii de creşterea eficienţei energetice prin reducerea pierderilor în reţelele electrice de distribuţie”, valoarea proiect de 8,5 milioane EURO, autorul a realizat Studiul de fezabilitate şi Caietul de sarcini.


9

Modul de organizare a tezei de doctorat

Prezenta teză de doctorat este structurată în 6 capitole, la care se adaugă un capitol introductiv.

Teza de doctorat este redactată pe 184 pagini şi conţine un număr de 68 figuri, 34 tabele, 159 relaţii, 120 referinţe bibliografice şi 6 anexe.

Capitolul 1, intitulat „Conceptul şi costurile calităţii energiei electrice”, tratează evoluţia conceptului de calitate a energiei electrice, costurile calităţii şi eficienţei energetice. Este definit setul de indicatorii specifici pentru caracterizarea calităţii energiei electrice: variaţia de frecvenţă, variaţia de tensiune, deformarea undelor de curent şi tensiune şi nesimetria sistemelor trifazate de tensiuni şi curenţi. Sunt analizate cauzele şi efectele noncalitătii asupra sistemelor electrice de distribuţie.

Capitolul 2, intitulat „Metode şi procedee de monitorizare a indicatorilor de calitate a energiei electrice”, tratează perturbaţiile conduse în sistemul energetic. Sunt analizate procedurile de monitorizare pentru variaţia de frecvenţă, variaţia de tensiune, deformarea undelor de curent şi tensiune respectiv nesimetria sistemelor trifazate de tensiuni şi curenţi. Este dezvoltată analiza statistică descriptivă în caracterizarea indicatorilor de calitate a energiei electrice, care este aplicată pentru două studii de caz privind stabilirea indicatorilor variaţiei de tensiune într-o reţea electrică de distribuţie şi la un consumato industrial.

Capitolul 3, intitulat „Calitate şi eficienţă în reţele electrice de distribuţie”, sunt prezentate particularităţiile reţelelor electrice de distribuţie şi se caracterizează, respectiv, se clasifică consumatorul energetic. Se face o analiză asupra consumului strategic de energie în România, a pieţei de energie electrică şi a tarifării. Sunt analizate metodele de evaluare şi metodele de reducere a consumului propriu tehnologic. Studiul de caz realizat permite fundamentarea soluţiei de reducere a consumului tehnologic prin modernizări la posturile de transformare, cu aplicarea unei proceduri simple de evaluare a eficienţei energetice la transformatoarele dintr-un sistem electric de distribuţie.

Capitolul 4, intitulat „Indicatori specifici şi metode de analiză a curbelor de sarcină”; aduce argumente privind necesitatea modelării şi analizei curbelor de sarcină. Sunt definiţi parametrii caracteristici porfilului d esarcină. Se face o analiza comparativă asupra metodelor de prognoză a consumului de energie şi putere: metoda factorilor de modulaţie, metoda seriilor de timp, metoda reţelelor neuronale artificiale. Studiul de caz cuprinde analiza datelor şi prognoza curbelor de sarcină la perioade lungi de măsurare pentru un consumator industrial, cu dezvoltarea unei proceduri pentru prognoza sarcinii cu metoda bazată pe serii de timp.

Capitolul 5, intitulat „Sistem de monitorizare a indicatorilor de calitate a energiei electrice în sistemele electrice de distribuţie”; aduce argumente privind necesitatea introducerii şi dezvoltarea sistemelor de monitorizarea indicatorilor de calitate a enerngiei electrice. Este descrisă soluţia software on-line dezvoltată de autor utilizând tehnologia Web modernă, soluţie care permite analiza în timp real a datelor măsurate de analizoarele de reţea a energiei electrice, utilizând metode statistico – matematice pentru caracterizarea indicatorilor d ecalitate şi pentru prognoza consumurilor de energie utilizând metoda bazată pe serii de timp. Sunt prezentate rezultate obţinute cu soluţia software dezvoltată pentru calculul parametrilor variaţiilor de frecvenţă, variaţiilor de tensiune, calcului coeficientului de nesimetrie pentru curent. Este prezentată prognoza consumurilor de sarcină electroenergetică pentru un consumator industrial, în care se cunosc valorile pentru energia electrică activă facturată din perioada 2009-2012. Prognoza realizată pentru primele 6 luni ale anului 2013 certifică valabilitatea programului si a algoritmilor dezvoltaţi.


10

Capitolul 6, intitulat „Concluzii finale şi contribuţii personale”, prezintă concluziile finale, contribuţiile personale şi direcţiile viitoare de cercetare ale prezentei teze de doctorat.

Mulţumiri

Doresc să adresez mulţumiri conducătorului ştiinţific prof. univ. dr. ing. Elena HELEREA, pentru îndrumarea, coordonarea sa fundamentală de-a lungul pregătiri mele doctorale, pentru sprjinul şi ajutorul constant cu sfaturi substanţiale în realizarea tezei de doctorat.

Mulţumesc domnilor prof. dr. ing. Călin MUNTEANU, col prof. dr. ing. Marian PEARSICĂ, prof. univ. dr. ing. Marius Georgescu, conf. dr. ing. Carmen GERIGAN pentru deosebita onoare pe care mi-au făcut-o acceptând propunerea de a face parte din comisia de susţinere, pentru atenţia cu care s-au aplecat asupra lucrării şi pentru sfaturile acordate.

În egală măsură doresc să îmi exprim recunoştinţa doamnei conf. univ. dr. mat. Livia SÂNGEORZAN de la Catedra de Informatică, Facultatea de Matematică şi Informatică pentru sprijinul şi importantele discuţii avute cu privire la procedurile statistice, la implementarea şi dezvoltarea de algoritmi.

Totodată, mulţumesc colectivului din Departamentul de Inginerie Electrică şi Fizică Aplicată din Facultatea de Inginerie Electrică şi Ştiinţa Calculatoarelor de la Universitatea Transilvania Braşov pentru sprijinul acordat, precum şi tuturor celor care au citit teza pentru comentariile şi sugestiile lor, în vederea rafinării ideilor.

Vreau să mulţumesc conducerii societăţii S.C. ELECTRICA S.A. în special colegilor, care m-au sprijinit şi mi-au împărtăşit din experienţa lor: Director General S.C. SISE Electrica Transilvania SUD S.A. ing. Sorin ABAGIU, dr. ing. Dorel STĂNESCU, ing. Sandor Endre NAGY, ing. Angel STEICIUC şi ing. Rareş POPESCU.

În final, dar nu în ultimul rând doresc să mulţumesc familiei pentru răbdarea, înţelegerea şi suportul moral acordat şi, în special, mamei mele, Emilia MIHAI fără de care cu greu aş fi dus la bun sfârşit această lucrare.

CAPITOLUL 1 CONCEPTUL ŞI COSTURILE CALITĂŢII ENERGIEI ELECTRICE

1.1. Evoluţia conceptului de calitate a energiei electrice

În prezent, cercetările privind calitatea produselor şi serviciilor au intrat într-un nou stadiu, ca urmare a creşterii exigenţelor clienţilor şi a necesităţii producătorilor de a livra produse compatibile cu cerinţele clienţilor la un preţ de cost acceptabil. Problema calităţii în cazul energiei electrice, considerată ca produs al ansamblului de activităţi de alimentare cu energie electrică şi privită ca un serviciu, este foarte complexă. Odată cu deschiderea pieţei de energie, a introducerii de reglementări şi restructurarea industriei energetice, conceptul de calitate a energiei electrice (CEE) a căpătat noi valenţe. Dacă până acum CEE era un termen care implica obiective naţionale, astăzi obiectivele privind CEE devin tot mai explicite, fie sub formă de contracte negociate cu clienţii, fie sub forma unui set de reglementări definite prin obiective zonale, naţionale sau chiar internaţionale.

O definiţie atotcuprinzătoare a conceptului de CEE este direct legată de


11

metodele de stabilire a cauzelor non-calităţii, de stabilire a obiectivelor pentru ameliorarea şi evaluare calităţii. Privită din punctul de vedere al efectelor sale în relaţia furnizor - consumator, calitatea energiei electrice include două componente: a) componenta tehnică, calitatea mărimilor electrice care definesc energia electrică,

cu referire specială la calitatea tensiunii de alimentare; b) componenta economică, calitatea serviciului în alimentarea cu energie electrică,

cu referire specială Ia siguranţa sistemului electric de distribuţie. În monografia elaborată de Helerea [12] se menţionează că cele două

componente - tehnică şi economică - se condiţionează şi se influenţează reciproc, deoarece componenta tehnică se evaluează în final prin indicatori economici, iar componenta economică produce efecte asupra parametrilor tehnici ai sistemului electric de distribuţie.

