Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Устройство и поверка современных счетчиков электрической энергии. Учебное пособие
.pdf
При наличии искажений расчет по формуле (32) суммирует реактивную
мощность с мощностью искажений, поэтому счетчик учитывает не реактивную
энергию, а сумму реактивной энергии и энергии искажения. Следует считать
счетчики, выполняющие расчет по (32), неприемлемыми для учета реактивной
энергии в сетях с заметными, но допускаемыми по [15], искажениями
синусоидальности. Полная мощность может вычисляться по (33) или (34). При
наличии искажений синусоидальности правильный результат дает формула
(33). Формула (34) дает сумму активной и реактивной мощностей и не
учитывает наличие мощности искажений.
Все сказанное полностью относится к трехфазным счетчикам.
Электронные цифровые счетчики с расчетом без использования
преобразования Фурье и шунтовым входом тока.
При расчете действующих значений напряжения и тока суммируют
действующие значения переменной и постоянной составляющих при расчете по
формуле и не реагируют на наличие постоянных составляющих при расчете по
формуле (29). Соответственно при расчете полной мощности по (33) наличие
мощности постоянной составляющей учитывается в зависимости от того, по
какой формуле были рассчитаны действующие значения напряжения и силы
тока.
Зависимость погрешности от нагрузки счетчика определяется свойствами
погрешности АЦПТ, АЦПН (наследуемая погрешность) – нелинейная –
парабола 2-й степени, поверка не менее, чем при трех разных нагрузках.
При наличии не синусоидальности счетчик активной энергии,
выполняющий вычисления по (30) учитывает активную энергию по сумме всех
гармоник, на которые реагирует счетчик в соответствии с теоремой
В.А. Котельникова [14] и постоянной составляющей. Расчет реактивной
энергии может производится с использованием формул (31, 32). Ни одна из этих
формул не дает правильного результата при наличии постоянной составляющей
тока или напряжения. Следовательно счетчик с шунтовым входом тока
непригоден для учета реактивной энергии при наличии постоянных
составляющих тока или напряжения! При отсутствии постоянной
составляющей формула (31) дает правильный результат учета реактивной
энергии независимо от наличия искажений. Использование формулы (32) дает
правильный результат учета реактивной энергии только при отсутствии
постоянной составляющей и искажений синусоидальности. При отсутствии
постоянной составляющей и наличии искажений расчет по формуле (32)
суммирует реактивную мощность с мощностью искажений, поэтому счетчик
учитывает не реактивную энергию. а сумму реактивной энергии и энергии
41
искажения. Следует считать счетчики, выполняющие расчет по (32),
неприемлемыми для учета реактивной энергии в сетях с заметными, но
допускаемыми по [11], искажениями синусоидальности.
В некоторых счетчиках предусмотрено измерение полной мощности
нагрузки. Полная мощность может вычисляться по (33) или (34). При расчете
полной мощности по (33) наличие мощности постоянной составляющей
учитывается или не учитывается в зависимости от того, по какой формуле были
рассчитаны действующие значения напряжения и силы тока. При отсутствии
мощности постоянной составляющей и наличии искажений синусоидальности
правильный результат дает формула (33). Формула (34) при наличии
постоянной составляющей – неприменима.
Все сказанное полностью относится к трехфазным счетчикам.
Электронные цифровые счетчики с расчетом по преобразованию Фурье
и шунтовым входом тока.
Если расчеты ведутся только по первой гармонике, наличие постоянной
составляющей напряжения или тока не влияет на результаты учета.
Если расчеты ведутся по сумме нескольких гармоник, постоянную
составляющую напряжения и тока следует исключать из расчетов
математически. Если этого не сделать, счетчики дают неправильный учет всех
видов энергии, при наличии постоянной составляющей, наличии или
отсутствии искажений синусоидальности.
Зависимость погрешности от нагрузки счетчика определяется свойствами
погрешности АЦПТ, АЦПН (наследуемая погрешность) – нелинейная –
парабола 2-й степени, поверка не менее, чем при трех разных нагрузках.
Вычисление мощности и энергии может выполняться или только по первой
гармонике, или по сумме нескольких (обычно не более пяти) гармоник.
При выполнении расчетов только по первой гармонике свойства
электронного цифрового счетчика подобны свойствам индукционного счетчика.
