Спосіб визначення фактично спожитої активної енергії за допомогою вимірювальних комплексів, обладнаних вимірювальними трансформаторами

УКРАЇНА (19) UA (11) 39551 (13) U (51) МПК (2009) G01R 11/00 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ Д ЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛ ЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС в идається під в ідпов ідальність в ласника патенту ДО ПАТЕНТУ НА КОРИСНУ МОДЕЛЬ (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ФАКТИЧНО СПОЖИТОЇ АКТИВНОЇ ЕНЕРГІЇ З А ДОПОМОГОЮ ВИМІРЮВАЛЬНИХ КОМПЛЕКСІВ, ОБЛАДНАНИХ ВИМІРЮВАЛЬНИМИ ТРАНСФОРМАТОРАМИ 1 2 D Ti , год., за формулами: DN(P) = DN(P) - DN(P), i 2 1 (P) , DN(P) - відповідно показання ПА, де DN2 1 . кВт год., в кінці та на початку D Ti , ( DN(Q) = DN(Q ) - DN1Q), i 2 DN(Q) , 2 ( DN1Q) - відповідно показання ПР, квар.год., в кінці та на початку D Ti ; для кожного D Ti за індивідуальними метрологічними характеристиками ТС і ТН обчислюють поправковий коефіцієнт kП і , який враховує систематичні похибки ТС і ТН в робочих умовах і втрати напруги у з'єднувальних проводах на ділянці кола від ТН до П А і ПР при визначенні кількості активної енергії, за формулою: 1 * kП і = å é1 - 0,01× æ fUn i - DU* öù × é1 - 0,01× fI*i ù × écos( qUn i - qI*n i )ù, ç * /n ú ê n ÷ú ê ú n nê è øû ë û ë û ë ТН) в робочих умовах протягом D Ti , qI* - дійсне значення кутової похибки, хвилини, nni го ТС в робочих умовах протягом D Ti ; для кожного D Ti обчислюють поправку до результату вимірювань кількості активної енергії П æ W ( Q) ö , кВт год., яка зумовлена споживанням ç i ÷ è ø . або генерацією реактивної енергії та враховує систематичні похибки ТН, ТС і втрати напруги у з'єд (13) 39551 в робочих умовах протягом D Ti , q* Uni - дійсне значення кутової похибки, хвилини, n-го однофазного ТН (n-ної обмотки трифазного (11) робочих умовах протягом D Ti , DU* - дійсне значення втрати напруги в робочих n умовах у з'єдн увальних проводах на ділянці кола від n-го однофазного ТН (n-ної обмотки трифазного ТН) до ПА і ПР, %, fI* - дійсне значення струмової похибки, %, n-го ТС ni U де n - кількість вимірювальних елементів ПА (ПР), * fU - дійсне значення похибки напруги, %, n-го ni однофазного ТН (n-ної обмотки трифазного ТН) в UA навантаженням у точці обліку де (19) (21) u200813638 (22) 25.11.2008 (24) 25.02.2009 (46) 25.02.2009, Бюл.№ 4, 2009 р. (72) ЛУЧНІКОВ ВОЛОДИМИР АНДРІЙОВИЧ, UA, АНДРІЙЧУК ЮРІЙ АНДРІЙОВИЧ, U A, ЛЯХ ВОЛОДИМИР ВАСИЛЬОВИЧ, UA, ЗОММЕР АН АТОЛІЙ ЕМАНУЇЛОВИЧ, UA, НЕМЧИН ОЛЕКСАНДР ФЕДОРОВИЧ, U A (73) ТОВАРИСТВО З ОБМЕЖЕНОЮ ВІДПОВІДАЛЬНІСТЮ "ІННОВАЦІЙНО-ТЕХНОЛОГІЧН А ГРУПА", UA (57) Спосіб визначення фактично спожитої активної енергії за допомогою вимірювальних комплексів, обладнаних вимірювальними трансформаторами, які складаються із сполучених з'єднувальними проводами вимірювальних трансформаторів струму (ТС) та напруги (ТН) і приладів вимірювання кількості активної (ПА) та реактивної (ПР) енергії, що базується на вимірюванні кількості активної і реактивної енергії та обчисленні фактично спожитої активної енергії, який відрізняє ться тим, що визначення фактично спожитої активної енергії здійснюють в такій послідовності: попередньо в робочих умовах експериментально визначають індивідуальні метрологічні характеристики ТС і ТН і втрати напруги у з'єднувальних проводах на ділянці кола від ТН до П А і ПР; здійснюють відлік показань ПА та ПР, причому при безпосередньому вимірюванні кількості активної та реактивної енергії визначають різниці показань ПР DN(P) , кВт.