Managementul calităţii energiei electrice impune definirea setului de indicatori care permit evaluarea nivelului de calitate a energiei electrice şi definirea obiectivelor care trebuiesc atinse, corespunzător limitelor acceptabile; stabilirea de limite prin reglementări internaţionale şi naţionale; implementarea unor strategii cu metodologii aferente pentru limitarea/alocarea nivelului de perturbaţii a surselor perturbatoare, pentru cunoaşterea cauzelor, efectelor şi găsirea remediilor. Astfel se realizează soluţii fiabile care să evite daunele care pot să apară datorită abaterilor faţă de limitele admise.

1.3. Setul indicatorilor de calitate ai energiei electrice

Atributele calităţii unui produs se definesc prin indicatori care reprezintă modalităţi de apreciere cantitativă a proprietăţilor produsului analizat sub aspectul îndeplinirii cerinţelor exprimate. Indicatorii de calitate a energiei electrice se referă la:

calitatea energiei livrate (în principal caracteristicile curbei de tensiune);

continuitatea serviciului de alimentare cu energie electrică. Ionescu, în monografia elaborată [3], departajează în două grupe indicatorii de calitate a energiei electrice:

indicatori primari, care depind, în primul rând, de furnizor şi sunt rezultatul planificării, proiectării şi organizării funcţionării instalaţiilor energetice;

indicatori secundari, care sunt influenţaţi de funcţionarea consumatorilor. Totuşi, în funcţie de caracteristicile şi necesităţile consumatorului, nu se poate spune care sunt indicatorii primari sau cei secundari. Din această cauză, setul minim de indicatori pentru realizarea unei analize a calităţi energiei electrice trebuie să includă:

parametrii ce caracterizează variaţiile lente (abateri) sau rapide (fluctuaţii) ale valorii efective a tensiunii;

parametrii ce caracterizează variaţiile lente sau rapide ale frecvenţei;

parametrii ce caracterizează forma de undă a tensiunii şi simetria în sistemul trifazat al tensiunii electrice.

Deşi părţile implicate în procesul de evaluare a calităţii energie electrice - utilizatorii finali, operatorii de reţea şi reglementatorii - au interese diferite, trebuie să se ajungă la un consens în ceea ce priveşte stabilirea unui set comun de indicatori ai calităţii energiei electrice, iar obiectivele calităţii să satisfacă în măsură din ce în ce mai mare aşteptările consumatorilor, pentru a reflecta cât mai real plata pentru energia furnizată.

Analiza cauzelor şi efectele noncalităţii asupra sistemelor electrice de distribuţie, autorul propune utilizează unui instrument grafic de explorare şi anume, diagrama Ishikawa, denumită şi Fishbone Diagram. Diagrama Ishikawa pune


12

accentul pe cauze şi nu pe simptome de manifestare ale unei probleme, ceea ce conduce la îmbunătăţirea gradului de înţelegere a problemelor complexe. Algoritmul de realizare a diagramei Ishikawa este următorul:

1. identificarea problemei; 2. stabilirea obiectivului analizei; 3. stabilirea cauzelor principale ale problemei; 4. conectarea cauzelor principale la coloana vertebrală a problemei prin săgeţi; 5. se stabilesc cauzele secundare ale fiecărei cauze principale; 6. conectarea cauzelor secundare la cauzele principale prin săgeţi; 7. revenirea la paşii 5 şi 6 în funcţie de nivelul de aprofundare urmărit; 8. analiza şi evaluarea cauzelor şi sub-cauzelor prin metode statistice, analitice sau grafice; 9. adoptare de decizii.

1.4. Variaţia de frecvenţă

Variaţia de frecvenţă a tensiunii constituie unul din indicatorii CEE. Există numeroase studii care au o contribuţie semnificativă în clarificarea cauzelor variaţiilor de frecvenţă. Toate echipamentele din reţeaua electrică din Uniunea Europeană (UE) sunt dimensionate să funcţioneze la frecvenţa nominală de 50Hz, iar în Statele Unite ale Americi şi în alte ţări la 60Hz. Valoarea frecvenţei tensiunii de alimentare, unică în sistemul electroenergetic interconectat, este determinată de echilibrul între puterea activă generată de sursele din sistem şi puterea activă utilizată care reprezintă puterea necesară utilizatorilor finali şi puterea aferentă pierderilor la producerea, transportul şi distribuţia energiei electrice [11].

Cauzele variaţiilor de frecvenţă a tensiunii au fost analizate, sistematizate şi

reprezentate grafic în diagrama Ishikawa (Fig. 1.2).

Fig. 1.2. Diagrama Ishikawa pentru variaţiile de frecvenţă a tensiunii electrice

O cauză importantă de apariţie a variaţiilor de frecvenţă este ieşirea din funcţiune a unei mari centrale electrice, caz în care frecvenţa scade, sau a unui consumator important, când frecvenţa creşte. Variaţiile lente de frecvenţă depind de echilibrul dintre puterea consumată şi puterea generată în sistemul electroenergetic. Variaţiile rapide de frecvenţă se datorează unor defecte majore cum ar fi ieşirea din funcţiune a unei mari centrale electrice.


13

Obiective de calitate privind variaţiile de frecvenţă Punctul de plecare în stabilirea obiectivelor de calitate este reprezentat de

cerinţele utilizatorilor. Obiectivele planificate sunt stabilite de reglementările naţionale şi internaţionale. Conform standardului român SR EN 50160:2012, aplicabil în

reţelele de joasă şi medie tensiune, abaterea relativă limită f faţă de frecvenţa

nominală de 50Hz este:

pentru sisteme interconectate:

o f = ± 1%, în intervalul [49,5Hz; 50,5Hz], cu monitorizare

timp de o săptămână, la 10 minute;

o f = (-6 ... +4)%, în intervalul [47Hz; 52Hz], cu monitorizare

100% din săptămână;

pentru sisteme insulare:

o f = ± 2%, în intervalul [49Hz; 51Hz], monitorizat timp de o

săptămână, la 10 minute;

o f = ± 15%, în intervalul [42Hz; 57,5Hz], cu monitorizare 100% din

săptămână.

1.5. Variaţia de tensiune

Variaţia tensiunii electrice în punctul comun de racord este un indicator semnificativ al calităţii energiei electrice. În instalaţiile electrice apar variaţii de tensiune ca urmare a variaţiei sarcinii receptoarelor, a scurtcircuitelor, a supratensiunilor de natură atmosferică sau de comutaţie.

Variaţiile de tensiune se pot clasifica în: variaţii lente de tensiune; supratensiuni; goluri de tensiune; fluctuaţii de tensiune.

1.5.1. Variaţii lente de tensiune

Lăzăroiu arată, în monografia sa [21], că amplitudinea tensiunii de alimentare poate avea variaţii lente, datorate în special căderilor de tensiune pe linii electrice şi în transformatoare, determinate de variaţia sarcinii electrice a utilizatorilor.

Cauzele variaţiilor lente de tensiune au fost analizate, sistematizate şi


Fig. 1.3. Diagrama Ishikawa pentru variaţii lente de tensiunii

Cea mai importantă cauză a variaţie de tensiune o reprezintă circulaţia de putere reactivă. Variaţiile de tensiune în nodurile reţelei electrice, în regim normal de funcţionare, sunt datorate variaţiei circulaţiei de putere reactivă.


14

Reglementări privind variaţiile lente de tensiune Obiectivele planificate privind variaţiile lente de tensiune sunt specificate în standardul românesc Conform standardului SR EN 50160:2012, nivelurile de compatibilitate se referă la variaţiile lente şi rapide de tensiune: variaţiile lente de tensiune (JT şi MT) de valori efective medii pe 10 minute: ± 10% maximum, iar nivelul de încredere este 95% din săptămână, adică eroarea tolerate în afara limitelor să fie mai mici de 5% din valorile parametrului în cauză; variaţiile rapide de tensiune (JT şi MT), nu trebuie să depăşească 5% din valoarea tensiunii nominale, dar pot atinge 10% în JT şi 6% în MT repetat în timpul unei zile, pentru câteva minute, în anumite condiţii.

