Способ определения объема электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя Российский патент 2024 года по МПК G01R21/06 

Изобретение относится к области управления качеством электрической энергии и может быть использовано при одиночном, периодическом и непрерывном мониторинге качества электрической энергии в точке передачи электрической энергии, а также при разработке многофункциональных приборов учета с функцией определения объема электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя.

Известен способ, заключающийся в измерении показателей и параметров качества электрической энергии. В периоды отклонения значений показателей качества электрической энергии, обусловленных генерацией гармонических составляющих тока, от нормативных значений проводят оценку направления электрических мощностей гармонических составляющих в точке передачи электрической энергии. В момент генерации потребителем гармонических составляющих тока проводят определение объема электрической энергии гармонических составляющих [см. Патент № 2216747 (RU), 20.11.2003, Бюл. № 32].

Наличие электрической энергии гармонических составляющих в направлении электрической сети сетевой организации говорит о том, что в электрической сети потребителя электрической энергии имеется источник генерации гармонических составляющих тока. В качестве источника генерации гармонических составляющих тока в составе электрической нагрузки потребителя выступают технические средства с нелинейной вольт-амперной характеристикой (нелинейная электрическая нагрузка). Величина объема электрической энергии гармонических составляющих может использоваться для корректировки величины объема электрической энергии, по которой ведутся расчеты. При получении потребителем электрической энергии гармонических составляющих из всего объема электрической энергии, проходящей через точку передачи электрической энергии, вычитается объем электрической энергии гармонических составляющих. Полученное значение соответствует электрической энергии основной гармоники, которую в данном случае оплачивает потребитель. В противном случае, если потребитель электрической энергии генерирует гармонические составляющие тока, то он оплачивает весь объем электрической энергии, проходящей через точку передачи электрической энергии. Способ предназначен для корректировки объема электрической энергии, оплачиваемой потребителем.

Величина объема электрической энергии гармонических составляющих также может использоваться в системе управления качеством электрической энергии как регулируемый параметр при применении воздействующих факторов на потребителя электрической энергии, генерирующего гармонические составляющие тока. Очевидно, что основными и первостепенными в системе управления являются воздействующие факторы технического характера, такие как выполнение требований технического регламента и технических правил. Однако как показывает практика, при управлении качеством электрической энергии по показателям, обусловленным генерацией гармонических составляющих тока, одних воздействующих факторов технического характера недостаточно для обеспечения желаемого эффекта управления. Для обеспечения желаемого эффекта управления указанные факторы дополняются воздействующими факторами экономического характера, такими как оплата причиненного ущерба, неустойка, штраф, надбавка к тарифу.

Недостатком способа являются ограниченные области применения и функциональные возможности. По отношению к определяемому объему электрической энергии гармонических составляющих возможно применение только воздействующих факторов технического характера. Применение воздействующих факторов экономического характера в системе управления качеством электрической энергии по отношению к электрической энергии гармонических составляющих встречает сопротивление со стороны общественности и законодательных органов по ряду следующих причин. Сущность электрической энергии гармонических составляющих понятна только узкому кругу специалистов, а связанные с ней физические процессы неоднозначны. Определяемая величина объема электрической энергии гармонических составляющих, связанная с генерацией гармонических составляющих тока, непонятна и незнакома общественности и законодательным органам. Наряду с другими она рассматривается с точки зрения классической системы товаро- и тарифообразования. Электрическая энергия гармонических составляющих, с точки зрения классической системы товаро- и тарифообразования, не воспринимается общественностью и законодательными органами как товар. Генерация и передача электрической энергии гармонических составляющих не воспринимается как услуга. Возникают трудности включения величины объема электрической энергии гармонических составляющих в законодательные акты для ее использования при расчетах за электрическую энергию в системе управления качеством электрической энергии.

Технический результат - расширение области применения и функциональных возможностей способа.

Технический результат достигается тем, что способ определения объема электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, включает измерение показателей и параметров качества электрической энергии в периоды отклонения значений показателей качества электрической энергии, обусловленных генерацией гармонических составляющих тока, от нормативных значений проводят оценку направления электрических мощностей гармонических составляющих в точке передачи электрической энергии.

