Удосконалення систем обліку електроенергії шляхом врахування низької якості та зовнішніх факторів

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 – Електричні станції, мережі і системи. – Сумський державний університет, Суми, 2018. Однією з основних проблем в електричних мережах є зниження втрат енергії і підвищення точності її обліку. Вирішення цієї проблеми можливе шляхом проведення узгодженої технічної політики підвищення точності вимірювань відпуску в мережу і корисного відпуску, а також приведення показників якості електроенергії (ПЯЕ) до нормованих значень. Згідно до даних звиту Міністерства енергетики та вугільної промисловості, сумарні технічні втрати електроенергії в електричних мережах України в 2016 році склали 16,63 млрд. кВт·год. Небаланс або комерційні втрати електроенергії склали близько 6,28 млрд. кВт·год. За 11 місяців 2017 року (з січня по листопад включно) сумарні технічні втрати електроенергії в електричних мережах України склали 14,87 млрд. кВт·год, а небаланс або комерційна складова – 5,77 млрд. кВт·год. Із загальної величини технічних втрат близько 78 % доводиться на електричні мережі 110 кВ і нижче, у тому числі 33,5 % – на мережі 0,4-10 кВ. Якщо взяти до уваги, що комерційні втрати зосереджені в основному в мережах 0,4-10 кВ, то загальна частка втрат в них від сумарних по країні в цілому складає близько 60 %. Враховуючи, що з об'єктивних причин завантаження електричних мереж 0,4 кВ збільшуватиметься у зв'язку з випереджаючим ростом побутового споживання електроенергії, доля втрат в розподільних мережах найближчими роками також ростиме. Для вдосконалення системи обліку електроенергії необхідно створювати умови для отримання за результатами вимірювань якомога більш достовірного балансу виробництва, передачі, розподілу і споживання електричної потужності або енергії в межах держави, а також показників якості електричної енергії, що споживається споживачами в розрахункових точках обліку. Для вирішення цієї задачі в роботі запропоновано використання наступних заходів: вдосконалення засад роботи лічильників електроенергії (ЛЕ) з тим, щоб вони більш точно враховували електричну енергію в мережах з низькою якістю електроенергії; використання екранів з мю-металу для захисту внутрішніх елементів лічильника, чуттєвих до дії електромагнітних полів; вдосконалення елементів конструкції ЛЕ, зокрема встановлення сучасних вимірювальних датчиків, побудованих з використанням наноматеріалів; розробка та впровадження рекомендацій, спрямованих на зменшення впливу зовнішніх факторів на ЛЕ та підвищення їхньої точності (їх дотримання дозволить оптимізувати режими роботи розподільчих електричних мереж за рахунок зменшення складової комерційних втрат). Таким чином, дослідження та врахування впливу низької якості електроенергії та зовнішніх факторів на системи реєстрації є актуальною науково-технічною задачею, оскільки подібні явища можуть призводити до суттєвих похибок обліку електричної енергії та збільшення комерційних втрат. Дисертаційна робота присвячена розробці оптимальних засад роботи ЛЕ та рекомендацій, які направлені на удосконалення систем обліку електроенергії шляхом урахування низької якості електроенергії та зовнішніх факторів, таких як електромагнітні поля. В роботі показано, що при відхиленні ПЯЕ від нормованих значень ЛЕ однієї і тієї ж номінальної потужності (справні і повірені) можуть показувати істотно різні результати обліку електроенергії, споживаної одним і тим же навантаженням. Різниця показів може перевищувати суму меж припустимих похибок лічильників. Наукова новизна отриманих результатів полягає в такому: вдосконалено метод реєстрації електричної енергії засобами вимірювальної техніки, які відрізняються врахуванням спотворень синусоїди живлячої напруги, що дозволить зменшити недооблік в мережах з вищими гармоніками (ВГ) і відхиленнями інших ПЯЕ на 3,41 %, порівняно з найбільш розповсюдженими ЛЕ, які входять до Державного реєстру засобів вимірювальної техніки України; вперше науково обґрунтовано та теоретично підтверджено доцільність впровадження наноматеріалів для датчиків струму та напруги сучасних ЛЕ, що дозволить підвищити точність датчиків, їхню стійкість до зовнішніх впливів та зменшити комерційні втрати електроенергії на всіх рівнях системи обліку; отримала подальший розвиток математична модель роботи ЛЕ, яка відрізняється врахуванням впливу ПЯЕ на точність визначення кількості спожитої електроенергії, що дозволить аналізувати роботу ЛЕ в умовах відхилень напруги та частоти від номінальних значень; удосконалено метод екранування ЛЕ від електромагнітних полів, створюваних потужними магнітами, який визначає оптимальну форму екрану, що дозволяє підвищити експлуатаційні властивості ЛЕ. Практичне значення отриманих результатів полягає у розробці принципу та алгоритму роботи цифрового ЛЕ, який дозволить найбільш точно враховувати електроенергію при відхиленнях ПЯЕ від нормованих значень. Запропоновані зовнішні та внутрішні методи зменшення впливів на ЛЕ. Запропоновано оптимальний екран для захисту від впливу магнітних полів.