Коммерческий учет электроэнергии с использованием цифровых измерительных систем

Page 1

Page 2

УЧЕТ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Коммерческий учет
электроэнергии с использованием
цифровых измерительных систем

Александров

директор по развитию АО «Профотек»

Стремительное

развитие

технологий

на

базе

стандарта

МЭК

61850-9.2

привело

ак

тивному

использованию

поддерживающего

его

оборудования

как

для

задач

релейной

защиты

автоматики

так

для

коммерческого

учета

основе

применения

стандарта

лежит

получение

цифровых

измерений

либо

от

цифровых

измерительных

трансформа

торов

либо

от

преобразователей

данной

статье

рассмотрим

эффекты

возникающие

при

построении

систем

коммерческого

учета

применением

цифровых

измерительных

трансформаторов

оптических

—

для

измерения

тока

электронных

—

для

измерения

напряжения

совместно

цифровыми

приборами

учета

электроэнергии

Оценка

эффек

тов

приведена

на

примере

использования

цифровых

трансформаторов

производства

Профотек

»,

при

этом

можно

утверждать

что

указанные

статье

преимущества

распро

страняются

на

все

цифровые

системы

построенные

по

аналогичной

архитектуре

птические трансфор-

маторы тока по сво-

им параметрам суще-

ственно превосходят

традиционные в силу иного фи-

зического принципа проведения

измерений. Они имеют высокую

линейность измерительных ха-

рактеристик в очень широком ди-

апазоне токов, их измерительные

параметры не зависят от величи-

ны вторичной нагрузки оптиче-

ского трансформатора и от коли-

чества подключенных вторичных

устройств (системы телеизмере-

ний, РЗА и т.п.). Ввиду отсутствия

магнитного сердечника полно-

стью отсутствует эффект маг-

нитного насыщения и ухудшения

параметров точности измерений.

В отличие от катушки Роговского

величина выходного сигнала не

зависит от уровня гармоник.

Электронные измерительные

трансформаторы

напряжения

также имеют более высокие из-

мерительные параметры по срав-

нению с традиционными дели-

телями напряжения. Емкостной

делитель напряжения не содер-

жит электромагнитного устрой-

ства, вносящего существенные

искажения в измерительный сиг-

нал при изменении нагрузки вто-

ричных цепей, изменении часто-

ты питающей сети.

Рассмотрим особенности со-

здания ин фор ма ци он но-из ме ри-

тель ного канала (ИИК) с исполь -

зованием цифровых измеритель-

ных трансформаторов и цифрово-

го счетчика, работающего с циф-

ровыми входными сигналами

стандарта МЭК 61850-9-2LE (ри-

сунок 1).

Рис

. 1.

Схема

создания

информационно

измерительного

канала

(

ИИК

)

использованием

цифровых

измеритель

ных

трансформаторов

цифрового

счетчика

работающего

цифровыми

входными

сигналами

стандарта

МЭК

61850-9-2LE

Page 3

Цифровые потоки от изме-

рительных

трансформаторов

подаются непосредственно на

вход счетчика с использованием

оптических кабелей. Вторичные

цепи, дополнительные нагрузки

и иные ухудшающие точность

измерений устройства отсут-

ствуют.

Цифровой

измерительный

сигнал, передаваемый в потоке

данных, содержит уже поимено-

ванные значения токов и напря-

жений. Цифровой счетчик для

вычисления величины энергии

производит только математиче-

ские операции. На выходах счет-

чика формируется цифровой

сигнал (RS 485 или Ethernet) для

передачи на верхний уровень

системы АИИС КУЭ.

Для сравнения рассмотрим

вариант ИИК, построенный на

традиционных измерительных

трансформаторах, с использо-

ванием электронного счетчика

(рисунок 2). Хотя сейчас его при-

нято именовать «цифровым»,

это в корне неверно, так как аб-

солютно все самые современ-

ные электросчетчики в качестве

входного сигнала используют

аналоговые значения токов и на-

пряжений, в отличие от «настоя-

щего» цифрового с использова-

нием МЭК 61850-9-2LE.

