Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние учета электрической энергии в электроэнергетических системах 13
1.1 Современное состояние учета электрических измерений на энергообъектах 13
1.2. Нормативные документы, метрологические правила и нормы по учету электрической энергии
Глава 2 Учет электроэнергии в электрических сетях. Средства измерений электрических величин, применяемые для учета электроэнергии 22
2.1 Измерительные трансформаторы тока и напряжения. Анализ метрологических характеристик трансформаторов тока и напряжения 22
2.2 Счетчики электрической энергии. Автоматизированный банк данных электронных счетчиков электроэнергии 28
2.3 Современный парк средств учета электроэнергии. Тенденции и перспективы развития 41
Глава 3 Анализ и классификация погрешностей измерительных каналов АСКУЭ 48
3.1 Состав и структурные схемы измерительных каналов АСКУЭ. Факторы, оказывающие влияние на погрешность измерений электроэнергии 48
3.2 Анализ погрешности измерений электроэнергии при влиянии внешних величин и параметров контролируемых присоединений 52
3.3 Анализ составляющих погрешности измерений от влияния угловых погрешностей трансформаторов тока и напряжения и от коэффициента мощности нагрузки 60
3.4 Классификация составляющих погрешности измерительных каналов АСКУЭ 65
Глава 4 Математические модели погрешности измерений электроэнергии на энергообъектах 69
4.1 Экспериментальные исследования метрологических характеристик электронных счетчиков. Регрессионные модели систематических погрешностей счетчиков 69
4.2 Методика определения погрешности измерительного комплекса (канала) 79
4.3 Математические модели погрешностей измерений электроэнергии.93
Глава 5 Методы обеспечения требуемой точности учета электроэнергии 106
5.1 Технологические методы повышения точности учета 106
5.2 Структурные методы повышения точности учета 109
5.3 Структурный метод вспомогательных измерений 115
5.4 Границы погрешности измерений электроэнергии при автоматической коррекции систематических погрешностей 122
Глава 6 Практическая реализация результатов работы 127
6.1 Методы обнаружения нарушений при подключении трехфазных счетчиков и в цепях подключения счетчиков к ТТи ТН 127
6.2 Методика определения коммерческих потерь от недоучета полезного отпуска, обусловленного погрешностями индукционных счетчиков электроэнергии 129
Заключение 133
Литература 135
- Нормативные документы, метрологические правила и нормы по учету электрической энергии
- Счетчики электрической энергии. Автоматизированный банк данных электронных счетчиков электроэнергии
- Анализ погрешности измерений электроэнергии при влиянии внешних величин и параметров контролируемых присоединений
- Методика определения погрешности измерительного комплекса (канала)
Нормативные документы, метрологические правила и нормы по учету электрической энергии
Погрешности ТТ изменяются в зависимости от первичного тока. Обычно ТТ работают при первичном токе в диапазоне от 5 до 120 % от номинального тока. При этом токовая погрешность 5i некомпенсированного ТТ имеет отрицательный знак и увеличивается при уменьшении тока, угловая погрешность Q\ такого ТТ, как правло, имеет положительный знак и тоже растет при уменьшении тока. Погрешности скомпенсированных ТТ (у трансформаторов, имеющих витковую коррекцию) могут менять знак, при этом нулевое значение токовых и угловых погрешностей обычно приходится на значения тока в диапазоне 90-120 %.
Коэффициент мощности вторичной нагрузки cos ф может оказывать значительное влияние на погрешности ТТ. Увеличение cos ф приводит к уменьшению токовой и к увеличению угловой погрешности. При значительном уменьшении cos ф (менее 0,5 инд.) угловая погрешность может приобретать отрицательный знак.
Отклонение частоты тока не оказывает значительного влияния на погрешность ТТ [54]. Поскольку с уменьшением частоты индукция в магни-топроводе увеличивается, увеличивается м.д.с. намагничивания, а следовательно, токовая и угловая погрешности возрастают по отношению к имевшим место при f = 50 Гц. Рост этот таков, что на 1 Гц уменьшения частоты погрешности возрастают на 1 %. Соответственно при большом росте частоты погрешности уменьшаются, угловая погрешность при этом может принимать отрицательное значение.
