Автоматизация энергоснабжения жилого дома - Студенческий научный форум

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Автоматизация энергоснабжения жилого дома

Аболонко А.С. 1
1Донской государственный технический университет
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

В настоящее время невозможно представить нашу жизнь без электроэнергии. Поэтому при проектировании энергоснабжения жилого дома актуальными являются вопросы о надежности и безопасности потребления энергоресурсов, а также внедрения различных систем их коммерческого учета, в т. ч. автоматизированных [1,2,3]:

1) АСКУЭ (Э) - автоматизированных систем коммерческого учета

электроэнергии;

2) АСКУЭ (ТЭ) - автоматизированных систем коммерческого учета тепловой

энергии, горячего водоснабжения и хозяйственно-питьевой воды;

3) АСКУГ - автоматизированных систем коммерческого учета газа;

4) АИИС КУЭ - автоматизированных информационно-измерительных систем контроля и учета энергоресурсов «Мультиресурс», предназначенной для внедрения в многоквартирных домах, что позволяет оптимизировать процесс сбора и обработки показаний со счетчиков электроэнергии, воды, тепла и газа.

Как правило, жилые здания получают энергоресурсы централизовано, через систему воздушно-кабельных линий и трубопроводов [1]. Однако последнее время, особенно в индивидуальных жилых домах, расширяется применение автономных систем теплоснабжения, в том числе от альтернативных источников (ветер, солнце).

Ветроэлектростанция – устройство позволяющее преобразовывать природную энергию ветра в электричество. На данный момент существует множество вариантов (рис.1) таких установок различной мощности [4].

Рис.1 – Ветроэлектростанция.

Так же возможно установить систему электроснабжения с использованием солнечных батарей. Такая система будет включать в себя солнечную батарея необходимой мощности, контроллер заряда аккумуляторной батареи, батарею аккумуляторов (АБ), инвертор (рис.2) и нагрузки потребителя [4].

Рис.2 – Система электроснабжения.

И если в автономных системах качество, надежность и безопасность их использования зависит только от установки самого потребителя, то при централизованных системах снабжения энергоресурсами их показатели, и в первую очередь электроэнергии, зависят от поставщика.

Безопасность использования электроприборов напрямую связана с качеством потребляемой энергии, которая в свою очередь делится на - качественную и некачественную [5]. Под качественной электроэнергией понимается электроэнергия, параметры которой соответствуют требованиям, установленным соответствующими нормативными документами. Так в соответствии с ГОСТ 32144-2013 показателями качества электроэнергии являются [6].

- установившееся отклонение напряжения;

- размах изменения напряжения;

- доза фликера;

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;

- коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения;

- коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;

- коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности;

- отклонение частоты;

- длительность провала напряжения;

- импульсное напряжение;

- коэффициент временного перенапряжения.

Показателем качества электроэнергии, относящимся к частоте, является отклонение значения основной частоты напряжения электропитания от номинального значения в 50 Гц, [6]:

(1)

— значение основной частоты напряжения электропитания, Гц, измеренное в интервале времени 10 с; — номинальное значение частоты напряжения электропитания, Гц.

В нормальном режиме работы отклонения не должны превышать 0,1 Гц, а кратковременные отклонения должны быть не более 0.2 Гц.

В электрических сетях низкого напряжения стандартное номинальное напряжение электропитания   равно 220 В (между фазным и нейтральным проводниками для однофазных и четырехпроводных трехфазных систем) и 380 В (между фазными проводниками для трех- и четырехпроводных трехфазных систем). Установлены следующие нормы: положительные и отрицательные отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10% номинального или согласованного значения напряжения в течение 100% времени интервала в одну неделю [6].

Для дозы фликера установлены следующие нормы: кратковременная доза фликера не должна превышать значения 1,38, а длительная доза фликера   не должна превышать значения 1,0в течение 100% времени интервала в одну неделю.


Рис.3 – Временное перенапряжение.


Рис.4 – Колебания напряжения.

Все электроприборы, провода и электроустановочные изделия рассчитаны для работы при определенных параметрах сети. Из-за некачественной электроэнергии происходит уменьшение срока службы, выход из строя электрооборудования и старение изоляции, что в свою очередь может привести к загоранию и пожару [9].