Независимо от наличия искажений синусоидальности расчеты напряжения,
тока и активной мощности по формулам (28, 29, 30), реактивной мощности по
формулам (31, 32) и полной мощности по (33, 34) дают одинаковый
и правильный результат для первой гармоники, наличие мощности искажения
и постоянной составляющей в этих расчетах не учитывается.
При наличии не синусоидальности и выполнении расчетов по сумме
нескольких гармоник счетчик активной энергии, счетчик учитывает активную
энергию по сумме гармоник (более 1 и не более 5), на которые счетчик должен
реагировать в соответствии с теоремой В.А. Котельникова [14]. Расчет
реактивной энергии может производится с использованием формул (31, 32).
42
Формула (31) дает правильный результат учета реактивной энергии независимо
от наличия искажений. Использование формулы (32) дает правильный результат
учета реактивной энергии только при отсутствии искажений синусоидальности.
При наличии искажений расчет по формуле (32) суммирует реактивную
мощность с мощностью искажений, поэтому счетчик учитывает не реактивную
энергию, а сумму реактивной энергии и энергии искажения. Следует считать
счетчики, выполняющие расчет по (32), неприемлемыми для учета реактивной
энергии в сетях с заметными, но допускаемыми по [11], искажениями
синусоидальности. Полная мощность может вычисляться по (33) или (34). При
наличии искажений синусоидальности правильный результат дает формула
(33). Формула (34) дает сумму активной и реактивной мощностей, она не
учитывает наличие мощности искажений. Постоянную составляющую
напряжения и тока следует исключать из расчетов математически.
Все сказанное полностью относится к трехфазным счетчикам.
4. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ ОТ СЧЕТЧИКА И ОБРАТНО
4.1. Общие сведения
Во всех электронных счетчиках предусмотрены средства передачи
информации от счетчика к некоторому приемному устройству. Содержание
и объем передаваемой информации зависит от многих причин, поэтому мы
рассмотрим несколько типичных примеров реализации устройств передачи
и приема информации, используемых в электронных счетчиках электрической
энергии.
Первый опыт передачи информации от счетчика на диспетчерский пункт
был получен при попытках создания АСКУЭ (автоматизированная система
коммерческого учета электроэнергии) с использованием индукционных
счетчиков. По окружности диска счетчика просверливали ряд отверстий,
и с помощью фотосчитывающего устройства формировалась
последовательность импульсов, частота следования которых получалась
пропорциональной скорости вращения диска (мощности нагрузки). В этом
случае число импульсов, появившихся на выходе счетчика за определенный
интервал времени, получается пропорциональным энергии, потребленной
нагрузкой за этот интервал. По каналу связи (экранированная двухпроводная линия)
импульсы передавались на пункт учета, где располагался счетчик импульсов,
дублирующий показания счетчика, находящегося у потребителя энергии. Тем
самым использовался число-импульсный способ передачи информации – самый
ненадежный и не помехоустойчивый. Эта система не получила распространения
43
прежде всего из за малой надежности и низкой помехоустойчивости при скольнибудь протяженных каналах связи (50 и более метров).
С появлением электронных статических счетчиков появилась возможность
создания надежных и достаточно мощных выходных цепей, обеспечивающих
вывод из счетчика электрических импульсов, имеющих частоту следования,
пропорциональную мощности нагрузки. Как правило, в таких счетчиках делают
два выхода, один из которых предназначается для поверки счетчика
(у электронного счетчика нет диска), второй – для передачи информации
числоимпульсным способом. Эти выходы реализуются путем использования
интерфейсов «открытый коллектор» или «открытый эмиттер», описание
которых приведено ниже. Такие выходы нашли всеобщее применение при
поверке электронных счетчиков, в том числе и цифровых (расстояние от
передатчика до приемника не более 2 м). Для передачи измерительной
информации выходы по этим интерфейсам оказались малопригодными. К
недостаточной помехоустойчивости число-импульсного способа передачи
информации добавилась необходимость согласования линии связи. Импульсы
на выходе электронного счетчика короткие (длительность их не превышает
нескольких миллисекунд), а фронты – очень крутые (длительность фронта не
более 0,1 микросекунды). В частотном спектре таких импульсов существенна
гармоника с частотой 10 МГц (длина волны – 30 м), поэтому линия связи
должна быть существенно меньше 30 м. Если необходима передача на большие
расстояния, необходимо применять соответствующие преобразующие
и согласующие устройства. АСКУЭ с использованием электронных статических
счетчиков оказались малоэффективными. Обеспечить ее помехоустойчивость
оказалось практически невозможным.