год., та ПР DN(Q) , i i квар.год., в кожний і-тий проміжок часу зі сталим 3 39551 нувальних проводах на ділянці кола від ТН до ПА і ПР при визначенні кількості активної енергії, за 4 формулою: 1 П æ Wi(Q) ö = DN(Q ) × kU × kI × å é1 - 0,01 × æ fUn i - DU* öù × é1 - 0,01 × fI*i ù × ésin( q* n i - qI*ni )ù , ç * ç ÷ n ÷ú ê U i n ú ê ú è ø n n ê è øû ë û ë û ë де: kU - номінальний коефіцієнт трансформації ТН, а кількість фактично спожитої активної енергії . (P ) , кВт год., за розрахунковий період (час W kI - номінальний коефіцієнт трансформації ТС; T= кількість спожитої за кожен D Ti активної енергії Wi(P ) кВт.год., обчислюють за формулою: (P) (P) (Q) W = DN × kU × kI × kП i + П( W ), i i i Корисна модель відноситься до вимірювальної техніки, а саме - до способів визначення активної енергії за допомогою вимірювальних комплексів, до складу яких входять сполучені з'єднувальними проводами вимірювальні трансформатори струму (ТС) та напруги (ТН) і прилади вимірювання кількості активної (ПА) та реактивної (ПР) енергії. Відомий спосіб визначення активної енергії і засоби для його реалізації [1], згідно з яким спожиту активну енергію Wp визначають за формулою: Wp = kU × kI × D NpMp , (1) ТН; де kU - номінальний коефіцієнт трансформації kI - номінальний коефіцієнт трансформації ТС; DNp - різниця показів лічильника активної електричної енергії в кінці та на початку розрахункового періоду; Мр - множник вимірювального приладу (ціна поділки). Цей спосіб не враховує втрати активної енергії, що зумовлені інструментальними похибками її вимірювання. В реальних умовах стр уми первинних обмоток ТС набагато менші за номінальні. Похибки ТС при роботі в зоні від 0.05×Іном до 0.2×Іном є від'ємними і в 1,5-3,0 рази більше відповідних класів точності [2]. Похибки ТН обумовлені як струмами намагнічування, так і завантаженням їх вторинних обмоток. Перевантаження вторинних обмоток ТН веде до появи від'ємних похибок напруги. Реальна ситуація відповідає недообліку енергії через те, що те хнічні характеристики ТС і ТН такі, що в робочих умовах вимірювальні трансформатори працюють у зоні від'ємних похибок, старіння магнітних матеріалів ТС і ТН веде до недообліку 7-10% енергії, перевантаження вторинних кіл ТН і ТС приводять до ще більшого збільшення від'ємних похибок [3]. З метою підвищення точності обліку електричної енергії в США використовують комбінований коефіцієнт коригування вимірювальних трансформаторів [4], що обчислюється за формулою KКК=КKСКKН, (2) å DTi ) визначають за формулою: i W (P ) (P ) . = å Wi i де КKC = КДС / КПС - коефіцієнт коригування струму; КДС - дійсний коефіцієнт трансформації ТС; КПС - коефіцієнт трансформації ТС згідно паспорту; KKH = KДН / KПН - коефіцієнт коригування напруги; КДН - дійсний коефіцієнт трансформації ТН; КПН - коефіцієнт трансформації ТН згідно паспорту. Куто ві похибки вимірювальних трансформаторів визначаються за відповідними таблицями, а результуючий коефіцієнт коригування визначається за формулою KKP=KKKK K, (3) cos(q2 + b - g ) де KK = - коефіцієнт коригуcos q 2 вання, що враховує к утові похибки вимірювальних трансформаторів; q2 - кут зсуву фаз між струмом і напругою в лінії; b - кутова по хибка ТС; g - кутова по хибка ТН . В Україні споживання електричної енергії останнім часом скоротилося (відповідно зменшилися струми у первинних обмотках ТС), клас точності вимірювальних ТС та ТН згідно [5] становить 