Статистика пожаров за 2012-2016 годы показала (рис.5), что сумма пожаров от электрооборудования (2 место) и отопления (3 место) превышает число пожаров и их рост из-за неосторожного обращения с огнем [7].

Рис.5 – Статистика пожаров.

Поэтому очень важно оценивать качество и количество получаемой потребителем электроэнергии, исходя не только из целей экономики, но для безопасной жизнедеятельности.

Существует большое разнообразие приборов учета электрической энергии, но далеко не все могут фиксировать отклонения параметров сети от допустимых значений. Так, например, в квартирах и индивидуальных домах, где потребляемая мощность находится в пределах 4 кВт, может быть использован счетчик потребляемой электроэнергии MT4014 (рис.6) [8].

Рис.6 – Измеритель МТ4014

Это устройство предназначено для измерения и контроля потребления электроэнергии. На дисплее устройства отображается текущий ток, мощность и напряжение, а также количество потребленных киловатт и стоимость электроэнергии.

Характеристики:

- диапазон мощности: 0,2 Вт - 3600 Вт;

- диапазон напряжения: 190 В - 276 В;

- диапазон подсчёта количества потреблённой электроэнергии: 0 кВт/ч - 9999,9 кВт/ч;

- диапазон тока: 0,01 А - 16 A;

- нагрузка: 16 А, 3600 Вт;

- точность: ±1%;

- точность хода часов: ±1 минута в месяц;

- частота: 45 Гц - 65 Гц;

- питание: от сети;

- рабочее напряжение: 230 В.

Гораздо большей безопасности можно добиться, если совместить контроль качества потребляемой электроэнергии с выявлением опасных факторов пожара (ОФП). Для этого было введено понятие пожарно-электрического вреда (ПЭВ) и разработан метод его диагностики с помощью электросчетчика извещателя (ЭСИ) с блоком компенсации реактивной мощности и аспирационной системой (рис.7) [5].

Рис.7 – Схема аспирации с ЭСИ.

Принцип определения пожарно-электрического вреда заключается в том, что при измерении и оцифровке кривой переменного напряжения сети и потребляемого тока, осуществляется выделение отклонений от установленных ГОСТ 13109-13 значений, по которым вычисляются электроэнергии с допустимым и недопустимым качеством. В результате суммирования значений данных электроэнергий, умноженных на соответствующие константы вероятности пожаров по электротехническим причинам, определяется ПЭВ, который имеет размерность кВт/ч и должен стать основным показателем пожарной безопасности при потреблении электроэнергии [5]:

(2)

где ПЭВ – пожарно-электрический вред за время Т; – вероятность пожара по электротехническим причинам при допустимых отклонениях параметров электроэнергии; – вероятность пожара по электротехническим
причинам при недопустимых отклонениях параметров электроэнергии; – количество израсходованной электроэнергии при допустимых отклонениях; – количество израсходованной электроэнергии при недопустимых отклонениях.

Одним из факторов, влияющих на качество электроэнергии, является реактивная мощность, возникающая, как правило, в индуктивных нагрузках (стиральных машинах, СВЧ-печах, кондиционерах, холодильниках и т.д.), для компенсации которой используются установки компенсации реактивной мощности, где за контролируемый параметр принимается коэффициент мощности , метод нахождения которого заключается в измерении трех значений напряжения и силы тока в каждой фазе сети и вычислении по формуле [5, 10]:

Алгоритм работы блока компенсации реактивной мощности представлен на рис. 8.

Рис.8 – Алгоритм блока КРМ.

Принцип работы блока КРМ заключается в подключении необходимого количество конденсаторов соответствующей емкости и управлении следующим образом [5]:

1. В программируемый микроконтроллер задается необходимое значение .

2. АЦП контроллера измеряет три значения силы тока и напряжения в реальном времени и вычисляет текущее значение коэффициента мощности в каждой фазе.

3. Контроллер сравнивает текущее значение с заданным и подключает необходимое количество конденсаторов.

4. В случае, когда текущее значение коэффициента мощности равно заданному программа завершается.

Для раннего обнаружения опасных факторов пожара применяют аспирационные системы (рис.7), в которых обнаружение ОФП происходит за счет установки тепловых, дымовых и газовых датчиков в трубопроводе, по которым прокачивается воздух защищаемых помещений [11].

