CC BY
15УДК 621.3.084.2:621.3.019.34-047.44:621.31:366-052
ПРИМЕНЕНИЕ ДАТЧИКОВ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМОВ
РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ДЛЯ АНАЛИЗА НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ И КАЧЕСТВА ПОСТАВЛЯЕМОЙ ИМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
А.В. Букреев1, А.В. Виноградов1, А.Е. Семенов2, А.В. Кузьмин3
:ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» 2ФГБОУ ВО Орловский ГАУ 3ОВБ Филиала ЗЭС - Нарофоминский РЭС ПАО «МОЭСК»
Аннотация. В статье рассмотрены вопросы применения датчиков параметров режимов работы электрических сетей для анализа надёжности электроснабжения потребителей и качества поставляемой им электроэнергии. Приведена структурная схема разработанного датчика, результаты его применения для исследования параметров режимов работы электрических сетей различных объектов.
Ключевые слова: надёжность электроснабжения, качество электрической энергии, датчик параметров режимов работы электрической сети, ДПРР, системы электроснабжения
Введение.
Актуальность темы исследования. Выполнение анализа надёжности электроснабжения потребителей и качества поставляемой им электроэнергии в процессе эксплуатации систем электроснабжения (СЭС) должно основываться на фактических значениях времени перерывов в электроснабжении, а также времени несоответствия показателей качества электроэнергии (ПКЭ) требованиям нормативно-технических документов (НТД), или договорным условиям. Именно эти показатели являются основными показателями надёжности электроснабжения и качества поставляемой электроэнергии. В [1, 2] подробно рассмотрена их структура.
Анализ журналов диспетчеров электросетевой компании, а также журналов энергетиков предприятий не позволяет получить достоверную информацию о времени перерывов в электроснабжении, так как, во-первых, не учитывает составляющую времени на получение информации об отключении [1, 2], а во-вторых, кратковременные перерывы, связанные, например, с отключением и восстановлением электроснабжения с помощью автоматического включения резерва, туда не вносятся, так как диспетчер может и вовсе
не знать о такой ситуации. В то же время такие кратковременные отключения наносят ущерб потребителю, так как нарушают его технологические процессы.
Что касается качества электроэнергии (КЭ), то здесь получить реальные значения времени несоответствия ПКЭ требованиям НТД и вовсе не представляется возможным, так как вводы потребителей, линии электропередачи (ЛЭП) как правило, не оснащены средствами контроля ПКЭ. Анализ качества производится при обращении потребителей по поводу некачественной электроэнергии [3].
Фактические значения времени перерывов в электроснабжении и несоответствия ПКЭ требованиям НТД могут быть получены только с помощью технических средств осуществления мониторинга параметров режимов работы электрических сетей. В своих работах зарубежные авторы рассматривают различные аспекты мониторинга КЭ. Предлагается ряд технических и организационных решений [4-8]. Однако в них не приводится решений по контролю именно временных показателей надёжности электроснабжения и КЭ.
В статьях [2, 9, 10] предложены решения по оснащению вводов потребителей устройствами контроля количества и продолжительности отключений и отклонений напряжения, решающих поставленную задачу. Также рассмотрены технико-экономические механизмы стимулирования потребителей и электроснабжающих организаций к повышению надёжности электроснабжения и КЭ [2, 9, 10]. В то же время эти решения требуют создания полноценной системы мониторинга и не всегда их реализация возможна для анализа надёжности электроснабжения и КЭ в существующих системах электроснабжения без проведения их модернизации. Поэтому актуальным является создание датчиков параметров режимов работы электрических сетей и потребителей (ДПРР), которые могли бы использоваться для анализа надёжности электроснабжения потребителей и качества поставляемой им электроэнергии без вмешательства в существующие схемы электрических сетей и нарушения электроснабжения потребителей.
Использование ДПРР позволит выявить проблемы в электроснабжении потребителей, параметры режимов работы питающих электрических сетей и сформировать мероприятия по повышению надёжности электроснабжения и качества поставляемой электроэнергии.
Разработка ДПРР. Был осуществлен анализ существующих устройств и технических решений, позволяющих производить измерение энергетических характеристик, автоматический учет времени наработки оборудования в электрических сетях [11-13], выявлены их недостатки. В частности, для анализа КЭ анализаторы
качества электроэнергии. С их помощью выполняют измерения и фиксацию ПКЭ, однако анализаторы не выполняют автоматический учет времени перерывов в электроснабжении, несоответствия ПКЭ, имеют высокую стоимость [13]. Были разработаны ДПРР в виде устройств «Таймер-электросчётчик мобильный портативный» (ТЭМП) в разных вариантах исполнения [14-16], рассмотрены возможности их применения для выявления участков ЛЭП с повышенными потерями электроэнергии, для анализа потерь электроэнергии в силовых трансформаторах и т.п. [13, 16]. Устройство имеет следующие функциональные возможности: измерение тока и напряжения; измерение потребляемой мощности; измерение объёма потребляемой электроэнергии; измерение времени перерывов в электроснабжении и времени несоответствия ПКЭ требованиям НТД. Это даёт возможность использовать ДПРР для решения задач: анализ графиков нагрузки; составление энергобаланса; анализ максимальных и минимальных значений токов, напряжений, потребляемой мощности в исследуемой сети; анализ правильности выбора сечения проводов и кабелей; анализ надёжности электроснабжения и КЭ, ряда других задач.