0,5, а електричні підстанції до 1988p. проектувалися без врахування похибок, які обумовлені завантаженням вторинних обмоток ТН [6]. Тому, хоча використання результуючого коефіцієнту коригування за формулою (3) дозволяє підвищити точність вимірювання обсягу активної енергії порівняно із вживаною в Україні формулою (1), слід зазначити деякі недоліки цього методу, а саме: навантаження, а відповідно й струмова похибка ТС та коефіцієнт коригування струму KКС є змінними в часі; первинна напруга, а відповідно й похибка напруги ТН та коефіцієнт коригування напруги KКН є змінними в часі; 5 39551 навантаження, а відповідно й кутова похибка ТС та коефіцієнт коригування KК є змінними в часі; первинна напруга, а відповідно й кутова похибка ТН та коефіцієнт коригування KК є змінними в часі; коефіцієнт потужності cosq2 у формулі (3) визначається наближено. Крім того, цей спосіб не враховує похибок, обумовлених втратами електроенергії у з'єднувальних проводах на ділянці від ТН до приладів вимірювання електроенергії. Найбільш близьким технічним рішенням є спосіб вимірювання активної енергії за допомогою 6 вимірювальних комплексів, що включають трансформатори струму і напруги з відомими метрологічними характеристиками [7]. Згідно патенту [7], з метою зменшення результуючої похибки вимірювального комплексу, попередньо визначаються амплітудні й фазові похибки вимірювальних трансформаторів, окрім приладу для вимірювання активної потужності у вимірювальний комплекс включається прилад для вимірювання реактивної потужності, а фактична спожита активна енергія при симетричному навантаженні обчислюється за формулами: WPФ = kUkI å TnPn[cos(dU - dI ) + tg(jU - jI ) sin(dU - dI )](1- fU - f + fUfI ) , n або WPФ = kUkI å TnPn[cos(dU - dI ) + Q n sin(dU - dI )](1 - fU - f + fUfI ) , n де kU, kI - номінальні коефіцієнти трансформації ТН, ТС; Рn, Qn - значення активної і реактивної потужностей у n-й часовий інтервал; dU, dI - кутові похибки ТН і ТС, що відповідають робочим умовам їх використання у n-й часовий інтервал; fU, fI - похибка напруги ТН і кутова похибка ТС, що відповідають робочим умовам їх використання у n-й часовий інтервал; jU, jI - початкові фази напруги і струму в навантаженні; Tn - тривалість n-го часового інтервалу; n - кількість часових інтервалів. Визначення активної енергії згідно зазначеного способу не враховує по хибок, обумовлених втратами напруги у з'єдн увальних проводах на ділянці кола від ТН до вимірювальних приладів. В основу корисної моделі поставлена задача створення способу визначення фактично спожитої активної енергії за допомогою вимірювального комплексу, до складу якого входять вимірювальні трансформатори струму (ТС) та напруги (ТН) і прилади вимірювання кількості активної (ПА) та реактивної (ПР) енергії, який би забезпечував зниження інструментальних втрат електроенергії. Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення фактично спожитої активної енергії за допомогою вимірювальних комплексів, обладнаних вимірювальними трансформаторами, які складаються із сполучених з'єднувальними проводами вимірювальних трансформаторів струму (ТС) та напруги (ТН) і приладів вимірювання кількості активної (ПА) та реактивної (ПР) енергії, що базується на вимірюванні кількості активної і реактивної енергії та обчисленні фактично спожитої активної енергії, новим є те, що визначення kП і = (4) (5) фактично спожитої активної енергії здійснюють в такій послідовності: попередньо в робочих умовах