Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0017

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0017
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет"
Название доклада
Разработка и исследование интеллектуальной системы автоматизированного учета электроэнергии в распределительных сетях 0,4-10 кВ с функцией локализации коммерческих и технических потерь электроэнергии
Докладчик
Кононов Юрий Григорьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследования заключалась в разработке и создании интеллектуальной системы автоматизированного учета электроэнергии в распределительных сетях (РС) 0.4-10 кВ, обеспечивающей локализацию коммерческих и технических потерь энергии
Для достижения поставленной цели решались задачи:
1. Математического моделирования режимов РС 0,4-10 кВ с целью с целью выявления недостатков существующих методик и алгоритмов расчета технических и коммерческих потерь энергии и способов их локализации.
2. Совершенствования методик и алгоритмов расчетов и локализации технических и коммерческих потерь энергии в сетях 0,4 кВ с учетом информационных возможностей разрабатываемых интеллектуальных электронных устройств (ИЭУ).
3. Разработки способа и программно-аппаратных решений синхронизации измерений в электрических сетях 0,4 кВ по фазе напряжения сети.
4 Разработка методик и алгоритмов компенсации систематических погрешностей трансформаторов тока и напряжения в ИЭУ.
5. Разработки и испытаний экспериментальных образцов трехфазных и однофазных ИЭУ.
6. Разработки и испытаний экспериментальных образцов автоматизированных информационно-измерительных систем коммерческого учета электроэнергии (АИИС КУЭ) в РС 0,4-10 кВ.
7. Разработки и испытаний опытного образца передвижной лаборатории для идентификации топологии и параметров электрических сетей 0,4-10 кВ.
8. Апробирования экспериментальных образцов АИИС КУЭ в действующих РС 10 и 0,4 кВ, а также доработки программного обеспечения АИИС КУЭ по результатам апробации.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность выполняемой работы определяется высоким уровнем потерь энергии (особенно коммерческой составляющей, обусловленной хищениями электроэнергии) в распределительных сетях России и таких крупных стран, как Индия, Бразилия, Китай и др., с одной стороны, и планируемым широкомасштабным внедрением концепции "Интеллектуальной энергетической системы" (Smart Grid), с другой стороны.
По данным экспертов (http://www.prnewswire.com) в настоящее время ежегодные убытки из-за хищений электроэнергии во всем мире составляют около 90 млрд. долларов в год, в том числе в Индии 16,2, Бразилии 10,5, России 5,1 млрд. долларов.
Новизна предлагаемых решений заключается в:
-оригинальном методе синхронизации измерений в ИЭУ по фазе напряжения сети 0,4 кВ, основанном сопоставлении графиков изменения частоты напряжения в различных узлах сети и учете фазового сдвига напряжения по результатам расчета режима электрической сети;
- использовании методики выявления недостоверных измерений на базе сравнения расчетных значений напряжений в узле питания, определяемых по данным синхронных измерений в узлах сети, питающихся непосредственно от данного узла;
- применении для локализации коммерческих потерь энергии метода оценивания состояния режима сети по данным синхронно измеряемых сигналов напряжений и информации о схеме замещения сети;
-использовании мгновенных значений токов и напряжений для оценивания состояния электрических сетей, что позволяет учитывать нестационарность происходящих процессов;
- автоматизированном формировании в АИИС КУЭ схемы замещения электрической сети 0,4-10 кВ на базе передвижной лаборатории с использовании общей информационной модели.
Описание исследования

Математическое моделирование режимов РС 0,4-10 кВ выполнялось при помощи специально разработанного на языке C++ программного обеспечения, реализующего решение системы уравнений узловых напряжений  и  позволяющего рассчитывать режимы трех- (для сетей 10 кВ), четырех- (для сетей 0,4 кВ) и пятипроводных (с учетом схемы уличного освещения) разомкнутых сетей произвольной конфигурации с учетом несимметрии нагрузок, повторных заземлений, взаимоиндукции между проводами фаз и несинусоидальности потребляемых токов и напряжений источника питания.

Для обеспечения требуемых функциональных свойств и метрологических характеристик экспериментального образца трехфазного ИЭУ предложена функциональная схема, включающая блоки измерения, синхронизации и управления. Применение в блоке синхронизации фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) позволило решить проблему высокоточной синхронизации измерений при помощи сигнала PPS от модуля GPS/ГЛОНАСС спутниковой навигационной системы.

