Способ автоматизированного контроля исправности измерительных трактов многофункциональных счетчиков электрической энергии в трехфазных сетях с изолированной нейтралью Российский патент 2025 года по МПК G01R35/04 G01R31/50 

Изобретение относится к электроэнергетике, конкретно к оборудованию для измерения параметров распределительных трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью напряжением от 6 до 35 кВ.

Современные приборы для измерения параметров электрических сетей, как правило, выполнены на электронных трансформаторах напряжения и тока по двух или трехэлементной схеме. В трехфазных электрических сетях с изолированной нейтралью при отсутствии замыканий на землю (ОЗЗ) для измерения мощностей и энергии достаточно двухэлементного прибора, включенного по схеме Арона, однако такой прибор не позволяет контролировать фазные напряжения. Трехэлементный прибор позволяет контролировать фазные напряжения и токи, тем самым позволяя определять возмущения в работе в работе сети, например, ОЗЗ, но функционально избыточен для целей измерения мощности и энергии, и, соответственно, сложнее и дороже.

C широким внедрением в технику приборов учета и автоматики на основе электронных трансформаторов тока и напряжения острым становится вопрос определения метрологических характеристик приборов на месте эксплуатации, поскольку отсутствует возможность раздельного контроля высоковольтных электромагнитных трансформаторов (тока и напряжения) и измерительного тракта прибора.

Известны различные способы определения места однофазного замыкания на землю в линии электропередачи (см., например, патенты RU №№: 2746693, МПК H02H3/16, G01R31/08, опубликован 19.04.2021 г.; 2786506, МПК G01R31/08, опубликован 21.12.2022 г.; 2813460, МПК G01R31/08, опубликован 12.02.2024 г.), в которых в общем случае производят измерения токов и напряжений на каждом фидере аварийного и доаварийного режимов, рассчитывают доаварийное напряжение, а также аварийные и чисто аварийные напряжения прямой обратной и нулевой последовательностей, при этом в расчетах используют измеренные значения фазных токов аварийного и доаварийного режимов, а также значения токов чисто аварийного режима, информацию о параметрах источников по концам линии электропередачи, обходных связей линии электропередачи и самой линии электропередачи, формируют реактивный параметр предполагаемого места повреждения с использованием измеренных токов и рассчитанных напряжений.

Известные способы с различной степенью достоверности позволяют определить помимо самого факта ОЗЗ его местоположение, однако не позволяют производить измерение мощности и потребляемой энергии в рабочем режиме.

Известен принятый в качестве ближайшего аналога способ контроля работоспособности счетчика активной электрической энергии (см. патент RU № 2775865, МПК G01R22/06, G01R21/06, G01R35/04, опубликован 11.07.2022 г.), заключающийся в подаче на счетчик тестового сигнала, задающего фиктивную активную мощность, с выполнением следующих действий:

а) измеряют активную мощность электрической цепи;

б) на измерительный вход измерительного элемента счетчика подают тестовый сигнал;

в) измеряют суммарную активную мощность, воздействующую на счетчик;

г) определяют измеренную фиктивную активную мощность как разность между суммарной активной мощностью и активной мощностью цепи;

д) определяют погрешность измерения фиктивной активной мощности;

е) сравнивают погрешность измерения фиктивной активной мощности с предельной погрешностью, заданной для контроля работоспособности;

ж) формируют информацию о результате контроля работоспособности счетчика.

Известный способ не позволяет проверить сквозную характеристику измерительного тракта напряжения самого высоковольтного счетчика и пригоден только для периодического контроля исправности, поскольку при его реализации происходит изменение выходного сигнала измерительного тракта, влекущее возникновение систематической ошибки измерения мощности, и как следствие необходимость постоянной коррекции результатов измерений.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в обеспечении контроля исправности измерительных трактов многофункциональных счетчиков электрической энергии при возникновении ОЗЗ, а также в определении, на какой именно фазе оно возникло.

Технический результат достигается тем, что способ автоматизированного контроля исправности измерительных трактов многофункциональных счетчиков электрической энергии в трехфазных сетях с изолированной нейтралью заключается в независимом измерении мгновенных значений тока и напряжения каждой фазы, а также межфазных напряжений при помощи трех аналого-цифровых преобразователей (АЦП), каждый из которых имеет три канала измерения, причем каждый АЦП находится под потенциалом одной из фаз, передаче полученных значений в устройство обработки и формирование в устройстве обработки из полученных с АЦП мгновенных значений фазных токов, фазных напряжений и межфазных напряжений, мгновенных значений фазных активных мощностей, фазных реактивных мощностей, а также суммарных по фазам активной, реактивной и полной мощности и значений напряжения и тока нулевой последовательности, при этом критерием исправности измерительных трактов счетчика электрической энергии является отклонение величины суммарной по фазам активной мощности от величины активной мощности, рассчитанной по формуле Арона для всех токов и межфазных напряжений, не превышающее установленный предел допустимой погрешности счетчика в динамическом диапазоне измерения.