1.5.2. Supratensiuni temporare

Creşterile valorilor efective ale tensiunii, într-un anumit nod al reţelei, pe o durată mare de timp, reprezintă supratensiunea temporară.

Cauzele supratensiunilor temporare au fost analizate, sistematizate şi


Apariţia unui defect între o fază şi pământ reprezintă cauza cea mai frecventă

de formare a supratensiunilor, iar pe celelalte două faze apar supratensiuni

temporare cu amplitudini ce depind de regimul de tratare a neutrului reţelei şi de locul

de producere a defectului.

Fig. 1.4. Diagrama Ishikawa pentru supratensiuni temporare

Reglementări privind supratensiunile temporare Aceste supratensiuni nu trebuie să depăşească valorile normate prin

“Normativ privind alegerea izolaţiei, coordonarea izolaţiei şi protecţia instalaţiilor electroenergetice împotriva supratensiunilor” – NTE001/03/2000 [23].

1.5.3. Goluri de tensiune

Orice variaţie la care tensiunea ajunge la mai puţin de 90% din tensiunea contractată este considerată gol de tensiune. În standardul IEEE 1159-1995 [26] se introduc patru categorii de goluri, în funcţie de durata acestora: goluri instantanee: 0,5 perioade până la 30 perioade; goluri momentane: 30 perioade până la 3 secunde; goluri temporare: 3 secunde la 1 minut; goluri de lungă durată: peste 1 minut.

Această ultimă clasificare este motivată de faptul că influenţa golurilor de tensiune asupra receptoarelor monofazate este determinată de valoarea tensiunii de fază, iar cea asupra receptoarelor trifazate este dictată în special de valoarea componentei pozitive (directe). Cauzele golurilor de tensiune au fost analizate, sistematizate şi reprezentate grafic în


15

diagrama Ishikawa (Fig. 1.5).

Fig. 1.5. Diagrama Ishikawa pentru goluri de tensiune

Existenţa liniilor electrice aeriene duce la creşterea frecvenţei de apariţie a golurilor de tensiune. Scurtcircuitele apărute într-o reţea reprezintă cauza principală de apariţie a golurilor de tensiune.

Reglementări privind golurile de tensiune

Având în vedere caracterul complex (imprevizibil şi aleator) al golurilor de tensiune, nu sunt încă prevăzute limite admisibile pentru mărimile caracteristice ale acestui tip de indicator. În standardul român SR EN 50160:2012, se precizează că în majoritatea cazurilor golurile tensiuni de alimentare au durata sub o secundă şi adâncimea mai mică de 60%. Ca ordin de mărime, se poate considera faptul că un utilizator individual în mediul urban poate fi afectat, în medie pe lună, de 1...4 goluri de tensiune care să depăşească 10% din tensiunea de alimentare cu durate între 60ms şi 3s.

1.5.4. Fluctuaţii de tensiune

Fănică Vatră, în monografia sa [28], prezintă fluctuaţiile de tensiune ca fiind variaţii datorate vârfurilor de putere ce rezultă din funcţionarea intermitentă sau cu şocuri de putere a unor receptoare, ca de exemplu: în reţelele de joasă tensiune: frigidere, ascensoare, aparate de sudură; în reţelele de medie tensiune: pompe, locomotive electrice, laminoare; centrale electrice eoliene; în reţelele de înaltă tensiune: cuptoare electrice cu arc, centrale electrice eoliene. Cauzele fluctuaţiilor de tensiune au fost analizate, sistematizate şi reprezentate

grafic în diagrama Ishikawa (Fig. 1.6).

Fig. 1.6. Diagrama Ishikawa pentru fluctuaţii de tensiune


16

Controlul în timp real al puterii reactive prin sistemele automatizate de distribuţie este cea mai eficientă soluţie pentru încadrarea flickerului în limitele admisibile.

Reglementări privind fluctuaţiile de tensiune

În prezent, sunt recomandate numai niveluri de compatibilitate pentru variaţiile dreptunghiulare ale tensiunii, cu diferite frecvenţe de repetare. De regulă, fluctuaţiile de tensiune care produc flicker sunt de până la 3% din tensiunea nominală de alimentare, dar pot apărea rar (câteva pe zi) şi variaţii în treaptă până la 8% în reţele publice. În reţelele electrice de distribuţie de înaltă tensiune, în condiţii normale de funcţionare, în orice perioadă la interval de o săptămână, nivelul de flicker pe termen lung Plt trebuie să fie Plt < 1 pentru un nivel de încredere de 95% din săptămână.

1.6. Deformarea undelor de curent şi tensiune

Prezenţa receptoarelor deformante de categoria I şi II cum sunt: variatoarele de viteză, redresoarele comandate sau semicomandate, cuptoarele cu arc, aparatele de sudură cu arc electric, condensatoarele şi bobinele determină scăderea calităţii energiei electrice. De asemenea, armonici superioare de tensiune pot fi produse de maşini electrice, transformatoare electrice de putere şi de unele elemente neliniare ale reţelei electrice. Regimul deformant este datorat şi unor generatoare electrice, prin imperfecţiunea formei de undă a tensiunii la borne faţă de forma sinusoidală.

Cauzele deformării undelor de curent şi tensiune au fost analizate,

sistematizate şi reprezentate grafic în diagrama Ishikawa (Fig. 1.7).

Fig. 1.7. Diagrama Ishikawa pentru deformarea undelor de curent şi tensiune

Cea mai importantă cauză în deformarea undelor de tensiune şi curent o reprezintă folosirea echipamentelor ce au componente electronice.

Reglementări privind regimul deformant Conform standardului SR EN 50160:2012, tensiunile armonice (JT şi MT) în 95% din măsurători pe o săptămână, au valoarea agregată pe un interval de 10 minute a componentelor tensiunii armonice şi aceasta trebuie să fie mai mică sau egală cu valorile indicate în standard. Pentru o armonică de un anumit ordin se pot atinge valori mai mari datorită rezonanţei. Factorul de distorsiune maxim admisibil pentru armonici până la rangul 40 trebuie să fie mai mic sau egal cu 8% în reţelele de JT şi MT şi de până la 3% în reţelele de ÎT. Pentru armonici superioare (peste rangul 15 la armonicile impare multiplu de 3, respectiv 12 la armonicile pare) apar restricţii mai severe în standarde IEC decât în standardul SR EN 50160:2012.


17

1.7. Nesimetria sistemelor trifazate de tensiuni şi curenţi

Nesimetria sistemului de tensiuni trifazate este definită de inegalitatea valorilor efective ale tensiunilor pe cele trei faze, existenţa unui defazaj diferit de 1200 sau existenţa unor niveluri diferite ale armonicilor pe cele trei faze [30].

Cauzele nesimetriei sistemelor trifazate de tensiuni şi curenţi au fost analizate,

sistematizate şi reprezentate grafic în diagrama Ishikawa (Fig. 1.8).

Fig. 1.8. Diagrama Ishikawa pentru nesimetria în sisteme trifazate

Cea mai importantă cauză a nesimetriilor o reprezintă sarcinile dezechilibrate în reţeaua de alimentare.

Reglementări privind nesimetriile

Conform [34] sunt adoptate pentru factorul de nesimetrie K2U următoarele niveluri de compatibilitate în cazul reţelelor de joasă tensiune (JT), pentru cele de medie tensiune (MT) şi de înaltă tensiune (ÎT): pentru JT: K2U ≤ 2%; pentru MT: K2U ≤ 2%; 1.8 Concluzii

Conceptul de calitate a energiei electrice în perioada 1962 – 2011 a evoluat prin includerea celor două aspecte: tehnic şi economic.

Analiza cauzelor şi efectelor noncalităţii energiei electrice se poate realiza prin metoda Ishikawa, metodă oportună pentru a pune în evidenţă factorii importanţi ai non-calităţii care permite realizarea sintezei evenimentelor specifice indicatorilor de calitate ai energie electrice având ca obiectiv planificarea standardelor şi reglementărilor în vigoare.