Применение современных микросхем от мировых лидеров электронной индустрии: ФАПЧ на микросхемы AD9548 фирмы Analog Devices, модуля приемника GPS/ГЛОНАСС с выходным сигналом PPS ML8088sE компании НАВИА и восьмиканального АЦП ADS131E08 фирмы Texas Instruments обеспечило заданные функциональные и метрологические характеристики трёхфазного ИЭУ.

Проверка синхронности измерений, выполняемых экспериментальными образцами трехфазных ИЭУ, осуществлялась путем подачи на их входы сигнала напряжения от общего источника питания с последующим анализом полученных результатов измерения на основе сравнения измеренных осциллограмм в момент перехода через ноль сигнала переменного напряжения.

Проверка точности локализации технических и коммерческих потерь на физической модели электрической сети выполняется сравнением получаемых в  АИИС КУЭ результатов с эталонными значениями, в качестве которых принимаются результаты измерений при помощи модулей NI 9225 и NI 9227.

Опытный образец передвижной лаборатории для автоматизированного формирования топологии и параметров схем замещения фидеров 0,4 и 6-10 кВ собран на базе измерительных модулей компании National Instruments NI-9225, NI-9239 с 24-х разрядными сигма-дельта АЦП  и контроллера NIcRIO-9025 и шасси NI cRIO-9118. Синхронизация измерений и связь с сервером осуществляется при помощи модуля GPS/GSM модуля SEA-9721.

Методика уточнения параметров сети, реализованная в программном обеспечении, написанном в среде LabVIEW и на ясыке C++,  включает следующие этапы:

1) идентификация параметров трансформаторов 10/0,4 кВ;

2) идентификация топологии сетей 0,4 кВ и 6-10 кВ;

3) идентификация параметров сети 0,4 кВ;

4) идентификация параметров сети 6-10 кВ.

Для синхронизации измерений в однофазных ИЭУ предложен способ синхронизации состоит из двух этапов, отличающихся точностью и периодичностью:

На первом этапе осуществляется первичная синхронизация ("захват" фазы напряжения), обеспечивающая точность хода внутренних часов, подчиненных ИЭУ, соответствующую расхождению одноименных фаз напряжений узлов их присоединения.

На втором этапе выполняется корректировка коэффициентов систематической нестабильности кварцевых тактовых генераторов подчиненных ИЭУ   с учетом фазового сдвига напряжений в узлах сети.

Для первичной синхронизации используется методика, основанная на случайных вариациях частоты в электроэнергетической системе и новых информационных возможностях разрабатываемых ИЭУ по высокоточному измерению значений частоты напряжения на каждом периоде силовой сети для заданного интервала времени. Главное ИЭУ производит определение частоты для каждого периода и запоминает их с привязкой к точному времени UTC. Подчиненные ИЭУ также определяют частоту для каждого периода с метками времени от своих внутренних часов. Значения частоты на заданном количестве периодов напряжения силовой сети передаются в сервер АИИС КУЭ, где путём сравнения графиков изменения частоты определяется величина рассинхронизации внутренних часов ИЭУ по сравнению с эталонными часами главного ИЭУ.

Для подтверждения работоспособности данного способа синхронизации были выполнены полевые измерения частоты в начале и конце действующего фидера 0,4 кВ. Измерения осуществлялись при помощи двух идентичных измерительных систем на базе cRIO с модулями NI 9225 и SEA 9172.

Для испытаний разработанных экспериментальных образцов АИИС КУЭ в РС 0,4-10 кВ и опытного образца передвижной лаборатории использовалась физические модели сетей на базе оборудования ООО "Учебная техника" (г. Челябинск) и измерительные модули компании National Instruments.

Результаты исследования

Разработана математическая модель сети 10-0,4 кВ и реализующая ее программа оценивания режима сети по данным мгновенных значений токов и напряжений, позволяющая моделировать режимы трехпроводной (для сетей 10 кВ) и четырех- (для сетей 0,4 кВ) и более (с учетом схемы уличного освещения) проводных разомкнутых сетей произвольной конфигурации с учетом несимметрии нагрузок, повторных заземлений, взаимоиндукции между проводами фаз и несинусоидальности и нестационарности токов и напряжений.

Расчетные исследования на основе предложенной модели режимов реального фидера 0,4 кВ показали, что наибольшее влияние на погрешность идентификации режимных параметров сети оказывают точность и синхронность измерения напряжений, а также погрешность задания пассивных параметров элементов сети. Для обеспечения 5 % погрешности локализации коммерческих потерь требуется измерения напряжений выполнять с погрешностью не хуже 0,05 В и рассинхронизацией не более 0,5 мкс при задании сопротивлений участков линий с погрешностью не более 0,5 %.