При описании реализации заявляемого способа в материалах данной заявки использованы следующие обозначения:

- Ia, Ib, Ic - мгновенные значения токов каждой из фаз;

- Ua, Ub, Uc - мгновенные значения напряжений каждой из фаз;

- Uab, Ubc, Uca - мгновенные значения межфазных напряжений;

- Ра, Рb, Рс - мгновенные значения активных мощностей на каждой из фаз;

- Qа, Qb, Qс - мгновенные значения реактивных мощностей на каждой из фаз;

- 3Uo и 3Io - мгновенные значения напряжения и тока нулевой последовательности, соответственно.

Реализация заявляемого способа позволяет использовать метрологическую избыточность трехэлементного счетчика для автоматизированного контроля исправности измерительных трактов многофункциональных счетчиков электрической энергии в трехфазных сетях с изолированной нейтралью.

В процессе реализации способа:

Ра, Рb, Рс определяются по формуле:

Qа, Qb, Qс определяются по формуле:

3Uo и 3Io определяются по формулам:

3

Полученное на основании следующих предложений

.

где: ;

- операторы поворота векторов на 120° и 240° соответственно.

Параметры напряжений прямой и обратной последовательностей междуфазных напряжений определяются соотношениями:

- угол вектора

- сумма квадратов линейных напряжений, сумма четвертых степеней, сумма попарных произведений квадратов

Угловой параметр нулевой последовательности определяется выражением:

Вспомогательные величины, получаемые на основе междуфазных напряжений необходимые для определения нулевых последовательностей

Параметры нулевой последовательности определяются на основе фазных и линейных напряжений по алгебраическим формулам на основе измерения модулей напряжений без измерения углов

Соответствующие мощности интегрируются по времени в соответствующие энергии, их значения фиксируются профилях счетчика электрической энергии, а также могут передаваться на сервер энергоснабжающей организации.

При всех исправных измерительных каналах счетчика выполняются следующие выражения, например, для активной мощности:

Р = Ра + Рb +Рс;

P1 = Σ (Ia*Uab + Ic*Ubc)/Т;

P2 = Σ (Ia*Uac + Ib*Ubc)/Т;

P3 = Σ (Ib*Uab + Ic*Uac)/Т,

при этом, когда метрологические характеристики в норме,

|Р1-Р2|<ΔР;

|P1-P3|<ΔР;

|P-P1|<ΔР;

|P-P2|<ΔР;

|P-P3|<ΔР,

где Σ (Ix*Unm + Iy*Upq) - сумма произведений мгновенных значений соответствующих величин за интервал контроля,

Т - интервал контроля, превышающий период измеряемого напряжения (либо тока),

ΔР - допустимый предел абсолютной погрешности прибора в точке измерения, ΔР = δ*Р.

Поскольку в выражения для Р1, Р2, Р3 и Р входят величины, измеряемые тремя независимыми приборами, вероятность пропуска неисправности стремится к нулю.

При этом, превышение значений 3Uo и 3Iо пороговых значений свидетельствует о возникновении ОЗЗ. В этом случае производится формирование предупреждающего сигнала о возникновении ОЗЗ и данные о потреблении электроэнергии считаются недостоверными до момента его устранения.

Ниже приведен вариант выполнения устройства выполнения устройства, реализующего данный способ.

Многофункциональный счетчик электрической энергии представляет собой локальную измерительную систему из трех однофазных счетчиков электрической энергии, каждый из которых включает в себя:

a) измеритель фазного тока;

b) измеритель линейного (межфазного) напряжения;

c) измеритель фазного напряжения (относительно виртуального нуля или потенциала заземления);

d) вычислитель активной и реактивной мощности, энергии и действующих значений тока и напряжений для одной фазы;

e) источник питания с конденсатором отбора мощности, включенным на межфазное напряжение, и понижающим DC-DC преобразователем;

f) встроенную схему защиты от импульсных перенапряжений;

g) двунаправленную оптоэлектронную линию связи для обмена информацией с вычислителями других фаз.

Дополнительно система включает в себя следующие функциональные узлы, распределенные между вычислителями:

a) приемник глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), обеспечивающий привязку к точному времени;

b) GSM модем с eSIM модулем нескольких сотовых операторов;

c) радиоканал 868 МГц или WI-FI для передачи показаний на дистанционный дисплей (ДД);

d) энергонезависимую память для хранения результатов измерений, профилей мощности и журналов событий.

