Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Коцар Олег Вікторович

УДК 621.317.38

Вдосконалення методів та засобів інформаційного забезпечення

задач керування режимами електроспоживання

промислових підприємств

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертація є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електропостачання Інституту енергозбереження та енергоменеджменту Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор, засл. діяч науки і техніки України Праховник Артур Веніамінович, Інститут енергозбереження та енергоменеджменту Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри електропостачання.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Рогальський Броніслав Станіславович, Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри електротехнічних систем, електроспоживання та енергозбереження;

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Калінчик Василь Прокопович, Науково-дослідний інститут автоматики та енергетики “Енергія” НТУУ “КПІ”, директор.

Провідна установа – Інститут електродинаміки Національної академії наук України.

Захист дисертації відбудеться “04” липня 2005 р. о 1600 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.002.20 в Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою: 03056, Україна, Київ - 56, вул. Борщагівська, 115, корп. № 22, ауд. 310, тел,: +380 44 241 7037

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ” за адресою: 03056, Україна, Київ - 56, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “01” червня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, кандидат технічних наук А.М.Ковальчук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації. До недавнього часу в Україні були відсутні достатня кількість та специфікація вітчизняних засобів обліку електроенергії та контролю параметрів режимів електроспоживання промислових підприємств в умовах енергоринку. Недосконала нормативна база і відсутність єдиної концепції були перешкодою на шляху розробки та застосування таких засобів. Внаслідок плодотворчого співробітництва ряду провідних інститутів та установ в галузі енергетичної політики та енергозбереження в 1996 - 2000 рр. з’явився ряд національних нормативних документів (НД), які визначили концепцію застосування інформаційно-вимірювальної техніки в умовах енергоринку. Основні положення розроблених НД направлені на підвищення достовірності обліку електричної енергії та упорядкування функціонування енергоринку України.

Досягнення означеної мети обумовлює необхідність вдосконалення методів та засобів інформаційного забезпечення задач керування режимами електроспоживання, підвищення точності і достовірності обліку електроенергії і контролю поточних параметрів режимів електроспоживання (ППРЕ), розробки і виробництва сучасних засобів обліку і контролю за використанням електричної енергії, засобів і систем збору та обробки даних, математичного і програмного забезпечення, автоматизованих систем контролю електроспоживання (АСКЕ) промислових підприємств.

Під час аналізу існуючих методів і засобів обліку та контролю енерговикористання слід враховувати, що електрична енергія, як і будь-яка інша продукція, характеризується не тільки кількісними, а й якісними характеристиками. Отже, комплексний контроль енерговикористання передбачає не тільки облік електроспоживання, а й контроль показників якості електроенергії (ПЯЕ).

Забезпечення достовірного обліку електроенергії і оперативного контролю ППРЕ, на основі яких можливе керування режимами електроспоживання промислових підприємств та проведення комплексних розрахунків за електроенергію з врахуванням її споживчих властивостей, обумовлює актуальність цієї роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні положення і результати роботи використані в держбюджетній науково-дослідній роботі Інституту енергозбереження та енергоменеджменту НТУУ “КПІ” за темою: ”Створення автоматизованої системи обліку, контролю та управління використанням енергоресурсів” (№ держреєстрації 0100U002239) Автор дисертації брав участь в розробці структурних схем та алгоритмів функціонування автоматизованої системи обліку, контролю та управління використанням енергоресурсів, які дозволили підвищити ефективність функціонування системи.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є підвищення ефективністі використання електричної енергії на промислових підприємствах шляхом вдосконалення методів та засобів інформаційного забезпечення задач керування режимами електроспоживання на основі оперативної і достовірної інформації про поточні параметри режимів електроспоживання в умовах застосування АСКЕ.

Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні основні задачі:

· обгрунтування необхідності розробки комплексної автоматизованої системи розрахункового обліку електроенергії і контролю ППРЕ на промислових підприємствах на основі результатів аналізу впливу погіршення якості електроенергії на ефективність енерговикористання і точність визначення характеристик електроспоживання та аналізу чинних НД з обліку електроенергії і контролю ПЯЕ в умовах енергоринку України;

· розробка способів, методик, алгоритмів, структурних схем і технічних рішень підвищення точності і достовірності обліку електроенергії і контролю ППРЕ на промислових підприємствах в умовах застосування АСКЕ;

· розробка комплексного алгоритму визначення кількісних та якісних характеристик електроспоживання в АСКЕ на основі виборок миттєвих значень напруги і струму;

· розробка специфікації і алгоритмів визначення параметрів режимів електроспоживання в умовах проведення комплексних розрахунків за електричну енергію з врахуванням її споживчих властивостей;

· розробка структурних схем, алгоритмів функціонування, а на їх основі – комплексної автоматизованої системи розрахункового обліку електроенергії і контролю ППРЕ на промислових підприємствах;

· розробка способу і алгоритмів підвищення достовірності обліку перетоків реактивної потужності і енергії на межі балансової належності електричних мереж промислових підприємств і електропостачальних компаній на базі розробленої АСКЕ;

· розробка технічних рішень для оцінки точності визначення кількісних характеристик електроспоживання в умовах експлуатації на підставі аналізу результатів застосування АСКЕ на промислових підприємствах.

