Geum.ru

Содержание общие вопросы метрологического обеспечения измерительных систем 9 Брюханов В. А. 9

Вид материалаДоклад

Содержание


К вопросам о методике выполнения измеренийэлектрической энергии
Кузнецов В.П., Тронова И.М.
Подобный материал:
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   34

К вопросам о методике выполнения измерений
электрической энергии


Современные рыночные отношения, в частности, в области электроэнергетики требуют более углублённого понимания метрологических вопросов, связанных с методиками выполнения измерений (МВИ). Здесь можно выделить две причины, которые не способствовали их развитию в бывшем СССР, а затем и в России и которые можно условно подразделить на субъективные и объективные.

В эпоху монопольного государственного владения средствами производства, передачи электроэнергии и права распоряжаться энергоресурсами, когда собственник в лице государства сам себе и продавал, и покупал электроэнергию, а во многих случаях это делалось взаимозачётами, особой заинтересованности в более глубоком изучении метрологических вопросов по измерению электроэнергии у него не было. Это субъективный момент. Объективной причиной является то, что баланс электроэнергии на больших объектах со множеством измерительных комплексов или каналов в большинстве случаев сходился и, следовательно, не возникало поводов для беспокойств. В этих условиях были разработаны и внедрены документ [1], а затем [2–5], в которых изложены методический подход и алгоритмы оценки погрешностей измерений электрической энергии и мощности измерительными комплексами, а для автоматизированных информационно-измерительных систем (АИИС) – измерительными каналами (ИК). Последние три документа общепринято рассматривать в качестве типовых методик выполнения измерений (МВИ).

Что общего в этих документах? А общими являются следующие положения.

1. Погрешности каждого СИ в составе ИК принимают для отдельного вида как систематические, но в совокупной массе – как случайные.

2. Закон распределения случайных погрешностей СИ ИК в области границ, заданных пределами нормативных документов, принято рассматривать как равномерный.

3. Суммарную погрешность ИК принимают как случайную с законом распределения, близким к нормальному.

4. За погрешность ИК принимают границы неисключённой систематической погрешности [6] (интервал неопределённости) с доверительной вероятностью 0,95.

5. Измерение электрической энергии и мощности осуществляют прямым методом по показаниям счётчиков, а оценку погрешности измерений ИК – косвенным по составляющим погрешностей, взятым из нормативных документов на средства измерений (СИ), входящих в ИК, при рабочих условиях эксплуатации.

Но при таком подходе, как будет показано ниже, даже при соответствие метрологических характеристик СИ ИК нормативным требованиям, фактические погрешности ИК могут либо существенно превосходить, либо быть значительно ниже значений приписанных характеристик (допустимых погрешностей) в зависимости от нагрузочных режимов работы электросети и других факторов, что в ряде случаев является причиной частичной потери информации, появления неучтённые потерь электроэнергии и т.д.

Реформирование электроэнергетики в России и создание оптового и розничного рынков электроэнергии процесс для энергетиков хотя и болезненный, но имеющий и свои положительные моменты. Появляются конкурирующие между собой собственники, которые заинтересованы в более объективной информации по электроэнергии - как товарной продукции. Крупные энергообъекты начинают дробиться на более мелкие и вопросы о погрешностях измерений, неучтённых потерях и сходимости баланса электроэнергии закономерно обостряются. В этих условиях на первых этапах развития рыночных отношений возникающие конфликты из-за спорных метрологических вопросов, между участниками рынка электроэнергии на почве коммерческих интересов, можно будет ещё как-то урегулировать, привлекая материалы типовых МВИ. Но такое положение сохранится до тех пор, пока не будет наведён необходимый метрологический порядок и не установлен четкий метрологический контроль за СИ в электроэнергетике Российского государства. В дальнейшем после переходного периода и установившихся рыночных отношений в электроэнергетике возможно ситуация изменится и потребуется развитие и доработка разделов и, в частности, алгоритмов МВИ.

В данной работе намечены некоторые вопросы, на которые следует обратить внимание при разработке МВИ.

