Способ определения экономии электроэнергии при использовании энергосберегающих устройств в трехфазной электрической сети Российский патент 2025 года по МПК G01R21/00 G01R19/25 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для автоматического контроля и управления эффективностью энергопотребления предприятия.

Технический результат заключается в обеспечении оперативного определения экономии электроэнергии при внедрении и эксплуатации энергосберегающего оборудования.

Минимизация потерь электроэнергии является одной из важнейших задач энергосбережения отечественной электроэнергетики. Современные промышленные предприятия все чаще обращают внимание на данную проблему по причине непосредственной возможности уменьшить экономические расходы и значительно улучшить технико-экономические показатели своих систем электроснабжения.

Основными источниками потерь электроэнергии на предприятии являются реактивная мощность, не симметрия питающих токов и напряжений (перекос фаз), а также наличие высших гармоник.

Реактивная мощность, обусловленная индуктивным или емкостным характером нагрузки, приводит к снижению уровней напряжения в электрической сети, увеличению потерь активной мощности в элементах сети, увеличивает токовую нагрузку, снижает резерв пропускной способности и устойчивость сети.

Перекос фаз возникает, как правило, в результате ошибочного распределения нагрузки в фазах внутренних 3-х фазных сетей. При этом происходит увеличение уровня потребления электроэнергии, перегрев обмоток и снижение вращающего момента на валу асинхронных двигателей, вибрация в электромашинных системах, снижающая их ресурс эксплуатации.

Наличие гармоник в электрической сети предприятия приводит к нагреву и дополнительным потерям в трансформаторах и электрических машинах, снижение вращающего момента на валу асинхронных двигателей, нагреву конденсаторов, сокращению срока службы электрооборудования из-за интенсификации теплового и электрического старения изоляции.

В настоящее время экономия и качество электроэнергии считается одним из ключевых показателей эффективной работы предприятия, поэтому актуальным является использование, энергосберегающих устройств, позволяющих компенсировать влияние источников потерь в электрической сети.

Однако внедрение энергосберегающих систем и их эксплуатация приводит к дополнительным расходам для предприятия. Поэтому не менее актуальным является вопрос предварительной оценки эффективности их использования - определение экономии расходов от ожидаемого снижения энергопотребления и соотнесения их с затратами на внедрение и использование.

Из уровня техники известен способ измерения экономии электрической мощности при использовании энергосберегающих устройств (RU 2629905, опубл. 04.09.2017 г.), выполненных по схеме включения трансформатора в режиме автотрансформатора с вольтодобавочной обмоткой, включающим измерение электрической мощности с помощью измерительных счетчиков, обеспечивающий измерение значений расхода электрической мощности с подключенным энергосберегающим устройством и без него, что позволяет вычислять значение экономии электрической энергии в произвольный момент времени. Однако данное решение является частным случаем энергосбережения для включения трансформатора в режиме автотрансформатора с вольтодобавочной обмоткой и не позволяет его использовать в масштабах предприятия.

Известен (CN 104375035 A, опубл. 26.12.2017) способ проверки эффективности энергосберегающих устройств в котором, создается математическая модель предварительной оценки, собираются соответствующие параметры элементов и эксплуатационные данные за отчетный период. В отчетном периоде после реализации энергосберегающего проекта проводится предварительная оценка объема потенциально сэкономленной электроэнергии и формирование отчета о предварительной оценке; определяется период статистической отчетности по энергосберегающему проекту, создается постоценочная математическая модель, собираются соответствующие параметры элементов и эксплуатационные данные периода статистического отчета. После реализации проекта по энергосбережению проводится последующая оценка отчета об измерениях и поверках. Однако этот способ является сложным и не позволяет обеспечить оперативное, в заданные моменты времени приведение оценки экономии электроэнергии на предприятии.

Известен (RU 2613584, опубл. 17.03.2017) способ анализа качества электрической энергии в 3-фазной электрической сети, который содержит следующие этапы:

- измеряют (Е1) совокупность электрических величин, при этом совокупность содержит одну электрическую величину на каждую фазу;

- формируют (Е2) пространственный вектор на основании моментального трехмерного преобразования совокупности измеренных электрических величин;

- определяют (Е3) совокупность, содержащую параметр, характеризующий качество электрической энергии в трехфазной электрической сети, в зависимости от зависящего от времени пространственного вектора, вычисленного в скользящем окне, при этом совокупность, содержащая, по меньшей мере, один параметр, характеризующий качество электрической энергии в трехфазной электрической сети, включает в себя, по меньшей мере, один параметр, выбранный из группы, состоящей из:

- параметра (kD), характеризующего нарушение равновесия напряжения или тока в трехфазной сети;

- параметра (кС), характеризующего спад напряжения или тока;

- параметра (kS), характеризующего перенапряжение или скачок силы тока;

- параметра (kF), характеризующего мерцание напряжения.