Об’єкт дослідження – електрообладнання промислових підприємств та режими електроспоживання.

Предмет дослідження – методи і засоби інформаційного забезпечення задач контролю, обліку і керування режимами електроспоживання промислових підприємств.

Методи дослідження. Виконані дослідження базуються на фундаментальних положеннях електротехніки, математичної статистики, гармонічному аналізі. Використано дискретне перетворення Фурьє, чисельні методи визначення характеристик електроспоживання, а також методики верифікації даних про електроспоживання на основі експериментальних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів дисертації полягає в наступному:

·

·

·

·

·

Практичне значення одержаних результатів. Виконані дослідження дозволяють:

·

·

·

·

·

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення і результати, наведені в дисертації, отримані автором особисто. В роботах, що опубліковані у співавторстві, здобувачеві належить: розробка методики компенсування струмової похибки трансформаторів струму [1]; розробка способу і алгоритму визначення показників несиметрії трифазної системи [2]; розробка способу визначення періоду коливань низькочастотних сигналів [3]; розробка способу скасування впливу нестабільності частоти напруги на точність визначення характеристик електроспоживання [4]; розробка специфікації якісних параметрів електроспоживання, алгоритму їх формування і механізму визначення дійсних економічних збитків, які несуть промислові підприємства внаслідок використання неякісної електроенергії [5]; розробка структурної схеми і алгоритму функціонування засобу контролю ПЯЕ [8]; розробка способу підвищення достовірності і алгоритму обліку реактивної енергії в умовах зустрічних перетоків реактивної потужності на межі балансової належності електромереж промислових підприємств і електропостачальних компаній [9, 10]; розробка технічних рішень і методики верифікації даних АСКЕ на етапі впровадження і в експлуатації [11].

Апробація результатів дисертації. Основні наукові і практичні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на: науковому семінарі “Мікропроцесорні системи керування, регулювання і захисту в електроенергетиці” (м.Київ, 1986р.); II всесоюзній конференції “Метрологічне забезпечення АСКЕ та АСУ ТП” (м.Львів, 1988р.); науково-технічному семінарі “Реалізація енергозбереження в промисловості в умовах повного хозрозрахунку та самофінансування” (м.Ленінград, 1990р.); науково-технічній конференції “Методи та засоби керування енергоспоживанням” (м.Київ, 1992р.); науково-технічній конференції “Керування ефективністю енерговикористання” (м.Одеса, 1995р.); III, IV, V міжнародних конференціях “Ресурсоенергозбереження у ринкових відносинах” (м.Київ, 1996р., м.Ялта, 1997, 1998р.р.); 3-й міжнародній науково-технічній конференції “Керування використанням енергії” (м.Севастополь, 1998р.); 2, 3, 4-й науково-практичних конфереціях “Метрологічне забезпечення комерційного обліку електричної енергії в Україні” (м.Київ, 1998, 2001, 2003р.р.); 2-й міжнародній конференції “Проблеми економії енергії” (м.Львів, 1999р.); 4-й Міжнародній науково-практичній конференції “Керування енерговикористанням” (м.Одеса, 2001р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 наукових робіт, в т.ч. 7 в провідних фахових виданнях, 2 роботи написані самостійно.

Структура і об’єм роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації становить 265 сторінок, в тому числі: 133 сторінки основного тексту, 37 рисунків, 1 таблиця, список використаних джерел із 140 найменувань та 3 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі досліджень, що випливають із проблеми створення на промислових підприємствах автоматизованих систем розрахункового обліку електроенергії і контролю поточних параметрів режимів електроспоживання, відображена наукова новизна, практична цінність, наведено дані про апробацію роботи, публікації тощо.

В першому розділі виконано аналіз особливостей електроенергетичного виробництва, сучасного стану обліку і контролю електроспоживання. Наведено перелік ПЯЕ, які необхідно визначати під час розрахункового обліку електроенергії і контролю ППРЕ.

