автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Организация учета и измерения расхода электрической энергии в распределительных и цеховых сетях промышленных предприятий

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Технический Университет

На правах рукописи ОЗЕРОВ МИХАИЛ МИХАЙЛОВИЧ

ОРГАНИЗАЦИЯ УЧЕТА И ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ И ЦЕХОВЫХ СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их_ управление и регулирование

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Л

I/

Научный руководитель: Кандидат технических наук Доцент

Семичевский П.И.

и

Москва - 1999 г

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ...................................................................... 4

1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ УЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 11А ПРОМЫШЛЕ! 1ПОМ ПРЕДПРИЯТИИ................................................................9

1.1. Цели и задачи при организации учета ЭЭ........................?

1.2. Способы, виды и средства учета электрической энергии......Д

1.3. Автоматизированные'системы учета электроэнергии.............

1.4. Технико-экономический анализ организации учета

ОА

расхода электрической энергии......^. ¿. Гл : ,. ,:........................

1.5. Экспертная оценка эффекгивноетите^йчсского учета электрической энергии...............................,.................

АО

Выводы по главе 1...............................................................

2. ОСОБЕННОСТИ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ УЧЕТА РАСХОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ...........,...................42

2.1. Особенности индукционных счетчиков электрической

энергии................................................................

2.2. Электронные счетчики электрической энергии.....................

2.3. Схемы включения счетчиков...........................................57

АТ

2.4. Измерительные трансформаторы в системах учета ЭЭ..........."

2.5. Измерение реактивной мощности в СЭС промышленного предприятия................................................................65

Выводы по главе 2.................................................................

3. ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

НА ТОЧНОСТЬ ПОКАЗАНИЙ СЧЕТЧИКОВ..........................-?1

3.1. Основные показатели качества ЭЭ...................................71

3.2. Классификация потребителей ЭЭ цеховых и распределительных сетей .........................

...........................................80

3.3. Особенности нелинейных нагрузок.............. .....................91

3.4. Характерные режимы работы цеховых сетей.......................... 101

Выводы по главе 3....................................................................108

4. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ РАСХОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ЭНЕРГИИ СЧЕТЧИКАМИ ПРИ РАЗНЫХ ВИДАХ НАГРУЗКИ И ОТКЛОНЕНИЯХ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ........109

4.1. Методика проведения экспериментов.....................................109

4.2. Работа счетчиков при несимметричной нагрузке.......................114

4.3. Влияние толчковой нагрузки................................................114

4.4. Учет электрической энергии счетчиками при изменениях

уровня напряжения.................................~.........................И7

4.5. Частотные характеристики счетчиков электрической

энергии..............................................-V-..........................«217

4.6. Измерение счетчиками электрической энергии, потребляемой нелинейной нагрузкой........................~..........

Выводы по главе 4....................................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................... ........Г."............................ 127

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ 1......................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ 2...................................................."..................136

ПРИЛОЖЕНИЕ 3........................................................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ 4......................................................................139

ВВЕДЕНИЕ

Работа предприятий в условиях современной рыночной экономики определяет особое внимание к вопросам энергосбережения, в реализации которых важная роль принадлежит проблеме экономии электрической энергии.

Выявление непроизводительных расходов электрической энергии (ЭЭ) затрудняется тем, что имеют место две группы мероприятий, одна из которых способствует уменьшению объема расходуемой ЭЭ, а другая - ее увеличению. Первую группу представляют собой мероприятия по усилению учета и контроля электропотребления, 'внедрение энергосберегающей технологии и т.д., которые приводят к снижению уровня потребления ЭЭ. Во вторую группу входят мероприятия по механизации и автоматизации производственных процессов, замена в технологическом процессе топлива н пара на ЭЭ и т.д., приводящие к увеличению электропотребления. В этих условиях задача отыскания резервов экономии на основе анализа расхода ЭЭ становится особенно важной, тем более, что резервы экономии значительны.

В результате проведения энергосберегающих мероприятий на промышленных предприятиях можно добиться реального снижения уровня электропотребления до 15 % [1].

По данным специалистов [2] можно выделить три составляющих в экономии ЭЭ. Первая составляющая представляет прямую экономию ЭЭ в результате борьбы с нерациональным ее расходом. Для ее осуществления почти не требуется специальных затрат или они не очень велики. Следующая" составляющая получается с помощью технических и организационных мероприятий, требующих определенных затрат, но которые окупаются в самые короткие сроки (2-4 года). Последняя составляющая - это результат серьезной технологической перестройки и является значительно более капиталоемкой.

В современных условиях решаются в основном задачи, связанные с реализацией первой и второй составляющих экономии ЭЭ. Причем вторая состав-

ляющая может иметь большее в процентном соотношении значение, чем первая, примерно 7-8 % от общего количества электропотреблепия.

