Model study on complex modulation and demodulation of power network voltage signal loaded with time-variable impedance

• Autorzy: Bień A. , Szyper M. , Wetula A.

Warianty tytułu

PL

Badania modelowe modulacji i demodulacji zespolonej sygnału napięcia sieci elektroenergetycznej obciążonej zmienną w czasie impedancją

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Variability of power network voltage degrades the quality of power supplied to customers. Several power quality measures connected with voltage variability have been agreed on international scale. However, it turns out that the measures of electric power quality determined by the instruments which measure the short-term flicker severity index Pst of light sources may lead to ambiguous quality assessment because of different measurement values for the same measured signals. Physical interpretation of phenomenons occurring in power network based on measurement results is therefore difficult. In this article we propose the conception of carrying this kind of analysis using a mathematical model of influence of load variability on power network voltage signal. These analyses rely on detecting factors influencing the signal shape. The article presents part of results including model studies. Presented results may be, in our opinion, basis for reasonable questioning of correctness, and especially ambiguity of currently used method for measuring time-variability of power network voltage parameters, based on determining flicker severity index. Especially doubtful are the flicker severity index definition and method of calibrating measurement devices based on it. Considering achieved results, we express the opinion about need for a new, more reliable and unambiguous measure of power network voltage variability caused by load fluctuations. It should consider signal properties, have simple physical interpretation and be simple to calculate.

PL

Jedną z głównych przyczyn niekontrolowanej zmienności w czasie parametrów sygnału napięcia sieci elektroenergetycznej jest zmienność w czasie mocy i prądu obciążenia sieci, tj. zmienność parametrów odbiorników energii elektrycznej. Zmienność sygnału napięcia sieci obniża jakość energii elektrycznej dostarczanej odbiorcom. W drodze ustaleń międzynarodowych określono szereg miar jakości energii związanych ze zmiennością napięcia. Są one obliczane na mierzonym sygnale napięcia sieci bądź to jako uśrednione miary losowej zmienności amplitudy napięcia, bądź też jako miary odchyleń od normalnych wartości parametrów i kształtu sinusoidy napięcia sieci [9, 10, 11]. Okazuje się jednak, że losowe uśrednione miary jakości energii elektrycznej wyznaczane przez przyrządy pomiarowe mierzące wskaźnik uciążliwości migotania źródeł światła PST mogą prowadzić do niejednoznacznej oceny jakości z powodu różnych wartości wyników pomiarów dla tych samych sygnałów mierzonych [8]. W dodatku, z powodu formalnej złożoności definicji takich miar oraz braku odniesienia do przyczyn zmienności napięcia, fizyczna interpretacja zjawisk w sieci elektroenergetycznej poddanej niestacjonarnym obciążeniom jest znacznie utrudniona [5, 8]. Powstaje zatem zagadnienie określenia przyczyn tych trudności pomiarowych. W niniejszej publikacji proponujemy koncepcję przeprowadzenia takich badań w oparciu o model matematyczny oddziaływania zmienności obciążeń na sygnał napięcia sieci. Badania te polegającą na wykonaniu na tym sygnale poprawnej detekcji czynników wpływających na kształt sygnału. Jednym z założeń przyjętych przy definiowaniu uśrednionej miary losowej o nazwie "wskaźnik uciążliwości migotania światła" jest założenie o liniowej modulacji napięcia sieci, uważanego za efekt zmienności obciążenia. Definicja tej miary ma postać złożonego ciągu liniowych dynamicznych i nieliniowych statycznych operacji na sygnale napięcia, odwzorowanych praktycznie we wspomnianych miernikach uciążliwości migotania światła [1, 9]. Mierniki te wzorcowane są sygnałami liniowo zmodulowanymi w amplitudzie, uzyskiwanymi przez mnożenie sinusoidy sygnału napięcia sieci i sygnału modulującego. Badania przyczyn niejednoznaczności wyników wyznaczania miary wskaźnika uciążliwości migotania światła prowadzą do następujących wniosków [7]: - modulacja napięcia sieci elektroenergetycznej, spowodowana zmiennością obciążenia sieci jest modulacją zespoloną, a więc nie tylko modulacją amplitudy ale i kąta fazowego napięcia, - modulacja ta jest nieliniowa względem składowych zmiennej impedancji obciążającej sieć, a zatem widmo sygnału napięcia jest bardziej złożone niż w przypadku modulacji liniowej. Powyższe wnioski zostały potwierdzone w badaniach modelowych oraz eksperymentalnych. Ich konsekwencją jest sugestia wprowadzenia nowych definicji miar jakości energii elektrycznej uwzględniających wymienione wyżej czynniki wpływające na modulację sygnału napięcia sieci [3, 5]. Niniejsza publikacja jest próbą przedstawienia fragmentu wyników wspomnianych prac, obejmującą wyłącznie badania modelowe.