Рассмотрим ИК с трансформаторной схемой включения счётчика для однофазной сети. Учтём характеристики тех СИ и дополнительных средств, которые дают основной вклад в суммарную погрешность ИК. К таковым относятся трансформатор тока (ТТ), трансформатор напряжения (ТН), счётчик и потери в кабеле присоединения счётчиков к ТН при синусоидальной форме тока и напряжения в электросети. Характеристики остальных средств, входящих в ИК и влияющих на суммарную погрешности ИК для современных АИИС (от счётчика до серверного компьютера), в силу их малости по сравнению с влиянием перечисленных выше средств, не рассматриваются. Для простоты рассуждений ограничимся нормальными условиями работы канала, чтобы исключить влияющие факторы, такие как температура, внешнее магнитное поле, высшие гармоники тока в сети и др. Кроме того, не рассматриваются случайные составляющие погрешностей основных СИ ИК, как погрешности второго порядка малости по сравнению с систематическими (СП). При этих условиях математическую модель ИК, структурная схема которого приведена на рис. 1, можно представить следующей системой уравнений для входных и выходных режимных параметров:

U = Umsint U1 = Um(1+u+л)sin(t +u);

I = Imsin(t+) I1= Im(1+I) sin(t++I)

W = I U dt ; W1 = (1+с.о) I1 U1 dt; (1)

w =100 (W1 – W) : W,


где U и I – мгновенные значения напряжения и тока на входах ТТ и ТН измерительного канала;  – угол сдвига фаз между векторами тока и напряжения в точке присоединения; U1 и I1 – мгновенные значения напряжения и тока на входе счётчика измерительного канала; Um и Im – амплитудные значения напряжения и тока; W – значение электроэнергии, не отягощенное погрешностями ИК; W1 – значение электроэнергии, измеренное ИК; w – погрешность ИК, выраженная в процентах;  – угловая частота тока электросети; Т= 2π/; t – время; u, I, с.a, с.pл, – СП соответственно ТН, ТТ, счётчиков активной и реактивной электроэнергии, потери в кабеле присоединения ТН к счётчикам; u, I – угловые погрешности ТН и ТТ.



Рис. 1. Схема ИК

Решая систему уравнений (1) и отбрасывая члены второго порядка малости, получим следующие выражения для относительных СП ИК – wa, wp в процентах при измерении соответственно активной и реактивной составляющих электроэнергии с учётом знаков погрешностей СИ ИК, где угловые погрешности измерительных трансформаторов выражены в минутах, а остальные в (%):

– для активной энергии

wa=0,029tg(I – U)+(+U+л+с.a), (2)

– для реактивной энергии

wp=0,029ctg(I – U)+(+U+л+с.p).

Очевидно, что и погрешности результата измерений ИК также имеют систематический характер, что даёт право произвести коррекцию показаний счётчика на величину этих составляющих. Если же ни знаки, ни значения по модулю СП СИ ИК не определены, а заданы только их пределы (обозначения те же, но добавлен индекс n) из нормативных документов, то мы вправе использовать эти пределы в качестве неисключённых систематических погрешностей (НСП) и рассматривать их для ИК как случайные с равномерным распределением. В этом случае, применяя метод и алгоритмы [6] для оценки границ неисключённой систематической погрешности результата измерений (ГНСП) [7] ИК, получим формулы расчёта доверительных интервалов неопределённости измерения ’’wa, ’’wp соответственно для активной и реактивной составляющих электроэнергии с доверительной вероятностью 0,95, приведённые в типовых МВИ:

, (3)

,

Подставляя в формулы (2) вместо СП СИ ИК их пределы, взятые из нормативных документов, получим предельные или максимально возможные значения погрешностей (ПЗП) результата измерений электроэнергии ИК соответственно для активной и реактивной составляющих:

’’wa=±(0,029│tg│(||+||)+|n|+|Un|+|л|+|с.a|) (4)

’’wp=±(0,029│сtg│(||+||)+|n|+|Un|+|л|+|с.p|).

Формулы (2), (3) и (4) применимы и для трёхфазной системы. При симметричных фазных напряжениях и нагрузках счётчика результирующие погрешности по всем фазам практически такие же, как для одной. При нарушении симметрии значения погрешностей ИК по каждой фазе в общем случае будут различны, поэтому результирующие погрешности (w,,) ИК есть результат усреднения по всем фазам с учётом весовых функций:

w=:, (5)

где Wi ,, – количество электроэнергии и погрешности измерений для каждой из фаз в точке присоединения.

Для наглядности представим все приведённые выше погрешности ИК, состоящего из ТН, ТТ – классов точности 0,5 и счётчиков активной и реактивной электроэнергии – класса точности 0,2S и соответственно 0,5S, в графическом виде для активной составляющей электроэнергии. В качестве аргумента используется тангенс угла фазового сдвига между током и напряжением в электросети. Потери в кабеле присоединения ТН к счётчику составляют – 0,1%. Электрическая сеть трёхфазная, с симметричными фазными напряжениями, нагрузки счётчиков симметричные, рабочие условия нормальные, режимные параметры электросети номинальные, влияющие на дополнительную погрешность ИК величины отсутствуют. Рассмотрим, например, пять различных композиций СП СИ ИК, приведённых в таблице 1, с равномерным распределением угловых и фиксированных значениях амплитудных погрешностей трансформаторов. Графики погрешностей ИК с трансформаторами, взятыми из данной выделенной группы, приведены на рис. 2.