Розглянуто та проаналізовано вплив погіршення якості електроенергії на ефективність роботи електроприймачів. Зроблено висновки щодо необхідності ретельного контролю за дотриманням норм якості електроенергії в електроустановках споживачів та відключення від електричної мережі споживачів, які не вживають заходів щодо нормалізації якості електроенергії.

Проаналізовано сучасні методи і засоби контролю якості електроенергії. Виділено методи визначення ПЯЕ, найбільш придатні з точки зору використання в АСКЕ. Вимірювання частоти слід здійснювати методом дискретного лічення із наступним визначенням відхилення частоти. Найбільш ефективним засобом вимірювання коливань напруги є цифрові фільтри низьких частот. Відхилення напруги, коефіцієнти спотворення синусоїдності кривої напруги, -ї гармонічної складової напруги, несиметрії по зворотної та нульової послідовності напруги слід визначати методом гармонічного аналізу на основі миттєвих значень напруги.

Зроблено аналіз чинних НД в частині технічних вимог щодо розрахункового обліку електроенергії і контролю ППРЕ на промислових підприємствах. Введення в дію в останні роки ряду НД в галузі контролю та обліку електроспоживання, без сумніву, позитивно вплинула на розвиток автоматизованих систем розрахункового обліку електроенергії і контролю ППРЕ в умовах енергоринку України. Найбільш важливою подією стало прийняття закону України про електроенергетику, який юридично закріпив основи розрахункового обліку електроенергії в умовах енергоринку, в т.ч. застосування технічних засобів розрахункового обліку електроенергії. Застосовуючи положення розглянутих НД до АСКЕ слід сказати, що ряд документів достатньо повно встановлює вимоги щодо засобів контролю кількісних характеристик електроспоживання та обліку електричної енергії на промислових підприємствах. Однак треба відзначити декілька принципових моментів, які відсутні в цих документах, що негативно відбивається на практиці застосування АСКЕ. Йдеться про необхідність створення умов для об’єднання локальних АСКЕ різного виробництва в єдину систему розрахункового обліку електричної енергії України, та забезпечення юридичної і технічної підтримки такого об’єднання з боку НКРЕ, ДП “Енергоринок”, НЕК “Укренерго” і Держметспоживстандарту України. Окрім цього, чинні НД вимагають суттєвих доповнень і змін в частині вимог щодо контролю якісних характеристик електроспоживання і врахування якості електроенергії під час розрахунків між промисловими підприємствами та електропостачальними компаніями.

На підставі виконаного аналізу сформульовані основні вимоги до засобів контролю та обліку електроспоживання промислових підприємств з врахуванням якості електроенергії. Обгрунтована необхідність комплексного контролю кількісних та якісних характеристик електроспоживання на промислових підприємствах на базі високопродуктивних АСКЕ.

В другому розділі описано розроблені механізми підвищення точності контролю ПЯЕ та наведено комплексний алгоритм визначення кількісних та якісних характеристик електроспоживання промислових підприємств в АСКЕ. Весь потік інформації, яка використовується в АСКЕ, можна умовно поділити на дві категорії: первинна інформація, яка одержується під час вимірювань і характеризується інструментальною та методичною похибкою, і вторинна інформація, яка формується під час обробки результатів вимірювань і характеризується методичною похибкою та похибкою обчислень. Невід’ємною умовою ефективного функціонування АСКЕ є велика інформаційна місткість первинної інформації, яка повинна містити вичерпні відомості щодо характеристик електроспоживання. Такі відомості містять в собі напруга і струм. Однак, як правило, вони мають рівні, які значно перевищують границі засобів контролю. З метою призведення напруги і струму до рівня прямих вимірювань застосовують вимірювальні трансформатори (ВТ) напруги (ТН) і струму (ТС). ВТ найбільш прийнятні для використання у купі з АСКЕ, оскільки напруга і струм, які знімають з їх вторинних кіл, практично зберігають первісну форму та взаємне розташування.

Слід, однак, пам’ятати, що ВТ характеризуються амплітудними та кутовими похибками. Амплітудні похибки впливають як на результати вимірювань діючих значень напруги і струму, так і на результати визначення потужності, обсягів електроспоживання та ПЯЕ. До того ж негативний характер амплітудних похибок сприяє недоліку електроенергії. Кутові похибки практично не впливають на результати вимірювань діючих значень напруги і струму. Деяка похибка виникає під час визначення ПЯЕ. Однак кутові похибки ВТ суттєво впливають на результати контролю потужності та обліку електроспоживання, причому похибки визначення цих величин залежать від різниці фаз між напругою і струмом.

