IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

При анализе потерь мощности и энергии в электрических сетях возникает проблема уменьшения погрешности измерений. Существующие приборы контроля и учета электроэнергии имеют значительные недостатки, связанные, в частности, с тем, что использованные при их создании методы измерений не учитывают некоторые имеющиеся факторы.

Совершенствование методов измерений, позволяющих повысить достоверность измерений, может быть осуществлено на основе анализа существующих методов, выявления их недостатков и разработки новых или использования более подходящих известных методов.

В статье рассмотрены основные составляющие погрешности приборов, измеряющих мощность и расход энергии. Эти погрешности не учитывают ошибки в определении активной энергии и мощности современными приборами, которые определяются пониженным качеством электроэнергии. Эти ошибки могут составлять значительную величину. Рост указанных потерь очевиден, поскольку меняется характер потребителей электроэнергии, предпочитающих все больше импульсный отбор мощности (вторичные источники питания, управляемые электроприводы, тяговые подстанции и т.п.), т.е. спектральный состав активных мощностей потребления неуклонно смещается в сторону высших гармонических.

Предложены мероприятия по совершенствованию технического учета электрической энергии при несинусоидальном характере напряжения и тока.

Существует мнение, что следует вместе рассматривать три проблемы, имеющие много общих аспектов:

1. Потери электроэнергии.

2. Компенсация реактивной мощности.

3. Качество электроэнергии.

Потери электроэнергии, в частности, при ее транспортировке от мест производства до мест потребления являются одним из важных технико-экономических показателей электрических сетей. Установка средств компенсации реактивной мощности во многом производится с целью снижения потерь. В то же время практически все технические средства повышения качества электроэнергии содержат реактивные элементы индуктивного или емкостного характера и, следовательно, влияют на баланс реактивной мощности в сети. С другой стороны, значения показателей качества электроэнергии зависят от наличия или отсутствия в сети компенсирующих устройств [1]. Рассмотрение взаимосвязи вопроса компенсации реактивной мощности с потерями электроэнергии и ее качеством в данной работе не производится.

Проблема уменьшения погрешности измерений мощности и повышения достоверности учёта электроэнергии возникает, в частности, при анализе потерь мощности и энергии в электрических сетях.

Существующие приборы контроля и учета электроэнергии имеют значительные недостатки. Совершенствование приборов контроля и учета связано с решением следующих проблем:

1. Снижение погрешности приборов.

2. Совершенствование методов измерений, позволяющих повысить достоверность измерений.

Первая проблема может решаться частично за счет замены счетчиков устаревших конструкций на счетчики новых типов. Однако следует заметить, что замена счетчиков, как это будет показана ниже, в принципе не может решить проблему повышения погрешности измерения мощности и энергии при пониженном качестве электрической энергии.

Совершенствование методов измерений, позволяющих повысить достоверность измерений, может быть осуществлено на основе анализа существующих методов, выявления их недостатков и разработки новых или использования более подходящих известных методов.

Обе проблемы, связаны между собой, поскольку правильно выбранный метод измерения позволяет создать или использовать приборы, имеющие меньшее значение погрешности.

Рассмотрим основные источники погрешности, влияющие на коммерческие потери электроэнергии.

В общем случае составляющие коммерческих потерь электроэнергии можно объединить в три группы [2]:

• обусловленные погрешностями измерений отпущенной в сеть и полезно отпущенной электроэнергии потребителям;

• обусловленные занижением полезного отпуска из-за недостатков энергосбытовой деятельности и хищений электроэнергии;

• обусловленные задолженностью по оплате за электроэнергию.

Последние две группы погрешностей в данной работе не рассматриваются.

К основным наиболее значимым составляющим погрешностей измерительных комплексов, в которые могут входить трансформатор тока, трансформатор напряжения, счетчик электроэнергии, линия присоединения счетчика электроэнергии к трансформатору напряжения, относятся:

1. Погрешности измерений электроэнергии в нормальных условиях работы измерительного комплекса, определяемые классами точности трансформатора тока, трансформатора напряжения и счетчика электроэнергии (допустимые метрологические потери электроэнергии);

2. Дополнительные погрешности измерений электроэнергии в реальных ненормированных условиях эксплуатации измерительных комплексов, обусловленные:

1.  