Таблица 1 – Погрешности СИ ИК

Варианты
Погрешности ТТ
Погрешности ТН
Погрешности счетчиков, (%)

Углов

(‘)
Амплит.

(%)
Углов

(‘)
Амплит.

(%)
Активная

энергия
Реактивная

энергия

1
30
–0,3
–20
–0,3
–0,1
–0,25

2
15
–0,3
–10
–0,3
–0,1
–0,25

3
0
–0,3
0
–0,3
–0,1
–0,25

4
–15
–0,3
10
–0,3
–0,1
–0,25

5
–30
–0,3
20
–0,3
–0,1
–0,25





1 – ПЗП; 2 – ГНСП; 3.1 – 3.5 – Варианты композиций СП СИ ИК

Рис. 2. Погрешности ИК

Рассмотрим ИК с конкретными СИ. В таблице 2 приведены результаты поверок измерительных трансформаторов и счётчика эталонными средствами со следующими значениями инструментальных погрешностей:

o =  0,05 % – по току, o =  2,0 () – по углу для ТТ;

Uo =  0,1 % – по напряжению, Uo = 5,0 % – по углу ТН;

с.о.o =  0,01 % – по электроэнергии для счётчика.

На рис. 3 (а) кривая 3 – геометрическое место точек погрешностей ИК, рассчитанных по формуле (2), при номинальных параметрах и следующей комбинации СИ ИК: трансформатор напряжения – НКФ 110, трансформатор тока – ТВ 110, счётчик – ТЕ 851. Погрешности СИ, взятые из протоколов поверок, приведены в таблице 2 (примеры – А, Б). Из-за инструментальных погрешностей эталонов при поверке рабочих СИ ИК кривая 3 размывается и представляет не одну линию, а полосу, ограниченную кривыми 4.

Таблица 2. Погрешности СИ ИК

Примеры
ТН

ТТ

Счетчик

НКФ-110

Класс точности - 0,5
ТВ-110

Класс точности - 0,5
ТЕ 851

Класс точности 0,2S

nu,%
Погрешн. %
Погрешн. ()
n, %
Погрешн. %
Погрешн. ()
Cos()
Погрешн. %




80
-0,27
10
5
-1,41
80
1,0
-0,03

А
100
-0,38
12
100
-0,44
28
0,5 (нагрузка инд)
+0,04

Б
100
-0,38
12
20
-0,71
44




120
-0,45
18









0,8 (нагрузка ёмкостная).
-0,05




ЗНОМ – 15

Класс точности - 0,5
ТШ20-10000 УХЗ

Класс точности - 0,5

В
100
+0,34
1,3
100
+0,41
+5,3




ЗНОЛ. 06 15УЗ

Класс точности - 0,5
ТШ20-10000 УХЗ

Класс точности - 0,5

Г
100
+0,35
+22
100
+0,41
-5,3

n – отношение первичного тока к номинальному значению

nu – отношение первичного напряжения к номинальному значению

сos() – коэффициент мощности электросети при n =10-120 %

При других комбинациях погрешностей СИ ИК (таблица 2, примеры – В, Г) зависимость погрешностей ИК приобретает иной характер (рис. 4 (а) и (б)).

Как следует из приведённых примеров погрешности ИК, при трансформаторной схеме включения счётчика в одних случаях могут превышать, в других – быть существенно меньше ГНСП. То есть в зависимости от первичных режимных параметров [8], в частности, направления передачи реактивной составляющей электроэнергии погрешности ИК, рассчитанные по формулам (3), могут быть либо занижены (имеют место неучтённые потери электроэнергии, вызванные инструментальными погрешностями ИК), либо неоправданно завышены, что также играет негативную роль, однако, менее болезненную, чем в первом случае, например, при расчёте допустимого небаланса [2].




а) номинальный режим



б) значение рабочего тока в точке присоединения
составляет 20 % от номинального

1 – ПЗП ИК, 2 – ГНСП ИК

3 – Математическое ожидание СП по протоколам поверки СИ ИК

4 –границы СП ИК с учётом инструментальных погрешностей
средств поверки СИ ИК

Рис. 3 Погрешности ИК в зависимости от тангенса угла фазового сдвига
между током и напряжением электросети



а) номинальный режим



1 – ПЗП ИК, 2 – ГНСП ИК

3 – Математическое ожидание СП по протоколам поверки СИ ИК

4 –границы СП ИК с учётом инструментальных погрешностей
средств поверки СИ ИК

б) номинальный режим

Рис. 4 Погрешности ИК в зависимости от тангенса угла фазового сдвига между током и напряжением электросети