Результати проведених досліджень підтверджують необхідність коригування похибок ВТ під час використання їх в АСКЕ. При цьому слід враховувати, що кутові похибки ТН і ТТ мають різні знаки і взаємно компенсуються (повністю або частково) під час контролю потужності та обліку електроспоживання. Розроблена методика компенсації струмової похибки ТС шляхом застосування повздовжно-ємностного зрівноваження індуктивного опору його вторинної вітки із наступним врахуванням результуючої кутової похибки під час визначення потужності та обліку електроенергії. Векторна діаграма ТС разом із повздовжно-ємностним зрівноваженням індуктивного опору його вторинної вітки наведена на рис.1.

Рис.1. Компенсація амплітудної похибки трансформатору струму шляхом повздовжно - ємностного зрівноваження індуктивного опору його вторинної вітки

Згідно векторної діаграми струмова похибка може бути зрівноважена за умови: = -, де - кут втрат; - кут випередження вектором вторинної ЕДС Е2 вектору вторинного струму I2. Шляхом аналітичних викладок одержана залежність значення кута від магнітної індукції Вmax:

Bmax f Sм w2н

= arctg ( ------------------- )2 – 1 , (1)

0,225 I2н r

де f – частота напруги;

Sм – переріз магнітопроводу;

w2н – кількість витків вторинної обмотки ТС;

I2н – номінальний вторинний струм;

r – загальнй активний опір вторинного кола ТС.

Побудуємо на одному рисунку залежність (Вmax) (визначена аналітично згідно вираза (1)) та залежність (Вmax) (визначена експериментально для обраної марки сталі, з якої виготовлене осердя ТС). Точка А перетину цих двох залежностей і буде розрахунковою точкою (рис.2). Після визначення значення Вmax в точці А розраховуємо значення компенсуючої ємності (Вmax E2н Z2н хc C).

Рис.2. Визначення значення Bmax в точці А

Розроблена методика компенсації струмової похибки ТС разом із наступним введенням виправлення для врахування його кутової похибки є достатньо простою. Чисельні значення кутової похибки для різних кратностей первинного струму можуть бути обчислені заздалегідь і вибиратись із пам’яті базового КТЗ АСКЕ під час обробки даних. Підбираючи різні значення ємності, можна скомпенсувати амплітудну похибку ТС для будь-якої кратності первинного струму. Це важливо, оскільки робочий струм ТС за звичай нижче номінального.

Аналіз результатів розробленої методики компенсації показав, що крива струмової похибки ТС змінює випуклий вид на вогнутий: при значеннях первинного струму менше розрахункового відбувається перекомпенсація, похибка починає швидко зростати і стає позитивною; при значеннях первинного струму більше розрахункового похибка негативна, а її величина зростає дуже повільно. Таке змінення характеру похибки дає можливість обчислювати величину компенсуючої ємності для меншої кратності первинного струму (“із запасом”).

Вирішення проблеми підвищення точності ВТ дозволяє зосередити увагу безпосередньо на розробці комплексного алгоритму визначення характеристик електроспоживання в АСКЕ та оцінці різноманітних факторів, що впливають на точність контролю. Існуючі цифрові алгоритми визначення ППРЕ, зокрема ПЯЕ, базуються на обробці перетворенних в код миттєвих значень напруги і струму, які виміряні протягом періоду напруги електромережі в еквідістантні моменти часу. В основі даних алгоритмів покладено гармонічний аналіз, який, звичайно, виконується методом дискретного перетворення Фурьє (ДПФ) із наступною обробкою його результатів. Якщо частота мережі не змінюється, а крок дискретизації малий, гармонічний аналіз виконується достатньо точно. Погіршення якості електроенергії призводе не тільки до зниження ефективності використання електроенергії, а й до виникнення методичних похибок вимірювань. Суттєвий вплив на точність визначення ПЯЕ чинить, зокрема, нестабільність частоти напруги. Для оцінки нестабільності частоти був введений коефіцієнт , який дорівнює відношенню розрахункового значення періоду напруги електромережі до його дійсного значення.