Отличительным признаком является то, что в момент генерации потребителем гармонических составляющих тока проводят определение объема потребляемой электрической энергии, участвующей в расчетах за электрическую энергию; суммированием соответствующих объемов потребляемой электрической энергии в моменты генерации потребителем гармонических составляющих тока определяют объем электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, за расчетный период.

Предложенное решение позволяет определить объем электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя.

Способ осуществляется следующим образом.

Используя средства измерения и анализаторы качества электрической энергии, многофункциональные приборы учета с функцией измерения показателей и параметров качества электрической энергии, для каждого i-того интервала измерения, равного интервалу времени усреднения показателей качества электрической энергии (согласно ГОСТу 32144-2013 интервал времени усреднения принимается равным 10 мин) в точке передачи электрической энергии измеряют значения фазных величин потребляемой электрической мощности P_ф,i и определяют значения следующих фазных (междуфазных) величин гармонических составляющих до 40-го порядка: коэффициентов напряжения K_U(n)ф,i, и углов фазового сдвига между напряжением и током ϕ_UI(n)ф,i.

Далее для каждого i-того десятиминутного интервала измерения проводят анализ соответствия качества электрической энергии в точке передачи электрической энергии по показателям, обусловленным генерацией гармонических составляющих тока, установленным требованиям. Анализ проводится путем сравнения полученных значений коэффициентов гармонических составляющих напряжения до 40-го порядка K_U(n)ф,i и соответствующих нормально допустимых и предельно допустимых нормативных значений, обозначенных в таблицах 1-3 ГОСТа 32144-2013. Если процедура не выявила нарушений, то приращение объема электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, ΔW_ф,i равно нулю и переходят к следующему i-тому десятиминутному интервалу измерения.

В случае обнаружения нарушений на i-том десятиминутном интервале измерения, если полученные коэффициенты K_U(n)ф,i превышают соответствующие нормально допустимые и предельно допустимые нормативные значения, проводят оценку направления электрических мощностей гармонических составляющих в точке передачи электрической энергии с целью определения виновной стороны в искажении качества электрической энергии по показателям, обусловленным гармоническими составляющими тока. В соответствии с технологическим процессом передачи электрической энергии и ее потребления нелинейными электрическими нагрузками, однозначно определить виновную сторону возможно по направлению генерируемых гармонических составляющих тока. Для этого необходимо провести оценку направления электрической мощности гармонических составляющих в точке передачи электрической энергии по углам фазового сдвига между напряжением и током гармонических составляющих до 40-ого порядка ϕ_UI(n)ф,i. Если угол фазового сдвига ϕ_UI(n)ф,i принадлежит интервалу от 0 до π/2 и от 3π/2 до 2π, то гармонические составляющие тока направлены в электрическую сеть потребителя электрической энергии, виновной стороной в искажении в точке передачи электрической энергии является сетевая организация. Приращение объема электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, ΔW_ф,i равно нулю. Переходят к следующему i-тому десятиминутному интервалу измерения.

Если угол фазового сдвига ϕ_UI(n)ф,i принадлежит интервалу от π/2 до 3π/2, то гармонические составляющие тока направлены в электрическую сеть сетевой организации. Это означает, что в точке передачи электрической энергии электрическая мощность гармонических составляющих, генерируемая потребителем с нелинейной электрической нагрузкой, больше электрической мощности гармонических составляющих, генерируемой другими потребителями сетевой организации. Искажение качества электрической энергии по показателям, обусловленным генерацией гармонических составляющих тока, в точке передачи электрической энергии однозначно связано с гармоническими составляющими тока потребителя. Виновной стороной в искажении является потребитель. Приращение объема электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, ΔW_ф,i вычисляют по выражению:

,

где t_уср - интервал времени усреднения, принимаемый равный 10 мин.