   1. заниженным против нормативного коэффициентом мощности нагрузки (дополнительной угловой погрешностью) – для индукционных счетчиков;

   2. влиянием на счетчик электроэнергии магнитных и электромагнитных полей различной частоты; - недогрузкой и перегрузкой трансформатора тока, трансформатора напряжения и счетчика электроэнергии;

   3. несимметрией и уровнем подведенного к измерительному комплексу напряжения;

   4. работой счетчика электроэнергии в неотапливаемых помещениях с недопустимо низкой температурой;

   5. недостаточной чувствительностью счетчиков электроэнергии при их малых нагрузках, особенно в ночные часы;

1. Систематические погрешности, обусловленные сверхнормативными сроками службы измерительного комплекса.

Данный перечень погрешностей является неполным. В нем отсутствует по крайней мере одна составляющая. Достоверность измерений связана, в частности, с тем, что в сложных электроэнергетических системах зависимость электрических величин от времени часто отличается от синусоидальных и даже от периодических функций [3]. Ошибки в определении активной энергии и мощности современными счетчиками в условиях пониженного качества электроэнергии могут составлять значительную величину и эти ошибки следует относить к коммерческим потерям. Рост указанных потерь очевиден, поскольку меняется характер потребителей электроэнергии, предпочитающих все больше импульсный отбор мощности (вторичные источники питания, управляемые электроприводы, тяговые подстанции и т.п.), т.е. спектральный состав активных мощностей потребления неуклонно смещается в сторону высших гармонических.

Появление гармоник тока обусловливается, главным образом, нелинейными элементами, имеющимися в цепи нагрузки. Количество таких элементов в настоящее время постоянно возрастает. В связи со сказанным существенным образом увеличилась «засоренность» электрических сетей высшими гармониками и все чаще приходится сталкиваться с необходимостью измерения мощности в цепях с искаженной формой тока [4]. При измерении мощности в таких цепях возникают два вопроса:

1. Какая мощность должна быть измерена (только создаваемая основной частотой или же суммарная, включающая мощность отдельных гармоник);

2. Какая мощность может быть измерена (имея в виду возможности электроизмерительных приборов).

В большинстве случаев при измерении мощности установки, потребляющей несинусоидальный ток, стремятся определить полную активную мощность, потребляемую установкой от сети (от генератора). Это вызвано тем, что гармоники создают в установках дополнительные потери активной мощности, покрываемые энергией питающего генератора.

При несинусоидальном токе форма кривой напряжения, действующего в той же цепи в общем случае, когда цепь содержит, кроме активного сопротивления, индуктивность и емкость, тоже несинусоидальна, но отличается от формы тока за счет различных амплитуд и фазовых сдвигов отдельных составляющих гармоник, определяемых параметрами цепи. Это определяется тем, что индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте, а емкостное – обратно пропорционально. Т.е. с увеличением частоты увеличивается и фазовый сдвиг в цепи для данной гармоники по сравнению с основной частотой.

В частном случае при активной нелинейной нагрузке (например, дуга) форма тока и напряжения одинакова.

При питании установки от мощной электрической системы сопротивление цепи с первичной стороны трансформатора питающего нелинейную нагрузку, пренебрежимо мало, вследствие чего при несинусоидальном токе нагрузки форма первичного напряжения практически синусоидальна.

Все измерительные приборы переменного тока (амперметры, вольтметры, ваттметры) градуируются в действующих значениях синусоидального тока. При несинусоидальной форме кривой тока показания приборов, в зависимости от принципа их действия, могут отличаться от показаний при синусоидальной форме тока.

При измерении расхода электроэнергии в цепях с несинусоидальными напряжениями и токами возникают вопросы, аналогичные вопросам, возникающим при измерении мощности:

1. Какой расход должен быть измерен (только создаваемый основной частотой или же суммарный, включающий расход по отдельным гармоникам);

2. Какая расход может быть измерен (имея в виду возможности электроизмерительных приборов, то есть счетчиков электроэнергии).

В энергетике гармоники выше 13-го порядка обычно не рассматриваются. Этой гармонике соответствует частота 13×50=650 Гц. Следовательно, все приборы, применяемые для измерения несинусоидальных токов, должны измерять без погрешностей переменный ток с частотой до 650 Гц [5]. Однако согласно ГОСТу [6] стандартными значениями номинальных частот для счетчиков являются 50 и 60 Гц. Соответственно, большинство счетчиков, зарегистрированных в Государственном реестре средств измерений измеряют расход электроэнергии по первой гармонике.

Авторы работы [7], проанализировав зависимости погрешности учета активной мощности и энергии от различных показателей качества электроэнергии, сделали следующие выводы:

1. Погрешность счетчиков электроэнергии существенно зависит от качества измеряемой энергии и реального коэффициента мощности нагрузки. При этом ошибки могут достигать не только значений 10-20%, как правило, в сторону недоучета, но и приводить к отказам в работе счетчиков.

