4.3. Аналого-цифровой счетчик потерь электроэнергии с имитацией температуры нагрева электрооборудования

Описанный далее счетчик потерь электроэнергии (СПЭ) разработан на базе моментной теории случайных процессов и предназначен для определения значения потерь электроэнергии, усредненного на часовом интервале времени, с последующей записью этого значения в энергонезависимую память большой емкости. Для решения этой задачи предлагается одна из возможных реализаций блоков устройства.

Объектом исследования для счетчика являются токоведущие элементы электрооборудования электроэнергетических систем и систем электроснабжения: провода линий электропередач, шины распределительных устройств электростанций и подстанций, жилы кабелей, обмотки электрических машин и т. д.

Входными случайными аргументами счетчика являются ток нагрузки I(t) и температура окружающей среды Θ_окр, а определяемой путем имитационного моделирования величиной – температура нагрева проводников Θ_эо.

Рис. 4.6. Схема счетчика потерь электроэнергии

Схема СПЭ, приведенная на рис. 4.6 [81], содержит датчик тока (ДТ) 1, квадратор 2, блок умножения 3, первое 4 и второе 5 апериодические звенья (АЗ), источники опорного напряжения (ИОН) 6 и 7, сумматор 8, датчик температуры окружающей среды (ДТОС) 9, стрелочный индикатор 10, генератор прямоугольных импульсов 11, микроконтроллер (МК) 12, приемо-передатчики 13 и 14, постоянное запоминающее устройство 15, персональный компьютер (ПК) 16.

В счетчике используются сумматор 8 и первое 4 и второе 5 апериодические звенья, схемы которых изображены на рисунках 4.7 и 4.8.

Схемы сумматора 8 содержит ОУ 17, резистор ОС 18, входные резисторы 19 и 20 [79].

Схема первого АЗ 4 содержит ОУ 21 и 22, резисторы ОС 23 и 25, входные резисторы 24 и 27, конденсатор 26.

Схема второго АЗ 5 содержит ОУ 28, резистор ОС 29, конденсатор 30, входные резисторы 31 и 32.

Рис. 4.7. Схема сумматора 8

Рис. 4.8. Схемы первого 4 и второго 5 апериодических звеньев

Счетчик работает следующим образом.

Элементами 1 – 3 по формуле (4.11) вычисляется напряжение, пропорциональное потерям мощности в ЭО ΔP.

Это напряжение пропускается через апериодическое звено 4, имеющее постоянную времени сглаживания τ₄ = 1 мин. Выходное напряжение АЗ 4, пропорциональное сглаженному значению потерь мощности ЭО ΔP, отображается с помощью стрелочного индикатора 10, а также поступает на вход порта A МК 12, который соединен со входом встроенного в МК 12 аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Дальнейшая обработка величины ΔP выполняется в МК 12 программными средствами; при этом в ПЗУ 15 регистрируются значения расхода электроэнергии ЭО ΔW, например, за 1 час, 1 сутки и т. д. Емкость ПЗУ такова, что в нем могут быть накоплены данные о почасовом расходе электроэнергии за несколько лет (в реализованном опытном образце – за 20 лет).

Элементами 5 – 9 вычисляется сопротивление R ТЭ ЭО по формуле (4.9).

При этом к первому и второму входам сумматора 8 приложено: отрицательное напряжение с выхода первого ИОН 6 U₆ = – R₀/m_R и положительное напряжение с выхода второго ИОН 7 U₅ = t₀/m_t.

Имитационное моделирование температуры нагрева ТЭ ЭО в счетчике выполняется следующим образом.

Значение температуры Θ_ЭО(t) определяется из дифференциального уравнения нагрева проводника (4.7) следующим образом.

Напряжение U₃, пропорциональное значению потерь мощности ЭО ΔP, поступает на первый вход второго АЗ 5, постоянная сглаживания которого равна постоянной времени нагрева исследуемого ЭО τ₅ = τ_ЭО. Второй вход АЗ 5 подключен к выходу датчика температуры окружающей среды 9, выходное напряжение которого пропорционально температуре окружающей среды U₉ = Θ_окр/m_Θ (где m_Θ = Θ/U_Θ – масштаб по температуре).

Так как потери мощности отображаются на индикаторе в реальном масштабе времени, то масштаб по времени, а также по постоянной времени нагрева τ_ЭО при моделировании принят равным единице.

Напряжения U₃ и U₉ суммируются вторым АЗ 5, выходное напряжение которого U₅ = –Θ_ЭО/m_Θ, пропорциональное температуре ТЭ ЭО Θ_ЭО, изменяется по экспоненте с постоянной τ₅ = τ_ЭО и представляет собой решение дифференциального уравнения модели нагрева ТЭ ЭО

(4.13)

которое для удобства пояснений можно записать, как

(4.14)

Решение уравнения (4.14) осуществляется апериодическим звеном 5 следующим образом [79, 80]. Понижение порядка производной dU₅/dt выполняет интегратор, реализованный на элементах 28, 30, 31, 32 (рис. 4.5) и имеющий постоянную интегрирования, равную τ₅ = τ_ЭО. На вход интегратора на ОУ 28 поступают суммируемые напряжения через резисторы: 31 – U₃, 32 – U₉, 29 – (–U₃). Инверсию сигнала на выходе АЗ 5 вносит ОУ 28.

Выходное отрицательное напряжение U₅ с выхода АЗ 5 поступает на третий вход аналогового сумматора 8 и т. д.

Допустимая температура ТЭ ЭО может быть определена по табл. 1 [Справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования /Под ред. Б.И. Круповича Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера. – М.: Энергоиздат, 1981. – 406 с.].

Таблица 1