Згідно проведених досліджень, найгірша точність виявлена в тих випадках, коли процес дискретизації не синхронізовано із частотою основної гармоніки сигналу, що аналізується. В результаті виникає відхилення дійсного кута миттєвого значення сигналу від його розрахункового кута ’. Причому дійсний кут першого миттєвого значення відповідає його розрахунковому куту (якщо перша вибірка здійснюється в момент переходу сигналу, що досліджується, через ноль). Дійсний кут другого миттєвого значення буде відрізнятись від його розрахункового значення на величину . Третього миттєвого значення - на величину 2 і т.д. Таке відхилення призводе до похибки визначення компонент Фурьє і, як наслідок, до похибки обчислення величин, які визначаються на їх основі. Найбільший вплив нестабільність частоти напруги чинить величинам, які відображують гармонічний состав системи: коефіцієнти спотворення синусоїдності кривої напруги та -ї гармонічної складової напруги. Зокрема, при = 0.96 похибка визначення коефіцієнту спотворення синусоїдності кривої напруги може сягати 150%. Це пов’язано із тим, що означені величини визначаються безпосередньо на основі компонент Фурьє. Окрім цього, на точність визначення цих величин чинить вплив фаза напруги. Особливістю даних показників є те, що вони визначаються пофазно. Інша група показників визначається для трифазної системи в цілому. Серед них найбільшому впливу підвладне усталене відхилення напруги, яке при = 0.96 може визначатись із похибкою до 20%, а за наявності амплітудної несиметрії - до 100%. Найменший вплив нестабільність частоти напруги чинить коефіцієнтам несиметрії по зворотної та нульової послідовності напруги. При = 0.96 відносна похибка визначення коефіцієнту несиметрії по зворотної послідовності напруги не перевищує 7-8%, а коефіцієнту несиметрії по нульової послідовності напруги - 2%.

Розроблений спосіб скасування впливу нестабільності частоти напруги на точність визначення ПЯЕ базується на врахуванні відхилення дійсного кута миттєвого значення напруги від його розрахункового значення під час визначення компонент Фурьє згідно виразу:

1 N-1

X() = ----- xn() e-jn(2/N-) , (2)

N n=0

де - номер гармонічної складової напруги;

n – номер дискрети;

xn – n-те миттєве значення напруги;

N – кількість дискрет на періоді напруги;

e-jn(2/N-) – одиничний вектор.

Враховуючи результати досліджень розроблено наступний алгоритм скасування впливу нестабільності частоти напруги на точність визначення ПЯЕ. Безпосередньо перед циклом дискретизації виконується вимірювання періоду напруги та визначається такий крок дискретизації, при якому на періоді напруги вміщується ціле число інтервалів дискретизації. Під час вибірки миттєвих значень напруги виконується повторне вимірювання періоду напруги, за результатами якого визначається . Під час визначення компонент Фурьє значення використовується для корекції похибки результатів обчислень згідно виразу (2).

Розроблений комплексний алгоритм визначення характеристик електроспоживання (окрім відхилення частоти і коливань напруги) базується на обробці масивів миттєвих значень напруги і струму, які виміряні протягом Nc періодів напруги (за базову взята напруга фази А). Похідними даними для кожного розрахунку є масиви миттєвих значень напруги і струму, які виміряні протягом одного періоду напруги електромережі. Значення, отримані для кожного періоду, осереджують для всього циклу вимірювань (Nc періодів). З метою скорочення часу обчислень в комплексному алгоритмі застосовано розроблений спосіб визначення симетричних складових напруги з використанням виразів переходу від “зірки” до “трикутника”:

u1л(1) = j 3 u1(1) = (a - a2 ) u1(1) =

=(auA(1)-a2uA(1)+a2uB(1)-a3uB(1)+a3uC(1)-a4uC(1))/3=

=(auA(1)-a2uA(1)+a2 uB(1)-uB(1)+uC(1)-a uC(1))/3 ; (3)

u2л(1) = j 3 u2(1) =(a2 - a ) u2(1) =

=(a2uA(1)-auA(1)+a4uB(1)-a3uB(1)+a3uC(1)-a2uC(1))/3=

=(a2uA(1)-auA(1)+auB(1)-uB(1)+uC(1)-a2uC(1))/3 ; (4)

u1(1) = (uA(1) + a uB(1) + a2 uC(1))/3 ; (5)

u0(1) = (uA(1) + uB(1) + uC(1))/3 , (6)

де u1л(1), u2л(1) - миттєві значення лінійної напруги основної частоти відповідно прямої і зворотної послідовності;

u1(1), u0(1) - миттєві значення фазної напруги основної частоти відповідно прямої і нульової послідовності;

a - оператор повороту.

У виразах (3) - (6) множення на оператор повороту означає зсув моментів вимірювань на час, що відповідає 1/3 періода напруги електромережі.

В третьому розділі наведено розроблену на основі виконаних досліджень структуру базового КТЗ АСКЕ та розглянуто питання верифікації даних АСКЕ в умовах експлуатації. Розроблені структурні схеми і алгоритми функціонування базового комплексу технічних засобів автоматизованої системи обліку електроенергії і контролю ППРЕ на промислових підприємствах для формування інформаційного забезпечення розрахунків за електроенергію, в т.ч. за її якість. Окрім цього АСКЕ, що розроблена, забезпечує оперативний контроль ППРЕ шляхом визначення кількісних та якісних характеристик електроспоживання для формування інформаційного забезпечення задач керування режимами електроспоживання на промислових підприємствах.