Конструктивное исполнение может быть следующим.

a) Счетчик выполнен в виде моноблока с тремя изолированными вводами напряжения, каждый из которых имеет датчик тока.

b) Все соединения, как электрические, так и оптоволоконные, выполнены внутри моноблока.

c) Питание схемы счетчика осуществляется от линейных напряжений, благодаря чему счетчик сохраняет работоспособность при ОЗЗ.

d) Счетчик может выпускаться в двух исполнениях:

• для работы на воздушных линиях, при этом счетчик устанавливается на опоре, а подключение к магистрали и ответвлению к нагрузке осуществляется отрезками провода типа СИП-3. Провод СИП-3 пропускается в отверстия датчиков тока;

• Для работы на подстанциях, при этом датчики тока комплектуются токопроводами для подключения к плоским шинам (аналогично счетчикам РиМ 389), а для обеспечения работы приемника ГНСС в комплект поставки включается ретранслятор ГНСС, состоящий из активной антенны и переизлучателя, при этом активная антенна располагается на крыше подстанции (ПС), а переизлучатель - внутри здания ПС.

Подключение токопроводов может осуществляться гибкими шинами.

Счетчик имеет высокую степень унификации с приборами РиМ384 и РиМ389:

a) конденсаторы отбора мощности, делители напряжения, варисторы защиты, преобразователи источников питания аналогичны РиМ384.

b) Датчики тока аналогичны РиМ389.

Реализация заявляемого способа позволяет использовать метрологическую избыточность трехэлементного счетчика для автоматизированного контроля исправности измерительных трактов многофункциональных счетчиков электрической энергии в трехфазных сетях с изолированной нейтралью.

Заявляемый способ обеспечивает контроль работоспособности счетчика электроэнергии, не требующего метрологической поверки на месте эксплуатации, и позволяет эффективно отличать метрологический отказ какого-либо из его измерительных каналов от внешних неисправностей линии, в частности возникновении ОЗЗ.

Изобретение относится к электроэнергетике, конкретно к оборудованию для измерения параметров распределительных трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью напряжением от 6 до 35 кВ. Технический результат: обеспечение контроля исправности измерительных трактов многофункциональных счетчиков электрической энергии на месте эксплуатации, возможность отличать метрологический отказ какого-либо из измерительных каналов от внешних неисправностей линии, в частности возникновения ОЗЗ. Сущность: измеряют мгновенные значения тока и напряжения каждой фазы и межфазных напряжений при помощи трех аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Каждый АЦП имеет три канала измерения, причем каждый АЦП находится под потенциалом одной из фаз. Передают полученные значения в устройство обработки и формируют в устройстве обработки из полученных с АЦП мгновенных значений фазных токов, фазных напряжений и межфазных напряжений мгновенные значения фазных активных мощностей, фазных реактивных мощностей, а также суммарных по фазам активной, реактивной и полной мощности и значений напряжения и тока нулевой последовательности. Критерием исправности измерительных трактов счетчика электрической энергии является выполнение соотношений: [P1 - P2] < ∆P, [P1 - P3] < ∆P, [P - P2] < ∆P, где: P = Pa + Pb + Pc - величина суммарной мощности, Pa, Pb, Pc - значения активных мощностей по каждой из фаз, P1 = Ia * Uab + Ic * Ubc, P2 = Ia * Uac + Ib * Ubc, P3 = Ib * Uab + Ic * Uac - суммарные мощности, определяемые по схеме Арона с использованием межфазных напряжений и фазных токов, Uab, Ubc, Uac - межфазные напряжения, ∆P - допустимый предел погрешности определения разности для каждого из соотношений.

Способ автоматизированного контроля исправности измерительных трактов многофункциональных счетчиков электрической энергии в трехфазных сетях с изолированной нейтралью, заключающийся в независимом измерении мгновенных значений тока и напряжения каждой фазы, а также межфазных напряжений при помощи трех аналого-цифровых преобразователей (АЦП), каждый из которых имеет три канала измерения, причем каждый АЦП находится под потенциалом одной из фаз, передаче полученных значений в устройство обработки и формирование в устройстве обработки из полученных с АЦП мгновенных значений фазных токов, фазных напряжений и межфазных напряжений, мгновенных значений фазных активных мощностей, фазных реактивных мощностей, а также суммарных по фазам активной, реактивной и полной мощности и значений напряжения и тока нулевой последовательности, при этом критерием исправности измерительных трактов счетчика электрической энергии является выполнение соотношений:

[P1 - P2] < ∆P

[P1 - P3] < ∆P (1)

[P - P2] < ∆P

где:

P = Pa + Pb + Pc - величина суммарной мощности,

Pa, Pb, Pc - значения активных мощностей по каждой из фаз,

P1 = Ia * Uab + Ic * Ubc

P2 = Ia * Uac + Ib * Ubc

P3 = Ib * Uab + Ic * Uac - суммарные мощности определяемые по схеме Арона с использованием различных межфазных напряжений и фазных токов,

Uab, Ubc, Uac - межфазные напряжения, определяемые путем суммирования соответствующих фазных напряжений,

∆P - допустимый предел погрешности определения разности для каждого из соотношений (1), определяемый на основании погрешности измерения каждой из величин P; P1; P2; P3.