Спосіб вимірювання складових сумарної потужності втрат електроенергії в трифазній системі електропостачання

Реферат: Винахід належить до електротехніки, зокрема систем і методів обліку параметрів електричної енергії, в тому числі у мережах де можливе використання силових активних фільтрів. Спосіб вимірювання складових сумарної потужності втрат електроенергії в трифазній системі електропостачання заснований на використанні вимірювальної інформації, що знімається з датчиків струму і напруги трифазної системи, необхідної для побудови системи управління паралельним силовим активним фільтром. Технічним результатом що досягається даним винаходом є підвищення точності та ефективності застосування системи обліку параметрів якості електричної енергії. UA 115385 C2 (12) UA 115385 C2 UA 115385 C2 5 10 15 20 Винахід 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, заснований 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 елементу. Точне значення R визначається в функції температури струмопровідного елементу. Для диференційного вивчення потужності втрат електричної енергії R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. Найбільш близьким способом вимірювання втрат потужності в системі електропостачання є спосіб, який обраний за прототип, що використаний для побудови багатофункціонального лічильнику 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 1 UA 115385 C2 активної потужності, що викликані несиметрією режиму мережі: Pл  I2aR  I2bR  I2cR  I2NR , де Ia , Ib , Ic , IN - відповідно струми фаз A , B , C та нульового проводу N мережі, R - опір провідників мережі. Окремо розраховують додаткові втрати активної потужності в 5 трансформаторах, що викликані нeсиметрією режиму мережі P2m  PKK 2 2U / u2K , де PK втрати короткого замикання, K 2U - коефіцієнт несиметрії зворотної послідовності напруги, uK напруга короткого замикання. Окремо розраховують додаткові втрати активної потужності в n лінії, що викликані несинусоціальністю режиму мережі P  3R0l  I2 k   k   , де R0   2 питомий опір провідника постійному струму, l - довжина провідника, I -струм  -ої гармоніки,  - номер гармоніки, k  - коефіцієнт, який враховує явище поверхневого ефекту для  -ої 10 гармоніки,  - число врахованих гармонік, k  - коефіцієнт, що враховує ефект близькості для  -ої гармоніки. Окремо розраховують додаткові втрати активної потужності в трансформаторах, n що викликані несинусоїдальністю режиму мережі Pm  3  I2mRK k  , де Im - струм  -ої   2 15 20 25 30 35 40 45 50 гармоніки, RK - опір КЗ трансформатора, k  - коефіцієнт, який враховує явище поверхневого ефекту для  -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 винаходу поставлено завдання підвищення точності та ефективності використання системи обліку параметрів якості електричної енергії, що, за допомогою вбудованого мікроконтролеру, дозволяє в реальному часі виконувати обчислення складових сумарної потужності втрат і оцінювати доцільність підключення силових активних фільтрів для збільшення коефіцієнту корисної дій трифазної системи електропостачання. Поставлена задача обумовлена тим, що відомий спосіб вимірювання, обраний як прототип, 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 у вимірювальній системі, що містить мікроконтролер, датчики стуму, через первинні обмотки яких протікає струм навантаження трьох фаз і датчики напруги, на первинні обмотки яких подається напруга, що вимірюється на клемах навантаження, який відрізняється тим, що за допомогою трифазного датчика напруги, що встановлено на шинах трансформаторної підстанції вимірюються миттєві значення фазних напруг, які передаються до місця установки силового активного фільтру за допомогою PLC інтерфейсу, використано один трифазний датчик струму навантаження, додатково введено трифазний датчик струму силового активного фільтра, використано один трифазний датчик напруги для вимірювання миттєвих значень фазних напруг на клемах підключення навантаження, оброблені інформаційні сигнали поступають на мікроконтролер, де за допомогою прямого перетворення Кларк обчислюються проекції узагальнених просторових векторів напруги мережі, струму навантаження і струму компенсатора на координатні вісі системи 0 , обчислюється модуль узагальненого вектору напруги мережі в плоскій та просторовій системах координат та модуль узагальненого просторового вектору напруги навантаження, розраховується середнє, обчислене в періоді повторюваності, значення модуля вектору напруги мережі частково послаблене 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 2 UA 115385 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 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 фільтру. 