Описанные выше действия проводят для числа i-тых десятиминутных интервалов измерения, равного числу k. По истечению последнего k-того десятиминутного интервала измерения проводят контрольную оценку соответствия качества электрической энергии в точке передачи электрической энергии по показателям, обусловленным генерацией гармонических составляющих тока, установленным требованиям с учетом допустимого времени превышения установленных требований. Контрольная оценка проводится для интервала времени, равного интервалу времени нормирования качества электрической энергии (согласно ГОСТу 32144-2013 интервал времени нормирования принимается равным одной неделе, что соответствует 1008 десятиминутным интервалам измерения).

Допустимое время превышения установленных требований в ГОСТе 32144-2013 выражено допустимыми временами выхода коэффициентов гармонических составляющих напряжения до 40-го порядка K_U(n)ф,i за нормально допустимые и предельно допустимые нормативные значения в течение времени одной недели. Времена выхода за нормально допустимые T₁ и предельно допустимые T₂ нормативные значения, в %, определяют по выражениям:

где a - число i-тых десятиминутных интервалов измерения, во время которых значение коэффициента K_U(n)ф,i вышло за нормально допустимые нормативные значения, но не вышло за предельно допустимые нормативные значения;

b - число i-тых десятиминутных интервалов измерения, во время которых значение коэффициента K_U(n)ф,i вышло за предельно допустимые нормативные значения.

Времена выхода за нормально допустимые и предельно допустимые нормативные значения согласно ГОСТу 32144-2013 не должны превышать 5% и 0% соответственно. Если данное условие выполняется и оба времени не выходят за установленные значения, то считается, что искажение качества электрической энергии по показателям, обусловленным генерацией гармонических составляющих тока, в точке передачи электрической энергии отсутствует. Найденная за интервал времени нормирования качества электрической энергии сумма приращений объема электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, $${\displaystyle \sum _{i=1}^k\Delta W_{ф,i}}$$ принимается равным нулю.

В обратном случае, если хотя бы одно из времен выхода T₁ или T₂ превышают установленные значения, то считается, что качество электрической энергии в точке передачи электрической энергии искажено. Объем электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, за интервал времени нормирования качества электрической энергии W_{ф,норм,иск} вычисляют по выражению:

Согласно приведенным выше действиям, объем электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, за интервал времени нормирования качества электрической энергии определяют для каждой фазы в отдельности. Тогда объем электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, за интервал времени нормирования качества электрической энергии W_{норм,иск} для трехфазной системы будет определяться суммой найденных объемов фаз:

Наиболее удобно определять величину объема электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, за интервал времени, равному интервалу времени расчетного за электрическую энергию периода, который, согласно действующей нормативной правовой базе, составляет один месяц. При наличии системы непрерывного мониторинга качества электрической энергии, в общем случае, в расчетном периоде содержится x полных интервалов времени нормирования качества электрической энергии и дополняющий их один неполный интервал. Объем электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, W_иск за расчетный период, при наличии системы непрерывного мониторинга качества электрической энергии, вычисляют по выражению:

где W_{норм,иск,j} - объем электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, на j-том полном интервале времени нормирования качества электрической энергии;

W_{норм,иск,0} - объем электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, на неполном интервале времени нормирования качества электрической энергии.

Число x полных интервалов времени нормирования качества электрической энергии определяют по выражению:

где c - количество дней в расчетном периоде;

с_норм - количество дней в интервал времени нормирования качества электрической энергии.

Неполный интервал времени нормирования качества электрической энергии будет отсутствовать в случае, если в расчетном периоде содержится кратное число интервалов времени нормирования качества электрической энергии. В противном случае, в расчетном периоде будет содержаться один неполный интервал времени нормирования качества электрической энергии, число i-тых десятиминутных интервалов измерения k₀ в котором будет определяться выражением:

где 144 - количество десятиминутных интервалов измерения в одних сутках.