Погрешности ТТ нормируют для определенного диапазона нагрузок. При значительном увеличении вторичной нагрузки (более 100 % от номинальной) погрешности начинают расти по степенной зависимости.
Измерительные трансформаторы напряжения предназначены для преобразования высокого напряжения в низкое стандартного значения, удобное для измерений [51]. ТН позволяет изолировать измерительные цепи и цепи релейной защиты от цепей высокого напряжения.
Погрешности ТН, как и ТТ, возникают из-за неполной электромагнитной связи между первичной и вторичной обмотками, причиной которой является рассеяние магнитного потока и потери энергии в проводниках и магнитной системе. В ТН это приводит к появлению падений напряжения на внутренних активных и реактивных сопротивлениях, которые добавляются к ЭДС, определяющей вторичное напряжение.
Большинство ТН имеют две вторичных обмотки - основную и дополнительную. Основная обмотка используется только для измерений и в зависимости от мощности нагрузки для нее устанавливаются классы точности: 0,5, 1 и 3. Дополнительная обмотка имеет класс точности 3. Метрологические характеристики ТН нормируются ГОСТ 1983-89 [10].
Факторами, оказывающими влияние на погрешности ТН являются: первичное напряжение Ub мощность активно-индуктивной нагрузки S, температура окружающего воздуха, частота переменного тока.
По данным производителей [55,56] характер экспериментальных зависимостей дополнительных погрешностей ТН от изменения влияющих факторов не расходится с теорией. Для электромагнитных ТН характерно, что наибольшие значения дополнительных погрешностей от изменения мощности нагрузки могут достигать 80-90 % допустимой погрешности класса точности, дополнительные погрешности от изменения напряжения и коэффициента мощности не превышают 5-20 %, а дополнительная погрешность от изменения частоты и температуры окружающего воздуха пренебрежимо малы. Исследованию метрологических характеристик измерительных ТН посвящен ряд работ [54-57].
Проведенный анализ факторов, влияющих на метрологические характеристики ТТ и ТН позволил их классифицировать по степени влияния [55] (таблица 2.1).
Классификация факторов, влияющих на метрологические характеристики измерительных ТТ и ТН Влияющие Факторы ТТ ТН 1-я группа Первичный ток, сопротивлениенагрузки Мощность нагрузки 2-я группа Коэффициент мощности нагрузки Первичное напряжение, коэффициент мощности нагрузки 3-я группа Температура окружающего воздуха, частота сети Температура окружающего воздуха, частота сети
Первая группа охватывает факторы, оказывающие значительное влияние на метрологические характеристики ТТ и ТН. Дополнительные погрешности СИ от этих влияющих факторов могут составлять 80-100 % и более от допустимой погрешности.
Ко второй группе относятся факторы, не оказывающие существенного влияния на метрологические характеристики ТТ и ТН. Дополнительные погрешности от этих факторов в большинстве случаев находятся в пределах 10-80 % от допустимой погрешности.
К третьей группе относятся факторы практически не оказывающие влияния на метрологические характеристики трансформаторов. К ним относятся факторы, дополнительные погрешности от которых составляют менее 10 % от допустимой классом точности погрешности.
Метрологические характеристики ТТ и ТН могут быть повышены технологическим путем - улучшением электрических параметров транс 28 форматоров (снижением активных потерь, уменьшением нелинейности кривой намагничивания, уменьшением рассеивания магнитного поля). Эти улучшения происходят за счет применения высококачественной электротехнической стали и активных материалов, однако это ведет к удорожанию трансформаторов. Зарубежные производители идут по пути ограничения диапазона допускаемой мощности нагрузки трансформаторов, за счет чего уменьшаются дополнительные погрешности ТТ и ТН.
Классификация электронных счетчиков электрической энергии Электронные счетчики переменного тока промышленного назначения выпускаются в очень широком ассортименте, имеют различные классы точности: 0,2S; 0,5S; 0,2; 0,5; 1 и 2, разнообразные функциональные возможности - от измерений одной величины, например, активной или реактивной энергии, до измерений и передачи на центральный пункт значений более десятка электрических величин (все виды энергии и мощности, токи и напряжения фаз, коэффициент мощности, частота и др), характеризующих процессы в контролируемой сети. В настоящее время парк электронных счетчиков в целом обеспечивает учет электроэнергии в сетях переменного тока любой конфигурации и любого уровня напряжения, регистрацию и запоминание графиков нагрузки, функционирование АСКУЭ, систем управления нагрузкой и др.
