Спосіб корекції похибки вимірювального комплексу електроенергії і пристрій для його здійснення

Винахід належить до електровимірювальної техніки. Винахід може бути використаний у вимірювальних комплексах, які здійснюють комерційний або технічний облік електроенергії у виробника, постачальника і споживача. Відомі способи корекції похибок окремих компонентів, а саме: трансформаторів струм у і трансформаторів напруги, які входять до складу вимірювального комплексу електроенергії [1-3]. Їх недоліками є неможливість корекції похибки трансформаторної схеми увімкнення лічильника електроенергії та забезпечення високої точності вимірювального комплексу в цілому, неврахування залежності похибки вимірювального комплексу від коефіцієнта потужності електромережі. Найбільш близьким технічним рішенням є спосіб корекції результату вимірювання електроенергії вимірювальним комплексом, який складається з вимірювальних трансформаторів струму і напруги та лічильника електроенергії, коли до кількості електроенергії, врахованої лічильником, додають її відсоток, який визначається за номограмою [4]. Практична реалізація цього способу передбачає стале споживання електроенергії і крім лічильника активної електроенергії потребує приладів для вимірювання активної та реактивної потужностей лінії та контролю їх стабільності. Для визначення згаданого відсотку необхідно мати набір номограм, які відповідають різним можливим на практиці коефіцієнтам потужності навантаження, а користування ними включає обов'язкову процедуру лінійної інтерполяції для точки, яка відповідає конкретним завантаженню трансформатора струму первинним струмом і навантаженню вторинного кола трансформатора напруги. Отже, визначення відсотку електроенергії, який додається до електроенергії врахованої лічильником, є приблизним, а сама ця процедура не автоматизована. Розв'язання задачі внесення поправки до показань лічильника електроенергії в загальному випадку вимірювань, коли реальне струмове завантаження електромережі впродовж розрахункового періоду обліку електроенергії часто змінюється і може набувати будь-якого значення з робочого діапазону, що становить 0,01-1,2 номінального значення струму, а кількість таких змін впродовж розрахункового періоду, тривалістю наприклад, місяць, може бути досить значною, цим способом практично неможливе або ж буде доволі приблизне. Задачею винаходу є створення способу корекції похибки вимірювального комплексу електроенергії за яким, завдяки вимірюванню та контролю діючих значень струму та напруги, тривалості та кількості інтервалів часу зі сталим струмовим завантаженням лінії, обчисленню та внесенню в автоматичному режимі поправки, відповідної виміряним значенням струму та напруги, до результату вимірювання потужності на усіх будь-якої тривалості інтервалах часу розрахункового періоду, що характеризуються сталим значенням струму, досягається значне зменшення результуючої похибки вимірювального комплексу електроенергії не лише в режимах сталого її споживання, а й при нестабільних впродовж розрахункового періоду значеннях робочого струму і коефіцієнта потужності навантаження, зменшується похибка вимірювального комплексу, підвищується рівень автоматизації вимірювань електроенергії і зменшуються її метрологічні втрати. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що в способі корекції похибки вимірювального комплексу електроенергії вимірюють похибки трансформаторів струму та напруги, активну і реактивну потужності та активну енергію, визначають відповідну виміряним значенням похибок та потужностей поправку, яку вносять до виміряних значень активної енергії, додатково програмують у пристрої корекції залежності похибок трансформатора струму від величини первинного струму, вимірюють діючі значення струму лінії, вимірюють тривалість і кількість інтервалів часу розрахункового періоду обліку електроенергії впродовж котрих діюче значення струму лінії вважають сталим, визначають поправку на кожному такому інтервалі часу з урахуванням, відповідних цьому інтервалу, виміряних значень струму та напруги, вносять поправку на кожному вказаному інтервалі в процесі вимірювання електроенергії автоматично, вимірюють електроенергію спожиту на кожному інтервалі часу зі сталим значенням струму, обчислюють енергію спожиту за розрахунковий період як суму енергій спожитих на усіх інтервалах часу зі сталим значенням струму, які в сумі складають розрахунковий період обліку. Крім цього, ще одна відмінність полягає в тому, що додатково вимірюють діюче значення робочої напруги лінії і поправку визначають з урахуванням залежності похибок трансформатора напруги від первинної напруги. Наступна відмінність полягає в тому, що додатково вимірюють рівень втрат напруги у вторинному колі трансформатора напруги і поправку визначають з урахуванням цього рівня. Відмінність