Таким образом, получаем комбинацию электросчетчика-извещателя с блоком компенсации реактивной мощности и пожарных извещателей с аспирационной системой, которые целесообразно дополнить газовым счетчиком с запорным клапаном и датчиком утечки газа, имеющим возможность подключения к компьютеру для съема данных и управления перекрытием подачи газа. Для этой цели подходит газовый счетчик Гранд-SPI (рис.9) [12].

Рис.9 – Газовый счетчик Гранд-SPI.

В результате получаем электро-газо-счетчик-извещатель с компенсацией реактивной мощности (КРМ), блок схема которого представлена на рисунке 10.

Рис.10 – Блок схема электро-газо-счетчик-извещателя (ЭГСИ) с КРМ.

Таким образом использование ЭГСИ с КРМ, в отличие от существующих АСКУЭ, обладает следующими преимуществами:

во-первых, реализует с помощью GSM радиомодема учет и контроль потребления газа и электроэнергии, а также улучшает качество электроэнергии при потреблении;

во-вторых, позволяет осуществлять оплату только за качественную электроэнергию;

в-третьих, дает возможность предотвратить пожар в электроприборах, путем отключения электроснабжения при достижении пожароугрожаемого значения ПЭВ, из-за пожароопасного отказа электроприбора и/или недопустимых параметрах поставляемой электроэнергии;

в-четвертых, позволяет предотвратить взрыв и/или пожар от бытового газа, путем обнаружения его утечки, автоматического перекрытия газоснабжения и отключения электроснабжения, для исключения искрообразования в электроустановочных изделиях;

в-пятых, реализует раннее обнаружение опасных факторов пожара и взрыва (ОФПВ);

в-шестых, оповещает жильцов о возникновении ОФПВ и пожароугрожаемого режима работы электроприборов;

в-седьмых, сообщает о возникновении ОФПВ пожарную охрану и газоаварийную службу с помощью GSM радиомодема.

Список литературы:

Ерёмина М.А. Развитие автоматизированных систем коммерческого учета энергоресурсов (АСКУЭ) // Молодой ученый. – 2015. –
№ 3. – С. 135–138.

АИИС КУЭ СИМ-ЭНЕРГО Мультиресурс - https://www.allmonitoring.ru/assets/files/download/aiis_kue_sim-energo_multiresurs.pdf

Инженерные сети зданий и сооружений внутренние. Автоматизированные системы коммерческого учета энергоресурсов (тепловой энергии, воды). Правила проектирования и монтажа, контроль выполнения, требования к результатам работ – M.: Национальное объединение строителей, 2016. – 85 с.

Германович В., Турилин А. Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы. – СПб.: Наука и техника, 2011. – 320 с.

Синергетика безопасности жизнедеятельности в жилом секторе:
монография / В.В. Белозеров, Т.Б. Долаков, С.Н. Олейников,
А.В. Периков. – М.: Издательский дом Академии Естествознания,
2017. – 186 с.

ГОСТ 32144-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения - М.: Стандартинформ, 2014. – 16 c.

Пожары и пожарная безопасность: Статистический сборник. Под общей редакцией Д.М. Гордиенко. - М.: ВНИИПО, 2017, - 124 с.

Счетчик потребляемой электроэнергии MT4014 - https://www.top-shop.ru/product/703540-master-kit-energomer-mt4014/#description

Белозеров В.В., Олейников С.Н. Способ определения пожарно-электрического вреда и опасных факторов пожара с помощью электросчетчика-извещателя //Патент РФ на изобретение № 2622558 от 07.09.2012

Мелентьев В.С., Баскаков В.С., Шутов В.С. Способ определения коэффициента мощности // А.С. SU № 1679401 A1, G 01R21/00
от 18.07.1989.

Федоров А.В., Членов А.Н., Лукьянченко А.А., Буцынская Т.А.,
Демёхин Ф.В. Системы и технические средства раннего обнаружения
пожара: Монография. -М.: Академия ГПС МЧС России. 2009. -158 с.

Счетчики газа Гранд–SPI / Руководство по эксплуатации
ТУАС.407299.002 РЭ – Ростов н/Д: ООО «Турбулентность Дон»,
2015. -24 с.

Просмотров работы: 85