експериментально визначають індивідуальні метрологічні характеристики ТС і ТН і втрати напруги у з'єднувальних проводах на ділянці кола від ТН до ПА і ПР; здійснюють відлік показів ПА та ПР, причому при безпосередньому вимірюванні кількості активної та реактивної енергії визначають різниці показів ПА DN(P ) , кВт×год., та ПР DN(Q) , i i квар×год., в кожний i-тий проміжок часу D Ti зі сталим навантаженням у точці обліку, год., за формулами: (6) DN(P) = DN(P) - DN(P), i 2 1 ( де DN(P) , DN1P) - відповідно покази ПА, 2 кВт×год., в кінці та на початку D Ti , (7) DN(Q) = D N(Q) - DN( Q), i 2 1 ( де DN(Q ) , DN1Q) - відповідно покази ПР, 2 квар×год., в кінці та на початку D Ti ; для кожного D Ti за індивідуальними метрологічними характе ристиками ТС і ТН обчислюють поправочний коефіцієнт kП і , який враховує систематичні похибки ТС і ТН в робочих умовах і втрати напруги у з'єднувальних проводах на ділянці кола від ТН до ПА і ПР при визначенні кількості активної енергії, за формулою: 1 é * * ù å 1 - 0,01 × æ fUn i - DUn öú × é1 - 0,01 × fI*i ù × écos(q* ni -qI*n i )ù, ç ÷ ê U n ú ê ú n ê è øû ë û ë û në (8) 7 39551 де n - кількість вимірювальних елементів ПА (ПР), * fUni - дійсне значення похибки напруги, %, n-го однофазного ТН (n-ної обмотки трифазного ТН) в робочих умовах протягом D Ti , DU* - дійсне значення втрати напруги в робоn чих умовах у з'єднувальних проводах на ділянці кола від n-го однофазного ТН (n-ної обмотки трифазного ТН) до ПА і ПР, %, fI*i - дійсне значення струмової похибки, %, nn го ТС в робочих умовах протягом D Ti , 8 q* ni - дійсне значення кутової похибки, хвилиU ни, n-го однофазного ТН (n-ної обмотки трифазного ТН) в робочих умовах протягом D Ti , q* i - дійсне значення кутової похибки, хвилиIn ни, n-го ТС в робочих умовах протягом D Ti ; для кожного D Ti обчислюють поправку до результату вимірювань кількості активної енергії æ ( Q) ö П çW ÷ , кВт×год., яка зумовлена споживанням è i ø або генерацією реактивної енергії та враховує систематичні похибки ТН, ТС і втрати напруги у з'єднувальних проводах на ділянці кола від ТН до ПА і ПР при визначенні кількості активної енергії, за формулою: 1 é ù * П æ W(Q) ö = DN(Q) × kU × kI × å ê1 - 0,01 × æ fU - DU* ö ú ×é1 - 0,01 × fI* ù × é sin( q* - qI* )ù , ç i ÷ ç ni n÷ ê Uni i ni ú ê ni ú n ë è øû ë û ë û è ø n де kU - номінальний коефіцієнт трансформації ТН, kI - номінальний коефіцієнт трансформації ТС; кількість спожитої за кожен D Ti активної енергії Wi(P) , кВт×год., обчислюють за формулою (10) Wi(P) = DN(P) × kU × kI × kП i + П(Wi( Q) ) , i а кількість фактично спожитої активної енергії (P) , кВт×год., за розрахунковий період (час W T= å DTi ) визначають за формулою i (P ) , = å Wi (11) i Технічним результатом є зниження інструментальних втрат електроенергії за рахунок зменшення результуючої похибки вимірювального комплексу шля хом врахування систематичних похибок ТН, ТС і втрат напруги у з'єдн увальних проводах на ділянці кола від ТН до ПА і ПР, що веде до підвищення точності визначення фактичного спожиW (P ) (9) вання активної енергії при різних режимах її споживання. Розглянемо вимірювальний комплекс, метрологічні характеристики якого відповідають вимогам чинних нормативних документів. На Фіг.1 наведені метрологічні характеристики ТС: 1 - стр умова похибка ТС; 2 - кутова похибка ТС. На Фіг.2 наведені метрологічні характеристики ТН: 1 - похибка напруги ТН; 2 - кутова похибка ТН. На Фіг.3 - добові графіки 1 - активних навантажень і 