Таким образом, в традицион-

ной измерительной системе при-

сутствует ряд фундаментальных

причин, ухудшающих точность

измерений:

1. Требование по номинальной

загрузке вторичных цепей в со-

ответствии с ГОСТ 7746-2015,

ГОСТ 1983-2001, МИ 3021-2006

и СТО 70238421.17.220.20.002-

2011 ПАО «ФСК ЕЭС» — вто-

ричная нагрузка измеритель-

ных трансформаторов должна

находиться в пределах 25–

100% от номинальной.

2. Требование ко вторичным из-

мерительным цепям — нали-

чие потерь в цепях напряже-

ния не более 0,25%.

3. Наличие вторичных клеммных

цепей в цепи тока и напряже-

ния — это дополнительные

падения напряжения и увели-

чение сопротивления (нагруз-

ки) вторичных цепей.

4. Длинные измерительные цепи

за счет собственных емкостей

и индуктивностей соедини-

тельных кабелей вносят нели-

нейные искажения в измери-

тельный сигнал.

5. Остаточная намагниченность

сердечников трансформато-

ров из-за различных эксплу-

атационных моментов — ко-

роткие замыкания, броски

тока при коммутации, удары

молний и т.п. По ряду оценок

остаточная намагниченность

может составлять до 30%,

а у измерительных трансфор-

маторов в цепях мощных гене-

раторов — до 60%.

6. Погрешность самого счетчика

электроэнергии. Любой самый

современный электросчетчик

имеет на входе аналоговые

сигналы токов и напряжений

(100 В и 1/5 А). Процесс изме-

рения сводится к преобразо-

ванию этих параметров тока

и напряжения во внутренний

цифровой формат счетчи-

ка. Для этого в счетчике есть

трансформаторы тока, рези-

стивные делители напряже-

ния и стабильные генераторы

опорного напряжения, с помо-

щью которых внутренний АЦП

счетчика выполняет преобра-

зования и далее вычисление

необходимых значений энер-

гии с использованием специ-

ализированных

цифровых

процессоров. Все эти процес-

сы приводят к возникновению

и накоплению внутренних по-

грешностей счетчика. На эти

процессы также влияет тем-

пература окружающей среды,

форма входного сигнала, на-

личие в нем гармоник и т.д.,

поэтому погрешность у такого

счетчика будет всегда.

Таким образом, цифровой

ИИК при расчете его погрешно-

сти по существующим в насто-

ящий момент методикам будет

иметь погрешности самих транс-

форматоров и погрешность, при-

писанную цифровому счетчику.

Вторичных цепей в цифровом

ИИК нет, трансформаторы не

имеют остаточной намагничен-

ности, точность измерений не за-

висит от нагрузки измерительных

цепей. Есть и еще один суще-

ственный момент — цифровой

счетчик не выполняет функций

преобразования аналоговых сиг-

налов, он оперирует с уже по-

именованными величинами и вы-

полняет только математические

операции с этими значениями,

а точность выполнения таких

операций на несколько порядков

выше, чем процесс измерений

в аналоговом счетчике. По име-

ющимся методикам утверж дения

Рис

. 2.

Схема

создания

информационно

измерительного

канала

(

ИИК

построенного

на

традиционных

измеритель

ных

трансформаторах

использованием

электронного

счетчика

№

4 (61) 2020

Page 4

типа средства измерений для

цифрового счетчика устанавли-

вается погрешность, но фактиче-

ски ее величина в несколько раз

меньше той, что присваивается,

в силу отсутствия необходимых

методик аттестации цифровых

счетчиков.

Если обобщить все вышеска-

занное, то при применении циф-

ровых оптических измерительных

трансформаторов тока, элек-

тронных трансформаторов на-

пряжения и цифровых счетчиков

фактическая погрешность ИИК

получается существенно ниже по-

грешности традиционного ИИК.

