Спосіб вимірювання складових сумарної потужності втрат електроенергії в трифазній системі електропостачання

Реферат: Спосіб вимірювання складових сумарної потужності втрат електроенергії в трифазній системі електропостачання включає використання вимірювальної інформації, що знімають з датчиків струму і напруги трифазної системи і надходить до вимірювальної системи, що містить мікроконтролер, датчики стуму, через первинні обмотки яких протікає струм навантаження трьох фаз, датчики напруги, на первинні обмотки яких подають напругу, що вимірюють на клемах навантаження. За допомогою трифазного датчика напруги, що встановлюють на шинах трансформаторної підстанції, вимірюють миттєві значення фазних напруг, які передають до місця установки силового активного фільтра за допомогою PLC інтерфейсу, використовують один трифазний датчик струму навантаження. Додатково вводять трифазний датчик струму силового активного фільтра, використовують один трифазний датчик напруги для вимірювання миттєвих значень фазних напруг на клемах підключення навантаження. Оброблені інформаційні сигнали надходять на мікроконтролер, де за допомогою прямого перетворення Кларк обчислюються проекції узагальнених, просторових векторів напруги мережі, струму навантаження і струму компенсатора. UA 113552 U (54) СПОСІБ ВИМІРЮВАННЯ СКЛАДОВИХ СУМАРНОЇ ПОТУЖНОСТІ ВТРАТ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ В ТРИФАЗНІЙ СИСТЕМІ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ UA 113552 U UA 113552 U 5 10 15 20 Корисна модель належить до галузі електротехніки, зокрема до систем і методів обліку параметрів електричної енергії, в тому числі у мережах, де можливе використання силових активних фільтрів. Розповсюджене використання нелінійного навантаження, що підключається до трифазних мереж синусоїдального струму напругою до 1000 В, є причиною спотворення цих мереж струмами вищих гармонік. Окрім того несиметричні режими роботи трифазної мережі спричиняють асиметрію напруги в точках спільного підключення навантажень, а також призводять до протікання значних за значенням струмів в нульовому проводі. Вказані явища впливають на збільшення втрат потужності в трифазній системі електропостачання, зменшують її енергетичну ефективність та пропускну здатність. Системи обліку електроенергії з врахуванням втрат потужності, а також визначенням енергетичних режимів систем електропостачання широко розповсюджені на практиці в цифрових лічильниках обліку на базі мікропроцесорних пристроїв. Ці пристрої використовують способи вимірювання, що дозволяють визначити сумарну потужність втрат електроенергії в мережі з або без врахування несиметричних режимів, а також вищих гармонік струмів та напруг, але не дозволяють представити сумарну потужність втрат у вигляді окремих складових, обумовлених характером електромагнітних процесів в мережі. Вказані недоліки ускладнюють оцінку доцільності застосування статичних і динамічних компенсаторів енергетичних спотворень з позиції підвищення енергоефективності системи електропостачання. Відомий спосіб вимірювання втрат електроенергії в електричних мережах [1], що включає постійне вимірювання струму в провіднику комплексом вимірювання електроенергії, в якому додатково програмують визначення модуля втрат енергії в провіднику за певні періоди часу, N обчислюють модуль за розрахунковий період за формулою: A   Ii2 t i , де Ii - струм у лінії; ti 1 25 30 35 40 45 50 55 тривалість інтервалу вимірювання, N - період, протягом якого вимірюються втрати, підраховують залежність опору лінії у функції температури та часу, розраховують втрати безпосередньо в провідниках за формулою W  Ari , програмують розрахунок втрат в трансформаторах, в ізоляції та втрат на корону залежно від умов середовища та у функції часу і визначають суму всіх втрат в мережі за певний період. Недоліками такого способу є необхідність програмування мікроконтролера для розрахунку потужності втрат в кожному елементі системи, необхідність