În ultimii ani, responsabilitatea privind calitatea energiei electrice s-a diversificat. Sistemul de distribuţie a energiei electrice este încă în tranziţie spre o piaţă liberalizată a energiei electrice. Odată cu implementarea „Smart Grids – reţea electrică inteligentă”, operatorii reţelelor de distribuţie au de suportat responsabilităţi exprese pentru a distribui energie electrică în conformitate cu nivelul calităţii impus fie de clienţi, prin contracte, fie de un reglementator prin lege. Asemenea responsabilităţi implică monitorizarea şi raportarea sistematică a calităţii energiei electrice. Astfel, determinarea indicatorilor de calitate a energiei electrice este necesară pentru controlul respectării cerinţelor actelor normative şi pentru stabilirea responsabilităţilor reciproce ale furnizorului şi ale consumatorilor. Sunt necesare sisteme de monitorizare auditate care să aibă la bază modele matematice de agregare cât mai precise, pentru analiza şi compararea coerentă a datelor, necesare stabilirii penalităţilor, atunci când sunt introduse perturbaţii în sistem. Pentru reţelele electrice de distribuţie cercetările actuale urmăresc să identifice legătura care există între calitatea energiei electrice şi consumul propriu tehnologic, direct legat de eficienţă energetică.


18

CAPITOLUL 2

METODE ŞI PROCEDEE DE MONITORIZARE A INDICATORILOR DE CALITATE A ENERGIEI ELECTRICE

2.1. Perturbaţiile conduse în sistemul energetic

Calitatea energiei electrice livrate consumatorului, caracterizată printr-un set

de indicatori, este evaluată prin monitorizarea perturbaţiile conduse care se propagă în sistemul energetic, afectând toate părţile implicate: producătorul, transportatorul, distribuitorul, furnizorul şi consumatorul final. Perturbaţiile sunt măsurate prin identificarea anormalităţilor în unda de tensiune sau de curent.

Perturbaţiile conduse sunt de tip continuu sau de tip eveniment (discrete) [36]. Perturbaţiile continue (stady state) sunt prezente în fiecare ciclu al tensiunii

alternative şi includ variaţiile lente de tensiune, armonicile, flickerul şi nesimetria în reţelele electrice [1]. Detectarea şi măsurarea lor se face prin măsurarea amplitudinii semnalului şi stabilirea abaterii faţă de valoarea nominală a tensiunii sau curentului.

Metodele de detecţie a perturbaţiilor se bazează pe compararea punct cu punct a ciclurilor adiacente, sau a valorilor efective ale semnalului distorsionat cu un semnal ideal (sau bazat pe model), sau ale datelor transformate în domeniul frecvenţă. Există metode parametrice (filtru Kalman, model autoregresiv) sau neparametrice (bazate pe transformata Fourier de timp scurt sau transformarea wavelet).

Monitorizarea calităţii energiei electrice este un aspect al controlului calităţii care presupune supravegherea (observarea de durată) a parametrilor de energie electrică în scopul verificării conformităţii sale cu cerinţele impuse de legislaţia în vigoare. Pentru caracterizarea consumatorilor – sursa de perturbaţii electromagnetice, prezintă interes prelucrarea statistică a datelor experimentale.

2.2. Monitorizarea perturbaţiilor conduse

Cercetările recente au stabilit indicatori caracteristici pentru fiecare din aspectele calităţii energiei electrice, pentru care sunt dezvoltate metode de monitorizare şi prelucrare a datelor specifice.

În ceea ce priveşte durata monitorizării, aceasta diferă în funcţie de tipul perturbaţiilor. Deoarece perturbaţiile eveniment se produc mai rar, timpul de observare trebuie să fie mai lung decât în cazul perturbaţiilor continue. Astfel, de exemplu, în cazul golurilor de tensiune, se recomandă ca durata de monitorizare să fie de minim un an.

În continuare sunt analizate mărimile caracteristice fiecărui indicator de calitate a energiei electrice şi procedurile lor de obţinere.

2.2.1. Monitorizarea variaţiilor de frecvenţă

Indicatorii specifici ce caracterizează variaţiile de frecvenţă în sistemele electrice de distribuţie, definiţi în monografiile actuale [18], [20], [22] şi în reglementări [26], [34] şi [43], sunt:

Abaterea absolută de frecvenţă f :

fff n (2.4)

unde: nf - frecvenţa nominală a reţelei de alimentare (50Hz sau 60Hz),


19

f - frecvenţa măsurată la un moment dat de timp.

Abaterea relativă a frecvenţei f :

%100%

n

nf

f

ff (2.5)

Abaterea relativă se utilizează în statistica descriptivă şi indică dacă şirul de date este omogen, furnizând informaţii la nivelul fiecărei variante analizate.

Abaterea integrală de frecvenţă pe durata unei zile fI este introdusă pentru a

caracteriza necesitatea şi asigurarea funcţionării corecte a ceasurilor sincronizate cu frecvenţa reţelei electrice. Deoarece f este o funcţie dependentă de timp se introduce mărimea integrală pe durata unei zile, de forma:

dttfT

IoT

f 00

)(1

(2.6)

unde: 0T – intervalul de observare este egal cu 24 h.

Abaterea integrală de frecvenţă se utilizează atunci când mărimile caracteristice ale variaţiei de frecvenţă nu se pot prelucra statistic.

2.2.2. Monitorizarea variaţiilor lente de tensiune Variaţiile lente de tensiune sunt de mică amplitudine şi de durată mai scurtă,

de ordinul milisecundelor. Indicatorii specifici ce caracterizează variaţiile lente de tensiune în sistemele electrice de distribuţie sunt definiţi în [20 - 22], [29] şi [44].

Mărimile care caracterizează variaţiile lente de tensiune sunt:

Abaterea de tensiune, definită ca diferenţa dintre valoarea efectivă a tensiunii într-un nod al reţelei electrice la un moment dat, şi valoarea contractată/nominală. Relaţia de calcul a abaterii de tensiune este:

VUUU n (2.7) în această relaţie: U – este valoarea efectivă a tensiunii )(tu luată în considerare la

măsurare şi corespunde la măsurare:

VdtuT

UT

,1

0

2 (2.8)

în care: T – perioada tensiunii de alimentare; nU - este tensiunea nominală a reţelei

în punctul de măsurare denumită în unele lucrări de specialitate tensiune contractată.

Abaterea relativă de tensiune, care se exprimă: a) ca mărime adimensională:

1

uU

UUU

n

n (2.9)

unde: u - nivelul de tensiune relativă, definit cu relaţia: nU

Uu

b) ca mărime în procente:

%100%

n

n

U

UUU (2.10)

Valoarea medie a abaterii relative a tensiunii faţă de valoarea nominală, pe durata unui interval de timp t de observare, se determină cu relaţia:


20

t

med dtUt

U0

%%%,

1 (2.11)

Indicatorul %medU este o caracteristică a nivelului mediu al tensiunii pe

barele de alimentare şi oferă indicaţii privind alegerea plotului de reglare al transformatorului.

Luând în considerare relaţia (2.9) valoarea medie a abaterii tensiunii devine:

t

medmed udtut

U0

*** 1)1(1

(2.12)

Acest indicator specific depinde de diferenţa dintre valoarea medie a nivelului de tensiune relativă şi unitate.

Dispersia abaterilor de tensiuni calculată cu relaţia:

2%0

2%

2 1med

t

U UdttUt

(2.13)

Dacă prin stabilirea duratei de observaţie t se poate ajunge la o abatere

medie neglijabilă ( 0% medU ), ceea ce corespunde cazului unor abateri

simetrice, echilibrate în cele două sensuri, atunci relaţia (2.13) devine:

t

U dttUt

0

2%

2 1 (2.14)

Gradul de iregularitate a tensiunii, definit cu relaţia:

t

q dttUt

0

2%

2 1 (2.15)

Cu relaţiile (2.13) şi (2.15) expresia dispersiei devine:

2%2 medqU U (2.16)

Abaterea medie pătratică a tensiunilor, definită ca rădăcina pătrată din dispersia abaterilor de tensiune, este de forma:

t

UU dttUt

0

2%

2 1 (2.17)

Considerând relaţia (2.9) abaterea medie pătratică a tensiunilor devine:

12 *2*2 uuUU (2.18)

unde: nU

Uu reprezintă nivelul de tensiune relativă.

Prin aplicarea metodelor statistice, se poate prelucra un număr foarte mare de date şi astfel interpretarea rezultatelor devine mai consistentă.

2.2.3. Monitorizarea supratensiunilor temporare

Supratensiunile sunt perturbaţii discrete care se caracterizează prin indicatori specifici [13], [29]:

Coeficientul de supratensiune temporară, este definit cu relaţia:


21

U

Ukv

max (2.19)

unde: vk – factorul de vârf; maxU – valoarea efectivă maximă a tensiunii de fază din

intervalul de timp considerat; U – valoarea efectivă a tensiunii pe fază.

