Регистрация потребления электроэнергии при наличии искажений в сети

Функционирование современных систем электроснабжения (СЭС) промышленных предприятий ТЭК невозможно без использования регистрирующих приборов учета электроэнергии, поскольку для мониторинга работы СЭС необходимые данные о различных состояниях процессов в электрических сетях, значений активной, реактивной и полной мощности на уровне комплектных трансформаторных подстанций (КТП) (рис. 1) [1-4].

Несинусоидальный режим работы электрической сети вносит коррективы в измерение мощности приборами учёта электроэнергии. Помимо погрешностей измерений, обусловленных физической стороной процесса (эффект Холла или катушка Роговского), возникают погрешности от математического аппарата в алгоритмах обработки сигналов тока и напряжения [5-8].

Проблемы учета электроэнергии при синусоидальном режиме работы СЭС

Независимо от режима потребления электроэнергии полная мощность S (ВА) , которую также называют «кажущейся», находится в результате произведения действующих значений полного напряжения и полного тока рассматриваемого участка сети. В зависимости от условий, полная мощность может раскладываться на различное количество составляющих. Можно выделить 4 основных типа условий, характерных для промышленных сетей предприятий [9-12].

Рис. 1. Общий вид комплектной трансформаторной подстанции нового поколения

Симметричный синусоидальный режим является идеальным и в трехфазных сетях промышленных предприятий практически не встречается. В данном случае полная мощность состоит из двух составляющих – активной и реактивной мощности.

Несимметричные синусоидальный и несинусоидальный режимы встречаются чаще и представляют сложность для работы приборов учета электроэнергии. Но прежде чем переходить к анализу подходов к учету электроэнергии в этих режимах, необходимо рассмотреть промежуточный и широко распространенный в промышленных предприятиях симметричный несинусоидальный режим работы сети. Данный режим возникает в сетях с нелинейным характером нагрузки, к которой относятся силовое электрооборудование с тиристорным типом управления, частотно-регулируемый электропривод установки, вычислительная техника, дуговые и индукционные электропечи, осветительные системы и многое другое [13-16].

Во всех существующих подходах к учету мощности полная мощность раскладывается на различные составляющие. Неизменной остается только активная мощность P , которая для периодического тока произвольной формы определяется как средняя мощность за период. Остальные же мощности рассчитывают по-разному, однако в стандарте предлагается использовать термин «неактивная мощность» N , который является корнем из разности квадратов полной и активной мощностей [17-20].

Основным подходом является принцип, основанный на разделении полной мощности на две составляющие: активная и неактивная мощность, поскольку данные определения могут включать в себя остальные компоненты мощности.

Таким образом, различные подходы к расчету компонентов полной мощности в результате представляют комбинацию вариантов, которые можно систематизировать, включив все активные составляющие в компонент активной мощности, а все остальные к неактивной, включая мощность искажения и реактивную мощность. Принимая во внимание вышеизложенные проблемы учета электроэнергии в электрических сетях при наличии искажений, а также принципы различных подходов к учету электроэнергии, представляется необходимым решение задачи по выявлению особенностей каждого из подхода в зависимости от параметров сети.

Применение сертифицированных приборов учёта электроэнергии

Несмотря на формальное наличие требований к обеспечению установленных значений соотношения потребления активной и реактивной мощностей, фактически в последние годы произошло разрушение механизма скидок/надбавок к тарифу на электроэнергию за нарушения режимов потребления реактивной мощности. Дополнительным фактором, не способствующим повышению качества электроэнергии в России, в настоящее время является отсутствие утвержденных методик, позволяющих определить виновника нарушения показателей качества электрической энергии, например, по показателям, относящимся к изменению гармонического состава питающего напряжения. Возникает ситуация, где «чистые» потребители, которые не вносят искажений в напряжение питания, получают «загрязненную» электроэнергию из-за мощной нелинейной нагрузки энергообъектов со стороны, присоединенных к точке общего подключения потребителей. Наиболее часто такая ситуация возникает в сетях, где в качестве потребителей выступают предприятия крупной металлургической промышленности.