вимірювання температури провідника лінії, а також неможливість розкладення сумарної потужності втрат на окремі складові, що обумовлені характером електромагнітних процесів в системі електропостачання. Відомий багатофункціональний мікропроцесорний пристрій для збору інформації про мережу при несинусоїдальному й несиметричному навантаженні [2]. Спосіб вимірювання потужності втрат, що використовує багатофункціональний мікропроцесорний пристрій, оснований на безперервному контролі і реєстрації потужності втрат електричної енергії від кожної гармонійної складової струму навантаження та обчислені за формулою P  I2R , де I струм навантаження, що протікає у струмопровідному елементі, R - опір струмопровідного елемента. Точне значення R визначається в функції температури струмопровідного елемента. Для диференційного вивчення потужності втрат електричної енергії Pn , що створюються кожною n-ою гармонійною складовою струму навантаження, що отримують 100 разів за період вибірки струмів IAi , IBi , ICi і INi , використовують в мікроконтролері для розрахунку вищих гармонік відомими методами: квадратурних станів або швидкого перетворювання Фур'є. Недоліком зазначеного способу є необхідність програмування мікроконтролера для розрахунку потужності втрат в кожному елементі системи, необхідність вимірювання температури струмопровідних елементів, а також неможливість розкладення сумарної потужності втрат на окремі складові, що обумовлені характером електромагнітних процесів в системі електропостачання. Найближчим аналогом є спосіб вимірювання втрат потужності в системі електропостачання, що використаний для побудови багатофункціонального лічильника електроенергії [3]. Спосіб вимірювання потужності втрат спрямовано на вирішення задачі додаткового урахування втрат електричної енергії в лінії та трансформаторі від несиметрії ти несинусоїдальності струму та напруги. Мікроконтролером, що входить до конструкції лічильника, здійснюється обчислення обсягів спожитої електричної енергії, показників якості електричної енергії та величини додаткових втрат електричної енергії від несиметрії та несинусоїдальності струмів та напруг. Окремо розраховуються додаткові втрати активної потужності, що викликані несиметрією режиму мережі: Pл  I2aR  I2bR  I2cR  I2NR , де Ia , Ib , Ic , IN - відповідно струми фаз А, В, С та 1 UA 113552 U нульового проводу N мережі, R - опір провідників мережі. Окремо розраховують додаткові втрати активної потужності в трансформаторах, що викликані несиметрією режиму мережі 5 P2m  PKK 22U / u2K , де PK - втрати короткого замикання, K 2U - коефіцієнт несиметрії зворотної послідовності напруги, uK - напруга короткого замикання. Окремо розраховують додаткові втрати активної потужності в лінії, що викликані несинусоїдальністю режиму мережі n P  3R0l  I2 k   k   , де R0 - питомий опір провідника постійному струму, l - довжина   2 10 провідника, I - струм ν-ої гармоніки,  - номер гармоніки, k   - коефіцієнт, який враховує явище поверхневого ефекту для ν-ої гармоніки,  - число врахованих гармонік, k  коефіцієнт, що враховує ефект близькості для ν-ої гармоніки. Окремо розраховують додаткові втрати активної потужності в трансформаторах, що викликані несинусоїдальністю режиму n мережі Pm  3  I2mRKk  , де Im - струм ν-ої гармоніки, RK - опір КЗ трансформатора, k     2 15 20 25 30 35 40 45 50 55 - коефіцієнт, який враховує явище поверхневого ефекту для ν-ої гармоніки. Недоліком зазначеного способу є необхідність програмування мікроконтролера з внесенням до розрахунку параметрів елементів системи, а також неможливість розкладення сумарної потужності втрат на окремі складові, що обумовлені характером електромагнітних процесів в системі електропостачання. В основу корисної моделі поставлена задача підвищити точність та ефективність використання системи обліку параметрів якості електричної енергії, що, за допомогою вбудованого мікроконтролера, дозволяє в реальному часі виконувати обчислення складових сумарної потужності втрат і оцінювати доцільність підключення силових активних фільтрів для збільшення коефіцієнта корисної дій трифазної системи електропостачання. Відомий спосіб вимірювання не дозволяє виконувати розклад сумарної потужності втрат в трифазній системі електропостачання на окремі складові, обумовлені характером електромагнітних процесів, що ускладнює його застосування для оцінки можливості підвищення енергетичної ефективності системи електропостачання при підключені силового активного фільтра. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб вимірювання складових сумарної потужності втрат електроенергії в трифазній системі електропостачання, що включає використання вимірювальної інформації, що знімають з датчиків струму і напруги трифазної системи, і надходить до вимірювальної системи, що містить мікроконтролер, датчики стуму, через первинні обмотки яких протікає струм навантаження трьох фаз, датчики напруги, на первинні обмотки яких подають напругу, що вимірюють на клемах навантаження, згідно з корисною моделлю, за допомогою трифазного датчика напруги, що встановлюють на шинах трансформаторної підстанції вимірюють миттєві значення фазних напруг, які передають до місця установки силового активного фільтра за допомогою PLC інтерфейсу, використовують один трифазний датчик струму навантаження, додатково вводять трифазний датчик струму силового активного фільтра, використовують один трифазний датчик напруги для вимірювання миттєвих значень фазних напруг на клемах підключення навантаження, оброблені інформаційні сигнали надходять на мікроконтролер, де за допомогою прямого перетворення Кларк обчислюються проекції узагальнених просторових векторів напруги мережі, струму навантаження і струму компенсатора на координатні осі системи αβ0, обчислюється модуль узагальненого вектора напруги мережі в плоскій та просторовій системах координат та модуль узагальненого просторового вектора напруги навантаження, розраховується середнє, обчислене в періоді повторюваності, значення модуля вектора напруги мережі, після часткового послаблення складової нульової послідовності, переводиться узагальнений вектор струму навантаження і узагальнений вектор струму компенсатора в pqr систему координат, розраховується середня активна, обчислена в періоді повторюваності, корисна потужність навантаження і відносна, в долях середньої активної корисної потужності, сумарна потужність втрат трифазної системи, розраховується інтегральні коефіцієнти, що характеризують несиметричний режим трифазного джерела напруги, визначаються квадрати середньоквадратичних потужностей за осями координат pqr системи, розраховується відносна мінімально можлива потужність втрат, що однозначно обумовлена відношенням потужності резистивного короткого замикання трифазної мережі до середньої корисної потужності навантаження, розраховуються складові потужності втрат в pqr координатах, здійснюється перехід до енергетичної системи складових сумарної потужності втрат, що складається з п'яти 2 UA 113552 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 компонентів: відносна мінімальна можлива потужність втрат, відносна потужність втрат, обумовлена реактивною потужністю, відносна потужність втрат, обумовлена пульсаціями миттєвої активної потужності, відносна потужність втрат, обумовлена протіканням струму у нульовому проводі, відносна потужність втрат, обумовлена взаємним впливом електромагнітних процесів і лінійних проводах і нульовому проводі, за необхідністю здійснюють перехід до системи потужностей втрат за симетричними складовими, якщо до клем трифазного навантаження підключений силовий компенсатор за отриманими даними оцінюють енергоефективність системи електропостачання до і після підключення до неї силового активного фільтра. Запропонований спосіб відрізняється тим, що у вимірювальну систему додатково вводиться трифазний датчик напруги ДН 1, що встановлюється на шинах трансформаторної підстанції і вимірює