Требования к приборам анализа параметров режимов распредсетей

Функциональные требования к приборам для комплексного анализа параметров режимов распределительных электрических сетей

Пономаренко И. С.

Постоянно возрастающие требования к качеству электроснабжения потребителей, необходимость снижения потерь в электрических сетях и целый ряд других подобных проблем [1 - 5] ставят задачу создания и скорейшего внедрения в практику эксплуатации электрических сетей, в первую очередь, распределительных сетей 6-10/0,4 кВ, специализированных приборов для регистрации комплекса параметров их режимов, необходимых для решения указанных проблем. Речь идет о сравнительно дешевых, малогабаритных приборах, позволяющих регистрировать графики нагрузки потребителей, оперативно проверять системы учета электроэнергии непосредственно на объектах, измерять и анализировать параметры режимов сети, показатели качества электроэнергии (ПКЭ) и др. Такие приборы должны обладать достаточно высоким “интеллектом” и отвечать целому ряду специальных требований [6-7]. Рассмотрению и обоснованию необходимого состава функциональных характеристик таких приборов и посвящена настоящая статья.
В качестве примера для иллюстрации функциональных особенностей таких приборов использована серия из пяти специализированных приборов “ЭРИС-КЭ.02” - “ЭРИС-КЭ.06” (см. таблицу), разработанных на кафедре электроэнергетических систем Московского энергетического института (технического университета) и предназначенных для комплексного решения указанных задач в электрических сетях. Все приборы сертифицированы и включены в Госреестр средств измерений под №21909-01, защищены патентом Российской Федерации на изобретение №2145716 от 20/IV 2000 г.
Приборы, предназначенные для проведения комплексного анализа режимов электрических сетей (далее просто приборы), должны регистрировать графики изменения напряжения, активной и реактивной мощности, измерять ПКЭ в соответствии с ГОСТ 13109-97, а также целый ряд других параметров. По техническому исполнению эти приборы необходимо выполнять в отдельных корпусах, чтобы их можно было использовать как самостоятельно, так и в составе других информационно-вычислительных комплексов. Они должны быть снабжены интерфейсами связи RS-232, USB и RS-485, иметь сервисное программное обеспечение на ПЭВМ для более удобного просмотра результатов, их анализа и длительного хранения. Температурные режимы работы должны обеспечивать функционирование приборов при температуре до - 30°С.

Важной характеристикой приборов является обязательное наличие токовых измерительных цепей. Помимо регистрации графиков активной и реактивной мощности на основной гармонике 50 Гц это дает также возможность регистрировать активные и реактивные составляющие мощностей искажений с учетом направления их протекания. Если за отклонения напряжения и частоты ответственность, как правило, несет электроснабжающая организация, то несимметрия напряжения и несинусоидальность могут возникать как по вине электроснабжающей организации, так и по вине потребителей, в случае наличия у последних нелинейных искажающих нагрузок. Определение источника искажения осуществляется на основе анализа мощностей искажений [7] как по отдельным гармоникам для несинусоидальности напряжения, так и по прямой и обратной последовательности для несимметрии напряжения. Это необходимо для решения возможных споров между потребителем и электроснабжающей организацией о виновнике вносимых искажений, а также для поиска и определения источников искажений в электрической сети [1].

Функциональные характеристики приборов серии “ЭРИС-КЭ”

Для удобства пользователей приборы целесообразно снабжать разъемными токоизмерительными клещами, позволяющими подключать токовые измерительные цепи прибора не только “во врезку” трансформаторов тока, но и непосредственно на токоведущие шины без нарушения их целостности.
Другой важной характеристикой приборов является возможность измерения электрической энергии за фиксированный интервал времени.

Это позволяет использовать данные приборы для проверки систем учета электроэнергии непосредственно на объектах без их предварительного отключения и демонтажа. При этом следует иметь в виду два следующих обстоятельства.