2. Для оптимального выбора счетчика кроме сведений о работе конкретного типа счетчика в условиях низкого качества энергии и низкого коэффициента нагрузки необходимо располагать информацией о качестве энергии в точке коммерческого учета.

На рис. 1 представлены погрешности учета активной мощности и энергии в зависимости от величины коэффициентов несинусоидальности напряжения.

Рисунок 1 - Зависимость погрешности учета активной мощности и энергии в зависимости от величины коэффициентов несинусоидальности напряжения и тока в случае наличия в составе нечетных, кратных трем, гармоник различными типами счетчиков

Имеется ряд работ, в которых рассматриваются вопросы повышения точности измерения расхода электроэнергии в условиях наличия в кривой питающего напряжения или тока нагрузки высших гармоник [8, 9, 10]. В этих работах предлагается производить коррекцию показаний счетчиков. При этом погрешность показаний из-за высших гармоник рассматривается либо как постоянная систематическая, либо как переменная, зависящая от гармонического состава электрических сигналов. В последнем случае, естественно, необходимо осуществлять гармонический анализ сигналов.

Также в настоящее время появляются принципиально новые типы счетчиков – интеллектуальные [11], которые сами могут выполнять гармонический анализ и коррекцию. По имеющейся информации пока трудно судить, насколько эффективно использование подобных приборов, но понятно, что в отличие от обычных счетчиков электроэнергии подобные приборы являются сложными и дорогостоящими системами измерения. Непонятно, являются ли они достаточно исследованными и сертифицированными, но, очевидно, что использование подобных приборов в массовых масштабах пока невозможно.

Счетчики электроэнергии подразделяются на расчетные счетчики и счетчики для технического учета. Понятно, что любое вмешательство в работу расчетных счетчиков недопустимо. Очевидно, что любая коррекция работы счетчиков касается приборов технического учета.

Учитывая сказанное, можно высказать следующие предложения. Для того, чтобы определять в каждом конкретном случае, насколько правильно осуществляется расчет за потребленную электроэнергию, необходимо совершенствовать технический учет. Для этого можно предложить ряд мероприятий:

1. Разрабатывать, сертифицировать и внедрять новые счетчики энергии, позволяющие осуществлять измерение с учетом высших гармоник, причем на первом этапе созданные счетчики могут быть использованы в исследовательских целях;

2. При использовании существующих счетчиков необходимо выполнять хотя бы одно из следующих мероприятий:

1.  

   1. Осуществлять фильтрацию напряжения на входе;

   2. Разрабатывать и использовать на практике методики обработки результатов измерения израсходованной электрической энергии;

   3. Осуществлять коррекцию показаний счетчиков с учетом анализа гармонического состава напряжения и тока.

1. Проводить технические и организационные мероприятия по улучшению гармонического состава электрических показателей.

Литература

1. Железко Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии. : Руководство для практических расчетов /-М.: ЭНАС, 2009.

2. Воротницкий В. Э., Калинкина М. А. Расчет, нормирование и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях: Учебно-методическое пособие. М.: ИПК госслужбы, 2002.

3. Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок: Пер. с польск.-М.: Энергоатомиздат, 1985.

4. Минин Г.П. Измерение мощности. М.-Л., «Энергия», 1963.

5. Минин Г.П. Несинусоидальные токи и их измерение. – М.: Энергия, 1979.

ГОСТ 31818.11-2012. Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Общие требования Испытания и условия испытаний. Часть 11. Счетчики электрической энергии. М.: Стандартинформ, 2013.

1. Соколов В.С, Созыкин А.А, Коровкин Р.В. Работа электросчетчиков в условиях пониженного качества электроэнергии // Электронный журнал «Новое в Российской электроэнергетике» -2005 –№3.

2. Кириллов С.В. Снижение погрешности учета электрической энергии в системах электроснабжения с преобладающей нелинейной нагрузкой / Автореф. дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. – Саратов, 2006.

3. Сидоренков В.А. Повышение точности учета электрической энергии в системе электроснабжения сель скохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой. / Автореф. дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. – Челябинск, 2013.

4. Асет Асхат. Автоматизация систем учета электроэнергии в цепях с нелинейными нагрузками. / Автореф. дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. – Бишкек, 2011.

5. Васильева О.А. Применение интеллектуальных счетчиков «BINOM₃» для контроля и управления качеством электрической энергии. / Управление качеством электрической энергии: Сб. трудов Международной научно-практической конференции. (Москва, 26–28 ноября 2014 г.) — М.: ООО «Центр полиграфических услуг „Радуга“», 2014.

Код для цитирования: Скопировать