В настоящий момент АО «Про-

фотек» выполнены работы по

созданию цифровых ИИК на ряде

объектов, и по результатам атте-

стации методик выполнения изме-

рений можно достоверно говорить

о снижении общей погрешности

цифрового ИИК. Для ИИК, состо-

ящего из цифровых оптических

трансформаторов тока 220 кВ,

электронных трансформаторов

напряжения 220 кВ и цифрового

счетчика типа ESM, общая по-

грешность составляет ±0,7%.

Расчет доверительной границы

погрешности результатов измере-

ний произведен по Приложению Д

на основании РД 153-34.0-11.209

«Автоматизированные системы

контроля и учета электроэнергии

и мощности. Типовая методика

выполнения измерений электро-

энергии и мощности» и в соответ-

ствии с МИ 1317-2004. При тех же

параметрах расчет погрешности

для аналоговых ТТ и ТН и элек-

тронного счетчика дает величину

погрешности ИИК 2,8%.

Что же в итоге дает повышение

точности измерений и снижение

общей погрешности ИИК?

Расчет экономической эффек-

тивности от снижения погрешно-

сти ИИК возможно провести на

основе методики, приведенной

в издании авторов Андреева Л.В.,

Осика Л.К., Тубинес В.В. «Ком-

мерческий учет электроэнергии

на оптовом и розничных рынках»

(Техническая библиотека НП

«АВОК», Москва, 2010, Приложе-

ние 9, стр. 372–379). В качестве

основы расчета применяется

информационный подход и свя-

занное с ним понятие риска не-

определенности результатов из-

мерений.

Для примера расчета исполь-

зуем условную величину стои-

мости оплаты электроэнергии за

условный расчетный период, со-

ставляющую 1 000 000 рублей,

и погрешность аналогового ИИК,

составляющую 2,8%.

1. Рискоопасный интервал для

погрешности измерений стан-

дартного ИИК с потерями 2,8%

составит:

УЧЕТ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Рис

. 3.

Колонны

комбинированными

электронно

оптическими

трансформаторами

тока

напряжения

класса

220

кВ

Page 5

1 000 000 руб. × 0,028 =

= 28 000 руб.

Для ИИК в составе оптических

трансформаторов и цифрового

электросчетчика величина по-

грешности ИИК составляет 0,7%.

2. Рискоопасный интервал для

погрешности измерений ИИК

с потерями 0,7% составит:

1 000 000 руб. × 0,007 = 7000 руб.

Учитывая симметричное рас-

пределение погрешности, а так-

же то, что она практически всегда

имеет отрицательную величину

для расчетов, используем по-

ловину величины рискоопасного

интервала.

Таким образом, эффект от по-

вышения класса точности ИИК со-

ставит:

(28 000 руб. – 7000 руб.) / 2 =

= 10 500 руб.

Данный пример показывает,

какой экономический эффект

можно получить при использова-

нии высокоточных цифровых си-

стем измерений.

Расчет выше приведен для

потребителей, аналогично мож-

но рассчитать выгоду для гене-

рации. Сетевые компании допол-

нительно получат более точный

учет за счет того, что цифровой

ИИК гораздо лучше считает реак-

тивную энергию и, соответствен-

но, полную энергию, принятую

и отпущенную из сетей.

В настоящий момент АО «Про-

фотек» завершает работы по

монтажу и наладке цифровой

системы коммерческого учета

электроэнергии на одном из пред-

приятий — потребителей электри-

ческой энергии. В составе проек-

та применены комбинированные

электронно-оптические

транс-

форматоры тока и напряжения

класса 220 кВ. На рисунке 3 по-

казаны установленные колонны

с трансформаторами.

Применение комбинирован-

ных трансформаторов обеспе-

чивает наибольший эффект

за счет сокращения стоимости

строительно-монтажных

ра-

бот — монтируется только одна

колонна с ощутимо меньшими

по весу оптическими трансфор-

маторами. Полностью исклю-

чаются риски пожара и разлива

масла, так как оно практически

не содержится в измерительном

трансформаторе. Существенно

сокращаются риски обесточения

потребителя.