Функціонально КТЗ містить в собі модуль сканування матриці датчиків (СМД), модуль зв’язку з електронними лічильниками електроенергії (ІЕЛ), модуль аналого-цифрового перетворення (АЦП), модуль вимірювання частоти напруги (ВЧМ), модуль вимірювання коливань напруги (ВКН), модуль обробки інформації (МОІ), модуль зв’язку (МЗ) та інформаційне табло (ІТ). Облік електроенергії здійснюється на модулях СМД та ІЕЛ. Контроль ППРЕ, в т.ч. ПЯЕ, реалізовано на модулях АЦП, ВЧМ та ВКН. Модуль АЦП забезпечує дискретизацію напруги і струму, які надходять безпосередньо від вторинних кіл ВТ, та формування масивів миттєвих значень напруги і струму.

Вимірювання частоти напруги здійснюється модулем ВЧМ. Оскільки частота однакова в будь-якій точці електромережі, для її визначення використовується електроживлення КТЗ. Вимірювання частоти здійснюється методом дискретного лічення, суть якого полягає в обрахунку спеціально сформованих імпульсів за проміжок часу, кратний цілому числу періодів напруги електромережі. Розроблений спосіб підвищення точності визначення частоти напруги полягає у використанні під час вимірювання фіктивних розрядів таймера. По закінченні обрахунку вміст фіктивних розрядів вважається дорівним нулю, а вміст дійсних розрядів зчитується, як остаточний вміст таймера. При такій організації лічильника імпульсів необхідно, щоб загальна кількість проведених відрахувань не перевищувала границі: nmin n nmax, де nmax = 2nb-1;nmin = nmax-(216-1) = 2nb-216 (nb - прийнята розрядність таймеру; 16 - фактична розрядність таймеру). Отже, число періодів усереднення результатів вимірювань повинно знаходитись в діапазоні: NC(nmin) NC NC(nmax), де NC(nmin) = nmin/nном; NC(nmax) = nmax/nном. Після обчислення NC(nmin) округлюється в більшу сторону, а NC(nmax) - в меншу. Результати досліджень показали ефективність застосування даного способу. Так, якщо nb = 17 та fзап = 2МГц необхідне число періодів усереднення лежить у діапазоні 2NC3.

Такий підхід дозволяє здійснювати вимірювання частоти з високою точністю. Наприклад, при використанні одного фіктивного та 16 дійсних розрядів, похибка порівняння tср при номінальній частоті напруги 50 Гц та NC = 3 дорівнює 8,33 10-6, а при NC = 2 відповідно 12,5 10-6. Тобто, при виборі меншего із можливих значень NC похибка порівняння збільшується (рис.3).

Під час промислової експлуатації дані АСКЕ підлягають верифікації. З метою скорочення часу виконання процедури верифікації розроблено структуру імітатору сигналів ИСП-1, який дозволяє досліджувати обидві частини імпульсних ВК.

В четвертому розділі розглянуто питання побудови розподілених АСКЕ. Детально розглянуто питання проведення розрахунків за електроенергію на основі інформації, яка формується в АСКЕ. Виконана специфікація і розроблений алгоритм формування в АСКЕ якісних параметрів електроспоживання, за результатами функціонування якого в ПБД базового КТЗ АСКЕ формуються і зберігаються абсолютний і відносний час находження кожного ПЯЕ в границях нормальних і максимальних припустимих значень, та перевищення максимальних припустимих значень за розрахункові періоди (в т.ч. по тарифних зонах), а також абсолютна і відносна кількість електроенергії, що була спожита в цей час. Крім того фіксується і зберігається максимальне значення кожного ПЯЕ за розрахунковий період (в т.ч. по тарифних зонах), формуються графіки змінення кожного ПЯЕ за добу, а також обчислюється еквівалентне значення кількості електроенергії, що була спожита за розрахунковий період (в т.ч. по тарифних зонах) та відповідає електроенергії нормованої якості.