Данное техническое решение позволяет выявить спады напряжения или тока, уровень гармоник, перенапряжения или скачки тока, нарушения равновесия или мерцание напряжения. Однако данный способ не обеспечивает определение экономии электроэнергии на предприятии.

В документе (US 9489027 B1, опубл. 08.11.2016) приведено описание измерения экономии электрической мощности путем создания профиля энергопотребления с последующим использованием этого профиля для будущих расчетов экономии мощности и оценки экономии затрат после реализации. В результате внедрения этого способа определение реальной экономии электроэнергии на предприятии производится не путем непосредственных измерений, а с использованием созданного профиля энергопотребления.

При этом создание профиля энергопотребления производится на предварительном этапе путем проведения ряда тестов на различных режимах функционирования, с измерением, фиксацией результатов измерений и вычислением соответствующих весовых коэффициентов.

Данное техническое решение является наиболее близким по технической сущности к заявленному.

Однако известное техническое решение не позволяет определить экономию электрической энергии при внедрении энергосберегающих устройств, обеспечивающих компенсацию реактивной мощности, фильтрацию гармоник и компенсацию перекоса фаз в электрической сети предприятия.

Задачей настоящего изобретения является определение эффективности от внедрения энергосберегающих устройств на предприятии.

Технический результат, получаемый в результате осуществления и использования заявленного изобретения, заключается в упрощении процесса определения экономии электроэнергии, сокращении времени и расходов на проведение измерений.

Указанный технический результат достигается тем, что определение экономии электроэнергии при использовании энергосберегающих устройств в трехфазной электрической сети осуществляют в два этапа:

на первом этапе создают математический профиль для определения экономии электроэнергии, для чего:

- подключают к трехфазной электрической сети энергосберегающее устройство;

- подключают к трехфазной электрической сети анализатор качества параметров сети;

- подключают к трехфазной электрической сети блок датчиков, содержащий датчики тока, датчики напряжения, измерители коэффициента гармоник k_г, вычислители коэффициента мощности - cosϕ и соединяют его соответствующие информационные выходы с информационными входами энергосберегающего устройства и анализатора качества параметров сети;

- подключают к электрической сети вычислители общей потребляемой мощности, и вычислители мощности, потребляемой электроприводом Р_эп;

- изменяют конфигурацию трехфазной электрической сети с целью изменения значения коэффициента мощности cosϕ дискретно не менее 3-5 итераций, измеряют анализатором качества параметров сети и фиксируют экономию электроэнергии, определяют и фиксируют зависимость экономии электроэнергии от значения коэффициента мощности - δ_рм, восстанавливают исходную конфигурацию трехфазной электрической сети;

- изменяют конфигурацию трехфазной электрической сети с целью изменения уровня гармоник дискретно не менее 3-5 итераций, измеряют анализатором качества параметров сети и фиксируют экономию электроэнергии, определяют и фиксируют зависимость экономии электроэнергии от компенсации гармоник - δ_г, восстанавливают исходную конфигурацию трехфазной электрической сети;

- изменяют конфигурацию трехфазной электрической сети с целью изменения перекоса фаз дискретно не менее 3-5 итераций, измеряют анализатором качества параметров сети и фиксируют экономию электроэнергии, определяют и фиксируют зависимость экономии электроэнергии от перекоса фаз от значений минимального U_min и максимального U_max напряжений, мощности, потребляемой электроприводом, общей потребляемой мощности - δ_пн, восстанавливают исходную конфигурацию трехфазной электрической сети;

- определяют суммарное значение экономии электроэнергии по формуле:

- измеряют анализатором качества параметров сети фактическое значение экономии электроэнергии δ_ф при исходной конфигурации трехфазной электрической сети и определяют коэффициент нормирования k_н.

- определяют математический профиль как:

- изменяют 3-5 раз конфигурацию трехфазной электрической сети с целью изменения уровня реактивной мощности, гармоник, перекоса фаз, в каждом случае измеряя анализатором качества параметров сети и фиксируя значение δ_ф, вычисляя Δ, и k_н. При необходимости, значение k_н уточняют как среднее значение для всех случаев;

- отключают анализатор качества параметров сети от трехфазной электрической сети,

на втором этапе, в процессе штатного функционирования трехфазной электрической сети через определенные расписанием промежутки времени, автоматически измеряют ее текущие параметры: коэффициент мощности, уровень гармоник, значения минимального и максимального напряжения, мощность, потребляемую устройствами с электроприводом, полную мощность, потребляемую предприятием, вычисляют по формуле (3) текущие значения экономии электроэнергии и выводят его на экран дисплея оператора для контроля.