Procedura de măsurare pentru supratensiuni Supratensiunea tranzitorie se determină prin compararea valorii instantanee a

tensiunii, pe fiecare interval de măsurare, cu valoarea instantanee a tensiunii din intervalul de măsurare anterior, măsurată la acelaşi moment de timp faţă de trecerea prin zero.

2.2.4. Monitorizarea golurilor de tensiune

Monografia „Goluri de tensiune în sisteme electroenergetice” [25], apărută în anul 1979, reprezintă o deschidere în domeniul calităţii energiei electrice. Alte lucrări în limba română s-au preocupat de noi modalităţi de definire, identificare şi dezvoltare de metode de monitorizare a golurilor de tensiune [20], [21], [24], şi [28].

Conform standardului IEC 61000-4-30, golul de tensiune se caracterizează prin amplitudine, durată şi frecvenţă de apariţie.

Amplitudinea golului de tensiune pe fază este definită cu relaţia:

[%]100%

n

rezn

n

g

golU

UU

U

U (2.22)

în care: gol - amplitudinea relativă sau procentuală; rezU - valoarea remanentă a

tensiunii de fază; nU – tensiunea nominală/contractată pe fază.

Durata golului de tensiune gt reprezintă intervalul de timp cuprins între

momentul apariţiei golului şi momentul revenirii tensiunii peste valoarea de prag:

][sttt ifg (2.23)

în care: it - momentul de timp iniţial la care apare evenimentul; ft - momentul de

timp final la care se sfârşeşte evenimentul.

Frecvenţa de apariţie a golurilor gf este dată de numărul de goluri de tensiune

care apar într-o anumită reţea electrică sau într-un nod al reţelei, într-o anumită perioadă de timp:

1

ht

Nf

g

g (2.24)

în care: gN - numărul de goluri de tensiune care apar în timpul de observaţie rt

(în mod uzual 1 an). Procedura de măsurare pentru goluri de tensiune Pentru a caracteriza calitatea energiei electrice cu indicatorul goluri de

tensiune este necesar să se combine efectul tuturor evenimentelor care au loc într-o perioadă dată de timp, într-un anumit loc (site), respectiv, sistem.

Mărimile caracteristice ale golurilor de tensiune dau informaţii asupra calităţii tensiunii într-un loc, despre frecvenţa evenimentelor cu valori specificate pentru amplitudine şi durată.


22

2.2.5. Monitorizarea fluctuaţiilor de tensiune şi a flickerului

Fluctuaţiile de tensiune sunt acele variaţii rapide de tensiune cu caracter repetitiv, periodice sau aleatorii, care se produc cu o viteză de variaţie mai mare de un procent pe secundă:

s

%1

%

t

U (2.27)

Fluctuaţiile de tensiune care determină efectul de flicker au, în general, valori sub 10% din amplitudinea tensiunii la barele de alimentare şi sunt produse în domeniul de frecvenţa (0,003 ... 25) Hz, ceea ce corespunde unor periodicităţi în domeniul (40 ms ... 5 min.).

Indicatorii specifici pentru fluctuaţiile de tensiune sunt:

Indicele fluctuaţiei de tensiune, exprimat ca mărime adimensională:

***minmax

minmax uuU

UUaU

n

(2.28)

unde: u reprezintă nivelul de tensiune relativă şi este definită cu relaţia - nU

Uu .

Flickerul este direct legat de perturbaţiile de tip fluctuaţii de tensiune. Definiţia flickerului este dată în dicţionarul de termeni electrotehnici ca: „senzaţia neplăcută dată de stimuli luminoşi a căror intensitate luminoasă sau distribuţie spectrală variază în timp”. Există numeroase lucrări care se referă la efectul de flicker [10], [20], [21], [28], [29], [44], şi [58].

În cazul unor amplitudini de fluctuaţii şi frecvenţe diferite se poate stabili echivalenţa fenomenelor care produc senzaţia de jenă vizuală.

Amplitudinea fluctuaţiei echivalentă cu efectul pentru frecvenţa de 10 Hz se determină cu relaţia:

i

ii aga2*22*

10 (2.30)

unde: *ia - amplitudinea fluctuaţiei cu frecvenţa i; ig - coeficient de echivalenţă,

determinat experimental care depinde de frecvenţa de apariţie a fluctuaţiei de tensiune.

Din punct de vedere cantitativ, senzaţia de jenă acumulată de ochiul uman, într-un interval de timp t , este caracterizată prin doza de flicker.

Doza de flicker are expresia:

.dtagdtaft

0 i

2*

i

2

i

t

0

2*

10

(2.31)

Doza de flicker se poate determina direct cu ajutorul unui aparat tip flickermetru. Determinarea nivelului de flicker se face pe baza valorilor efective ale tensiunii măsurate la fiecare 10 ms.

Algoritmul flickermetrelor, definit în standardul IEC 61000-4-15, are

ca rezultat indicele de severitate pe termen scurt la 10 minute stP . Acest index este

obţinut prin analiza statistică a valorilor instantanee de flicker în care se modelează efectul produs asupra retinei de lămpile cu incandescenţă şi modul de observare a intensităţii luminoase.

Nivelul de flicker pentru perioade scurte de timp stP se determină cu relaţia:

ssssssssssst PkPkPkPkPkP 5050101033111,01,0 (2.32)

în care, mărimile marcate cu bară deasupra sunt valori medii:


23

3

5

3

3

80503050

1713108610

432,23

5,111,01

ssss

ssssss

ssss

ssss

PPPP

PPPPPP

PPPP

PPPP

(2.33)

unde: sk 1,0 , sk1 , sk3 , sk10 , sk50 - sunt coeficienţi astfel stabiliţi încât pentru

amplitudinile admisibile ale fluctuaţiilor să rezulte 1stP .

Cu limitele tolerabile ale severităţii flickerului pe perioade scurte de timp se poate utiliza o relaţie mai simplă:

sssssst PPPPPP 5010311,0 08.028.00657.00525.00314.0 (2.34)

unde: mărimile din expresiile anterioare: 1,0P ; 1P ; 5,1P ; 2,2P ; 3P ; 4P ; 6P ; 8P ;

10P ; 13P ; 17P ; 30P ; 50P ; 80P sunt niveluri ale flickerului depăşite în 0,1%; 1%;

1,5%; 2,2%; 3%; 4%; 6%; 8%; 10%; 13%; 17%; 30%; 50%; 80% din timp.

Nivelul flickerului de lungă durată ltP , denumit şi indice de severitate a flickerului,

este definit cu valorile indicatorului de flicker pe termen scurt stP şi este calculat

cu relaţia:

3

1

3,

1

N

j

jstlt PN

P (2.35)

unde: NjP jst ,,3,2,1, reprezintă citiri succesive ale valorilor stP corespunzătoare flickerului de scurtă durată.

Nivelul flickerului de lungă durată ltP determinat pe intervale succesive de timp

de două ore este calculat cu relaţia:

3

12

1

3,

12

1

j

jstlt PP (2.36)

în care sumarea perturbaţiilor se face după o lege cubică. Procedura de măsurare pentru fluctuaţii de tensiune În prezent, se indică numai niveluri de compatibilitate pentru variaţiile

dreptunghiulare ale tensiunii, cu diferite frecvenţe de repetare. În reţelele electrice de distribuţie de înaltă tensiune, în condiţii normale de

funcţionare, în orice interval de timp de observare (de obicei de o săptămână), nivelul de flicker pe termen lung după standardul românesc SR EN 50160:2012, nu trebuie

să depăşească 1ltP pentru 95% din valorile măsurate la 2 h în intervalul de timp

de o săptămână. În stabilirea obiectivelor de calitate se are în vedere că un index de severitate care depăşeşte unitatea va perturba majoritatea indivizilor. O severitate între 0.7 şi 1.0 este semnificativă, dar nu va perturba toţi indivizii. Se poate aprecia că sistemele de supraveghere a flickerului sunt puţin utilizate. Monitorizări de flicker se fac doar în noduri cu fluctuaţii mari de sarcină. Costurile de monitorizare sunt încă

nejustificabile pentru valori reduse ale indicilor de severitate stP şi ltP .