Еквівалентне значення кількості електроенергії обчислюється з метою визначення дійсних збитків, які несуть промислові підприємства в результаті споживання електроенергії низької якості. Для врахування таких збитків під час розрахунків за електроенергію запропоновано використовувати підхід, при якому визначення дійсної вартості спожитої електроенергії здійснюється на підставі виразу (7):

Рис.3. Графіки залежності припустимого діапазону змінювання частоти напруги, що вимірюється, та похибки порівняння від розрядності лічильника

Nизм Nпкэ Пфij - Пн

С = Тw (1 - kj -------------) Wi , (7)

i=1 j=1 100

де Nизм - кількість циклів вимірювань ПЯЕ за розрахунковий період;

Nпкэ - кількість ПЯЕ, що контролюються на межі балансової належності електромереж у відповідності з договором на користування електричною енергією;

kj - вага кожного показника в загальних збитках, зумовлених використанням електроенергії низької якості;

Пфij - фактичне значення показника у точці контролю,%;

Пн - нормоване значення показника у точці контролю, яке встановлене в договорі на користування електричною енергією,%;

Wi - кількість електроенергії, яка спожита протягом даного циклу вимірювань;

Тw – тариф на електроенергію, встановлений в договорі.

Застосовуючи формулу (7) під час визначення вартості електроенергії ми враховуємо не валовий об’єм спожитої електроенергії, а тільки її корисний еквівалент, що відповідає об’єму електроенергії нормованої якості. Множник (Пфij - Пн) / 100 характеризує ступень перевищення показником нормованого значення, а kj є коефіцієнт пропорційності між ступенем перевищення показником нормованого значення і збитками, які зумовлені цим перевищенням. При цьому приймають Пфij - Пн = 0, якщо Пij Пн. Вагові коефіцієнти запропоновано розраховувати індивідуально для кожного споживача на підставі специфікації електроприймачів споживача та фіксуватись в договорі на користування електричною енергією. Можна припустити застосування єдиних коефіцієнтів для споживачів з однотипною специфікацією електроприймачів.

Особливістю використання електричної енергії електроприймачами є виникнення перетоків реактивної потужності, які негативно впливають на режими електричної мережі і викликають додаткові втрати в трансформаторах і лініях електропередач (ЛЕП). Враховуючи це, чинними правилами користування електроенергією передбачена плата як за споживання, так і за генерацію реактивної енергії. При цьому окремі схеми обліку реактивної енергії не враховують особливості перетоків реактивної потужності між електричними мережами споживачів і електропостачальних компаній. Обгрунтовано доказано, що в разі встановлення розрахункових лічильників реактивної енергії на відходящих лініях підстанцій, останні двічі враховують перетікання реактивної енергії з одних ЛЕП на інші. Для таких схем електропостачання розроблено спосіб підвищення достовірності і алгоритм обліку реактивної енергії, за якими, згідно із виразами:

n n

Wqспожij - Wqгенij; якщо Wqспожij Wqгенij;

i=1 i=1

Wqспожj = (8)

0 ; якщо Wqспожij < Wqгенij;

0 ; якщо Wqспожij Wqгенij;

Wqгенj = (9)

n n

Wqспожij - Wqгенij ; якщо Wqспожij < Wqгенij

i=1 i=1

де Wqспожij – величина споживання реактивної енергії в j-й інтервал часу, яка зафіксована i-м лічильником реактивної енергії;

Wqгенij - величина генерації реактивної енергії в j-й інтервал часу, яка зафіксована i-м лічильником реактивної енергії;

j – інтервал часу, для якого складається баланс споживання та генерації реактивної енергії;

i – номер лічильника реактивної енергії, який враховується під час складання балансу,

визначається поточний баланс споживання і генерації реактивної енергії із заданим періодом інтегрування і обчислюється сальдова величина перетікання реактивної енергії, яка в подальшому використовується в розрахунках за електричну енергію.

Однією з особливостей КТЗ АСКЕ є наявність первинної бази даних, яка формується тривалий час. Процедури верифікації, що виконуються під час промислової експлуатації АСКЕ, призводять до скасування ПБД і цим негативно впливають на ефективність застосування АСКЕ. Запропоновано алгоритм функціонування базового КТЗ АСКЕ, при якому ПБД на час виконання процедури верифікації зберігається в резервній області пам’яті КТЗ, а по закінченні процедури верифікації відновлюється в основному масиві пам’яті. Такий шлях дозволяє зберегти вміст ПБД під час верифікації даних АСКЕ та звести втрати розрахункових даних до мінімума. Окрім цього, очищення робочої області пам’яті безпосередньо перед виконанням процедури верифікації дозволяє відтворювати результати контрольних вимірювань без попередньої обробки.

ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що підвищення ефективністі використання електричної енергії на промислових підприємствах можна досягти шляхом вдосконалення методів та засобів інформаційного забезпечення задач керування режимами електроспоживання на основі оперативної і достовірної інформації про ППРЕ в умовах застосування АСКЕ [5 - 7].

2. На основі аналізу сучасного стану енерговикористання на промислових підприємствах і дослідження впливу погіршення якості електроенергії на його ефективність визначено можливість та механізм формування інформаційного забезпечення задач керування режимами електроспоживання на базі комплексної АСКЕ [6 – 8].