При этом что значение экономии за счет компенсации реактивной мощности определяют из соотношения:

где δ_рм - значение экономии электроэнергии за счет компенсации коэффициента мощности,

cosϕ - измеренное значение сдвига фаз между током и напряжением - коэффициент мощности,

значение экономии за счет компенсации гармоник определяют из соотношения:

где δ_г - значение экономии электроэнергии за счет компенсации гармоник,

k_г - измеренное значение коэффициента гармоник,

Значение экономии за счет компенсации перекоса фаз определяют из соотношения:

где:

δ_пн - значение экономии электроэнергии за счет компенсации перекоса напряжений,

U_max и U_min - максимальное и минимальное значение фазного напряжения,

Р_эп - мощность, потребляемая электроприводом,

- общая потребляемая мощность,

определяют суммарное значение экономии Δ по формуле:

где k_н - коэффициент нормирования определяемый по результатам испытаний,

и выводят его на экран дисплея оператора для контроля.

Использование данного изобретения позволяет значительно упростить определение экономии электроэнергии, так как ее вычисление производится по заранее созданному математическому профилю для определения экономии электроэнергии с использованием информации, непрерывно поступающей сдатчиков, установленных в трехфазной электрической сети предприятия. Выходные данные поступают на дисплей оператора как по заранее установленному расписанию, так и по команде оператора в произвольное время.

При этом дорогостоящий анализатор качества параметров сети используется только на этапе создания математической модели.

Математический профиль для определения экономии электрической энергии может быть дополнен по предложенной методике в случае использования на предприятии энергосберегающего устройства, обеспечивающего компенсацию иных (дополнительных) источников потерь.

Внедрение и эксплуатация энергосберегающих устройств сопряжено с затратами, поэтому для потребителя важным является вопрос окупаемости проведенных затрат. Для этой цели и необходимо провести предварительную оценку потенциальной экономии электроэнергии и соотнести ее с затратами на использование энергосберегающих устройств.

С этой целью предприятие может пригласить специалистов выехать на предприятие с оборудованием (устройствами энергосбережения и анализатором качества параметров сети) и провести натурные испытания по методике, определенной анализатором качества параметров сети. Однако такое решение является затратным и по средствам и по времени, кроме того, нарушает режим работы функционирующего предприятия, так как требует временных изменений в режиме в работе электрической сети.

Предложенное изобретение позволяет это сделать по измеренным и представленным параметрам сети (коэффициент мощности, уровень гармоник, значения минимального и максимального напряжения, мощность потребляемую устройствами с электроприводом, полную мощность потребляемую предприятием).

Особенно большой интерес оценка эффективности применения энергосберегающих устройств на предприятиях удаленным способом (без выезда специалистов), представляет для предприятий удаленных регионов для снижения логистических, временных и других расходов.

Математический профиль для определения экономии электроэнергии для конкретного энергосберегающего устройства может быть создан как на предприятии, на этапе внедрения энергосберегающего устройства, так и на стенде, схема которого приведена на рис. 1.

Стенд может быть организован как в электрической сети предприятия с выделением групп потребителей с необходимыми техническими характеристиками, так и в виде специально собранного стенда. Стенд содержит силовой щит 1, содержащий в своем составе измеритель общей потребляемой мощности выходом которого является трехфазная сеть с нулевым проводом, блок датчиков 2, содержащий в своем составе датчики тока, датчики напряжения, измерители коэффициента гармоник k_г, вычислители коэффициента мощности - cosϕ, подключенные к трехфазной сети: энергосберегающее устройство 3, подключаемое к сети посредством силового коммутатора 4 (в большинстве энергосберегающих устройств такой силовой коммутатор входит в их состав и тогда необходимость подключения аналогичного внешнего устройства отсутствует), анализатор качества параметров сети 5, потребитель с электроприводом 6, содержащий в своем составе измеритель мощности Р_эп, силовой мультиплексор 7, к соответствующим трехфазным выходам которого подключены: потребитель с регулируемой реактивной мощностью 8, потребитель с регулируемым уровнем гармоник 9, потребитель с регулируемой межфазной нагрузкой 10. При этом информационные выходы блока датчиков соединены с соответствующими информационными входами энергосберегающее устройств 3 и анализатора качества параметров сети 4.