миттєві значення фазних напруг, які передаються до місця установки силового активного фільтра за допомогою PLC інтерфейсу, три однофазні датчики струму заміняються одним трифазним датчиком, четвертий однофазний датчик струму замінюється другим трифазним датчиком струму силового активного фільтра, три однофазних датчики напруги замінюються одним трифазним датчиком напруги. Для математичної реалізації способу пропонується принципово новий підхід представлення сумарної потужності втрат трифазної системи електропостачання як суми п'яти складових, обумовлених характером електромагнітних процесів в трифазних системах електропостачання [4]. Суть корисної моделі полягає в підвищені точності та ефективності застосування системи обліку параметрів якості електричної енергії. Це досягається за рахунок представлення сумарної потужності втрат електричної енергії як суми п'яти складових, а саме: відносної потужності мінімально можливих втрат; відносної потужності втрат, що обумовлені реактивної потужністю; відносною потужністю втрат, що обумовлені пульсаціями миттєвої активної потужності; відносної потужності втрат, що обумовлені протіканням струму у нульовому проводі; відносною потужністю втрат, що обумовлені взаємним впливом електромагнітних процесів в лінійних проводах і нульовому проводі; яка дасть можливість оцінки енергетичної ефективності трифазних систем електропостачання при підключені силових активних фільтрів. Спосіб пояснюється кресленням (Фіг. 1), де представлена структурна схема розміщення датчиків струму і напруги. Спосіб реалізується наступним чином. Як інформацію для подальшої обробки використовують вимірювальну інформацію, що знімається з датчиків струму і напруги відповідно до Фіг. 1, які зазвичай використовують для реалізації системи управління паралельним силовим активним фільтром. Датчиком напруги ДН1 вимірюють миттєві значення фазних напруг на затискачах джерела живлення ДЖ usa , usb , usc , наприклад на шинах трансформаторної підстанції, у точках спільного під'єднання навантажень. Інформація про миттєві значення фазних напруг передаються PLC інтерфейсом до місця установки силового активного фільтра САФ. Датчиком напруги ДН2 вимірюють миттєві значення фазних напруг на клемах підключення навантаження Н ula , ulb , ulc , де планується підключення силового активного фільтра САФ. Джерело живлення і навантаження з'єднує трифазна чотирипровідна лінія Л. САФ підключається до системи електропостачання за допомогою замикання ключа К. Датчиком струму ДС1 вимірюють миттєві значення фазних струмів навантаження ila , ilb , ilc , а датчиком струму ДС2 миттєві значення фазних струмів САФ ica , icb , icc . Якщо САФ у системі електропостачання відсутній, то струми САФ не вимірюються, а миттєві струми мережі дорівнюють відповідним миттєвим струмам навантаження. Математичні операції над одержаними даними виконуються в мікроконтролері за алгоритмом, що пояснює Фіг. 2. За допомогою прямого перетворення Кларк отримають проекції узагальнених просторових векторів напруги мережі, струму навантаження і струму компенсатора на координатні осі системи 0 : us  uSa      , (1) us   K   uSb  us0  uSc      3 UA 113552 U il  ila      , (2) il   K   ilb  il0  ilc      ic  ica      , (3) ic   K   icb  ic 0  icc      5    де K         2 3 0  1   6 1    . (4) 2 1  3   1  6 1 1 2 1 3 3 Обчислюють модуль узагальненого вектора напруги мережі в плоскій та просторовій системах координат: 10 us  u2  u2 , (5) s s us0  u2  u2  u20  u2  u2  u2 (6) s s s sa sb sc та модуль узагальненого просторового вектора напруги навантаження 15 2 2 2 ul0  ula  ulb  ulc . (7) Підвищення точності способу досягається за рахунок часткового послаблення складової нульової послідовності середньоквадратичного значення модуля вектора напруги мережі: 20 Usp0  1 t T  2 3     us0   u20 dt . (8) s T t  4  Представляють узагальнений вектор струму навантаження, узагальнений вектор струму компенсатора і узагальнений вектор струму мережі в pqr