1. В подавляющем большинстве случаев “слабым звеном” в этих системах оказываются не сами счетчики электроэнергии, а схемы их подключения к сети, включая измерительные трансформаторы. Как правило, именно в них скрыты неисправности и причины неправильной работы систем учета, которые, зачастую, невозможно обнаружить при внешнем осмотре. Опыт проведения обследований энергосистем показывает, что примерно в каждой второй системе обнаруживается существенный недоучет электроэнергии, который в большинстве случаев простым внешним осмотром не выявляется. Поэтому используемые приборы должны проверять не только сами счетчики электроэнергии, но и всю систему учета в комплексе, включая их схему присоединения к сети вместе с трансформаторами тока.
2. Вторым важным обстоятельством является влияние КЭ на работу счетчиков электроэнергии. Особенно остро этот вопрос встал в последнее время, когда, с одной стороны, уровни несинусоидальности и несимметрии напряжения в сетях существенно возросли, а, с другой стороны, идет массовое внедрение электронных счетчиков, точность измерения которых гораздо более чувствительна к КЭ, чем индукционных.

Стандарт МЭК 1036-96 устанавливает для электронных счетчиков активной энергии ряд дополнительных погрешностей из-за неудовлетворительного КЭ, которые приводят к значительному (в 10 и более раз) увеличению их результирующей погрешности. Проведенные в последнее время натурные исследования показали, что в реальных сетях эта погрешность может достигать 20% и более. Очевидно, что это одна из важных причин, объясняющая, почему во многих энергосистемах зачастую не удается до конца “свести” баланс электроэнергии по сети.
Кроме того, электронные счетчики, как правило, реально измеряют активную электроэнергию вместе со всеми мощностями искажений, которая при плохом КЭ ощутимо больше, чем “полезная” электроэнергия по первой гармонике.
Таким образом, возникает ситуация, когда счетчики из-за плохого КЭ зачастую учитывают электроэнергию со значительными погрешностями, поэтому при проверке правильности работы систем учета электроэнергии необходимо параллельно контролировать КЭ в сети. С этой целью рассматриваемые приборы должны не только измерять ПКЭ, но и дополнительно контролировать одновременно две составляющие активной мощности - активную мощность по первой гармонике и активную мощность с учетом всех мощностей искажения. Их сопоставление позволит оценить, связана ли погрешность системы учета электроэнергии (если такая обнаружена) с плохим качеством электроэнергии либо она вызвана другими причинами. Очевидно, что нецелесообразно ограничиваться одним типом прибора для проведения всех обследований. Необходима серия приборов для разного типа решаемых задач, обладающих различными функциональными характеристиками и стоимостными показателями. Первым в этом ряду должен быть наиболее “продвинутый” и сложный прибор, предназначенный в первую очередь для анализа качества электрической энергии на ее соответствие ГОСТ 13109-97, для исследования вопросов электромагнитной совместимости, проверки систем учета, регистрации аварийных и переходных режимов и др., ориентированный на использование специализированными испытательными лабораториями, центрами стандартизации и метрологии Госстандарта, органами Госэнергонадзора для проведения арбитражных контрольных измерений, а также для научно-исследовательских задач.
В рассматриваемой серии таким прибором является “ЭРИС-КЭ.02”. Он измеряет 11 показателей качества электроэнергии, содержащихся в ГОСТ 13109-97, в том числе дозу фликера и импульсное напряжение, имеет по четыре входных канала для напряжений и токов, что позволяет исследовать вопросы электромагнитной совместимости в современных пятипроводных сетях 0,4 кВ, которые в последнее время находят самое массовое применение в системах электроснабжения различных административно-технических сооружений и в бытовом секторе. Прибор снабжен алфавитноцифровым и графическим дисплеями. Наличие последнего удобно для правильной фазировки прибора при подключении, при экспресс-анализе получаемых результатов на месте, так как он позволяет просматривать непосредственно на приборе графики изменения различных параметров во времени: векторные диаграммы токов и напряжений, гистограммы различных ПКЭ, спектры гармоник и другую необходимую информацию. Энергонезависимая память рассчитана на хранение всех результатов измерений за последние полтора месяца.
При проведении измерений ПКЭ на соответствие КЭ ГОСТ 13109-97 вся информация группируется на интервалах 0,5 ч (при необходимости интервалы могут быть увеличены до 1, 2, 4 ч и более), внутри которых определяются все ПКЭ, строятся гистограммы их характеристик, усредненные спектры гармоник и др. Также проводится аналогичная обработка информации на интервале сутки, месяц, где определяются величины Т1 и Т2 для всех характеристик, границы параметров с 95%-ной вероятностью непревышения, а также другие характеристики, требуемые ГОСТ.
Для проведения исследований электромагнитной совместимости имеются два дополнительных режима работы, когда все ПКЭ рассчитываются последовательно на интервалах - либо 3 с, либо 60 с. Полученные результаты в отличие от измерений в соответствии с ГОСТ 13109-97 в приборе предварительно не обрабатываются, а просто запоминаются во всем объеме энергонезависимой памяти в виде последовательных массивов. Далее эта информация переносится в ПЭВМ, где может быть просмотрена и обработана в соответствии с необходимыми пользователю алгоритмами.