24

2.2.6. Monitorizarea regimului deformant

Metoda uzuală de studiu a regimurilor deformante este analiza armonică, bazată pe descompunerea undei periodice reale în componente sinusoidale, cea fundamentală, de frecvenţă 50 Hz şi cele de frecvenţe multiple ale frecvenţei de bază, armonici superioare.

Indicatorii specifici caracterizării regimului deformant, pentru reţelelor electrice trifazate simetrice se obţin cu metoda descompunerii în serie Fourier [20], [46]:

Nivelul armonicii de ordinul k este dat de raportul dintre valoarea efectivă a

armonicii considerate kY şi valoarea efectivă a armonicii de ordinul

fundamentalei 1Y :

1Y

Ykk (2.37)

Coeficientul de distorsiune armonică (THD - Total Harmonic Distortion):

20

2 YY

YTHDk dd

(2.38)

în care: dY - reprezintă reziduul deformant, definit cu relaţia:

n

k

kd YY2

2 (2.39)

unde: Y - valoarea efectivă a undei periodice deformante; 0Y - componenta

continuă; 1Y - valoarea efectivă a fundamentalei; kY - valoarea efectivă a armonicii

de ordinul k; k – rangul armonici. Din considerente practice, ordinul armonicilor se opreşte la 40n .

În cazul unei unde alternative simetrice, componenta continuă este nulă încât coeficientul de distorsiune devine:

Y

Yk dd (2.40)

Normele IEC prevăd şi următoarea definiţie pentru coeficientul de distorsiune armonică:

1Y

Yk dd (2.41)

în care: 1Y - valoarea efectivă a fundamentalei.

Procedura de măsurare a distorsiunii armonice Obiectivele de calitate se stabilesc prin acord între părţile implicate, prin

autoimpunere de către furnizorul de energie electrică sau prin recomandări date de reglementator. De multe ori însă, reglementările dau valori diferite. Astfel, standardul românesc SR EN 50160 menţionează: „caracteristicile de tensiune nu trebuie să fie depăşite de 100% din clienţi, pentru un nivel de încredere de 95% din perioada de monitorizare”. În schimb, standardul IEC 61000-2-2 menţionează: „nivelurile de compatibilitate nu trebuie să fie depăşite de 95% din clienţi, pentru un nivel de încredere de 95% din perioada de monitorizare”.

2.2.7. Monitorizarea nesimetriei sistemelor trifazate de tensiuni şi curenţi

Mărimile caracteristice nesimetriei în sistemele trifazate sunt definite, fie cu


25

metoda componentelor simetrice, fie din considerente practice [20], [22]:

Factorul de nesimetrie a tensiunii denumit şi factor de disimetrie, este definit cu metoda componentelor simetrice în standardul IEC 61000-4-30, ca raport între tensiunea de secvenţă negativă şi cea de secvenţă pozitivă:

100

1

2[%]2

U

U

UK (2.46)

unde: 2U - tensiunea de secvenţă negativă; 1U - tensiunea de secvenţă pozitivă.

Factorul zero de nesimetrie a tensiunii, denumit şi coeficient de asimetrie, reprezintă raportul dintre tensiunea de secvenţă zero şi tensiunea de secvenţă pozitivă.

100

1

0[%]0

U

U

UK (2.47)

Factorul mediu de nesimetrie a tensiunii definit din considerente practice, propus de NEMA şi de IEEE 1159-95, este:

100[%]max

med

medU

U

UUK (2.48)

unde: medU - reprezintă media tensiunilor de linie măsurate la un moment dat;

maxU - reprezintă tensiunea de linie cu valoarea cea mai mare.

În aceste relaţii se folosesc numai valorile fundamentalei de tensiune, armonicile fiind eliminate prin algoritmi specifici.

Procedura de măsurare pentru nesimetrie Măsurătorile se fac la fel ca în cazul regimului deformant, conform

standardului IEC 6100-4-30, pe următoarele intervale: 5 sau 6 perioade; 150/180 perioade; 10 minute

Apoi se stabilesc indicii de site pentru nivelurile de încredere de 95%, 99% şi 100% ale valorilor aşteptate, mai întâi pe site şi apoi pe sistem.

2.3. Analiza statistică descriptivă în caracterizarea indicatorilor de calitate a energiei electrice

Metodele folosite pentru identificarea şi monitorizarea perturbaţiilor conduse din

reţelele electrice furnizează un volum mare de date pentru diferite locaţii şi pe diferite intervale de timp.

Progresele făcute în tehnologiile de stocare a datelor determină creşterea zilnică a volumului de date care poate fi valorificat în rezolvarea problemelor de calitate. O funcţie nou introdusă pentru sistemele de monitorizare este transformarea acestui uriaş volum de date în informaţii utile care să servească managementului calităţii energiei electrice.

Metodele statistice sunt cele mai des utilizate în acest sens. Prin prelucrare statistică a rezultatelor este posibilă obţinerea unor indicatori specifici estimativi ai variaţiei indicatorilor de calitate a energiei electrice pentru perioade reprezentative de timp (oră, schimb de lucru, zi etc.). Cunoaşterea parametrilor statistici ai tensiunii pe barele de alimentare facilitează caracterizarea completă a calităţii tensiunii, ceea ce permite alegerea corectă a parametrilor instalaţiilor de reglaj a tensiunii (ploturi transformatoare, controlul puterii reactive).


26

2.3.1. Statistică descriptivă

Statistica descriptivă, descrisă în monografiile [49 - 53], este un instrument prin care se poate caracteriza o populaţie X de elemente aleatoare, prin analiza unui

eşantion de forma unui şir de date rezultate din măsurători { ix }, unde n,3,2,1,i .

Populaţia, în lucrarea de faţă, este alcătuită din indicatori specifici de calitate a energiei electrice.

Statistica descriptivă se utilizează pentru [49]: reprezentarea datelor sub formă de diagrame; calculul unor mărimi speciale (ex. medii, dispersii); reducerea datelor prin împărţirea datelor în clase şi studierea caracteristicilor statistice ale claselor.

Caracterizarea şirului de date

Mărimile specifice care pot caracteriza şirul de date sunt descrise în monografiile actuale [49 - 51].

Media aritmetică, dată de relaţia:

nin

xx

iesantion 1;

(2.58)

unde : n - numărul de observaţii;

Abaterea medie pătratică s (sample variance), obţinută din rădăcina pătrată a

dispersiei sD :

n

i

is xxn

Ds1

2

1

1 (2.59)

unde: s - abaterea medie pătratică:

x - reprezintă valoarea medie aritmetică a şirului de măsurători având

rezultatele ,,,, 321 nxxxx

n - frecvenţele absolute a valorilor innn ,,, 21 .

Relaţia (2.59) se utilizează atunci când seria este formată din şiruri de eşantioane, iar când seria este formată din frecvenţe absolute se utilizează următoarea relaţie:

n

i

teoreticixn

D1

21 (2.60)

în care: - reprezintă abaterea medie pătratică când se cunosc valorile medii a şirului de măsurători;

teoretic - reprezintă media teoretică a şirului de date cu rezultatele

ixxxx ,,,, 321 ;


Coeficientul de variaţie, calculat ca raport procentual între abaterea medie standard şi media aritmetică:

[%],100% x

sCV (2.61)

Mediana ( mex ) este termenul din mijlocul şirului ordonat crescător. Dacă şirul are

număr par de elemente, mediana este media aritmetică a celor doi termeni din mijlocul şirului. Mediana prezintă unele avantaje faţă de media aritmetica şi anume: nu este afectată de fluctuaţiile selecţiei; se poate determină grafic prin construirea curbei frecvenţelor cumulate.


27

Modulul ( modx ) este valoarea din şir cu frecvenţa cea mai mare.

Media şi abaterea standard reprezintă principalii descriptori pentru un şir de

date rezultate din măsurători { ix }, unde n,3,2,1,i . Dacă abaterea standard e

mare, media nu e reprezentativă pentru şirul de date. Cu ajutorul coeficientului de variaţie pot fi comparate dispersiile diferitelor

distribuţii după variabilele exprimate în unităţi de măsură diferite. Coeficientul de variaţie furnizează informaţii dacă şirul de date este sau nu este omogen. Coeficientul de variaţie poate lua valori cuprinse între %1000 CV . Când CV tinde

spre zero, variabilitatea este redusă, deci populaţia este omogenă, iar media are un grad de reprezentativitate ridicat. Cu cât nivelul coeficientului de variaţie tinde spre 100% cu atât variabilitatea este mai mare, populaţia este mai eterogenă, iar media are un nivel de reprezentativitate mai scăzut.