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 фільтру за допомогою PLC інтерфейсу, три однофазні датчики струму заміняються одним трифазним датчиком, четвертий однофазний датчик струму замінюється другим трифазним датчиком струму силового активного фільтру, три однофазних датчика 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 винаходу 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. У якості інформації для подальшої обробки використовують вимірювальну інформацію, що знімається з датчиків струму і напруги відповідно до Фіг. 2, які зазвичай використовують для реалізації системи управління паралельним силовим активним фільтром. Датчиком напруги 2 (ДНІ) вимірюють миттєві значення фазних напруг на затискачах джерела живлення 1 (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 7 (САФ). Датчиком напруги 3 (ДН2) вимірюють миттєві значення фазних напруг на клемах підключення навантаження 6 (Н) ula , ulb , ulc , де планується підключення силового активного фільтру 7. Джерело живлення и навантаження з'єднує трифазна чотирипровідна лінія 8 (Л). Силовий активний фільтр 7 підключається до системи електропостачання за допомогою замикання ключа 9 (К). Датчиком струму 4 (ДС1) вимірюють миттєві значення фазних струмів навантаження ila , ilb , ilc , а датчиком струму 5 (ДС2) миттєві значення фазних струмів САФ ica , icb , icc . Якщо силовий активний фільтр 7 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 вісі системи 0 : us  uSa     , us   K   uSb  us0  uSc      (1) 3 UA 115385 C2 il  ila     , il   K   ilb  il0  ilc      (2) ic  ica     , ic   K   icb  ic 0  icc      (3)    де K         5 2 3 0  1   6 1 .   2 1  3   1  6 1 1 2 1 3 3 (4) Обчислюють модуль узагальненого вектору напруги мережі в плоскій та просторовій системах координат: us  u2  u2 , s s (5) us0  u2  u2  u20  u2  u2  u2 s s s sa sb sc (6) та модуль узагальненого просторового вектору напруги навантаження 10 2 2 2 ul0  ula  ulb  ulc . (7) Підвищення точності способу досягається за рахунок часткового послаблене складової нульової послідовності середньоквадратичного значення модуля вектору напруги мережі: Usp0  1 t T  2 3     us0   u20 dt . s T t  4  (8) 15 Представляють узагальнений вектор струму навантаження, узагальнений вектор струму компенсатора і узагальнений вектор струму мережі в pqr системі координат:    us0 ilp  1    ilq    0  us0   ilr     us      us0 icp   1     0 icq   u s0   icr     us   u s us0us  us u u  s0 s us  us us0us us u u  s0 s us   u s  i  us0us   l0   il , us    i  us0us   l    us     us  i  us0us   c 0   ic , us    i  us0us   c    us   4 (9) (10) UA 115385 C2 isp  ilp     isq   ilq   isr   ilr     icp   icq  . icr   Розраховують навантаження: (11) середню, обчислену в періоді повторюваності, корисну потужність 5 Pusf  1 tT  ul0  ilp dt , T t (12) а також середню, обчислену в періоді повторюваності, відносну сумарну потужність втрат: P *  10 1 t T  isp  us0  ilp  ul0 dt . (13) T  Pusf t   Розраховують інтегральні трифазного джерела напруги: kp  kq  коефіцієнти, 3  k n  u20 , s 2 us0 3  k n  u2 s u20 s характеризують несиметричний режим (14) , (15) 6  k n  us0  us k pq  що u20 s , (16) 15 де k n - відношення опору нульового проводу до опору лінійного проводу kn  Rn , Rs (17) Kp  1 tT k p dt , T  t (18) Kq  1 tT k qdt , T  t (19) 20 K pq  1 tT  k pqdt . T t (20) Визначають квадрати середньоквадратичних потужностей за осями координат pqr системи: 2 PpRMS *  t T 2 ip 2 T  Pusf t 2 Up0   (1  k p )dt , (21) 5 UA 115385 C2 Q2 qRMS*  2 QrRMS*  t T 2 ir 2 T  k sc  Pusf t 2 Up0  2 Up0 t T 2 T  k sc  Pusf  (1  k q )dt , t 2 QpqRMS*   (iq  ip  ir  k pq )dt 2 2 Up0 2 T  k sc  Pusf t  ip  ir  kpqdt , (25) 2 Ppqr *  2  P *  Ppqr *  4  P *  Ppqr * 2  P * (26) . Розраховують складові потужності втрат в pqr координатах: Pp *  Pq*  Pr *  15 (24) Розраховують відносну мінімально можливу потужність втрат, що однозначно обумовлена відношенням потужності резистивного короткого замикання трифазної мережі до середньої корисної потужності навантаження: Pmin*  10 (23) t T 2 2 . Ppqr *  PRMS*  Q2 qRMS*  QrRMS* 5 (22) 2 PpRMS * k sc (27) , Q2 qRMS * k sc (28) , 2 QrRMS * , k sc (29) де k sc  (1  Pmin* )2 . Pmin* (30) Здійснюють перехід до енергетичної системи складових сумарної потужності втрат, що складається з п'яти компонентів: відносна мінімальна можлива потужність (Pmin* ) , відносна 20 потужність втрат, обумовлена реактивною потужністю (PQ* ) , відносна потужність втрат, обумовлена пульсаціями миттєвої активної потужності (Ppuls* ) , відносна потужність втрат, обумовлена протіканням струму у нульовому проводі (Pn* ) , відносна потужність втрат, обумовлена взаємним впливом електромагнітних процесів і лінійних проводах і нульовому проводі (Pmut * ) : 25  Pp * PQ *  (1  Pmin* )2   Pr *  Ppq *   1 Kp  Ppuls *  (1  Pmin* )2  Pp * 1 Kp  ,   (31)  Pmin* (1  Pp *  Pq*  Pr * )2 , 6 (32) UA 115385 C2 Pn*  Kq 1 Kq  Pq*  Kq 1  Kp  Pp *  Ppq* , (33) 2 Pmut *  Pn*  ( Pmin*  2  Pmin* ) . 