Для многих предприятий в структуре себестоимости производимого продукта одной из основных составляющих являются затраты на электроэнергию. Параметры электропотребления на вводе предприятия при наличии гармонических искажений в напряжении и токе могут изменяться как в меньшую, так и в большую стороны. Это характеризуется в первую очередь сдвигом фаз на высших гармониках между напряжением и током. Действующие в настоящее время стандарты для счетчиков реактивной энергии относятся к их эксплуатации при синусоидальных напряжениях и токах, а приводимые в них требования по точности приборов не учитывают возможного наличия гармонических искажений. В действующем стандарте ГОСТ 31819.23-2012 (IEC 62053-23:2003) не задается проверка точности измерений при наличии высших гармоник.

Производители электронных счетчиков электроэнергии формируют приборы высокоточными интегральными схемами, а аналоговая часть микросхемы включает АЦП и источник опорного напряжения. Все дальнейшие преобразования сигнала, такие как перемножение и фильтрация, происходят с сигналом в цифровом виде. Функциональная блок-схема микропроцессорного счетчика электроэнергии представлена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная блок-схема микропроцессорного счетчика электроэнергии

Расчет активной мощности ведется прямым перемножением сигналов напряжения и тока, получая его мгновенное значение. Причем этот принцип распространяется на сети, работающие в несинусоидальном режиме, который широко распространен в связи с наличием среди потребителей с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Путем преобразования Фурье мгновенные значения напряжений и токов можно представить в виде суммы гармоник.

Реактивная мощность определяется как произведение напряжения и тока, когда один из них сдвинут относительного другого на 90°. Результатом этого произведения является мгновенная реактивная мощность. Блок-схема измерения реактивной мощности представлена на рис. 3 а. Фильтр с фазовым сдвигом имеет неединичную АЧХ. Поскольку сдвинутый по фазе фильтр имеет большое затухание на высокой частоте, реактивная мощность предназначена главным образом для расчета на частоте основной гармоники. Влияние высших гармоник в значительной степени игнорируется при расчете реактивной мощности.

а)                                                 б)

Рис. 3. Функциональная схема измерения реактивной энергии (а) и однолинейная принципиальная схема стенда (б)

Для многофункциональных измерителей показателей качества электроэнергии, измерение реактивной мощности может осуществляться путём аналогового или цифрового перемножения напряжения и тока. При этом напряжение (или ток) путём применения интегрирующей цепи или смещения времени на четверть периода предварительно сдвигается на 90°, далее используется фильтр или иная цифровая обработка сигнала. Имеющиеся разнообразные решения по сдвигу фазы напряжения или тока разработаны для синусоидальных напряжений и токов, поэтому они работают правильно для частоты основной гармоники, а при наличии других гармонических составляющих они могут привести совсем к другим результатам.

Исследования влияния высших гармоник на учет потребления электроэнергии

С целью уточнения величины вносимой погрешности измерений при наличии высших гармоник проведены экспериментальные исследования влияния высших гармоник на измерение и учет потребления электрической энергии. Тестировалось три электронных счетчика электрической энергии и сравнивались их показания с анализатором качества электрической энергии «Ресурс UF2M» – два счетчика зарубежного производства и один отечественный счетчик, класс точности по активной мощности 1.0, по реактивной – 2.0. Упрощенная схема стенда показана на рис. 3 б . Стенд запитан от сети через линию TL1 фазным напряжением 220 В. Установка включает трехфазный автотрансформатор STD1, асинхронный двигатель (АД) с нагрузкой в виде генератора M1, конденсаторную батарею (КБ) с антигармоническим реактором CB1, неуправляемый трехфазный выпрямитель (НВ) с нагрузкой в виде активного сопротивления HS1.

Режим 1 - подключение АД 1.5 кВт на холостом ходу и НВ с активной нагрузкой 1.0

кВт.

Режим 2 соответствует режиму 1 с дополнительной КБ (cos φ = 0.94, индуктивный режим).

Режим 3 соответствует режиму 2 с перекомпенсацией Q (cos φ = 0.92, емкостный режим).

Режимы 4, 5, 6 – это режимы 1, 2, 3 с подключенной нагрузкой на валу АД. Для режимов 5 и 6 коэффициенты мощности составляют около 0.94 и 0.88 соответственно.

