Нормативно-правовое регулирование мощности в трехфазных сетях России и за рубежом. - Реактивная мощность и энергия

Анонс: Качество электроэнергии и баланс мощности в сетях среднего и низкого напряжения. Теории и IEEE 1459 о балансе мощности в силовых сетях с нелинейной нагрузкой.

С началом четвертой промышленной революции Industry 4.0 в начале второго десятилетия этого века и со стартом цифровизации экономики, а также цифровой трансформации электросетей в нашей стране, объявленной в новой Энергетической стратегии России (см. более детально о концепциях, терминологии и нюансах цифровизации в публикации генерального директора ООО «МИРКОН» Чудакова А.Ю. в 6-м (июньском) выпуске журнала «Главный энергетик») кардинально изменился подход к оценке качества электроэнергии и оптимизации баланса мощности в сетях всех уровней, а особенно распределительных и потребительских среднего напряжения и низковольтных.

Как в ЕС, так и у нас, хотя пока больше в научных и профильных кругах, полностью осознают безусловные факты того, что:

• сегодня сетей с симметричным синусоидальным режимом просто не существует; все трехфазные сети с симметричным несинусоидальным, несимметричным синусоидальным, несимметричным несинусоидальным режимами не могут рассчитываться по традиционной формуле мощности S² = P² + Q² = (UI*cosϕ)² + (UI*sinϕ)², поскольку здесь свои коррективы вносят гармоники тока, напряжения нефундаментальных частот (фундаментальная частота 50 Гц у нас, 60 Гц в ЕС);
• оптимизировать баланс мощности только по реактивной составляющей на фундаментальной частоте неразумно и нецелесообразно, поскольку гармоники влияют на потери активной энергии, снижают надежность, долговечность оборудования, кабелей, оказывают негативное воздействие на пропускную способность, скорость и качество передачи информационных пакетов в цифровых сетях по любым каналам связи, искажают показания интеллектуальных приборов учета и т.д.

Т.е. на текущий момент электроэнергетика в нашей стране вышла из «зоны комфорта» с традиционным треугольником мощностей и с учетом форсированного перехода на цифровые сети во время первого этапа цифровой трансформации становится критически необходимым формализовать на федеральном уровне новый расклад трансфера и потребления энергии (мощности) с учетом гармоник и интергармоник.

В ЕС этот процесс стартовал на 2 десятка лет раньше и завершился разработкой и введением в действие стандарта IEEE 1459 (версии 2000 года, заменена действующим IEEE 1459-2010), хотя до сих пор практические расчеты баланса мощностей распределительных и потребительских сетей низкого и среднего напряжения там ведутся, как по стандарту, так и с использованием ряда популярных теорий. Для нашей энергетики в условиях перехода на цифровые сети одинаково негативно и использование традиционного подхода, и неформализованных теорий, но на текущий момент Росстандарт не создал даже рецепции IEEE 1459.

Изменение ситуации с нормативно-правовым регулированием мощности (энергии) в отечественных трехфазных сетях возможно после круглого стола по энергетике: «Цифровой переход в энергетике: «Прогнозы и тренды» VII Федерального Конгресса «Приоритеты 2024» в декабре, куда была официально приглашена и компания «МИРКОН», ведь правовой вакуум создает реальные угрозы и риски, как в выполнении планов реализации Энергетической стратегии России, так и в области энергетической безопасности России.

Теории и IEEE 1459 о балансе мощности в силовых сетях с нелинейной нагрузкой.

На текущий момент наряду концепцией мощности международного стандарта IEEE 1459 в исследованиях и практических расчетах используются теории:

• C.I. Budeanu, где квадрат полной мощности представлен суммой квадратов активной и фиктивной F (иногда - добавочной) мощностей, а квадрат фиктивной составляющей – суммой квадратов реактивной мощности QB и мощности искажений D – S² = P² + F², где F² = Q_B² + D².
  Ключевые особенности – активная и реактивная мощность определяются, как суммы мощностей фундаментальной гармоники (основной частоты) и высших гармоник, а мощность искажений находят из базовых формул:
  
  
• S. Fryze (1931 года) с «неактивной составляющей полной мощности» Q_F (сегодня – реактивной) и формулами, ставшими базовыми для традиционной концепции баланса мощностей:
  
  
• W. Shepherd & P. Zakikhani, которые считали, что квадрат полной мощности складывается из квадратов полной активной S_R, полной реактивной S_X мощностей и полной мощности искажений S_D – S² = S_R² + S_X² + S_D²:
  
• N.L.Kusters & W.J.W.Moore, где в традиционной формуле реактивная мощность раскладывается на емкостную Q_C, индуктивную Q_L, а также остаточную емкостную Q_Cr и остаточную индуктивную Q_Lr мощности:
  
  
• D. Sharon, где квадрат полной мощности представлен суммой квадратов активной, квадратурной реактивной S_Q и добавочной реактивной S_C мощностей – S² = P² + S_Q² + S_C²:
  
  
• E. Kimbark, который ввел понятие деактивной мощности, как суммы квадратов реактивной мощности Q_K на фундаментальной частоте и мощности искажений D_K высших гармоник (S² = P² + Q_K² + D_K²):
  
  

IEEE 1459 формализовал ряд терминов, формул и методик расчетов баланса мощностей, причем выделил фундаментальную (fundamental apparent power) на частоте 50 Гц (или 60 Гц) - S₁, нефундаментальную (nonfundamental apparent power) полную S_N мощности и полную мощность гармоник (harmonic apparent power) S_H, мощность искажений по току D_I, напряжению D_U и неактивную мощность N (см. более детально в этом материале):

Очевидно, что для технически грамотного энергоаудита трехфазной силовой сети объекта с анализом спектра гармоник, определения необходимости, целесообразности компенсации/декомпенсации реактивной мощности, мощности искажений, гармоник с помощью установок УКРМ, активных, пассивных фильтров необходим отечественный федеральный стандарт с формализованной терминологией, формулами и методиками расчета.