2 - реактивних навантажень, визначених за показами ПА та ПР без врахування похибок ТН і ТС та втрат напруги в з'єднувальних проводах на ділянці кола від ТН до ПА та ПР. В таблиці наведені добові графіки активних навантажень, що обчислені без врахування похибок складових вимірювального комплексу та втрат напруги у з'єднувальних проводах на ділянці кола від ТН до П А та ПР, з вра хуванням лише похибок складових вимірювального комплексу і з врахуванням похибок складових вимірювального комплексу та втрат напруги у з'єдн увальних проводах на ділянці кола від ТН до П А та ПР, причому DU* =0,25% (згідно п. 1.5.19 [5] DU* не повинно n n перевищувати 0,25%). Таблиця Години доби 1 0-1 1-2 2-3 3-4 Споживання активної енергії, кВт×год. з врахуванням похибок без врахування похибок ТН, ТС ТН, ТС, DU* n 2 3 4 150 151,9 152,3 150 151,9 152,3 150 151,9 152,3 150 151,9 152,3 9 39551 10 Продовження таблиці Години доби 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21 21-22 22-23 23-24 Разом Різниця Споживання активної енергії, кВт×год. з врахуванням похибок без врахування похибок ТН, ТС ТН, ТС, DU* n 150 151,9 152,3 150 151,9 152,3 200 202,6 202,8 400 404,2 405,2 600 605,9 607,4 800 807,6 809,6 1000 1009,0 1012,0 850 858,0 860,1 500 505,1 506,3 600 605,9 607,4 700 706,8 708,5 800 807,6 809,6 700 706,8 708,5 600 605,9 607,4 400 404,2 405,2 300 303,3 304,0 200 202,6 202,8 150 151,9 152,3 150 151,9 152,3 150 151,9 152,3 10000 10100 10130 0 100 130 Як видно з таблиці, найкращим варіантом є врахування похибок ТН, ТС та втрат напруги у з'єднувальних проводах на ділянці кола від ТН до ПА та ПР. Таким чином, використання запропонованого способу визначення фактично спожитої активної енергії за допомогою вимірювального комплексу, до складу якого входять вимірювальні трансформатори струму (ТС) та напруги (ТН) і прилади вимірювання кількості активної (ПА) та реактивної (ПР) енергії, який враховує похибки вимірювальних трансформаторів і втрати напруги у з'єднувальних проводах на ділянці кола від ТН до П А та ПР, дозволяє визначити фактичне значення спожитої активної енергії при різних режимах її споживання з максимальною точністю, тим самим зменшити втрати електроенергії, обумовлені похибками її вимірювання. Джерела інформації: 1. Электрические измерения. Общий курс. / Под ред. А.В.Фремке. - M.- Л: Гос. энергетическое изд., 1963. - 429с. 2. Железко Ю.С. Оценка потерь электроэнергии, обусловленных инструментальными погреш ностями измерения. - Электрические станции, 2001, №8. 3. Железко Ю.С. Нормирование технологических потерь электроэнергии в сетях - новая методология расчета. - Новости электротехники. Информационно-справочное издание, 2003, №5 (23) 4. Handbook for electric metermen. - 4 Edition. National Electric Light Association. - N.Y., 1924. 1242p. 5. Правила устройства электроустановок / Минэнерго СССР. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 648с. 6. Типовые проектные решения 407-03-424.87. Схемы электрические принципиальные шкафов КРУ и КРУН-6-10кВ ПС энергосистем на переменном оперативном токе со щитом управления. Пояснительная записка. 7. Деклараційний патент України 53906 А, МПК 7 G01R11/54. Спосіб вимірювання активної енергії за допомогою вимірювальних комплексів, що включають трансформатори струму і напруги з відомими метрологічними характеристиками. Опублікований 17.02.2003, Бюл. №2, 2003p. 11 Комп’ютерна в ерстка М. Ломалова 39551 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601