Счетчики электрической энергии. Автоматизированный банк данных электронных счетчиков электроэнергии
Мытищинский электротехнический завод выпускающий 13 типов счетчиков, среди них однофазные счетчики активной энергии класса точности 2 одно- и двухтарифные, трехфазные счетчики активной и/или реактивной энергии классов точности от 0,5 до 2 с числом тарифов от 1 до 3.
"ЭНЭЛЕКО" - ассоциация производителей систем контроля, учета и управления энергоресурсами, которая имеет в своем составе разработчиков и изготовителей электронных счетчиков - НПО "Прорыв" и Рязанский приборостроительный завод.
Большинство современных электронных счетчиков используют специализированные БИС для преобразования мощности и имеют относительно простые электрические схемы, а вследствие этого высокую надежность. Так, в настоящее время многие производители выпускают модули, предназначенные для производства счетчиков по "отверточной" технологии сборки.
Разработчики счетчиков предлагают различные схемотехнические решения. В качестве измерительного преобразователя тока используют: ТТ с замкнутым ферромагнитным сердечником; трансреакторы (трансформаторы с воздушным зазором); воздушные трансформаторы; шунты; измерительный преобразователь мощности на эффекте Холла.
Отечественные производители используют ТТ с магнитопроводом из аморфного железа, так как высокая магнитная проницаемость последнего обеспечивает малую угловую погрешность.
В связи с тем, что для счетчиков непосредственного включения ГОСТ 30207-94 (правила МЭК-1036) нормируют погрешность при наличии постоянной составляющей в цепи тока, западные и некоторые отечественные фирмы используют ТТ только в счетчиках трансформаторного типа, причем магнитопровод выполняют, как правило, из пермаллоевых сплавов. Кроме того, пермаллоевые сплавы используют для экранирования элементов счетчика от воздействия постоянного и переменного магнитных полей.
В трехфазных счетчиках непосредственного включения западные фирмы используют трансформаторы с воздушным зазором либо преобразователи на основе эффекта Холла. Фирма "L & G" (Ландис энд Гир) разработала оригинальный преобразователь мощности с вертикальным расположением пластины Холла и Ш-образной конструкцией магнитного концентратора.
Трансреакторы конструктивно проще, но их основной недостаток состоит в необходимости Если сравнивать по критерию стоимости, то наилучшим решением для однофазных счетчиков является применение шунта в сочетании с мик 44 росхемой преобразователя мощности, способной работать от входных сигналов канала тока малого уровня (примерно 50 мкВ). Возможности микроэлектроники позволяют прогнозировать дополнительного преобразования выходного сигнала с помощью прецизионного интегратора.
Для однофазных счетчиков в последнее время все чаще стали использовать маломощные шунты с сопротивлением примерно 1,0 МОм (фирма "ЭНЕЛЕКО", однофазный счетчик "Mercury-200", фирмы "Инкотекс"). В трехфазных счетчиках их применение ограничено из-за трудностей с обеспечением гальванической развязки токовых цепей.
развитие однофазных счетчиков именно в этом направлении.
В настоящее время большинство фирм для преобразования входных сигналов тока и напряжения в частоту, пропорциональную активной мощности, используют специальные микросхемы [61, 62].
В России и странах СНГ наибольшее распространение получили микросхемы КР1095ПП1 и КР1095АП1 производства ПО «Восход» (г. Калуга) и иАОШС производства завода «Кристалл» (г. Киев).
В микросхеме КР1095ПП1 применен время-импульсный принцип умножения на основе дельта-сигма модуляторов. Микросхема обладает хорошими метрологическими характеристиками и на ее базе можно выпускать счетчики класса точности 0,5, а при специальном отборе — класса точности 0,2 и даже образцовые счетчики. Основные недостатки: повышенное потребление (7-Ю мА) и отсутствие выхода модуля мощности.