В электронных цифровых счетчиках обязательно используется
микропроцессор, что позволяет применять современные системы передачи
информации от счетчика и реализовать возможность дистанционного
управления счетчиком, например – изменение тарифов, и т. п. Во всех
электронных цифровых счетчиках встраивают выход по интерфейсам
«открытый коллектор» или «открытый эмиттер», для использования,
преимущественно, при поверке этих счетчиков. Для обмена информацией
в подавляющем большинстве случаев используются один или несколько
интерфейсов: оптический интерфейс связи с компьютером по входам USB или
COM-порт (интерфейс RS-232), длина канала, как правило не более 2м;
кабельный интерфейс RS-232 (COM-порт) для связи с компьютером, длина
кабеля не более 12 м; интерфейс RS-485 для связи на расстояние до 1,5 км по
двухпроводному или четырехпроводному каналам «витая пара» без
использования каких-либо модемов связи.
44
4.2. Интерфейсы «открытый коллектор», «открытый эмиттер»
Принципиальная схема импульсного выхода по интерфейсу «открытый
коллектор» приведена на рис. 16.
Положительные импульсы с частотой следования пропорциональной
мощности нагрузки, поступают на базу транзистора VT1, запертого с помощью
резистора R2. Частота следования этих импульсов выбирается такой, чтобы
обеспечить необходимую достоверность поверки, обычно не менее 5000
импульсов на кВТ·час. Коллектор VT1 выведен на зажим 7 («Поверка»),
обозначенный знаком «+», и предназначенный для использования при поверке
счетчика. Общий провод схемы выведен на зажим 8 («Общий»), обозначенный
знаком «−».
Рис. 16. Интерфейс «открытый коллектор
На базу транзистора VT2, запертого с помощью резистора R3, поступают
импульсы с частотой следования пропорциональной мощности нагрузки,
меньше частоты, поступающих на базу VT1. Частота следования этих
импульсов выбирается такой, чтобы обеспечить эффективную передачу
информации на пункт учета, обычно не менее 500 импульсов на кВТ час.
Коллектор VT2 выведен на зажим «Передача», обозначенный знаком «+».
Светодиод VD1 или некоторый символ ЖКИ, на который через резистор R1
поступают импульсы с базы VT1 мигает с частотой, пропорциональной
мощности нагрузки, что позволяет наблюдать за работой счетчика.
Коллекторы VT1 и VT2 ни с чем не соединяются, поэтому такой вид связи
называется – интерфейс «открытый коллектор». Чтобы получить сигналы
(импульсы) для использования во внешних по отношению к счетчику
устройствах, например при поверке счетчика, собирают схему рис. 17.
45
Рис. 18. Передача сигналов по интерфейсу «открытый эмиттер
Рис. 17. Передача сигналов по интерфейсу «открытый коллектор
На рис. 15: G1 – источник постоянного напряжения от 5 до 10 В с током
нагрузки не менее 10 мА; R1 – резистор нагрузки. Сопротивление R1
выбирается таким, чтобы ток короткого замыкания цепи «к внешним приборам»
был в пределах от 5 до 10 мА.
Принципиальная схема импульсного выхода по интерфейсу «открытый
эмиттер» и передачи сигналов по этому интерфейсу приведена на рис. 16.
Обозначения на рис. 16 совпадают с принятыми на рис. 17, 18 поэтому принцип
действия схемы не требует пояснений.
Интерфейсы «открытый коллектор» и «открытый эмиттер» позволяют
получать информацию от счетчика, передача управляющих сигналов от пункта
учета счетчику невозможна.
46
4.3. Интерфейс RS-485
Интерфейс RS-485 обеспечивает возможность двухсторонней
(полудуплексной) связи, т. е. передачу информации от счетчика на пункт учета
и команд от пункта учета счетчику. Термин «полудуплексная связь» означает,
что информация передается поочередно от счетчика к пункту учета и от пункта
учета к счетчику: «один говорит – все слушают». Связь реализуется по одной
или по двум линиям типа «витая пара». При передаче на сравнительно большие
расстояния (более 20 м до 1,5 км) линии экранируются. По одному каналу связи
к пункту учета могут быть подключены до 36 счетчиков.