системі координат: 25    u s0 ilp   1     0 ilq   u s0   ilr     us    u s us0us us u u  s0 s us   us  i  us0us   l0   il , (9) us    i  us0us   l    us   4 UA 113552 U    u s0 icp  1     0 icq   u s0   icr     us   isp  ilp     isq   ilq   isr   ilr     5 10 u u  s0 s us середню, обчислену в періоді повторюваності, корисну а також середню, обчислену в періоді повторюваності, відносну сумарну потужність втрат: 1 tT  isp  us0  ilp  ul0 dt . (13) T  Pusf t   Розраховують інтегральні трифазного джерела напруги: kp  kq  коефіцієнти, що характеризують несиметричний 3  kn  u20 , (14) s 2 us0 3  k n  u2 s u20 s , (15) 20 6  k n  us0  us k pq  u20 s , (16) де k n - відношення опору нульового проводу до опору лінійного проводу kn  Rn , (17) Rs Kp  1 t T  k pdt , (18) T t Kq  25 потужність 1 t T  ul0  ilpdt , (12) T t P *  15 us icp   icq  . (11) icr   Розраховують навантаження: Pusf   us us0us   us  i  us0us   c 0   ic , (10) us    i  us0us   c    us   1 t T  k qdt , (19) T t 30 K pq  1 t T  k pqdt . (20) T t 5 режим UA 113552 U Визначають квадрати середньоквадратичних потужностей за осями координат pqr системи: P2 pRMS 5 * Q2 rRMS Q2 t T 2 ir 2 T  k sc  Pusf t pqRMS  t T 2 T  k sc  Pusf  (1  k q )dt , (22) t  *  (1  kp )dt , (21) 2 Up0  *  2 Up0  qRMS* Q2 t T 2 ip 2 T  Pusf t 2 Up0   (iq  ip  ir  kpq )dt , (23) 2 2 Up0 t T 2 T  k sc  Pusf t  ip  ir  kpqdt , (24) 10 Ppqr *  P2 RMS* 15  Q2 qRMS*  Q2 rRMS* . (25) Розраховують відносну мінімально можливу потужність втрат, що однозначно обумовлена відношенням потужності резистивного короткого замикання трифазної мережі до середньої корисної потужності навантаження: Pmin*  Ppqr *  2  P *  P2 pqr *  4  P *  Ppqr * 2  P * . (26) Розраховують складові потужності втрат в pqr координатах: 20 Pp *  Pq*  25 Pr *  P2 pRMS * , (27) k sc Q2 qRMS* , (28) k sc Q2 rRMS * , (29) k sc де k sc  (1  Pmin* )2 Pmin* . (30) 30 Здійснюють перехід до енергетичної системи складових сумарної потужності втрат, що складається з п'яти компонентів: відносна мінімальна можлива потужність (P * ) , відносна min потужність втрат, обумовлена реактивною потужністю ( PQ* ) , відносна потужність втрат, обумовлена пульсаціями миттєвої активної потужності ( Ppuls * ) , відносна потужність втрат, 35 обумовлена протіканням струму у нульовому проводі ( P * ) , відносна потужність втрат, n обумовлена взаємним впливом електромагнітних процесів в лінійних проводах і нульовому проводі (P * ) : mut 6 UA 113552 U Pq *    , (31) PQ *  (1  Pmin* )2   Pr *  Ppq *   1 K q    Ppuls *  (1  Pmin* )2  Pp * 1 Kp  Pmin* (1  Pp *  Pq*  Pr * )2 , (32) 5 Pn *  Kq 1 K q  Pq*  Pmut *  Pn*  (P2 Kp 1 Kp min* 10  Pp *  Ppq* , (33)  2  Pmin* ) . (34) За необхідністю здійснюють перехід до системи потужностей втрат за симетричними складовими: P1*  Pmin*  Pp * , (35) 15 відносна в долях середньої корисної потужності навантаження потужність втрат прямої складової; k 2I  20 30 35 40 45 Pmin*  Pp *  1 , (36) модуль коефіцієнта несиметрії за зворотною послідовністю; k 0I  25 Pr *  Pp * Pq* Pmin*  Pp *  (1  3k n ) , (37) модуль коефіцієнта несиметрії за нульовою послідовністю. Якщо до клем трифазного навантаження підключений силовий компенсатор за отриманими даними оцінюють енергоефективність системи електропостачання до і після підключення до неї силового активного фільтра. Таким чином, за рахунок використання принципово нового способу представлення сумарної потужності втрат через окремі складові, що обумовлені характером електромагнітних процесів в трифазній системі електропостачання, підвищується ефективність використання системи обліку параметрів якості електричної енергії. Джерела інформації: 1. Патент на корисну модель № 13093, Україна, МПК G01R 21/06. Спосіб вимірювання втрат електроенергії в електричних мережах. / В.Є. Шестеренко, О.В. Шестеренко - № u200508897; заяв. 19.09.2005; опубл. 15.03.2006; Бюл. № 3. - 2 с. 2. Патент на изобретение № 2514788, Российская Федерация, МПК G06F 17/18. Многофункциональное микропроцессорное устройство для сбора информации о сети при несинусоидальной и несимметричной нагрузке. / В.