Микросхема иАОШС имеет аналоговый умножитель на принципе «логарифм - антилогарифм» и требует двуполярного питания. В качестве эталона времени необходим прецизионный конденсатор. Для данного принципа перемножения характерно низкое быстродействие. Тем не менее микросхема иАОШС хорошо зарекомендовала себя при производстве однофазных счетчиков.
На российском рынке также присутствуют микросхемы преобразователей мощности импортного производства. В частности, фирма "Аналог девайсез" предлагает семейство микросхем AD7750-55, на которых можно построить различные модификации счетчиков (однофазные, трехфазные, активной или реактивной энергии, рассчитанные на работу с электромеханическим отсчетным устройством или ЖКИ-индикатором и т.д.). Схемы содержат два АЦП (канала тока и напряжения) и цифровой умножитель. К достоинствам микросхемы следует отнести: встроенный источник опорного напряжения, малое потребление, однополярный источник питания, одинаковый потенциал аналоговой и цифровой "земли". Аналогичными преимуществами обладают микросхемы SPM-1 и SPM-2 фирмы "Dech" (Германия). В этой схеме использован хорошо апробированный принцип время-импульсного перемножения на дельта-сигма модуляторах. Неплохие микросхемы предлагает южно-африканская фирма «SAMES». Главным препятствием применения импортных микросхем в России является их относительно высокая стоимость. В ближайшее время следует ожидать появление новых отечественных микросхем преобразователей мощности производства ведущих российских микроэлектронных компаний «Ангстрем» и «Микрон». Заявленные параметры и функциональные возможности свидетельствуют о хороших перспективах электронных счетчиков, построенных на их базе.
Многими фирмами используются измерительные модули на основе БИС с применением компонентов для поверхностного монтажа, которые повышают технологичность производственного процесса. Это законченные метрологические устройства, измеряющие мощность и энергию, формирующие сигналы телеметрии и команды управления. Такие модули используются для производства счетчиков по "отверточной" технологии сборки. Измерительный модуль на основе БИС с подключенными датчиками тока, напряжения и отсчетным устройством (или ЖКИ) помещается в корпус с клеммами.
Практика показывает, что в простых, в первую очередь бытовых, счетчиках применяются электромеханические отсчетные устройства, по принципу действия обладающие энергонезависимой памятью. Однако при сравнительно низкой стоимости они чувствительны к сильным магнитным полям, не всегда имеют высокую надежность, а их функциональные возможности ограничены. Поэтому в сложных многотарифных счетчиках с отображением дополнительной информации повсеместно применяются жидко-кристаллические индикаторы (ЖКИ). Однако помимо повышенной стоимости ЖКИ имеют ограниченный срок службы (10-12 лет) и в ряде случаев не обеспечивают требуемый температурный диапазон работы. Другие способы индикации (на светоизлучающих матрицах, люминесцентные и пр.) не нашли широкого применения.
С помощью электронных счетчиков решается задача обеспечения необходимой точности учета энергопотребления, особенно в зоне малых нагрузок. Диапазон измерений тока для счетчиков непосредственного включения расширен до 100 А. Электронные счетчики показали свою эффективность при построении на их базе автоматизированных систем учета.
Анализ погрешности измерений электроэнергии при влиянии внешних величин и параметров контролируемых присоединений
При исследовании зависимости погрешности счетчиков типа ЦЭ6805 от изменения напряжения и коэффициента мощности были получены линейные регрессионные модели, приведенные на рисунках 4.8 и 4.9 соответственно.
Результаты статистического анализа показывают, что данные зависимости можно представить линейной моделью, однако коэффициент корреляции для обоих случаев достаточно низкий: для случая зависимости погрешности от напряжения R = 0,31, для случая зависимости погрешности от коэффициента мощности R = -0,58. Поэтому для данного типа счетчиков дополнительную погрешность от изменения напряжения можно отнести к случайным, а погрешность от изменения коэффициента мощности, с некоторой натяжкой, к систематическим с видом зависимости
График зависимости погрешности счетчика типа ЦЭ6805 от коэффициента мощности Полученные регрессионные модели представляет собой линейные зависимость погрешности от изменения тока, напряжения и коэффициента мощности для счетчика класса точности 0,5 (ЦЭ6805) и степенную функцию для счетчика класса точности 0,2 (ЕвроАЛЬ-ФА). Это говорит о том, что каждый тип счетчика может иметь собственные зависимости погрешности от исследованных влияющих факторов: изменения тока, напряжения и коэффициента мощности, которые определяются его конструктивными особенностями и принципом измерений, использованном в счетчике.