Разработаны алгоритмы компенсации систематических погрешностей измерительных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН), позволяющие улучшить класс точности измерительных ТТ и ТН, с 0,5 до 0,2.

Испытания экспериментальных образцов  (ЭО) 13 трехфазных ИЭУ показали, что среднее значение рассинхронизхации измерений составляет 0,53 мкс при максимальной величине 0,65 мкс. Метрологические свойства ИЭУ соответствуют электронным счетчикам класса 0,2.

Предложен низкозатратный способ синхронизации измерений в ИЭУ по графикам измеряемой частоты и фазе напряжения. основанный на определение частоты напряжения силовой сети для каждого периода в различных её узлах. Работоспособность данного способа подтверждена экспериментальными синхронными измерениями частоты в начале и конце фидера 0,4 кВ. Исследования показали, что для надежной синхронизации измерений  достаточно анализировать коэффициент корреляции для графиков изменения частоты на 50 периодах.

Расчётные исследования  показывают, что точность относительной синхронизации при отсутствии возможности расчёта или оценивания режима сети не хуже 70 мкс. В условиях наличии возможности расчёта режима сети, точность синхронизации может быть улучшена до 0,7- 3,5 мкс.

Работоспособность разработанного ЭО АИИС КУЭ для РС 6-10 кВ подтверждена лабораторными испытаниями на физической модели сети, а также апробацией системы на действующем фидере 10 кВ. При испытаниях на физической модели сети погрешность определения технических потерь не превысила 4,2 %, а точность локализации коммерческих потерь энергии не превысила 4,1 %.

Полевые испытания точности локализации коммерческих потерь показали, что при присоединении неучтенной нагрузки мощностью 1,7 кВт на шины 0,4 кВ подстанции с нагрузкой 131 кВт при 100 % точности определения места ее присоединения с помощью установленной АИИС КУЭ погрешность численного ее определения не превысила 0,18 кВт, что составляет 11 % от величины самой неучтенной нагрузки или 1,4 % от суммарной нагрузки подстанции.

Сопоставление полученных результатов исследований с результатами аналогичных работ, определяющих мировой уровень, показывает, что локализация коммерческих потерь в АИИС КУЭ ведущих мировых производителей (Itron AMR System, США; IONOS, Франция; EIServer, Германия и др.) осуществляется, как правило, статистическими методами, имеющими значительно большую погрешность и меньшую оперативность.

Практическая значимость исследования
Практическое применение результатов ПНИ предполагается в электрических сетях 0,4-10 кВ, оснащенных разработанными ИЭУ и АИИС КУЭ. Конкурентным преимуществом результатов работы является возможность более точного определения и локализации технических и коммерческих потерь энергии в РС и принятия обоснованных решений по их снижению.
Ожидаемый народно-хозяйственный эффект связан с:
1) сдерживанием роста тарифов на электроэнергию за счет снижения коммерческих и технических потерь энергии в РС и, как следствие, повышение конкурентноспособности отечественной продукции.
2) совершенствованием процесса распределения электроэнергии за счет лучшей информационной обеспеченности управляющих систем;
3) повышением уровня автоматизации благодаря использованию передвижных лабораторий для идентификации топологии и параметров элементов РС ;
4) улучшением потребительских свойств существующей продукции (электроэнергии) в части повышения ее качества и надежности электроснабжения благодаря своевременному исключению несанкционированного потребления;
5) возможностью применения предложенного низкозатратного способа синхронизации измерений в других сферах (телекоммуникациях, сейсмологии и т.п.).
Направленность предлагаемого проекта входит в научно-исследовательские российские и мировые приоритеты, что подтверждается разработкой концепции национального проекта "Интеллектуальная энергетическая система России", а также дорожной карты национальной технологической инициативы ЭнерджиНет. В настоящее время имеются хорошие перспективы коммерциализации результатов проекта в ПАО «Россети» и коммунальных РС благодаря переходу РСК на RAB-регулирование и экономической заинтересованности компаний в снижении потерь энергии.
Результаты проекта могут быть также востребованы в Индии, Китае, Бразилии, Нидерландах, Малайзии, Венесуэле и других странах с высоким уровнем потерь энергии в РС .
По данным (http://www.prnewswire.com) в ближайшее десятилетие этими странами предполагается вложить 150 млрд. долларов в развитие инфраструктуры Smart Grid с целью снижения коммерческих потерь энергии повышения надежности сетей.