Рис. 5 Границы методической погрешности алгоритмов типовой МВИ



Рис. 6. Энергообъекты

Зная математические ожидания систематических погрешностей (wa, wp), рассчитанных по формулам 2, для активной Wa и реактивной Wp составляющих электроэнергии можно ввести поправки к показаниям счётчиков ИК. С учётом инструментальных погрешностей эталонных средств поверки, а также погрешности измерений (оценки) потерь в кабеле присоединения счётчиков к ТН исправленные результаты [2] измерений электроэнергии Wk и ГНСП с доверительной вероятностью P=0,95 будут иметь следующий вид:

Wak = Wa(1+ wa );

Wpk = Wp(1+ wp ); (6)

;

;

Таким образом, используя расчётные формулы (6), можно произвести частичное восстановление информации на выходах счётчиков ИК, искаженной методическими погрешностями трансформаторной схемы включения счётчиков и основными погрешностями самих счётчиков, причём первые могут существенно превосходить вторые.

Погрешности исправленного результата измерений ИК в общем случае будут складываться из композиций инструментальных, или пределов допустимых погрешностей эталонных средств поверки СИ ИК и пределов погрешностей счётчиков от влияющих величин, устройств сбора и передачи данных (УСПД), если оно есть. То есть, в формулы (6) под квадратный корень нужно добавить такие же слагаемые  (Кj·J), 2j ;2у.с., как и в алгоритмах типовых МВИ, где:

J – пределы по модулю изменений влияющих величин в рабочих условиях;

у.с – относительная погрешность устройства сбора и передачи данных (УСПД);

Кj – предельные значения коэффициентов изменений составляющих относительной погрешности счётчика, которые берутся из нормативных документов на электросчётчики, например, [9].

Подводя итог выше изложенного можно заключить.

1. Если нет полной информации о метрологических характеристиках средств измерений измерительных каналов, а именно, нет сведений о фактических погрешностях СИ в рабочих условиях эксплуатации (имеются только свидетельства о поверке), то, конечно же, использование алгоритмов типовых МВИ – один из путей оценки погрешностей измерительных каналов. Но нужно иметь ввиду, что в зависимости от композиции погрешностей СИ ИК, первичных режимных параметров и др. факторов фактические погрешности ИК могут как превосходить, так и быть существенно меньше ГНСП. Вследствие этого возможна и переоценка (имеет место высокая вероятность появления неучтённых потерь электроэнергии), и недооценка точности ИК. И в том и другом случаях это негативно сказывается и на подведении баланса, и коммерческих сделках по электроэнергии.

2. При наличии достаточно полной информации по метрологическим характеристикам СИ ИК (имеются данные о фактических погрешностях рабочих СИ, инструментальных погрешностях эталонных СИ) появляется возможность повысить точность ИК путём введения поправок в показания счётчиков на систематические погрешности СИ ИК. В этом случае точность измерений ИК определяется метрологическими характеристиками эталонных средств поверки, а также дополнительными погрешностями счётчика ИК от влияющих величин и УСПД. Следует отметить, что введение поправок на систематические составляющие СИ ИК, – достаточно эффективный способ повышения точности ИК, но им нужно пользоваться осторожно и только после проведения метрологических исследований погрешностей СИ ИК (измерительных трансформаторов и счётчиков) на предмет их стабильности, либо с целью выделения систематических и случайных составляющих. Задача эта реальная, вполне посильная и может быть совмещена с очередными поверками СИ ИК на энергообъектах.

Литература

1. РД 34.11.325-90 Методические указания по определению погрешности измерений активной электроэнергии при её производстве и распределении.

2. РД 34.09.101-94 Типовая инструкция по учету электроэнергии при её производстве, передаче и распределении.

3. РД 34.11.333-97 Типовая методика выполнения измерений количества электрической энергии.

4. РД 153-34.0-11.209-99 Автоматизированные системы контроля и учета электроэнергии и мощности. Типовая методика выполнения измерений электроэнергии и мощности.

5. РД 34.11.334-97 Типовая методика выполнения измерений количества электрической мощности.

6. ГОСТ 8.207-76 ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений.

7. РМГ 29-99 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения

8. Осика Л.К. Принципы нормирования погрешности измерений для целей коммерческого учёта электроэнергии на оптовом рынке. – Электричество, 2004, №4.

9. ГОСТ 30206-94 (МЭК 687-92) Статические счетчики ватт-часов активной энергии переменного тока (классы точности 0,2S и 0,5S);

Автор

Миронюк Николай Ефимович – зам. руководителя лаборатории, ФГУП “УНИИМ”

Россия, 620000, Екатеринбург, ул. Красноармейская, 4 www.uniim.ru

Тел. (343) 350-23-13

E-mail: lab262@uniim.ru

Кузнецов В.П., Тронова И.М.