Ф. Ермаков, А.В. Горобец, С.В. Нехаев и др. - № 2013118959/08; заяв. 23.04.2013; опубл. 10.05.2014; Бюл. № 13. - 9 с. 3. Патент на винахід № 102194, Україна, МПК G01R 21/06. Багатофункціональний лічильник електричної енергії. / О.О. Мірошник - № а201206343; заяв. 25.05.2012; опубл. 10.06.2013; Бюл. № 11. - 6 с. 4. Жемеров Г.Г., Тугай Д.В. Физический смысл понятия "реактивная мощность" применительно к трехфазным системам электроснабжения с нелинейной нагрузкой // Електротехніка і електромеханіка. - 2015. - №6. - С. 36-42. 7 UA 113552 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 25 30 35 40 Спосіб вимірювання складових сумарної потужності втрат електроенергії в трифазній системі електропостачання, що включає використання вимірювальної інформації, що знімають з датчиків струму і напруги трифазної системи і надходить до вимірювальної системи, що містить мікроконтролер, датчики стуму, через первинні обмотки яких протікає струм навантаження трьох фаз, датчики напруги, на первинні обмотки яких подають напругу, що вимірюють на клемах навантаження, який відрізняється тим, що за допомогою трифазного датчика напруги, що встановлюють на шинах трансформаторної підстанції, вимірюють миттєві значення фазних напруг, які передають до місця установки силового активного фільтра за допомогою PLC інтерфейсу, використовують один трифазний датчик струму навантаження, додатково вводять трифазний датчик струму силового активного фільтра, використовують один трифазний датчик напруги для вимірювання миттєвих значень фазних напруг на клемах підключення навантаження, оброблені інформаційні сигнали надходять на мікроконтролер, де за допомогою прямого перетворення Кларк обчислюються проекції узагальнених, просторових векторів напруги мережі, струму навантаження і струму компенсатора на координатні осі системи 0, обчислюється модуль узагальненого вектора напруги мережі в плоскій та просторовій системах координат та модуль узагальненого просторового вектора напруги навантаження, розраховується середнє, обчислене в періоді повторюваності, значення модуля вектора напруги мережі, після часткового послаблення складової нульової послідовності, переводять узагальнений вектор струму навантаження і узагальнений вектор струму компенсатора в pqr систему координат, розраховується середня активна, обчислена в періоді повторюваності, корисна потужність навантаження і відносна, в долях середньої активної корисної потужності, сумарна потужність втрат трифазної системи, розраховуються інтегральні коефіцієнти, що характеризують несиметричний режим трифазного джерела напруги, визначаються квадрати середньоквадратичних потужностей за осями координат pqr системи, розраховується відносна мінімально можлива потужність втрат, що однозначно обумовлена відношенням потужності резистивного короткого замикання трифазної мережі до середньої корисної потужності навантаження, розраховуються складові потужності втрат в pqr координатах, здійснюється перехід до енергетичної системи складових сумарної потужності втрат, що складається з п'яти компонентів: відносна мінімальна можлива потужність втрат, відносна потужність втрат, обумовлена реактивною потужністю, відносна потужність втрат, обумовлена пульсаціями миттєвої активної потужності, відносна потужність втрат, обумовлена протіканням струму у нульовому проводі, відносна потужність втрат, обумовлена взаємним впливом електромагнітних процесів в лінійних проводах і нульовому проводі, за необхідністю здійснюють перехід до системи потужностей втрат за симетричними складовими, якщо до клем трифазного навантаження підключений силовий компенсатор, за отриманими даними оцінюють енергоефективність системи електропостачання до і після підключення до неї силового активного фільтра. 8 UA 113552 U Комп’ютерна верстка Т. Вахричева Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9