Для промышленных предприятий и их подразделений, работающих в рыночных условиях, это снижение энергозатрат особенно важно, так как вопрос об уменьшении объемов потребления ЭЭ и максимальной мощности в часы максимума энергосистемы для них прямо связан с экономическими показателями работы.

Вопросами экономии электрической энергии и организации ее учета в разное время занимались ведущие ученые и специалисты по электроснабжению Федоров A.A., Князевский R.A., Жежеленко И .В., Железко Ю.С., Гриб О.Г., Гордеев В.И., Шевченко В.В., Вебер A.JL.

К техническим и организационным мероприятиям по экономии ЭЭ относится в первую очередь система организации учета расхода ЭЭ, дающая информацию о параметрах эл е юр о 11 отре б л синя, Эта информация используется для расчетов предприятия с энергоснабжающей организацией; контроля учтенного расхода электроэнергии и оценки его соответствия фактическому; оперативного управления потреблением электроэнергии; разработки различных обоснованных норм расхода электроэнергии; составления электробалансов как предприятия в целом, так и его отдельных участков; планирования и прогнозирования параметров электропотребления как предприятия в целом, так и его отдельных подразделений и т.д. На ее основе можно разработать систему мер поощрения или наказания за сэкономленную или перерасходованную электрическую энергию.

Целью настоящей работы является: определение рационального использования в системах технического учета расхода электрической энергии с целью организации ее экономии на промышленных предприятиях с учетом того обстоятельства, что основным учетчиком расхода электрической энергии в этих системах является счетчик электроэнергии.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

- определение оптимального числа счетчиков электрической энергии и мест их установки в распределительной сети промышленного предприятия;

- определение возможной экономии электрической энергии при рациональной организации системы ее учета;

- выбор технических средств для учета электрической энергии (ЭЭ);

- определение погрешностей учета различных счетчиков электрической энергии при нарушении качества электроэнергии и изменениях режимов нагрузки. ■■ _ ■ -

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались методы расчетов электрических цепей, теория электрических измерений и электрических цепей, а также положения основ промышленного электроснабжения. Теоретические положения проверялись опытным"путем. -

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов. Справедливость теоретических положений подтверждена результатами экспериментальных исследований на специально созданном стенде на кафедре Электроснабжения промышленных предприятий, а также результатами опроса специалистов - экспертов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- осуществлен комплексный подход к системе технического учета расхода электрической энергии на промышленном предприятии; учтены характерные режимы работы цеховых сетей, особенности потребителей и возможности счетчиков ЭЭ;

- проведен анализ работы индукционных счетчиков ЭЭ при анормальных режимах: несинусоидальном, несимметричном, при толчковой и резкопере-менной нагрузке, при изменении коэффициента мощности в широких пределах;

- проанализирована работа счетчика на нелинейную нагрузку не в общем виде, а конкретно для частных случаев;

- получена экспериментальным путем уточненная частотная характеристика индукционного счетчика, отличающаяся в области низких частот от характеристик, приводимых в литературе.

Основные практические результаты:

- в настоящее время ввиду изменения стоимостных показателей системы учета и стоимости одного кВт'ч электроэнергии установка счетчиков технического учета экономически оправдана при достаточно малых мощностях нагрузок;

- для цехового учета электроэнергии могут применя ться более дешевые и имеющиеся в эксплуатации индукционные счетчики;

- погрешность индукционных счетчиков при различных видах нагрузок: несимметричной, толчковойи содержащей высшие гармоники, не превышает двух процентов, т.е. класса точности индукционного счетчика, применяемого для технического учета. Наибольшая погрешность имеет место при толчковой нагрузке с частотой выше 1000 включений в час и ПВ порядка 20 -г 30 %. В этом случае погрешность может быть найдена по приведенным выражениям.

- экспертная оценка эффективности внедрения технического учета подтвердила возможность снижения расхода электрической энергии от мероприятий, основанных на показаниях счетчиков, установленных па первом, втором и третьем уровнях системы электроснабжения.

- уточненная частотная характеристика индукционного счетчика показывает, что при изменении частоты питающего напряжения в пределах 45 - 65 Гц погрешность измерений счетчика лежит в пределах его класса точности.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались:

- на научно-технической конференции «Повышение эффективности и качества электроснабжения» (г. Мариуполь, 1990 г.),

- на научно-практической конференции «Региональные проблемы повышения качества и экономии электроэнергии (г. Астрахань, 1991 г.).

- на XII сессии Всесоюзного научного семинара «Кибернетика электрических систем» (г. Гомель, 1991 г.),

- на научно-технической конференции «Энергосбережение, электроснабжение, электрооборудование» (г. Новомосковск, 1998 г.);

- на научных семинарах кафедры Электроснабжение промышленных предприятий МЭИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе одна научная монография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Список литературы насчитывает 69 „„наименований. Общий объем 141 страница, из них 92 страницы машинописного текста, 41 рисунок на 31 странице, 10 таблиц на 5 страницах, 4 приложения на 7 страницах, список литературы на 6 страницах.