Приведенные выше расче-

ты экономических показателей,

технических преимуществ, со-

кращение затрат на СМР и те-

кущую эксплуатацию наглядно

показывают преимущества циф-

ровых технологий при создании

систем коммерческого учета

электроэнергии. Но возможности

цифровых систем этим не ис-

черпываются. Цифровые транс-

форматоры выполняют полную

комплексную функцию измере-

ний. Одновременно с форми-

рованием цифровых потоков

для целей коммерческого учета

(SV 256 — 256 выборок на пери-

од промышленной частоты) циф-

ровые электронные и оптические

трансформаторы, производимые

АО «Профотек», также форми-

руют поток данных с дискретно-

стью 80 выборок на период про-

мышленной частоты (SV 80) для

целей РЗА и ПА. Поток SV 256

может быть использован для це-

лей телеизмерений, что позволя-

ет производить все виды измере-

ний — для коммерческого учета,

телеизмерения, РЗА в привязке

к единой метке времени.

Цифровые

измерительные

трансформаторы АО «Профо-

тек» имеют высокую частоту

внутренней дискретизации из-

мерительного сигнала (внутрен-

няя частота дискретизации со-

ставляет 64 кГц), что позволяет

соответствовать

практически

любым современным требова-

ниям. Так, в частности, реализо-

вана поддержка корпоративного

стандарта ПАО «Россети» (ПАО

«ФСК ЕЭС») — 96 выборок на

период промышленной частоты

для целей РЗА и 286 выборок

для коммерческого учета.

АО «Профотек» освоена

в производстве вся номенкла-

тура оптических измерительных

трансформаторов тока, при-

годных для использования на

генераторах, в электросетях,

электроустановках потребите-

лей с классами напряжения от

6 кВ до 500 кВ. При этом все

выпускаемые трансформаторы

обеспечивают класс точности

измерений 0,2S для измерений

и 5Р для защит. Оптические из-

мерительные трансформаторы

имеют очень развитую диагно-

стику работоспособности и осу-

ществляют интеграцию с любы-

ми системами верхнего уровня,

обеспечивая заказчику возмож-

ность организовать обслужива-

ние этих систем в режиме «по

требованию», что существенно

сокращает

эксплуатационные

затраты.

Интерес к созданию цифро-

вых систем релейных защит,

измерений и переход к созда-

нию полноценной цифровой

подстанции значительно воз-

рос, что наглядно видно по ра-

стущему числу реализованных

проектов с использованием оп-

тических трансформаторов АО

«Профотек». Нами успешно вы-

полнены проекты по созданию

систем цифрового учета в Рос-

сии: АИИС КУЭ ПС 500 кВ «То-

бол» (ПАО «ФСК ЕЭС»), АИИС

КУЭ Красноярского Алюминие-

вого завода, система цифрового

учета ПС «Ясень» (ПАО «Лен-

энерго»). Реализован ряд проек-

тов за рубежом — в Швейцарии

(компании Groupe-E и Swissgrid),

Голландии (DNV-GL), Франции

(EDF), Италии (Terna), Финлян-

дии (Fingrid).

109316, г. Москва, Волгоград-

ский просп., д. 42, корп. 5

Технополис «Москва»

8 (495) 775 8339

[email protected]

www.profotech.ru

№

4 (61) 2020

Оригинал статьи: Коммерческий учет электроэнергии с использованием цифровых измерительных систем

Читать онлайн

Стремительное развитие технологий на базе стандарта МЭК 61850-9.2 привело к активному использованию поддерживающего его оборудования как для задач релейной защиты и автоматики, так и для коммерческого учета. В основе применения стандарта лежит получение цифровых измерений либо от цифровых измерительных трансформаторов, либо от преобразователей. В данной статье рассмотрим эффекты, возникающие при построении систем коммерческого учета с применением цифровых измерительных трансформаторов: оптических — для измерения тока и электронных — для измерения напряжения, совместно с цифровыми приборами учета электроэнергии. Оценка эффектов приведена на примере использования цифровых трансформаторов производства «Профотек», при этом можно утверждать, что указанные в статье преимущества распространяются на все цифровые системы, построенные по аналогичной архитектуре.