Схемы устройства «ТЭМП», поясняющие принцип его работы, представлены в [14, 15]. Сравнение результатов измерения с помощью собранного экспериментального образца устройства и с помощью поверенного анализатора качества «Ресурс UF-2M» показало различие не более 1%. На рисунке 1 показана структурная схема ДПРР типа ТЭМП-SW (таймер-электросчётчик мобильный портативный
трёхфазный с Wi-Fi передачей данных).
—
/hp
РМ% РМ15
iZZ//
ш
J-
1
МК9
§
т
мкю
БИС11
53Д13
БЧРВ12
Рисунок 1 - Структурная схема ДПРР ТЭМП-3 Агротехника и энергообеспечение. - 2020. - № 4 (29)
Устройство работает следующим образом. Датчики тока ДТ1-ДТ3 контролируют ток, протекающий в фазных проводниках П5-П7 и передают информацию о значении тока в микроконтроллер МК9. В качестве фазных проводников могут использоваться проводники, подключенные ко вторичной обмотке трансформаторов тока (ТТ). В этом случае полученные результаты измерений надо умножить на коэффициент трансформации ТТ.
Один вход датчика напряжения ДН4 подключается к нулевому проводнику П8, другие - к каждому из фазных проводников П5-П7 (на рисунке показано присоединение ДН4 только к П7). ДН4 осуществляет контроль фазных напряжений в сети и передаёт полученные данные в
МК9 обрабатывает полученную информацию с ДН4 и ДТ1-ДТ3. Радиомодуль РМ14 осуществляет передачу информации с МК9, а радиомодуль РМ15 - её приём и передачу в микроконтроллер МК10, который принимает её и передает на блок индикации и сигнализации БИС11. Одновременно, с помощью блока записи данных БЗД13, происходит запись всех контролируемых данных на внешний накопитель. Блок часов реального времени БЧРВ12 производит привязку этих данных к реальным времени и дате.
Опытная эксплуатация устройства проведена на базе сельскохозяйственных предприятий, а также в электрических сетях, питающих сельскохозяйственную нагрузку. Применение ДПРР позволило выявить случаи перерывов в электроснабжении и их продолжительность, наличие несимметрии по токам и напряжению, распределение нагрузки по фазам и другие параметры режимов работы сети, необходимые анализа надёжности электроснабжения и КЭ. Это дало возможность сформировать мероприятия по повышению эффективности электроснабжения потребителей.
На рисунке 2 показано фото ДПРР, установленного на вводе одной из трансформаторных подстанций (ТП), питающих сельский населённый пункт (а - внешний вид установленного ДПРР в процессе измерений; б - узел подключения датчиков тока ДПРР). В число потребителей входят жилые дома, водозабор, сельская школа. Измерения проводились на вводе низкого напряжения ТП. На рисунке 3 показаны графики изменения значений напряжения, а на рисунке 4 -графики изменения тока до и после выявленного кратковременного исчезновения напряжения.
МК9.
Рисунок 2 - Фото ДПРР, установленного на вводе ТП
Рисунок 3 - График изменения значений тока на вводе ТП до и после выявленного кратковременного отключения
Рисунок 4 - График изменения значений тока на вводе ТП до и после выявленного кратковременного отключения
ДПРР устанавливался на вводе ТП, датчики тока подключались к измерительным цепям ТТ. Анализ полученных данных позволил выявить, что в сети присутствует несимметрия по напряжению и току, выявленный перерыв был вызван кратковременным отключением напряжения по стороне 10 кВ. Определено значение пусковых токов по фазам, что позволило проверить правильность выбора уставок защитных коммутационных аппаратов, установленных на вводе. Получено распределение нагрузки по фазам, наименее загружена фаза Ь3 (С), при этом разница в нагрузке по фазам составляет более 2-х раз (в нормальном режиме работы, до отключения). Сделаны рекомендации по перераспределению нагрузки по фазам. После кратковременного отключения восстановление нормального режима произошло в течение часа. Это говорит о том, что часть нагрузки, особенно подключенной к фазе Ь1 (А), после кратковременного перерыва в электроснабжении была отключена, так как очевидно получала питание через магнитные пускатели, или реле. Вновь включение в работу данной нагрузки произошло не автоматически, что потребовало ручного включения её персоналом потребителя. На рисунке 5 показаны графики фазного напряжения, полученные при исследовании электрической сети котельной сельскохозяйственного предприятия (а - выявление факта отклонения напряжения; б -выявление факта отключения).