В качестве энергосберегающего устройства 3 могут быть использованы устройства, выполненные в соответствии с техническими решениями, предложенными в пат. РФ №2586061 от 10.06.2016, пат. США №9335776 от 05.10.2016, пат. США №7002321 от 21.02.2006. В качестве анализаторов качества параметров сети 4 могут быть использованы промышленные изделия, например, анализатор качества электроэнергии Fluke 435 II. Силовой мультиплексор 7 может быть выполнен на силовых тиристорах и представляет собой коммутатор, который подключает к сети потребителей электроэнергии, подключенных к его выходам.

Математический профиль для определения экономии электроэнергии создают следующим образом.

1. Подключают к сети посредством силового мультиплексора 7 потребителя с регулируемой реактивной мощностью 8, устанавливают его параметры для обеспечения потребления уровня 1.

2. Включают анализатор качества параметров сети 5 на запись, а также включают энергосберегающее устройство 6.

3. Измеряют экономию электроэнергии анализатором качества параметров сети 7, в соответствии с его руководством, путем подключения и отключения энергосберегающего устройства 5 силовым коммутатором 4. Фиксируют показания.

4. Проводят измерения п. 3 для различных уровней по п. 1 (3-5 уровней).

Анализируют, аппроксимируют полученные данные и выводят математическую зависимость экономии электроэнергии от значения коэффициента мощности δ_рм.

5. Отключают от сети посредством силового мультиплексора потребителя с регулируемой реактивной мощностью 8 и подключают потребителя с регулируемым уровнем гармоник 9, устанавливают его параметры для обеспечения уровня 1 гармоник.

6. Измеряют экономию электроэнергии анализатором качества параметров сети 7, в соответствии с его руководством, путем подключения и отключения энергосберегающего устройства 5 силовым коммутатором 4. Фиксируют показания.

7. Проводят измерения п. 6 для различных уровней по п. 5 (3-5 уровней).

Анализируют, аппроксимируют полученные данные и выводят математическую зависимость экономии электроэнергии от значения коэффициента δ_г.

8. Отключают от сети посредством силового мультиплексора 7 потребителя с регулируемым уровнем гармоник 9 и подключают потребитель с регулируемой межфазной нагрузкой 10, устанавливают его параметры для обеспечения уровня 1 перекоса фаз.

9. Измеряют экономию электроэнергии анализатором качества параметров сети 7, в соответствии с его руководством, путем подключения и отключения энергосберегающего устройства 5 силовым коммутатором 4. Фиксируют показания.

10. Проводят измерения п. 9 для различных уровней по п. 8 (3-5 уровней).

Анализируют, аппроксимируют полученные данные и выводят математическую зависимость экономии электроэнергии от уровня перекоса фаз δ_пн.

11. Вычисляют суммарную экономию электроэнергии:

.

12. Подключают к сети посредством силового мультиплексора 7 всех потребителей: потребителя с регулируемой реактивной мощностью 8, потребителя с регулируемым уровнем гармоник 9, потребителя с регулируемой межфазной нагрузкой 10.

13. Измеряют анализатором качества параметров сети 4 фактическое значение экономии электроэнергии δ_ф и определяют коэффициент нормирования k_н:

.

- определяют математический профиль для определения экономии электроэнергии как:

.

14. Изменяют конфигурацию потребителей трехфазной электрической сети с целью изменения уровня реактивной мощности, гармоник, перекоса фаз, в каждом случае измеряя анализатором качества параметров сети и фиксируя значение δ_ф, вычисляя Δ и k_н. При необходимости значение k_н уточняют как среднее значение для всех случаев.

Использование созданного математического профиля позволяет оценить целесообразность использования энергосберегающего устройства на предприятии только по информации о параметрах сети предприятия! измеренных посредством штатных промышленных датчиков (датчики тока, датчики напряжения, измерители cosϕ, измерители мощности) без использования дорогостоящих приборов и проведения сложных измерений.

В случае использования уже установленного на предприятии энергосберегающего устройства, предложенный способ позволяет определять экономию электроэнергии практически в режиме on-line.