також може полягати в тому, що додатково вимірюють додаткові похибки лічильника електроенергії, зумовлені зміною впливових величин в реальних умовах експлуатації, і поправку визначають з урахуванням цих похибок. Порівняльний аналіз відомих те хнічних рішень показує, що запропонований спосіб корекції похибки вимірювального комплексу електроенергії є найбільш точним, оскільки забезпечує в цілому значно технічно досконаліше коригування результуючої похибки вимірювального комплексу впродовж розрахункового періоду, здійснюючи його на кожному інтервалі із всієї можливої множини інтервалів часу розрахункового періоду, які характеризуються сталим рівнем струму і незмінним коефіцієнтом потужності навантаження, з внесенням поправки, яка відповідає конкретним інтервалу і режиму споживання електроенергії і враховує більшу кількість впливаючих на її значення факторів. На основі наведеного вище можна зробити висновок, що сук упність суттєви х ознак, які викладені у формулі винаходу є необхідною і достатньою для досягнення нового технічного результату - підвищення точності вимірювальних комплексів електроенергії, що складаються з вимірювальних трансформаторів струм у та напруги і лічильників електроенергії, підвищення рівня автоматизації вимірювань, зменшення метрологічних втрат електроенергії. Відомий пристрій компенсації похибок трифазних трипровідних лічильників трансформаторного увімкнення, виконаний у вигляді трьох конденсаторів, ввімкнених паралельно обмоткам напруги лічильника активної енергії [5]. Недоліком цього пристрою є те, що він компенсує лише похибку в обліку електроенергії, зумовлену систематичними похибками трансформаторів напруги, до яких ввімкнений лічильник електроенергії. При цьому залишається зовсім не скомпенсованою похибка вимірювання електроенергії, котра викликається похибками трансформаторів струму, що входять до складу вимірювальної схеми, а також і інші складові результуючої похибки комплексу. Ємність використовуваних конденсаторів залежить від значення коефіцієнта потужності контрольованої електромережі, отже їх встановлення має здійснюватися споживачем електроенергії, що потребує спеціальних заходів щодо забезпечення неможливості несанкціонованого доступу до пристрою компенсації. Крім того, зі зміною коефіцієнта потужності навантаження споживача електроенергії відносно його вибраного розрахункового значення, ефективність такої компенсації падає, а точність обліку знижується. Відомі електронні лічильники електроенергії високих класів точності, які вмикаються в електричну мережу через вимірювальні трансформатори струму та напруги і наділені додатковими можливостями обробки та видачі вимірювальної інформації, що стосується параметрів режимів виробництва, передачі та споживання електричної енергії [6]. Найбільш близьким технічним рішенням є інтелектуальний багатофункціональний засіб вимірювання для систем комерційного обліку електроенергії та диспетчерського керування промисловими та електроенергетичними об'єктами, який відповідає усім сучасним вимогам до лічильників класу точності 0.5S (що і стало причиною його спрощеної назви - лічильник електроенергії, яку і буде використано далі) і одночасно виконує функції вимірювальних перетворювачів струму, напруги, активної та реактивної потужностей і коефіцієнту потужності навантаження [7]. Однак, цей лічильник, здійснюючи корекцію похибок своїх власних (внутрішніх) вхідних перетворювачів струму і забезпечуючи одночасні вимірювання всіх необхідних для корекції похибки вимірювального комплексу електричних величин, не дозволяє програмування в ньому залежностей похибок вимірювальних трансформаторів струму та напруги трансформаторної схеми його увімкнення від рівня їх вхідних сигналів, а також програмування інших часом необхідних для корекції похибки вимірювального комплексу величин, здійснювати корекцію результуючої похибки вимірювального комплексу електроенергії, яка за певних робочих умов може значно перевищувати основну похибку лічильника. При цьому практично втрачається цінність використання високоточних лічильників електроенергії, особливо у вимірювальних комплексах її комерційного обліку, і можливість забезпечення точності обліку електроенергії на рівні (0,3-0,5)%, прийнятному для більшості вимірювальних комплексів, навіть за умов застосування усіх засобів вимірювання, що входять до їх складу, найвищих класів точності. Задачею винаходу є створення пристрою корекції похибки вимірювального комплексу електроенергії за яким, завдяки доповненню інтелектуального багатофункціонального лічильника електроенергії спеціальним блоком корекції похибки, розширюються функціональні можливості лічильника, зменшується кількість необхідних для корекції похибки комплексу засобів вимірювання, підвищується точність корекції і вимірювання. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що в пристрій корекції похибки вимірювального комплексу електроенергії, який являє собою інтелектуальний багатофункціональний лічильник електроенергії в складі блоків вимірювання струму, напруги, активної та реактивної потужностей, коефіцієнта потужності і активної енергії, при цьому виходи блоків вимірювання струму та напруги ввімкнені на входи блоків вимірювання активної та реактивної потужностей, а виходи останніх через блок вимірювання коефіцієнта потужності з'єднані з блоком вимірювання активної енергії, додатково введено спеціальний блок корекції похибки, перший та другий входи якого з'єднані з другими виходами блоків вимірювання струму та напруги, його третій та четвертий входи сполучені з виходами блоків вимірювання активної потужності та кута зсуву між струмом та напругою, п'ятий вхід блока корекції при програмуванні лічильника з'єднується з ЕОМ, а його вихід увімкнений на перший вхід блока вимірювання активної енергії, другий вхід якого з'єднано з третім виходом блоку вимірювання струму. Порівняльний аналіз відомих технічних рішень показує, що запропонований пристрій має значно ширші можливості щодо корекції та зменшення результуючої похибки вимірювального комплексу електроенергії, оскільки одночасно самостійно забезпечує вимірювання всього комплексу електричних величин необхідних для здійснення корекції, здійснює автоматичну в процесі вимірювань корекцію похибки комплексу, спричиненої трансформаторною схемою увімкнення лічильника, до того ж з урахуванням її залежності від рівня струмового завантаження, величини напруги і коефіцієнта потужності електромережі. При необхідності за допомогою запропонованого пристрою можлива корекція і інших складових результуючої похибки вимірювального комплексу, наприклад, додаткових похибок лічильника електроенергії, викликаних зміною впливових величин відносно їх нормальних значень. Сутність винаходу пояснюється кресленням, на якому зображено блок-схему пристрою, який реалізує запропонований спосіб, і ЕОМ, за допомогою якої в пристрої програмуються значення похибок трансформатора струму та напруги, втрати напруги у вторинному колі трансформатора напруги та додаткові похибки лічильника електроенергії. На кресленні ua ( t ) , ub ( t ) , uc ( t ) - миттєві значення вторинних фазних напруг три фазного трансформатора напруги або вторинних напруг трьох однофазних трансформаторів напруги, ia ( t ) , ib ( t) , ic ( t ) - миттєві значення вторинних струмів трансформаторів струму фаз a , b і с лінії. Запропонований пристрій складається з блоків 1 і 2, призначених відповідно для вимірювання діючих значень струму I1j і напруги U1j лінії, які каналами передачі цифрової інформації з'єднані з блоками 3 і 4, призначеними для вимірювання активної PBj та реактивної QBj потужностей, а також зі спеціальним блоком 6, призначеним для обчислення поправки d j (I1j, j j ) і її внесення до результату вимірювання електричної потужності Pj . Др угий ви хід блоку 1, який також здійснює визначення та контроль рівня вимірюваного струму I1j і часових інтервалів t j протягом яких цей рівень залишається сталим, з'єднаний з входом блоку 7. Вихід блоку 3 з'єднаний з точкою, яка поєднує входи блоків 5 і 6. Другий вхід блоку 5, який призначений для визначення кута зсуву j j між первинними струмом I1j і напругою U1j , з'єднаний з виходом блоку 4, а його вихід ввімкнений на один із входів блоку 6. Вихід блоку 6 ввімкнений на вхід блоку 7, який призначений для обчислення електроенергії, спожитої протягом усього розрахункового періоду. Пристрій працює таким чином. При подачі на вхідні затискачі пристрою напруг ua ( t ) , ub ( t ) , uc ( t ) та струмів ia ( t ) , ib ( t) , ic ( t ) контрольованої електромережі на виходах блоків 1 і 2 з'являються виміряні, з урахуванням коефіцієнтів трансформації вимірювальних трансформаторів, діючі значення U1j , I1j напруги та струму лінії в цифровому представленні, які поступають на входи блоків 3, 4 і 6. З ви ходу блоку 3 цифровий еквівалент виміряної активної потужності Pj лінії подається на входи блоків 5 і 6. Виміряне блоком 4 значення реактивної потужності QBj лінії в цифровому вигляді поступає на другий вхід блоку 5, який здійснює вимірювання кута j j і передає результат вимірювання до спеціального блоку 6. В останньому, на основі виміряних пристроєм величин I1j , U1j , PBj , і j j , з урахуванням запрограмованих в пристрої за допомогою ЕОМ залежностей похибок трансформаторів струму та напруги від величини їх вхідних сигналів, здійснюється обчислення похибки вимірювання активної потужності d j (I1j, j j ) і її корекція шляхом обчислення Pj . В блоці 7 здійснюється обчислення електроенергії Ea , спожитої протягом усіх n інтервалів часу з тривалістю t j розрахункового періоду. Реалізація запропонованого способу потребує