09-02 2020 г I ч.39м.53 с\
1)9.02.202 0 г 2 ч,24 М.23 С;
888833г33г33г3333333333333383 Время суток
а) б)
Рисунок 5 - Графики фазного напряжения, полученные при исследовании электрической сети котельной сельскохозяйственного предприятия
В ходе исследования электрической сети котельной сельскохозяйственного предприятия ДПРР был установлен на вводе котельной. Результаты измерения показали, что в нормальном режиме напряжение на фазе А (Ь1) отклоняется от номинального на 8 В и составляет 228В. Выявлен факт отклонения напряжения в меньшую сторону (напряжение снизилось до значения 202-205 В). Время, в течение которого напряжение отклонялось до 202-205 В, составило 10 ч, 7 минут. Также выявлен факт перерыва в электроснабжении котельной, время которого составило 45 минут. Перерыв в электроснабжении произошёл в ночное время, что представляет определённую опасность, так как котельная относится к взрывоопасным объектам. Кроме того, нарушение электроснабжения котельной способно нарушить процесс отопления предприятия.
В модификации ТЭМП-3W ДПРР может передавать информацию от датчиков в центральный блок и на блок сигнализации, что позволяет диспетчеру сети и (или) энергетику предприятия, своевременно получать информацию об отключениях и об отклонениях напряжения. Своевременно получая данную информацию, он быстрее реагирует на ситуацию и принимает меры по восстановлению нормального режима работы сети.
Выводы
1. Проведенный анализ показал, что получение объективных данных по таким показателям надёжности электроснабжения и КЭ, как время перерывов в электроснабжении потребителей и время несоответствия качества поставляемой им электроэнергии требует разработки специальных технических средств - ДПРР.
2. Разработан ДПРР в нескольких модификациях и проведены его производственные испытания и опытная эксплуатация на ряде объектов. В процессе испытаний и опытной эксплуатации ДПРР получены данные по параметрам редимов работы исследуемых электрических сетей, в том числе сетей конкретных сельскохозяйственных потребителей. Выявлены факты перерывов в электроснабжении потребителей и их продолжительность, факты отклонений напряжения, несимметрии тока и напряжения и другие искажения КЭ. Сделаны рекомендации по повышению надёжности электроснабжения и КЭ.
Список используемых источников:
1. Виноградов, А. В. Анализ времени перерывов в электроснабжении сельских потребителей и методы его сокращения за счет мониторинга технического состояния линий электропередачи / А. В. Виноградов, А. Н. Васильев, А. Е. Семенов, А. Н. Синяков, В. Е. Большев // Вестник ВИЭСХ. - 2017. - №2(27). - С. 3-11.
2. Большев В. Е. Разработка технических средств мониторинга отключений и отклонения напряжения на вводах сельских потребителей: диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук: 05.20.02 / Большев Вадим Евгеньевич. - Москва, 2020. - 224с.: ил.
3. Бородин М.В. Оценка фактического качества электроэнергии и анализ количества обращений по поводу несоответствия качества электроэнергии нормативным значениям / М.В. Бородин, А.И. Псарев // Агротехника и энергообеспечение. - 2017. - № 4(17). - с. 54-63.
4. Suhas C Dhapare, Nitin R Lothe, Pillai Ramachandran.(2015) Power quality monitoring with smart meters. In 23rd International Conference on Electricity Distribution. Lyon: AIM.
5. Ssle, H., Foosnss J., Kristoffersen, V., Nordal, T., Grande, O., Bremdal, B. (2014) Network tariffs and energy contracts. In the CIRED Workshop "Challenges of implementing Active Distribution System Management". Rome: AIM.
6. Goswami AK, Gupta CP, Singh GK. An analytical approach for assessment of voltage sags. Int J Electr Power Energy Syst 2009; 31(7-8):418-26.
7. A. Honrubia-Escribam , E. Gуmez-Lbzaro , A. Molina-Gar^a , J.A. Fuentes Influence of voltage dips on industrial equipment: Analysis and assessment. Electrical Power and Energy Systems 41 (2012) pp 87-95.
8. Honrubia-Escribano , E. Gуmez-Lбzaro, A. Molina-Garcia, S. Martнn-Martнnez. Load influence on the response of AC-Contactors under power quality Disturbances. Electrical Power and Energy Systems 63 (2014) 846-854.