Ca urmare, coeficientul de variaţie poate fi folosit ca test de semnificaţie a reprezentativităţii mediei, considerându-se următoarele praguri de semnificaţie:

%170 CV - media este strict reprezentativă; %3517 CV - media este

moderat reprezentativă; %5035 CV - media este reprezentativă în sens larg;

%50CV - media este nereprezentativă.

Eroarea standard (Standard Eror) SE se calculează cu următoarea relaţie:

n

sSE (2.64)

unde:s - abaterea medie pătratică cunoscând valoarea mediei aritmetice.


Eroarea standard se foloseşte pentru a determina intervalul de încredere a mediei.

Statistica descriptivă conţine un aparat matematic vast. Pentru o prelucrare statistică a indicatorilor de calitate a energiei electrice nu sunt necesari toţi indicatorii pe care îi furnizează statistica. În prezenta lucrare, în urma studierii bibliografiei şi a cercetărilor efectuate, se propune utilizarea unor indicatori statistici reprezentativi din statistica descriptivă, astfel încât să se realizeze într-un timp cât mai scurt analiza indicatorilor specifici calităţii energiei electrice.

2.3.2. Studiul de caz: Stabilirea indicatorilor variaţiei de tensiune într-o reţea electrică de distribuţie

În prezentul studiu de caz se urmăreşte caracterizarea variaţiilor lente de tensiune într-un nod al reţelei electrice de distribuţie, utilizând metode statistice şi determinarea indicatorilor statistici. Monitorizarea variaţiilor lente ale tensiunii s-a realizat conform standardelor în vigoare. Acest studiu este un argument pentru a stabili şi a reduce efectele variaţiilor lente de tensiune.

Un alt obiectiv al studiului îl reprezintă stabilirea încadrării indicatorilor specifici ai variaţiilor lente de tensiune în limitele standardizate.

Studiul de caz a fost prezentat în cadrul conferinţei Modern Power System, 2013, Cluj – Napoca, România [55].

a) Necesitatea studiului Standardele internaţionale fac o clasificare a fenomenelor electromagnetice

care afectează calitatea energiei electrice. Dintre aceste fenomene, cele mai des întâlnite sunt variaţiile de tensiune.


28

Variaţiile lente şi rapide de tensiune au efecte asupra eficienţei echipamentelor din reţele electrice de distribuţie şi asupra eficienţei transferului de putere la consumator. Analiza efectuată este necesară pentru a pune în evidenţă indicatorii specifici ai variaţiilor lente de tensiune şi pentru a fundamenta prelucrarea cu statistica descriptivă utilizată în monitorizarea indicatorilor specifici de calitate a tensiunii. Prin analiza statistică a variaţiilor de tensiune un operator de distribuţie a energiei electrice poate reglementa funcţionarea receptoarelor, a căror productivitate este direct dependentă de regimul de tensiune.

b) Prezentarea studiului de caz Pentru analiza variaţiei de tensiune s-au făcut măsurători într-o perioadă de o

săptămână (19 - 25 octombrie 2011) într-un punct de consum pe barele de joasă tensiune ale postului de transformare PT 8041 20/04 kV (Stupini). În Fig. 2.7 este prezentată schema de alimentarea a postului de transformare PT 8041, cu 7 celule. Pe barele de joasă tensiune a fost amplasat analizorul de reţea portabil Flucke 435.

S-au înregistrat valorile efective ale tensiunilor pe cele trei faze (L1, L2, L3) măsurate la 1 minut cu analizorul de reţea, care efectuează calculul valorilor medii pe 1 minut, identifică şi înregistrează valoarea minimă şi valoarea maximă pe intervalul de 1 minut. Fişierul de export al datelor este de tipul .txt, astfel că este necesară prelucrarea datelor, pentru a fi exportate în format .xls.

c) Aplicarea statisticii descriptive Se consideră populaţie statistică formată din valorilor tensiunilor efective

monitorizate U. Datele monitorizate sunt grupate în trei şiruri, corespunzătoare celor trei faze L1, L2, L3, şi anume:

şirul valorilor tensiunilor efective monitorizate la un minut iU L1, L2, L3;

şirul valorilor tensiunilor efective minime monitorizate la un minut miniU L1, L2, L3; şirul valorilor tensiunilor efective maxime monitorizate la un minut maxiU L1, L2, L3, unde: indicele i pentru şirul valorilor zilnice de măsurători ia valori de la 1 la 1440, corespunzător datelor măsurate din minut în minut pe durata de 24 de ore.

Analiza statistică este aplicată separat, pentru şirul de valoril zilnice ale tensiunii şi nu pentru şirul tuturor celor 7 zile deoarece o astfel de tratare:

permite analiza modului cum reacţionează sistemul electric la variaţia de sarcină în zilele săptămânii;

permite predicţia variaţiilor de tensiune;

este posibilă verificarea în detaliu a încadrării în nivelele admisibile.


29

Fig. 2.1. Schema de alimentare şi măsurare în postul de transformare PT 8041

Utilizând programul Statistica au fost calculaţi parametrii caracteristici pentru

populaţia corespunzătoare fiecărei zile de monitorizare: media aritmetică - U ;

modulul - modU ; mediana - meU ; minimul - minU ; maximul - maxU ; abaterea standard -

Us ; coeficientul de variaţie - UCV , pentru fiecare linie a sistemului trifazat de tensiuni

determinate cu relaţiile (2.58) – (2.61).

d) Rezultate obţinute Rezultatele obţinute sunt prezentate în Tabelul 2.6, Tabelul 2.7. şi Tabelul 2.8. Analizând datele din Tabelele 2.6.- 2.8., se poate trage concluzia că distribuţia

şirurilor de date este normală, deoarece U , meU , modU sunt apropiate ca valoare.

Tabelul 2.1. Parametrii statistici caracteristici tensiunii de fază pentru linia L1

L1 U meU modU minU maxU Us UCV

[V] [V] [V] [V] [V] [V] %

Ziua 1 242.89 242.89 243.46 239.64 245.59 1.07 0.44

Ziua 2 242.82 242.89 243.29 239.63 246.26 1.14 0.47

Ziua 3 243.06 243.23 243.75 239.81 245.71 1.13 0.46

Ziua 4 242.67 242.73 242.61 238.74 246.70 1.14 0.47

Ziua 5 242.43 242.41 242.59 239.78 245.32 0.97 0.40

Ziua 6 242.53 242.39 241.91 239.53 245.59 1.14 0.47

Ziua 7 242.39 242.28 241.46 235.39 251.73 1.33 0.54



[V] [V] [V] [V] [V] [V] %

Ziua 1 244.16 244.13 243.3200 241.12 246.70 1.04 0.43

Ziua 2 244.27 244.30 Multiple 241.42 247.95 1.17 0.48

Ziua 3 244.74 244.99 245.4600 241.86 247.10 1.16 0.48

Ziua 4 244.46 244.55 Multiple 240.61 248.47 1.10 0.45

Ziua 5 244.13 244.07 244.1100 241.59 246.95 0.98 0.40

Ziua 6 244.16 243.93 243.6100 241.29 247.22 1.17 0.48

Ziua 7 244.31 244.20 243.9800 237.30 253.14 1.33 0.54


30



[V] [V] [V] [V] [V] [V] %

Ziua 1 244.38 244.35 Multiple 241.22 246.94 1.06 0.43

Ziua 2 244.35 244.45 Multiple 241.22 248.08 1.19 0.49

Ziua 3 244.70 244.95 Multiple 241.53 247.07 1.17 0.48

Ziua 4 244.62 244.74 244.84 240.52 248.53 1.06 0.43

Ziua 5 244.40 244.28 244.25 241.88 247.48 0.94 0.38

Ziua 6 244.17 243.98 243.43 241.15 247.04 1.14 0.46

Ziua 7 244.20 244.09 243.41 237.21 253.06 1.32 0.54

Cu datele din Tabelele 2.6. – 2.8. s-au reprezentat graficele valorilor medii ale

tensiunii U pentru liniile L1, L2, L3 (Fig. 2.8). Comparând valorile medianei şi valorile mediei, rezultă că:

pentru UUme , tensiunile din dreapta mediei sunt ca valori mai mici,

influenţând media aritmetică, care se află peste mediană;

pentru UUme , tensiunile din stânga mediei sunt ca valori mai mari,

influenţând media aritmetică, care se află sub mediană. Coeficientul de variaţie, folosit ca test de semnificaţie a reprezentativităţii

mediei, are valori reduse ( %170 UCV ), ceea ce confirmă că media este strict

reprezentativă pentru şirurile de date. Deoarece UCV tinde spre zero, rezultă o

variabilitate redusă a şirului de date, ceea ce confirmă o colectivitate omogenă.