Прибор “ЭРИС-КЭ.04” (регистратор)

Кроме того, имеется еще один дополнительный режим - “цифровой осциллограф”, когда на интервале 10-20 периодов первой гармоники с дискретностью 256 точек на период осуществляется запись мгновенных значений напряжений и токов по всем входным каналам. Запуск такого режима осуществляется либо вручную, либо по заранее заданному признаку (или их совокупности) - “расчетному возмущению”, например, при снижении напряжения ниже заданного уровня, превышении коэффициента несинусоидальности заданного уровня и др. При этом запоминаются периоды как до начала расчетного возмущения, так и непосредственно после него. Данный режим работы прибора необходим как для регистрации различных аварийных и переходных режимов в электрических сетях с целью их дальнейшего анализа, определения причин возникновения и принятия соответствующих мер по их недопущению в дальнейшем, так и для исследования различных вопросов электромагнитной совместимости.
Более простая модификация предыдущего прибора может использоваться специализированными лабораториями и персоналом сетей. В рассматриваемом ряду им является “ЭРИС-КЭ.03” (мини). Объем энергонезависимой памяти уменьшен до 10сут., убран графический дисплей, исключена функция измерения импульсного напряжения, число входных каналов сокращено до шести (три напряжения и три тока). Все остальные функции остались неизменными. Добавлена дополнительная возможность использования блока расширения, когда один прибор может анализировать токи (а, значит, и мощности) не в одной линии (три канала), а одновременно в восьми линиях (3 · 8 = 24 канала). Кроме того, токоизмерительные клещи имеют расширенный диапазон до 300 А, что позволяет в сетях 0,4 кВ подключать их непосредственно на токоведущие шины, не привязываясь к измерительным трансформаторам тока.
Исходя из опыта работы в данной области представляется, что наиболее массовое применение должен найти максимально простой и дешевый прибор, ориентированный на проведение комплексного анализа параметров режимов электрических сетей, в первую очередь, самим персоналом сетей и промышленных предприятий, позволяющий регистрировать и анализировать графики нагрузок, оперативно проверять системы учета, измерять основные ПКЭ в сети.
Это особенно важно для распределительных электрических сетей 6-10/0,4 кВ систем электроснабжения городов, промышленных предприятий и сельского хозяйства. Несмотря на то, что в этих сетях сосредоточены основные потери электроэнергии и именно в них возникают основные проблемы с качеством электроэнергии, информационное обеспечение этих сетей находится на самом низком уровне по сравнению с сетями более высоких классов напряжения. Информация о нагрузках, как правило, исчерпывается одним замером в период максимума нагрузки, что совершенно недостаточно для организации нормальной эксплуатации сети с точки зрения оперативного обеспечения оптимальности режимов сети, минимизации технических и коммерческих потерь электроэнергии, управления качеством электроэнергии и т.д. Использование рассматриваемого прибора во многом поможет решить указанные проблемы.
Одним из возможных вариантов именно такого прибора является изображенный на рисунке прибор “ЭРИС-КЭ.04” (регистратор). С целью удешевления из него исключена функция расчета дозы фликера, не производится расчет мощностей искажений, определяются только нечетные гармоники до 15-й включительно (хотя коэффициент несинусоидальности определяется по ГОСТ с учетом всех гармоник искажений). Отсутствуют также режимы регистрации с дискретностью 3 с и режим “цифрового осциллографа”. Измерение активной и реактивной электрической энергии осуществляется только по первой (50 Гц) гармонике. Все остальные функции аналогичны функциям “ЭРИС-КЭ.03”, включая, в том числе, возможность расширения токовых цепей одновременно для восьми линий.
Самым простым и дешевым из этой серии является прибор, предназначенный для измерения ПКЭ в однофазных сетях 220 В “ЭРИС-КЭ.05” (индикатор). Токовые цепи в нем отсутствуют. Все функции аналогичны функциям прибора “ЭРИС-КЭ.04”, только для одной фазы. Предполагаемая область применения - стационарный контроль КЭ в электрических сетях различных административно-хозяйственных и бытовых помещений, а также проведение арбитражных контрольных измерений.
Весьма перспективным и нужным, в смысле востребованности промышленностью и электрическими сетями, является прибор, позволяющий одновременно учитывать отпущенную (потребленную) электроэнергию и контролировать показатели ее качества в соответствии с требованиями ГОСТ 13109-97 и другими нормативными документами. Это позволит осуществлять дифференцированные расчеты за электроэнергию в зависимости от ее качества. Первые опытные образцы таких приборов уже появляются. Например, новый счетчик фирмы АВВ позволяет индицировать некоторые ПКЭ (правда, не в соответствии с требованиями ГОСТ 13109-97 и без их сохранения в архиве).
Таким прибором в рассматриваемой серии является “ЭРИС-КЭ.06” (счетчик). Это сертифицированный прибор, в котором в полном масштабе совмещены две функции - измерение электрической энергии и одновременный полномасштабный (по ГОСТ 13109-97) расчет ПКЭ, потребляемой (отпускаемой) из сети. Прибор имеет один режим работы - стационарное измерение одновременно активной и реактивной энергии в обоих направлениях с классом точности 0,5. Выполнен в пластмассовом корпусе для трехфазного счетчика, что обеспечивает унификацию по габаритным и установочным размерам с другими счетчиками. Подключение к сети стандартное, как для любого трехфазного счетчика с трансформаторным включением.
Одновременно с измерением электроэнергии происходит непрерывное измерение девяти основных ПКЭ (всех указанных в ГОСТ, кроме дозы фликера и импульсного напряжения) в соответствии с требованиями данного стандарта. Дополнительно определяются фактические вклады потребителей и энергоснабжающей организации в искажение ПКЭ [7] и определяются виновники искажения.