Słowa kluczowe

EN

voltage variation; flickermeter; power quality

PL

zmienność napięcia; mierniki uciążliwości migotania światła; jakość energii elektrycznej

• Wydawca: Komitet Metrologii i Aparatury Naukowej PAN
• Czasopismo: Metrology and Measurement Systems
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 12, nr 3
• Strony: 263--274
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Bień A.

• AGH University of Technology, 30-059 Kraków, Poland

autor

Szyper M.

• AGH University of Technology, 30-059 Kraków, Poland

autor

Wetula A.

• AGH University of Technology, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• 1. Arrillaga J., Watson N.R., Chen S.: Power system quality assessment. John Wiley & Sons, LTD 2000.
• 2. Arrillaga J., Watson N.R.: Computer modelling of electrical power systems. John Wiley & Sons, LTD 2001.
• 3. Bień A.: Metrology of Electrical Energy Quality in the Range of Network Voltage Low-Frequency Disturbances. Rozprawy Monografie 127,AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2003. (in Polish)
• 4. Bień A. Szyper M. Rozkrut A.: Correctness of flickermeters calibration. IMEKO 2000 International Cofederation XVI IMEKO World Congress, Hofburg Wien Austria, 2000.
• 5. Bień A. Szyper M.: Application of Wiener-Hammerstein models for modelling of light flickering severity - meter. Systems Analysis Modelling Simulation, A Journal of Mathematical Modelling and Simulation in Systems Analysis, 2001, vol. 40.
• 6. Bień A. Szyper M. Wetula A.: Testing of flickermeter model with angle-modulated voltage signal. Materiały XIV Sympozjum, Modelowanie i Symulacja Systemów pomiarowych, Krynica 2004, Wydawnictwo Katedry Metrologii AGH, Kraków 2004, pp.133-140. (in Polish)
• 7. Duda K. Bien A. Szyper M. Zielinski T.: Analysis of voltage disturbances caused by simultaneous amplitude and phase modulation in electric power network. The 2004 IEEE International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP), Lake Placid, New York 2004, Session: Voltage Sags, (Paper #hqp048).
• 8. Piekarz M. Szlosek M. Hanzelka Z. Bień A. Stankiewicz A. Hartman M.: Comparative tests of flickermeters, 10th International Conference on Harmonics and Quality of Power, Rio de Janeiro, Brazil, 2002, Papers Measurements Techniques, 02ICHQP015.pdf.
• 9. IEC 60868, Flickermeter, Functional and design specifications, 1986.
• 10. IEC 60868-0. Amendment 1, Flickermeter, Functional and design specifications, 1990.
• 11. IEC 61000-4-15 A1 Ed.1, Amendment to IEC 61000-4-15, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-15: Testing and measurement techniques - Flickermeter - Functional and design specifications, 2002-09-20.
• 12. Guide to Quality of Electrical Supply for Industrial Installations, Part 5, Flicker and Voltage Fluctuations, „Power Quality” Working Group WG2, 2000.