поступового здійснення наступних операцій: - програмування в пристрої корекції - інтелектуальному багатофункціональному лічильнику електроенергії залежностей струмової та кутової похибок трансформатора струму від величини його первинного струму, залежностей похибки напруги та кутової похибки трансформатора напруги від величини його первинної напруги, отриманих під час їх метрологічної повірки на місці експлуатації; - програмування виміряної реальної величини втрат напруги у вторинному колі трансформатора напруги; - програмування реальних, експериментально визначених, залежностей додаткових похибок лічильника від впливових величин у ви гляді таблиць, графіків або аналітично; - вимірювання і контроль діючих значень струму I1j та напруги U1j лінії, вимірювання тривалості періодів часу t j зі сталим струмовим завантаженням електромережі, активної PBj та реактивної QBj потужностей і кута зсуву j j між струмом I1j та напругою U1j ; - обчислення похибки вимірювання електричної потужності, зумовленої одним з вказаних вище чинників, наприклад трансформаторною схемою увімкнення лічильника, на окремих інтервалах часу t j зі сталим струмовим завантаженням за наступним виразом: d j (I1j, j j ) = fTCj (I1j / I1HOM) + fTHj + + 0,291× 10 -3 [ qTCj (I1j / I1HOM ) - q THj ] tg j j де fTCj (I1j / I1HOM ) , q TCj (I1j / I1HOM ) - вiдпoвiднo відносна струмова і абсолютна кутова (в хвилинах) похибки трансформатора струму на j-ому часовому інтервалі з конкретним сталим значенням первинного струму, віднесеного до його номінального значення, I1j / I1HOM ; fTCj , q TCj - відносна похибка напруги і абсолютна кутова похибка (в хвилинах) трансформатора напруги; j - порядковий номер часового проміжку зі сталим струмовим завантаженням електромережі. - внесення поправки до результату вимірювання електричної потужності PBj , на j -ому часовому інтервалі за наступним виразом: Pj = PBj / 1 + d j(I1j, j j ) , де Pj , PBj - відповідно дійсне і виміряне значення активної потужності на j-ому часовому інтервалі. - обчислення кількості спожитої протягом розрахункового періоду електроенергії за виразом: t2 ò Ea = P( t )dt = t1 n åPt j j j=1 де t1 , t 2 - моменти початку і кінця облікового періоду; t j - тривалість j -ого інтервалу часу зі сталим режимом споживання електроенергії; n - кількість інтервалів часу зі сталим стр умовим завантаженням протягом облікового періоду t2 - t1 . Наприклад, реалізація способу корекції похибки вимірювального комплексу, який складається з трансформатора струму, трансформатора напруги і лічильника електроенергії, усі класів точності 0,5, за умов номінальної напруги, зміни струму в діапазоні (0,05 - 1,2)I1HOM та коефіцієнта потужності com контрольованого приєднання, який дорівнює 0,5, зменшує результуючу похибку вимірювального комплексу в 4 і більше разів. Таким чином, у порівнянні з прототипом, використання способу корекції похибки вимірювального комплексу електроенергії і пристрою для його здійснення, за якими вимірюються діючі значення струму та напруги лінії, тривалість і кількість часових інтервалів розрахункового періоду обліку, впродовж котрих режим споживання електроенергії вважається стабільним, поправка визначається і вноситься до показань лічильника електроенергії автоматично в темпі процесу вимірювання з урахуванням динаміки рівня споживання електроенергії дозволяє досягнути нового те хнічного результату - розширити функціональні можливості лічильника, підвищити точність вимірювального комплексу, рівень автоматизації вимірювання електроенергії, зменшити її метрологічні втрати. Література: 1. Соколова Ρ.Η. Емкостный трансформатор напряжения с коррекцией // Электрические станции. — 1979. — №12. — С. 17-20. 2. Стогний Б.С., Годлевский B.C., Кириленко A.B., Демин А.Е. Структурные методы восстановления входного сигнала электромагнитных измерительных преобразователей тока // Техн. Электродинамика. — 1985. — №1. — С.96-102. 3. Косолапов A.M. Метод улучшения метрологических характеристик средств измерений с гальванической развязкой // Измерительная техника. — 1990. — №4. — С.43-45. 4. Лях В.В., Квицинський Α.Ο. Оцінка втрат електроенергії при влаштуванні обліку з використанням вимірювальних трансформаторів // Новини енергетики. — 2002. — №7. — С.46-48. 5. Патент 1755208. Устройство компенсации погрешностей трехфазных трехпроводных счетчиков трансформаторного включения // Малый A.C. Оп убл. в БИ, 1992, №30. 6. Васильченко B.I., Шпилька В.М. Стан та перспективи розвитку робочих і еталонних засобів обліку електроенергії // Матер. III наук. — практ. конф. "Метрологічне забезпечення обліку електричної енергії в Україні". — К.: А-Центр, 2001. — C. 17-26. 7. Кошман О.Г., Танкевич Є.М. "Київприлад": переваги вітчизняного виробництва // Енергозберігаючі технології та автоматизація. — 2001. — №4-5 (16-17). — С. 20-21.