Выводы

1. Сформированы основные функциональные требования к приборам, предназначенным для комплексного анализа параметров режимов распределительных электрических сетей.
2. Учет электрической энергии, анализ режимов работы электрических сетей неразрывно связаны с анализом показателей качества электрической энергии и составляют единую комплексную задачу, что обязательно должно быть учтено при разработке таких приборов.
3. Для анализа режимов электрических сетей целесообразно использовать серию приборов, отличающихся между собой как по составу решаемых задач, так и по стоимости, в зависимости от решаемой в каждом конкретном случае задачи.

Список литературы

1. Основные принципы построения системы контроля, анализа и управления качеством электроэнергии / Горюнов И. Т., Мозгалев В. С., Пономаренко И. С. и др. - Электрические станции, 1998, № 12.
2. Энергетическая расчетно-информационная система для контроля качества и учета электроэнергии ЭРИС-КЭ / Карташев И. И., Пономаренко И. С., Тедеев И. С. и др. - Промышленная энергетика, 1999, № 1.
3. Современные информационные технологии и их аппаратное обеспечение в задачах управления системами электроснабжения / Дубинский Е. В., Пономаренко И. С., Тодирка С. Н. и др. - Энергосбережение, 1999, № 6.
4. Информационное обеспечение автоматизированных систем управления распределительными электрическими сетями / Мозгалев В. С., Тодирка С. Н., Пономаренко И. С. и др. - Электрические станции, 2001, № 10.
5. Пономаренко И. С. Снижение потерь электроэнергии в системах электроснабжения и их приборное обеспечение. - Энергосбережение, 2002, № 1.
6. Карташев И. И., Пономаренко И. С., Ярославский В. Н. Требования к средствам измерения показателей качества электроэнергии. - Электричество, 2000, № 4.
7. Карташев И. И., Пономаренко И. С., Сыромятников С. Ю. Способ инструментального выявления источников искажения напряжения и определение их влияния на качество электроэнергии. - Электричество, 2001, № 3.