Объем электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, за неполный интервал времени нормирования качества электрической энергии определяют аналогично объему, соответствующему полному интервалу времени нормирования. При этом меняется только число i-тых десятиминутных интервалов измерения, по которым проводят контрольную оценку соответствия качества электрической энергии в точке передачи электрической энергии по показателям, обусловленным генерацией гармонических составляющих тока, установленным требованиям с учетом допустимого времени превышения установленных требований.

В случае отсутствия системы непрерывного мониторинга качества электрической энергии пользуются услугами сертифицированных электрических лабораторий. При этом предполагается одиночный или периодический мониторинг качества электрической энергии с проведением измерений в течение одного интервала времени нормирования качества электрической энергии, для которого дополнительно определяют фазный коэффициент искажения d_ф,иск, который соответствует доле объема электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, во всем объеме потребляемой электрической энергии согласно выражению:

где W_ф,норм - объем фазной потребленной электрической энергии за интервал времени нормирования качества электрической энергии.

Тогда для расчетного периода и следующего за ним, вплоть до новых измерений, объем электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, определяют по фазным коэффициентам искажения согласно выражению:

где W_A, W_B и W_C - объем потребляемой электрической энергии за требуемый интервал времени в фазах A, B и C соответственно.

Предложенное решение выгодно отличается от прототипа тем, что позволяет определить величину объема электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, по отношению к которой в системе управления качеством электрической энергии по показателям, обусловленным гармоническими составляющими тока, могут применяться воздействующие факторы экономического характера, что позволит обеспечить желаемый эффект управления. Предлагаемый объем электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, является частью объема потребляемой электрической энергии, участвующей в существующих расчетах за электрическую энергию. Величина объема потребляемой электрической энергии понятна и знакома общественности и законодательным органам. Принципиальные трудности включения величины объема электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, в законодательные акты для ее использования при расчетах за электрическую энергию в системе управления качеством электрической энергии отсутствуют.

Использование новой величины, связанной с генерацией гармонических составляющих тока, не сужает области применения и функциональных возможностей прототипа. Величина объема электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, также может использоваться для корректировки величины объема электрической энергии, по которой ведутся расчеты.

Изобретение относится к области управления качеством электрической энергии и может быть использовано при одиночном, периодическом и непрерывном мониторинге качества электрической энергии в точке передачи электрической энергии, а также при разработке многофункциональных приборов учета с функцией определения объема электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя. По способу проводят измерение показателей и параметров качества электрической энергии. В периоды отклонения значений показателей качества электрической энергии, обусловленных генерацией гармонических составляющих тока, от нормативных значений проводят оценку направления электрических мощностей гармонических составляющих в точке передачи электрической энергии. В момент генерации потребителем гармонических составляющих тока проводят определение объема потребляемой электрической энергии, участвующей в расчетах за электрическую энергию. Путем суммирования соответствующих объемов потребляемой электрической энергии в моменты генерации потребителем гармонических составляющих тока определяют объем электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, за расчетный период. Техническим результатом при реализации заявленного решения является расширение области применения и функциональных возможностей способа.

Способ определения объема электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, включающий измерение показателей и параметров качества электрической энергии; в периоды отклонения значений показателей качества электрической энергии, обусловленных генерацией гармонических составляющих тока, от нормативных значений определяют направление поступления гармонических составляющих в точке передачи электрической энергии: со стороны потребителя или электрической сети, отличающийся тем, что в момент генерации потребителем гармонических составляющих тока определяют фазный коэффициент искажения d_ф,иск, который соответствует доле объема электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, во всем объеме потребляемой электрической энергии согласно выражению:

d_{ф, иск}= W_{ф, нормир иск}/ W_{ф, нормир}

где W_{ф, норм} - объем фазной потребленной электрической энергии за интервал времени нормирования качества электрической энергии;

определяют по фазным коэффициентам искажения объем электрической энергии, искаженной гармоническими составляющими тока потребителя, за расчетный период согласно выражению:

W_иск=d _{А, иск} * W_A + d _{B, иск}* W_В + d_{С, иск} * W_С

где W_A, W_B и W_C - объем потребляемой электрической энергии за требуемый интервал времени в фазах A, B и C.