= Рекомендовані перспективні наноматеріали для трансформаторних датчиків струму та датчиків струму та напруги, побудованих на основі ефекту Холла. Результати даної роботи впроваджені в Сумському РЕЦ Північної ЕС ДП «Національна енергетична компанія «Укренерго» та використовуються в навчальному процесі кафедри електроенергетики СумДУ для підготовки студентів за спеціальністю 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» при викладенні навчального курсу «Електричні системи та мережі».Thesis for scientific degree of candidate of technical sciences, specialty 05.14.02 – Electrical power stations, networks and systems. – Sumy State University, Sumy, 2018. One of the main problems in electric networks is to reduce energy losses and to increase its accounting accuracy. The solution of this problem is possible by means of a harmonized technical policy, measurements accuracy increase, as well as bringing the power quality (PQ) to the normalized values. According to the report of the Ministry of Energy and Coal Mining, the total technical losses of electricity in electric networks of Ukraine in 2016 were16.63 billion kWh. The unbalance or commercial losses of electricity amounted to about 6.28 billion kWh. During the 11 months of 2017 (from January to November inclusive), the total electricity technical losses in electric networks of Ukraine amounted to 14.87 billion kWh, while the unbalance or commercial component was 5.77 billion kWh. About 78 % of the total technical losses are referred to 110 kV and below voltage electric networks, including 33.5 % in 0.4-10 kV. If we take into account that commercial losses are concentrated mainly in 0.4-10 kV networks, then their share of losses from the country’s total is about 60 %. Taking into account that due to objective reasons loading of 0.4 kV electrical networks will increase due to the domestic consumption rising, the share of losses in distribution networks will also increase in the next years. To improve the electricity accounting system, it is necessary to create conditions for obtaining the most accurate balance of production, transmission, distribution and consumption of electric power or energy within the limits of the state, as well as indicators of power quality, according to the measurements results. To solve this problem the following measures are proposed: improvement of the principles of electricity meters operation so that they are able to account electric energy more accurately in networks with low power quality; use a mu-metal screens for protection of the meter’s internal elements, which are sensitive to the action of electromagnetic fields; improvement of the power meters’ elements design, in particular the installation of modern measuring transducers constructed using nanomaterials; development and implementation of recommendations aimed at reduce the influence of external factors on the electric energy meters and increase their accuracy (it will allow to optimize the modes of distribution electrical networks’ operation due to commercial losses reducing). Thus, research and consideration of the effect of poor quality electricity and external factors on registration systems is a relevant scientific and technical task, because such phenomena can lead to significant errors in the electric energy accounting increase commercial losses. The thesis is dedicated to the development of the algorithm and the principle of power meters’ (PM) operation and recommendations that are aimed at energy metering systems improving by taking into account the poor power quality and external factors such as electromagnetic fields. It is shown and justified that under the conditions when the harmonic composition in operating electric networks goes beyond the established standards, there are errors in the indications of commercial electricity meters that exceed the permissible values. The developed bases of the digital power meter will allow most accurately take into account electric power in the presence of higher harmonics and other deviations of power quality (PQ) from the normalized values and to reduce commercial electricity losses up to 3.41%, compared to the most common PM included in the State Register of measuring equipment of Ukraine. The optimal screen of mu-metal is proposed to protect the pulse transformers, which are used in modern PM, from the impact of strong magnetic fields, which are created by rare-earth magnets. Properties and efficiency of the proposed screen are investigated by modeling in the software package CST Studio Suite. This paper has analyzed the registration error variation of a PM with respect to the load harmonic parameters and meter parameters, and, based on the results of the analysis, compensation methods have been proposed to improve the accuracy of PMs operated in situations which involve harmonics. The compensation methods are categorized as two types, the meter external methods and meter internal methods. The meter external methods aim to improve the load characteristics, which include improving the load power factor, repressing the voltage and current harmonic quantities, and decreasing the magnitude of the harmonic power factors. The meter internal methods emphasize improvement of the harmonic performance of the PM itself. In particular it includes utilizing of promising nanomaterials for transformer current sensors and current and voltage sensors built on the basis of the Hall effect. The feasibility and priority of each of the proposed methods was evaluated. The results of this work are implemented in the Sumy Northern EC REC of State Enterprise "National Energy Company" Ukrenergo "and used in the educational process of the SSU Department of Power Engineering for the training of students in the specialty 141"Electricity, electrical engineering and electromechanics", in the frames of the course "Electrical systems and networks".