3. Розроблені базовий КТЗ АСКЕ і комплексний алгоритм визначення кількісних та якісних характеристик електроспоживання шляхом обробки масивів миттєвих значень напруги і струму, в якому використано розроблений спосіб визначення симетричних складових трифазної системи, забезпечують підвищення оперативності контролю ППРЕ шляхом скорочення циклу обчислень під час визначення характеристик електроспоживання [2, 8].

4. Досліджено і доказано, що точність і достовірність обліку електроенергії і контролю ППРЕ в АСКЕ можуть бути забезпечені застосуванням механізму коригування похибок на етапах вимірювання і обробки первинних даних. Розроблена методика компенсації струмової похибки ТС дозволяє підвищити точність обліку електроенергії в обраному діапазоні вимірювань [1]. Розроблені спосіб і алгоритм скасування впливу нестабільності частоти напруги на визначення ПЯЕ забезпечують підвищення точності контролю ППРЕ, які обчислюються на основі гармонічних складових [4]. Розроблений спосіб вимірювання частоти напруги в базовому КТЗ АСКЕ забезпечує підвищення точності і достовірності гармонічного аналізу і визначення характеристик електроспоживання [3].

5. Запропонований новий підхід, виконана специфікація і розроблений алгоритм визначення якісних параметрів електроспоживання дозволяють підвищити ефективність енерговикористання через врахування під час розрахунків за електроенергію її споживчих властивостей [5].

6. Розроблені і реалізовані механізм і алгоритм обліку реактивної енергії, що забезпечують підвищення достовірності розрахунків за електроенергію шляхом формування в АСКЕ поточного балансу споживання і генерації реактивної енергії із заданим періодом інтегрування і наступному використанні сальдових величин для визначення фактичних обсягів споживання і генерації реактивної енергії на межі балансової належності електричних мереж промислових підприємств та електропостачальних компаній [9, 10].

7. Розроблено технічні рішення для оцінки точності визначення кількісних характеристик електроспоживання в АСКЕ. Заропоновано шлях підвищення достовірності обліку електроенергії і контролю ППРЕ шляхом зберігання ПБД базового КТЗ АСКЕ під час під час виконання процедури верифікації даних імпульсних ВК із наступним її відновленням [11].

Результати, одержані в дисертаційній роботі, використані під час розробки пристроїв СИНЭТ-1 (реєстраційний № У752-97 в Держреєстрі України), СИНЭТ-1К, імітатора сигналів ИСП-1 та під час розробки і впровадження розподілених автоматизованих систем контролю енерговикористання на промислових підприємствах України і за кордоном.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується збіжністю результатів теоретичних та експериментальних досліджень, прийнятими теоретичними передумовами, достатністю об’єму інформації та експериментальних даних, доведенням основних результатів роботи до серійних засобів обліку електроенергії і контролю ППРЕ, методики верифікації даних комерційного обліку.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

Розробка методики компенсування струмової похибки трансформаторів струму.

2.

Розробка способу і алгоритму визначення показників несиметрії трифазної системи.

3.

Розробка способу визначення періоду коливань низькочастотних сигналів.

4.

Розробка способу скасування впливу нестабільності частоти напруги на точність визначення характеристик електроспоживання.

5.

Розробка специфікації якісних параметрів електроспоживання, алгоритму їх формування і механізму визначення дійсних економічних збитків, які несуть промислові підприємства внаслідок використання неякісної електроенергії.

6.

7.

8.

Розробка структурної схеми і алгоритму функціонування засобу контролю ПЯЕ.

9.

Розробка способу підвищення достовірності і алгоритму обліку реактивної енергії в умовах зустрічних перетоків реактивної потужності на межі балансової належності електромереж промислових підприємств і електропостачальних компаній.

10.

Розробка способу підвищення достовірності і алгоритму обліку реактивної енергії в умовах зустрічних перетоків реактивної потужності на межі балансової належності електромереж промислових підприємств і електропостачальних компаній.

11.

Розробка засобу і методики верифікації даних АСКЕ на етапі впровадження і в експлуатації.

Анотації

Коцар О.В. Вдосконалення методів та засобів інформаційного забезпечення задач керування режимами електроспоживання промислових підприємств. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - Електротехнічні комплекси і системи. - Національний технічний університет України “КПІ”, м.Київ, 2005.

Дисертація присвячена питанням підвищення ефективністі використання електричної енергії через вдосконалення методів та засобів інформаційного забезпечення задач керування режимами електроспоживання промислових підприємств на основі оперативної