Как было показано в главе 3, в самом общем случае дополнительные погрешности счетчиков могут быть обусловлены влиянием 16 факторов. Семь из шестнадцати дополнительных погрешностей могут быть отнесены к случайным по причине: нестабильности влияющей величины, неизученности функции влияния; малости величины (не более 10 % от допускаемой погрешности счетчика).
Попытка распространить полученные данные на весь спектр счетчиков одного класса точности не оправдала себя. Электронные счетчики, выпускаемые в настоящее время, строятся на разных принципах использующих: эффект Холла, измерительные трансформаторы, трансформаторы с воздушным сердечником, шунт и др. Это определенно оказывает влияние на характер зависимости погрешности счетчиков от влияющих факторов. Поэтому для получения систематической составляющей погрешности для каждого конкретного типа счетчика необходимо проводить предварительные исследования.
Зачастую нет возможности провести такие исследования. Поэтому была разработана методика определения границ погрешности РЖ в условиях, когда отсутствуют данные о значениях и знаках по 79 грешностей СИ. Методика позволяет оценить предел допускаемой погрешности ИК в реальных условиях энергообъекта.
В настоящее время во многих предприятиях электрических сетей проводятся работы по модернизации системы учета. Эти работы, как правило, ведутся поэтапно и касаются: замены индукционных счетчиков на счетчики более высокого класса точности; замены, поверки или установки дополнительных измерительных трансформаторов; установки дополнительного контрольного учета у крупных потребителей и на границах балансовой принадлежности.
Одновременно обновить всю систему учета невозможно. Первым этапом для многих предприятий становится замена индукционных счетчиков на электронные или индукционные счетчики более высокого класса точности. На этом этапе обновления не касаются измерительных трансформаторов, а, как известно, последние вносят значительный (в ситуации с электронными счетчиками -наибольший) вклад в погрешность измерительного комплекса. Кроме того, не следует забывать о том, что несмотря на ряд преимуществ электронных счетчиков перед индукционными и те и другие подвержены влиянию внешних факторов, которые оказывают влияние на погрешность счетчиков и в реальных условиях эксплуатации энергообъекта не всегда находятся в нормируемых диапазонах. Эти факторы необходимо учитывать при оценке погрешности измерительного комплекса. Нередки случаи, когда контрольный учет ставится на присоединениях с ТТ класса точности 3. Такая ситуация не совсем корректна с точки зрения ПУЭ [3], однако ее можно рассматривать как временную для текущего этапа модернизации систем учета. Для данной ситуации была проведена оценка возможных границ погрешности ИК по предлагаемой методике (рисунок 4.10).
Идеальна ситуация, когда при замене счетчика производится поверка измерительных трансформаторов, определяются сопротивление нагрузи вторичных цепей ТТ и мощность нагрузки ТН, определяются потери в линии присоединения счетчика к ТН, составляется паспорт-протокол измерительного комплекса в соответствии с требованиями [7]. Однако на местах, как показывает практика, такие работы практически не проводятся, а заполнения паспортов-протоколов носят формальный характер. Поэтому на этом переходном этапе возникла необходимость разработки методики определения границ погрешности измерительного комплекса в реальных условиях эксплуатации энергообъекта и при существующем минимуме исходной информации.
Методика определения погрешности измерительного комплекса (канала)
Определение дополнительных погрешностей электрон ного счетчика. Дополнительные погрешности электронного счетчи ка 5Cj от воздействия влияющих величин определяют по таблице 4.5 в соответствии с классом точности счетчика при номинальном зна чении всех остальных влияющих факторов [13—15].
Определение основной погрешности индукционного счетчика. Предел допускаемого значения основной погрешности индукционного счетчика определяют по таблица 4.6 в соответствии с коэффициентом токовой нагрузки TJ и классом точности счетчи ка [12]. Определение дополнительных погрешностей индукци онного счетчика. Дополнительные погрешности индукционного счетчика 5Cj от воздействия влияющих величин определяют по таб лице 4.7 в соответствии с классом точности счетчика при номи нальном значении всех остальных влияющих факторов [12].