Протоколы связи: 1 – все счетчики на приеме, пункт учета запрашивает
информацию от конкретного счетчика (остальные счетчики отключаются),
вызванный счетчик передает информацию на пункт учета (остальные счетчики
отключены), по окончании передачи все счетчики включаются на прием; 2 – все
счетчики на приеме, пункт учета вызывает конкретный счетчик (остальные
счетчики отключаются) и передает ему управляющие команды, по окончании
передачи все счетчики включаются на прием; 3 – все счетчики на приеме, один
из счетчиков вызывает пункт учета (остальные счетчики отключаются)
и передает ему информацию, по окончании передачи все счетчики включаются
на прием. Непосредственная передача информации от одного счетчика
к другому невозможна! Такая передача при необходимости может быть
осуществлена через пункт учета по протоколу: счетчик по протоколу 3 передает
информацию на пункт учета с просьбой переслать другому конкретному
счетчику, пункт учета передает эту информацию указанному счетчику по
протоколу 2.
В последние годы вместо интерфейса RS-485 все шире применяется
интерфейс Ethernet. Основное отличие этого интерфейса в том, что он
обеспечивает непосредственный обмен информацией любыми объектами,
подключенными к линии, минуя пункт учета. Основным недостатком этого
интерфейса является слабая защита от нелегального подключения к линии, что
создает возможность криминального вмешательства в работу системы связи
и передачу ложных команд.
Схема связи по интерфейсу RS-485 с использованием двухпроводной
линии экранированная «витая пара» приведена на рис. 20.
47
Рис. 20. Схема связи по интерфейсу RS-485
На персональном компьютере диспетчерского пункта (пункт учета)
установлен интерфейс RS-485, от которого отходит линия «АВ» – «витая пара»
в экране. Обратите внимание на схему соединения экранов отрезков линии и на
то, что заземление экрана выполнено в одной точке – на диспетчерском пункте.
Это существенно для передачи импульсов с крутыми фронтами по длинной
линии (длина линии соизмерима с длиной волны высшей из существенных
гармоник спектра импульсов).
На каждом из счетчиков, подключенных к линии (не более 36 счетчиков)
тоже установлен интерфейс RS-485. Обратите внимание на то, что в схеме
интерфейсов на диспетчерском пункте и у наиболее удаленного (по линии)
счетчика подключены к линии нагрузочные сопротивления 120 Ом, у остальных
счетчиков это подключение отсутствует. Это необходимо для обеспечения
согласования нагрузки линии с ее волновым (характеристическим)
сопротивлением, равным для линии типа «витая пара» 120 Ом. О
необходимости такого согласования было сказано выше.
В составе каждого интерфейса имеются вход приемника RX (receiver)
импульсов и выход передатчика TX (transmitter). При двухпроводной линии они
соединены параллельно. Источник постоянного напряжения ESM (около 9 В)
обеспечивает отключение (запирание) входов приемников при отсутствии
передачи по линии.
В начале передачи, передатчик закорачивает линию, все приемники
включаются на прием. Передатчик посылает в линию номер вызываемого
счетчика. Все счетчики принимают этот номер, остается включенным приемник
с запрошенным номером. После этого идет или запрос на получение
информации от счетчика, или команда вызванному счетчику. Передача
информации от счетчика на ДП осуществляется аналогично.
48
5. ПОДБОР СЧЕТЧИКОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА
ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ
Проведенное рассмотрение принципов действия счетчиков, имеющихся
в продаже в настоящее время, показывает, что при неправильном подборе
счетчиков для учета энергии одной и той же нагрузки могут получаться
существенно разные результаты. Здесь и ранее под существенно разными
результатами понимаются результаты измерения (учета), отличающиеся друг от
друга более, чем на сумму допускаемых погрешностей применяемых
измерительных устройств (счетчиков). При расчете принято: действующее
значение напряжения – 220 В, действующее значение тока – 10 А при любых
искажениях формы кривой. Примечания к таблицам:
1. Получить значения S1, T – невозможно, значение S2 может быть
рассчитано по показаниям других приборов.