5 (34) За необхідністю здійснюють перехід до системи потужностей втрат за симетричними складовими: P1*  Pmin*  Pp* (35) відносна в долях середньої корисної потужності навантаження потужність втрат прямої складової; 10 k 2I  Pr *  Pp * Pmin*  Pp * 1 (36) модуль коефіцієнта несиметрії за зворотною послідовністю; k 0I  15 20 25 30 35 Pq* Pmin*  Pp *  (1  3k ) (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 фільтру. Таким чином, за рахунок використання принципово нового підходу представлення сумарної потужності втрат через окремі складові, що обумовлені характером електромагнітних процесів в трифазній системі електропостачання, підвищується точність та ефективність застосування 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. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 Спосіб вимірювання складових сумарної потужності втрат електроенергії в трифазній системі електропостачання, який оснований на використанні вимірювальної інформації, що знімається з датчиків струму і напруги трифазної системи і надходить до вимірювальної системи, що містить мікроконтролер, датчики струму, через первинні обмотки яких протікає струм навантаження трьох фаз і датчики напруги, на первинні обмотки яких подається напруга, що вимірюється на клемах навантаження, який відрізняється тим, що за допомогою першого трифазного датчика напруги, який встановлено на шинах трансформаторної підстанції вимірюють миттєві значення 7 UA 115385 C2 5 10 15 20 25 фазних напруг, які передають до місця установки силового активного фільтра за допомогою PLC інтерфейсу, додатково використовують трифазний датчик струму навантаження, трифазний датчик струму силового активного фільтра та другий трифазний датчик напруги для вимірювання миттєвих значень фазних напруг на клемах підключення навантаження, інформаційні сигнали з датчиків подають на мікроконтролер, де за допомогою прямого перетворення Кларк обчислюють проекції узагальнених просторових векторів напруги мережі, струму навантаження і струму компенсатора на координатні вісі системи а0, обчислюють модуль узагальненого вектора напруги мережі в плоскій та просторовій системах координат та модуль узагальненого просторового вектора напруги навантаження, розраховують середнє, обчислене в періоді повторюваності, значення модуля вектора напруги мережі частково послаблене складовою нульової послідовності, переводять узагальнений вектор струму навантаження і узагальнений вектор струму компенсатора в pqr систему координат, розраховують середню активну, обчислену в періоді повторюваності, корисну потужність навантаження і відносну, в частках середньої активної корисної потужності, сумарну потужність втрат трифазної системи, розраховують інтегральні коефіцієнти, що характеризують несиметричний режим трифазного джерела напруги, визначають квадрати середньоквадратичних потужностей за осями координат pqr системи, розраховують відносну мінімально можливу потужність втрат, що обумовлена відношенням потужності резистивного короткого замикання трифазної мережі до середньої корисної потужності навантаження, та складові потужності втрат в pqr координатах, здійснюють перехід до енергетичної системи складових сумарної потужності втрат, яка складається з п'яти компонентів - відносної мінімально можливої потужності втрат, відносної потужності втрат, обумовленої реактивною потужністю, відносної потужності втрат, обумовленої пульсаціями миттєвої активної потужності, відносної потужності втрат, обумовленої протіканням струму у нульовому проводі, відносної потужність втрат, обумовленої взаємним впливом електромагнітних процесів в лінійних і нульовому проводах, здійснюють перехід до системи потужностей втрат за симетричними складовими, за отриманими даними з силового компенсатора, підключеного до клем трифазного навантаження, оцінюють енергоефективність системи електропостачання до і після підключення до неї силового активного фільтра. 8 UA 115385 C2 9 UA 115385 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10