Апробация данного способа определения экономии электроэнергии проведена на нескольких предприятиях, использующих энергосберегающие устройства.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для автоматического контроля и управления эффективностью энергопотребления предприятия. Для этого на первом этапе создают математический профиль для определения экономии электроэнергии. На втором этапе вычисляют текущие значения экономии электроэнергии и выводят его на экран дисплея оператора для контроля. Техническим результатом при реализации заявленного решения является обеспечение оперативного определения расхода электроэнергии с учетом ее экономии при внедрении и эксплуатации энергосберегающего оборудования. При использовании на предприятии энергосберегающее устройство позволяет определять расход электроэнергии, с учетом ее экономии, практически в режиме on-line. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения расхода электроэнергии при использовании энергосберегающих устройств в трехфазной электрической сети, отличающийся тем, что содержит два этапа:

на первом этапе создают математический профиль для определения расхода электроэнергии с учетом ее экономии, для чего:

- подключают к трехфазной электрической сети энергосберегающее устройство;

- подключают к трехфазной электрической сети анализатор качества параметров сети;

- подключают к трехфазной электрической сети блок датчиков, содержащий датчики тока, датчики напряжения, измерители коэффициента гармоник k_г, вычислители коэффициента мощности - сosϕ и соединяют его соответствующие информационные выходы с информационными входами энергосберегающего устройства и анализатора качества параметров сети;

- подключают к электрической сети вычислители общей потребляемой мощности, P_∑ и вычислители мощности, потребляемой электроприводом Р_эп;

- изменяют конфигурацию трехфазной электрической сети с целью изменения значения коэффициента мощности cosϕ дискретно не менее 3-5 итераций, измеряют анализатором качества параметров сети и фиксируют экономию электроэнергии, определяют и фиксируют зависимость экономии электроэнергии от значения коэффициента мощности - δ_рм, восстанавливают исходную конфигурацию трехфазной электрической сети;

- изменяют конфигурацию трехфазной электрической сети с целью изменения уровня гармоник дискретно не менее 3-5 итераций, измеряют анализатором качества параметров сети и фиксируют экономию электроэнергии, определяют и фиксируют зависимость экономии электроэнергии от компенсации гармоник - δ_г, восстанавливают исходную конфигурацию трехфазной электрической сети;

- изменяют конфигурацию трехфазной электрической сети с целью изменения перекоса фаз дискретно не менее 3-5 итераций, измеряют анализатором качества параметров сети и фиксируют экономию электроэнергии, определяют и фиксируют зависимость экономии электроэнергии от перекоса фаз от значений минимального U_min и максимального U_max напряжений, мощности, потребляемой электроприводом, общей потребляемой мощности - δ_пн, восстанавливают исходную конфигурацию трехфазной электрической сети;

- определяют суммарное значение экономии электроэнергии по формуле:

- измеряют анализатором качества параметров сети фактическое значение экономии электроэнергии δ_ф при исходной конфигурации трехфазной электрической сети и определяют коэффициент нормирования k_н:

- определяют математический профиль как:

- изменяют 3-5 раз конфигурацию трехфазной электрической сети с целью изменения уровня реактивной мощности, гармоник, перекоса фаз, в каждом случае измеряя анализатором качества параметров сети и фиксируя значение δ_ф, вычисляя Δ и k_н, при необходимости значение k_н уточняют как среднее значение для всех случаев;

- отключают анализатор качества параметров сети от трехфазной электрической сети,

на втором этапе, в процессе штатного функционирования трехфазной электрической сети через определенные расписанием промежутки времени, автоматически измеряют ее текущие параметры: коэффициент мощности, уровень гармоник, значения минимального и максимального напряжения, мощность, потребляемую устройствами с электроприводом, полную мощность, потребляемую предприятием, вычисляют по формуле (3) текущие значения экономии электроэнергии и выводят его на экран дисплея оператора для контроля.

2. Способ измерения расхода электроэнергии по п. 1, отличающийся тем, что значение экономии за счет компенсации реактивной мощности определяют из соотношения:

где δ_рм - значение экономии электроэнергии за счет компенсации коэффициента мощности,

cosϕ - измеренное значение сдвига фаз между током и напряжением - коэффициент мощности,

значение экономии за счет компенсации гармоник определяют из соотношения:

где δ_г - значение экономии электроэнергии за счет компенсации гармоник,

k_г - измеренное значение коэффициента гармоник, значение экономии за счет компенсации перекоса фаз определяют из соотношения:

где - значение экономии электроэнергии за счет компенсации перекоса напряжений,

U_max и U_min - максимальное и минимальное значение фазного напряжения,

Р_эп - мощность, потребляемая электроприводом,

P_Σ - общая потребляемая мощность, определяют суммарное значение экономии А по формуле:

где k_н - коэффициент нормирования, определяемый по результатам испытаний,

и выводят его на экран дисплея оператора для контроля.