2. Значение S1 рассчитывается обязательно, значения S2 и T могут быть
рассчитаны. Выводятся S1, или S2, что именно – неизвестно.
3. Значение S2 рассчитывается обязательно, значения S1 и T не
рассчитываются. Выводится S2.
4. Значение S1 рассчитывается обязательно, значения S2, T могут быть
рассчитаны. Выводятся S1, или S2, что именно – неизвестно.
5. Значение S2 рассчитывается обязательно, значения S1, T могут быть
рассчитаны. Выводятся S1, или S2, что именно – неизвестно.
Подробное рассмотрение причин этого явления проведено в [4]. На
основании данных, приведенных в главах 2, 3, 4 и материалов из [4] дадим
сводку условий применимости счетчиков, действующих по разным принципам,
для совместного учета электрической энергии.
Учет активной энергии выполняется прежде всего, чтобы брать
соответствующую плату с потребителя. Рассмотрим один неожиданный вопрос:
за какую энергию платит и должен платить потребитель?
Пока в эксплуатации были только индукционные счетчики ответ на этот
вопрос очевиден: потребитель платил за энергию первой гармоники
напряжения и тока (на другие составляющие энергии индукционный счетчик не
реагирует). При наличии допускаемой несинусоидальности имеет место
некоторое «неравноправие» потребителей. Вращающий момент асинхронных
электродвигателей определяется мощностью первой гармоники питающего
напряжения и тока. Для потребителей, использующих преимущественно
двигательную нагрузку (например – цехи механической обработки
машиностроительных заводов) оплата по показаниям индукционного счетчика
49
и полезный эффект от потребленной энергии соответствовали друг другу.
Потребители с нагрузкой, преобразующей электроэнергию в тепловую энергию
(осветительная, отопительная и т. п. нагрузки) имели определенное
«преимущество» – в тепло преобразуется энергия всех гармоник и постоянной
составляющей, по счетчику оплачивается энергия только первой гармоники.
Тем самым оплата по показаниям индукционного счетчика получается
сравнительно меньше полезного эффекта, получаемого от потребленной
энергии.
Пусть коэффициент несинусоидальности составляет 10 %, тогда
потребитель с двигательной нагрузкой использует фактически на 10 % меньше
энергии, чем потребитель с тепловой нагрузкой за одну и уже плату!
Счетчики, рассмотренные в главах 3, 4 могут учитывать энергию по
разному. Получается, что разным потребителям стоит задуматься, какой счетчик
лучше покупать? Потребителю с двигательной нагрузкой лучше использовать
индукционный счетчик или электронный цифровой счетчик, работающий
только по первой гармонике. Применение любых электронных статических
счетчиков и цифровых счетчиков, работающих по сумме гармоник, приводит
для этого потребителя к дополнительным затратам – он платит за энергию,
поступающую от высших гармоник, но не использует ее. Потребителей с
тепловой нагрузкой следует обязать использовать или электронные
статические счетчики, или электронные цифровые счетчики, не использующие
преобразование Фурье, или электронные цифровые счетчики, использующие
преобразование Фурье, но вычисляющие по сумме нескольких гармоник. Этим
потребителям следует запретить использовать индукционные счетчики и
электронные цифровые счетчики, выполняющие учет только по первой
гармонике. Их использование ведет к не доплате за фактически
использованную энергию.
Рассмотрим вопрос о применимости тех или иных счетчиков с точки
зрения обеспечения единства измерений. Для рассмотрения этого вопроса
разделим все системы передачи электроэнергии (сети) на три категории:
1. Форма напряжения сети и силы тока нагрузки счетчика чисто
синусоидальные: нет постоянной составляющей ни в напряжении сети, ни в
токе нагрузки, коэффициенты гармоник напряжения и тока не более 0,1 от
допускаемых по [15] коэффициенты не синусоидальности напряжения и тока не
более 0,1 допускаемого по [15]. Это «идеальная» сеть
2. Напряжение сети и сила тока нагрузки счетчика не содержат
постоянной составляющей. Коэффициенты гармоник напряжения и тока не
более допускаемых по [15], коэффициенты не синусоидальности напряжения и
тока не более допускаемого по [15].
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]