Определение погрешности измерительного канала Для измерительного канала, состоящего из ТТ, ТН, счетчика активной электроэнергии, погрешность определяют по формуле [7]
Ос.ни Погрешность от неравномерности нагрузки наличие тока в одной из последовательных цепей при отсутствии тока в других последовательных цепях ±1,5 ±2,0 ±3,0 ПРИМЕЧАНИЕ - В пп. 1-4 таблицы указаны функции влияния конкретной влияющей величины, в процентах на единицу изменения влияющей величины. Для того, чтобы получить погрешность от конкретной влияющей величины, необходимо умножить функцию влияния, указанную в таблице, на отклонение влияющей величины от ее нормального значения. Пример 1 - Определение границы погрешности ИК по РД 34.09.101.94
Согласно [36] предел допускаемая относительной погрешности ИК определяется по пределам допустимых значений относительных погрешностей ТТ, ТН и счетчика электроэнергии, а также с учетом потерь напряжения в линии присоединения счетчика к ТН.
По данным станционных журналов регистрации режимов контролируемых присоединений определяют: усредненное значение рабочего тока 1ср= (2,5+0,5)/2=Т,5 А; усредненное значение частоты fcp=50 Гц; усредненный коэффициент мощности cos(pcp=0,8 инд.; классы точности СИ: ТТ - 0,5; ТН - 0,5; счетчик электроэнергии -0,5; электронный счетчик трансформаторного включения по току и напряжению; отклонение температуры окружающего воздуха At = 5-20 = 15 С, где 5 С - усредненное значение температуры за год. Определение составляющих погрешности ИК: коэффициент токовой-нагрузки ij=l,5/5-100 = 30 %; токовая погрешность ТТ (по табл. П. 1.1) определенная по местной МВИ погрешность из-за потери напряжения в линии присоединения счетчика к ТН 5Л = ± 0,25 %; основная погрешность счетчика 5с.о=± 0,5, %; дополнительная погрешность счетчика (по табл. П. 1.5) 5ct=± 0,05-0,5-15 = ±0,38%; составляющая погрешности 80п = 0. Предел допускаемой относительной погрешности ИК в реальных условиях энергообъекта: & = ±1,1 д/0,722 + 0,52 +1,262 + 0,252 + 0,52 + 0,3 8Г = ±1,84 %.
Таким образом, предел допускаемой относительной погрешности ИК в реальных условиях эксплуатации энергообъекта может в 2 и более раз превышать погрешность ИК, рассчитанную по [36] без учета дополнительных погрешностей СИ и погрешности трансформаторной схемы подключения счетчика 5Q. 4.3 Математические модели погрешности измерений электроэнергии
Математические модели погрешности измерений электроэнергии, отражающие количественные связи между составляющими погрешности как случайными величинами, приведены в формулах (3.1) - (3.3).
Найдем математические модели погрешности измерений электроэнергии, отражающие количественные связи между составляющими погрешности, в ряду которых имеются как случайные, так и систематические составляющие погрешности.
Предварительно рассмотрим процедуры обработки (вычисления) результатов измерений электроэнергии на энергообъектах.
В настоящее время значение электроэнергии W за учетный период времени от момента t! до момента t2 вычисляют по разности AN показаний счетчика Ni и N2 в указанные моменты времени [5,7]. Значение W за учетный период вычисляют по формуле W = K-(N2 - Ni) = К- AN, кВт-ч или квар-ч . (4.20) При этом не учитывают систематические составляющие погрешности в результатах измерений электроэнергии
Для счетчика непосредственного включения или трансформаторного счетчика, на щитке которого указан множитель вида "М-10т , в формуле (4.20) принимают коэффициент К= М-10т; при отсутствии множителя коэффициент К=1.
Доля электроэнергии AWK определяется как сумма абсолютных систематических составляющих погрешности измерений и вычисляется по формуле где AWi - значение і-й абсолютной систематической составляющей погрешности измерений электроэнергии; п - число систематических составляющих погрешности, учитываемых в результатах измерений электроэнергии измерительным комплексом.
Похожие диссертации на Повышение точности учета электрической энергии в электроэнергетических системах