В результате проведенных экспериментальных исследований получены относительные погрешности по активной и реактивной мощности. При этом для всех режимов суммарный коэффициент искажения мощности по напряжению THDU составлял около 2%, а по току THDI менялся в переделах от 15 до 30%. Как показали исследования, электронные счетчики корректно отрабатывают математическую модель по активной мощности в соответствии со своим классом точности. Погрешности по реактивной мощности представлены на рис. 4.

Рис. 4. Относительные погрешности при определении реактивной мощности

Из полученных результатов видно, что относительная погрешность измерения реактивной мощности при включении КБ значительно возрастает, что связано с увеличением THDI . Для счетчика 1 погрешность достигает 24 % в сторону недоучета, а для счетчиков 2 и 3 не превышает 10 % в сторону переучета. Включение КБ без антигармонического реактора будет приводить к еще большим погрешностям. Также наблюдается закономерность увеличения относительной погрешности измерения реактивной мощности с увеличением коэффициента мощности сети.

Анализ соответствия измеряемых значений математическим моделям счетчиков электроэнергии показал, что счетчики 2 и 3 вычисляют значение реактивной мощности по геометрическому методу. Счетчик 1 при сравнении с показаниями по геометрическому методу дает максимальную погрешность 32 %, а при сравнении с показаниями модели выдает погрешность, не превышающую 5 %. Этим объясняются значительные погрешности счетчика 1 по сравнению с показаниями анализатора качества электроэнергии. Следовательно, потребитель, вносящий искажения в сеть будет производить большую оплату за реактивную электроэнергию.

Учет электроэнергии при изменении параметров влияния высших гармоник

Исследование проведено по схемам, характерным для предприятий производства алюминия (рис. 5) и нефтегазовым предприятиям (рис. 6.). В спектре сигнала с проявляющимися гармониками тока (5,7,11,13 и 17), где с увеличением номера гармоники наблюдается уменьшение величины амплитуды гармоники. По оси абсцисс откладываются значения процентного соотношения вклада линейной нагрузки относительно нелинейной (0% - нелинейная нагрузка отсутствует; 100% - нелинейная нагрузка). По оси ординат значения искомых видов мощности.

Рис. 5. Модель предприятия алюминиевой отрасли радиального типа с блоком расчета мощностей

Рис. 6. Модель схемы предприятия нефтегазовой промышленности

При рассмотрении работы модели по схеме предприятия радиального типа алюминиевой промышленности, имеющую в своем составе нелинейную нагрузку получены зависимости изменения полной S, реактивной Q и неактивной N мощностей, представленные на рис. 7.

б)

в)

Рис. 7. Мощности рассматриваемых моделей измерения: а) полная, б) реактивная, в)

неактивная

В результате моделирования выявлены соответствия и расхождения в значениях между следующими видами мощностей (рис. 8), где «=» означает равенство значений; «+»/«-» -значения в данном методе выше или ниже остальных соответственно. На рис. 9 представлены графики при различных подходах к учету электроэнергии, но при одинаковом спектре.

Линейная нагрузка 50%, нелинейная нагрузка 50%

Линейная нагрузка 100%, нелинейная нагрузка 0%

Линейная нагрузка 0%, нелинейная нагрузка 100%

Неактивная м-ть

Мощность искажения

Реактивная модность

Активная мощность

Рис. 8. Вклад отдельных компонентов мощности по разным методам расчета мощности

Рис. 9. Результаты моделирования при одном подходе в разных спектрах (прямой спектр, спектры с превышением 5-й, 7-й и 11-й гармоник) (а) и спектры при подходе от IEEE (б)

Таким образом, вести учет реактивной мощности при наличии искажений по методам, заложенным в счетчики, необходимо с учетом ранее выявленных зависимостей THDU от модуля полного сопротивления системы.

Выводы

Таким образом, выявлено, что при классическом подходе разложения полной мощности на активную и реактивную происходит переплата за потребление реактивной энергии, поскольку в неё входит и «мощность искажений». Первый шаг по совершенствованию учета потребления реактивной мощности на данном этапе – это

принимать во внимание выявленные зависимости суммарного коэффициента несинусоидальности THDU от модуля полного сопротивления системы и показателя, отражающего соотношение его активной и реактивной составляющих.