1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ УЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 1 !А 11РОМЫШЛЕ1IIЮМ

ПРЕДПРИЯТИИ

1.1. Цели и задачи при организации учета ЭЭ

Для нормального функционирования любой технической системы необходима первичная информация о ее состоянии и текущих параметрах.

В промышленном производстве такой информацией являются данные о расходе материалов, энергоносителей, количестве выработанной продукции, которые получают с помощью различных средств учета и контроля. На основе этих данных осуществляется управление производством.

Таким образом, любая организация промышленного или нового производства требует формирования соответствующего учета и контроля входных и выходных продуктов и материалов.

Обследования [3-6] на предприятиях различных отраслей промышленности показали, что одним из существенных недостатков, тормозящих повышение уровня управления энергопотреблением является отсутствие научно обоснованной методики рационального построения системы внутризаводского учета расхода энергоресурсов. В некоторой степени это связано с о тсутс твием директивных документов по данному вопросу.

Соответствующая современным условиям организация коммерческого учета ЭЭ на промышленном предприятии регламентируется Правилами устройства электроустановок [7], Правилами пользования электрической и тепловой энергией [8], Правилами технической эксплуатации электроустановок [9] и другими официальными документами. Однако, организации технического учета расхода ЭЭ внутри промышленного предприятия в этих документах не уделяется такого пристального внимания. В частности, в ПУЭ говорится, что на промышленном предприятии следует предусматривать техническую возможность установки (в условиях эксплуатации) стационарных или примене-

ния инвентарных переносных счетчиков для контроля за соблюдением лимитов расхода ЭЭ цехами, технологическими линиями, отдельными энергоемкими агрегатами [7]. На установку и снятие счетчика технического уче т на промышленном предприятии разрешения энсргоснабжающсп организации не требуется. Подобную же свободу действий представляют и другие документы [9]: «Счетчики активной энергии для целей технического учета устанавливаются по усмотрению потребителя». Таким образом, никаких директивных ограничений и специальных требований к организации учета пет. Каждое промышленное предприятие в меру своих возможностей использует имеющийся парк приборов контроля и автоматизированных систем для организации учета ЭЭ. Неукомплектованность предприятий измерительными средствами приводит к тому, что разрабатываются и внедряются отдельные элемен ты этой системы. Причем упор делается на теоретическую разработку научно обоснованных норм расхода ЭЭ на выработку единицы продукции пли одни технологический цикл, как более легкую часть работы при построении системы учета расхода ЭЭ на промышленном предприятии.

Разработке норм и методик оценки удельных расходов ЭЭ посвящено большое число работ, например [10, 11]. Но любые тщательно разработанные нормы расхода ЭЭ из-за несовершенства технического обеспечения системы учета не могут быть использованы для оценки рациональности электропогрсб-ления. При отсутствии объективной информации о расходах электроэнергии невозможно осуществить в полной мере ее экономию.

Эта информация необходима так же для: расчетов предприя тия с энерго-снабжающей организацией; контроля учтенного расхода электроэнергии и оценки его соответствия фактическому; оперативного управления потреблением электроэнергии; составления электробалансов как предприятия в целом, так и его отдельных участков; планирования и прогнозирования параметров электропотребления как предприятия в целом, так и его отдельных подразделений и т.д.

Таким образом, главным и наиболее трудным вопросом в задаче учета и контроля электропотребления является определение мест возможной экономии ЭЭ и степени рациональности ее расхода. Для этого требуется определить количество приборов контроля, их размещение в системе электроснабжения предприятия, необходимость и возможность объединения в автоматизированную систему и периодичность сбора информации по контролируемым параметрам электропотребления.

Потребление ЭЭ зависит от назначения приемников электрической энергии, режимов их работы, времени и других факторов. Процесс электропотребления во времени отражается графиками нагрузок, которые могут быть выражены в единицах мощности, тока или в процентах относительно максимума

нагрузки. ________

Различают суточные, сезонные, годовые графики активной и реактивной нагрузок и годовые графики нагрузок по продолжительности. Конфигурация графика нагрузки промышленных потребителей определяется особенностями технологического процесса данного производства. На рис. 1.1,а,б,в показаны суточные графики нагрузок часового завода, молочного и учебного комбината соответственно [12].

Значение и структура потребления ЭЭ и электрические нагрузки имеют вероятностный характер. Поэтому расчетные графики отличаются от фактических. Площадь графика нагрузки Р(1) дает расчетное или фактическое значение электрической энергии, полученной потребителем за соответствующий период времени (сутки, месяц, квартал, год)

1.2. Способы, виды и средства учета электрической Г энергии

24

(1.1)

О

Графики нагрузок разного видапотребителей

р, %

р,%

р.%

в)

(1.2)

о

где Тг - нормированное число часов в год, равное 8