9. Виноградов А.В. Технико-экономические способы повышения эффективности систем электроснабжения сельских потребителей/ А. В. Виноградов, В. Е. Большев, А. В. Виноградова, М. В. Бородин, А. В. Букреев// Вестник аграрной науки Дона. - 2019. -№ 3 (47). - С. 59-67.
10. Виноградов, А. В. Устройства и система мониторинга надежности электроснабжения и отклонения напряжения в электрических сетях 0,38 кВ / А. В. Виноградов, А. В. Виноградова, В. Е. Большев // Вестник НГИЭИ. - 2017. - №11(78). - С. 69-82.
11. Кобина А.А. Анализатор качества электроэнергии и анализ факторов влияющих на качество электроэнергии // Международный студенческий научный вестник. - 2018. - № 6.
12. Depuru SSSR, Wang L, Devabhaktuni V. Smart meters for power grid: challenges, issues, advantages and status // Renewable and sustainable energy reviews. 2011. P. 2736-2742.
13. Vinogradov A., Bolshev V., Vinogradova A., Borodin M., Bukreev A., Golikov I. Mobile Measuring Complex for Conducting an Electric Network Survey //Handbook of Research on Energy-Saving Technologies for Environmentally-Friendly Agricultural Development. -IGI Global, 2020. - С. 243-267. DOI: 10.4018/978-1-5225-9420-8.ch010.
14. Патент № 191056 Российская Федерация, МПК G01R 19/00. Таймер-электросчётчик мобильный портативный/ В.Е. Большев, А.В. Виноградов, А.В. Виноградова, А.В. Букреев; заявитель и патентообладатель ФГБНУ ФНАЦ ВИМ. - № 2019109141; заявл. 29.03.2019; опубл. 22.07.2019 Бюл. № 21.
15. Патент № 195905 Российская Федерация, МПК G01R 19/00. Таймер - электросчётчик портативный мобильный трёхфазный / А.В. Букреев, А.В. Виноградов; заявитель и патентообладатель ФГБНУ ФНАЦ ВИМ. - № 2019142010; заявл. 18.12.2019; опубл. 11.02.2020 Бюл. № 5.
16. Выявление участков ЛЭП с повышенными потерями электроэнергии с помощью мобильных портативных таймеров-электросчетчиков /Виноградов А.В., Букреев А.В., Виноградова А.В., Большев В.Е.// Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2020. № 3 (40). С. 31-36. DOI: 10.22314/2658-4859-2020-67-3-31-36.
Букреев Алексей Валерьевич, младший научный сотрудник лаборатории электроснабжения и теплообеспечения, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», + 79536240639, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, е-шаН: 'кК/ёагк^таИ. ги
Виноградов Александр Владимирович, кандидат технических
наук, доцент, заведующий лабораторией электроснабжения и теплообеспечения, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», +79202879024, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, e-mail: winaleksandr@gmail. com
Семенов Александр Евгеньевич, старший преподаватель ФГБОУ ВО Орловский ГАУ, E-mail: semenow.ae@yandex.ru
Кузьмин Алексей Валерьевич, электромонтёр ОВБ Филиала ЗЭС - Нарофоминский РЭС ПАО «МОЭСК». Тел 89257393655, E-m: 87HUGO34@mail.ru
APPLICATION OF SENSORS OF OPERATING MODES OF ELECTRIC NETWORKS FOR ANALYSIS OF RELIABILITY OF POWER SUPPLY TO CONSUMERS AND THE QUALITY OF SUPPLIED POWER A.V. Vinogradov, A.V. Bukreev, A.E. Semenov, A.V. Kuzmin
Abstract. The article deals with the use of sensors of parameters of operating modes of electrical networks to analyze the reliability of power supply to consumers and the quality of the supplied electric energy. The block diagram of the developed sensor, the results of its application to study the parameters of the operating modes of electrical networks of various objects are presented.
Key words: reliability of power supply, quality of electrical energy, sensor of parameters of operating modes of the electrical network, DPRR, power supply systems
Alexander Vinogradov, PhD in Engineering, Associate Professor, Head of the Laboratory for Electricity and Heat Supply, Moscow, Federal Scientific Agroengineering Center VIM, +79202879024, 109428, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5, e-mail: winaleksandr@gmail. com
Alexey Bukreev, Researcher at the Laboratory for Electricity and Heat Supply, Moscow, Federal Scientific Agroengineering Center VIM, + 79536240639, 109428, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5, e-mail: skiffdark@mail.ru
Alexander Semenov, senior lecturer 0rEOY BO Russia, Orel, Orel State Agrarian University named of N. V. Parahin, e-mail: semenow.ae@yandex. ru
Alexey V. Kuzmin, electrician of the OVB Branch of the zes-Narofominsky RES of PJSCMOESK», e-mail: 87HUGO34@mail.ru