L1 L2 L3

242.2

242.4

242.6

242.8

243.0

243.2

243.4

243.6

243.8

244.0

244.2

244.4

244.6

244.8

Va

ori

le M

ed

iei -

V

Linia

1

2

3

4

5

6

7

Fig. 2.8. Repartizarea valorilor medii ale tensiunii pentru liniile L1, L2, L3 aferent

studiului de caz I

Se observă că valorile medii pentru fiecare tensiune de fază pe liniile L1, L2,

L3 sunt grupate (împrăştierea datelor este mică). Tensiunile de fază pe linia L1 sunt sub valorile calculate celorlalte faze. Există o nesimetrie de tensiune. Pentru o caracterizare globală a valorilor tensiunii pentru cele 7 zile de monitorizare, s-au determinat valorile medii caracteristice fiecărei linii (Tabelul 2.9).


31

Tabelul 2.9. Parametrii caracteristici corespunzători valorilor medii pentru 7 zile de monitorizare

Linia U meU modU minU maxU Us UCV

[V] [V] [V] [V] [V] [V] %

L1 242.68 242.67 Multiple 242.39 243.06 0.25 0.10

L2 244.31 244.27 Multiple 244.13 244.73 0.21 0.08

L3 244.40 244.38 Multiple 244.17 244.70 0.20 0.08

Pentru datele obţinute din monitorizare s-au ridicat histogramele

corespunzătoare şirurilor iU L1, L2, L3 pentru două zile şi s-a folosit pentru calcul relaţia (2.57). În Fig. 2.9., Fig. 2.10, Fig. 2.11. sunt prezentate histogramele şirului valorilor ale tensiunilor efective pentru linia L1, L2, L3 din prima zi de monitorizare,

calculate în valori ale variaţiei de tensiune %U .

Histogram Day 1: L1

Expected Normal

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

Variation of voltage [%]

0

100

200

300

400

500

600

700

No. of obs.

Histogram Day 1: L2

Expected Normal

4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5

Voltage variation [%]

0

100

200

300

400

500

600

700

No

. o

f o

bs.

Histogram Day 1: L3

Expected Normal

4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5


0

100

200

300

400

500

600

700

No.

of

obs.

a) Fig. 2.9. L1 b) Fig. 2.10. L2 c) Fig. 2.11. L3

Histograma variaţiei de tensiune { iU%, } pentru prima zi de monitorizare pe linia a) b) c).

Constatări: Figurile 2.9 – 2.11 indică o distribuţie normală a eşantionului din populaţia studiată. Pentru zilele de monitorizare 2 – 6, histogramele obţinute, se confirmă existenţa unei distribuţii normale a datelor.

Pentru ziua a şaptea de monitorizare histogramele şirului de valori iU unde 1440,1,i sunt prezentate pentru fiecare linie L1, L2, L3, în Figurile. 2.12 - 2.14.

Histogram Day 7: L1

Expected Normal

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

No

. o

f o

bs.

Histogram Day 7: L2

Expected Normal

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

No.

of

obs.

Histogram Day 7: L3

Expected Normal

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

No. of obs.

a) Fig. 2.12 L1 b) Fig. 2.13 L2 c) Fig. 2.14 L3

Histograma variaţiei de tensiune { iU%, } pentru ziua a şaptea

de monitorizare pe linia a) b) c).

Analiza datele obţinute indică:

existenţa unei distribuţia şirului de date este normală, deoarece U ,

modU , meU sunt apropiate ca valoare;


32

media este strict reprezentativă, şirul de date are o omogenitate mare

deoarece UCV se încadrează între 0 şi 17%;

există o nesimetrie a sistemului trifazat de tensiuni, valorile medii statistice ale tensiunilor pe fazele L2 şi L3 sunt mai mari decât pe faza L1.

Concluzii referitoare la studiile de caz Analiza statistică descriptivă realizată cu softul Statistica permite reprezentarea datelor sub formă de diagrame, calculul unor mărimi speciale (ex. medii, dispersii) şi reducerea datelor. În studiul de caz I s-a demonstrat existenţa unei nesimetrii a sistemului trifazat de tensiuni, valorile medii statistice ale tensiunilor pe fazele L2 şi L3 fiind mai mari decât pe faza L1. Analiza efectuată, în studiul de caz I, indică valori medii ale tensiunilor efective de fază apropiate de limita superioară admisă de norme. Deoarece în multe dintre nodurile din reţea, în prezent, apar tensiuni peste limita superioară admisibilă este important să se reducă puterea reactivă produsă în reţea. În acest sens se impune evitarea generării de putere reactivă la consumatorii industriali în afara orelor de vârf, producţia de putere reactivă în acest interval de timp ar trebui să se realizeze la comanda dispeceratului energetic de distribuţie. În studiul de caz II au fost puse în evidenţă evenimentele de tip gol de

tensiune în reţeaua electrică de distribuţie, evenimente care au influenţat repartiţia

normală a populaţiei investigate. Procedura de monitorizare a indicatorilor de calitate

a energiei electrice a fost realizată în conformitate cu cerinţele standardelor IEC

61000.

2.4. Concluzii

În capitolul 2 se prezintă o sinteză asupra modului de definire şi monitorizare a indicatorilor specifici de calitate a energiei electrice. Cercetările actuale definesc indicatorii de calitate a energiei electrice prin relaţii matematice specifice iar metodele statistico – matematice completează analiza. Prin alegerea unui număr minim de indicatori statistici (media, mediana, modulul, abaterea standard, coeficientul de variaţie şi eroarea standard) propuşi de autor se realizează analiza statistică descriptivă a indicatorilor de calitate a energiei electrice. Pentru testarea aplicabilităţii metodei de analiză a statistici descriptive autorul relizează două studii de caz privind caracterizarea indicatorului de calitate a energiei electrice variaţia lentă de tensiune.

Mediul de lucru în programele statistice este complex şi necesită cunoştinţe avansate de statistică - matematică pentru interpretarea rezultatelor. Astfel, pentru determinarea caracteristicilor statistice ale unui şir de date măsurate cu analizatoarele de reţea, se impune implementarea unei soluţii software de analiză prin care să se calculeze un set minim de indicatori statistici caracteristici. O soluţie software poate realiza analize în domeniul calităţii energiei electrice, astfel încât caracterizarea şirului de valori măsurate să se realizeze într-un timp scurt şi cu posibilitatea de a urmări rezultatele în mediul on-line. O astfel de soluţie permite predicţia valorilor indicatorilor calităţii energiei electrice.


33

CAPITOLUL 3

CALITATE ŞI EFICIENŢĂ ÎN REŢELE ELECTRICE DE DISTRIBUŢIE

3.1. Particularităţile reţelelor electrice de distribuţie

Reţeaua electrică reprezintă o instalaţie complexă constituită din una sau mai multe echipamente de reţea: linii electrice (de tip aerian sau subteran), bare de tensiune, transformatoarele electrice şi bobine aferente staţiilor şi posturilor de transformare. Nivelurile de tensiune nominală diferă de la ţară la ţară, putând fi încadrate în categoria de joasă tensiune (JT), medie tensiune (MT) sau înaltă tensiune (IT). Reţelele electrice de distribuţie (RED) ocupă o poziţie importantă în sistemele electroenergetice prin funcţia şi ponderea lor. Rolul lor constă în a prelua energie electrică din reţelele de transport şi de a o furniza consumatorilor, adaptând parametrii săi la necesităţile utilizatorilor.

Consumatorul de energie electrică este alcătuit din totalitatea receptoarelor dintr-un anumit spaţiu sau dintr-o întreprindere [59].

Racordarea unui consumator (loc de consum la reţeaua electrică) se face dintr-o singură sursă printr-o singură cale de alimentare. Aceasta reprezintă calea de alime

Universitatea Transilvania din Braşov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de...

Documents

Transcript of Universitatea Transilvania din Braşov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de...