Способ определения мест неконтролируемого потребления электроэнергии в электрической сети 0,4 кВ
METHOD OF DETERMINING PLACES OF UNCONTROLLED ELECTRIC POWER CONSUMPTION IN ELECTRIC NETWORK 0,4 kV

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оперативного выявления потребителей, имеющих подключение к линии электроснабжения в электрических сетях 0,4 кВ в обход счетчика электрической энергии.
Известен способ дистанционного выявления несанкционированного и неконтролируемого потребления электроэнергии, заключающийся в дистанционном сборе информации о потреблении электроэнергии в замкнутом объекте потребителя и получения картины теплового поля этого объекта тепловизором у соответствующих наружных поверхностей. При выявлении отличия теплового поля объекта проводится подключение к подводящим проводам линии электроснабжения потребителя вне стороны потребителя и измерение мощности переносным прибором без разрыва электрической цепи, которая сравнивается с информацией о потреблении электроэнергии в объекте потребителя (патент RU 2523600, кл. G 01 R 11/24, 2014).
Недостатком такого способа является выборочная, на основе картины теплового поля, проверка только отдельных потребителей путем персонального их обхода. При этом становится невозможным оперативное выявление неконтролируемого потребления электроэнергии среди высокой концентрации потребителей, которые имеют тепловое поле, так как возникает необходимость осуществлять контроль мощности каждого потребителя вне его стороны на высоте с использованием для этого специальных приспособлений и обученных людей, что занимает много времени.
Известен способ выявления неконтролируемого потребления электроэнергии в сетях 0,4 кВ, заключающийся в отключении всеми абонентскими устройствами нагрузки потребителей от проверяемой линии электроснабжения и измерении в центре управления потребляемой мощности линии электроснабжения, которую сравнивают с расчетной величиной технологических потерь электроэнергии в линии. При превышении измеренной мощности над мощностью технологических потерь выявляется факт неконтролируемого потребления электроэнергии в сети, но где именно это происходит – остается неизвестным (патент RU 2251703, кл. G 01 R 11/24, 2004).
Недостатком такого способа является невозможность оперативно выявлять места неконтролируемого потребления электроэнергии т.е. потребителей, имеющих несанкционированное (самовольное) подключение к линии электроснабжения в обход приборов учета, что особо актуально в случае высокой концентрации потребителей.
Известен способ выявления мест возникновения и величин нетехнических потерь энергии в электрических сетях по данным синхронных измерений, заключающийся в синхронных измерениях векторов напряжений и тока в центре питания, векторов напряжений во всех узлах контролируемой сети и расчете по известной схеме замещения сети векторов токов потребителей методом оценивания состояния. Полученные расчетные вектора токов преобразуются в мощности нагрузок, которые сравниваются с измеренными мощностями потребителей. На основе сравнения делается вывод об отсутствии или наличии нетехнических потерь электроэнергии в каждом узле сети (патент RU 2651610, кл. G 01 R 11/19, 2018).
Недостатком такого способа является необходимость синхронного измерения векторов напряжений с высокой точностью во всех узлах контролируемой сети. При этом в схемах сети с узлами без потребителей будет необходима установка в этих узлах дополнительных измерительных устройств векторов напряжений. Кроме того, необходима информация о параметрах используемой схемы замещения сети. При этом минимальная фиксируемая величина нетехнических потерь будет зависеть от точности измерительных устройств и параметров схемы замещения, которые по тем или иным причинам могут изменятся со временем.
Известен способ выявления неконтролируемого потребления электроэнергии в электрической сети 0,4 кВ (патент RU 2265858, кл. G 01 R 11/24, 2005), выбранный в качестве прототипа, позволяющий выявлять места неконтролируемого потребления электроэнергии на основе сравнения рассчитанного и измеренного значений фазных напряжений в каждом узле сети. Нагрузку коммерческих потребителей подключают к линии электроснабжения через исполнительные абонентские устройства, которые управляются дистанционно по радиоканалу, могут измерять мгновенные значения напряжений и токов, вычислять по измеренным значениям действующие значения напряжения и потребляемого тока нагрузки за период, записывать их в память по передаваемой из центра по радиоканалу команде, отличающийся тем, что одновременно измеряют мгновенные значения напряжений и токов нагрузок во всех точках присоединения потребителей к линии электроснабжения, вычисляют по измеренным значениям действующие значения напряжения и потребляемого тока нагрузки за период, измеренные значения запоминают в памяти устройств, считывают измеренные значения напряжений и токов нагрузок, вычисляют по измеренным значениям полные сопротивления нагрузок потребителей, выполняют расчет фазных напряжений во всех местах подключения нагрузок с использованием схемы замещения линии электроснабжения, вычисляют разности рассчитанного и измеренного значений напряжений в каждом узле сети, выявляют места неконтролируемого потребления электроэнергии по максимальным значениям разности рассчитанного и измеренного значений фазных напряжений и значения неконтролируемо потребляемой мощности.
Недостатками такого способа выявления неконтролируемого потребления электроэнергии в электрической сети 0,4 кВ является необходимость расчета полных сопротивлений нагрузки на основе измерений токов и напряжений и наличия известных параметров схемы замещения.
Новым достигаемым техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение избирательности и чувствительности выявления места неконтролируемого потребления электроэнергии на контролируемом участке распределительной сети, обусловленного несанкционированным подключением к ней потребителей в обход счетчиков электроэнергии.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем подключение нагрузки потребителей к сети через дистанционно управляемые из центра управления счетчики электроэнергии, которые могут измерять мгновенные значения напряжений и токов, вычислять по измеренным значениям действующие значения напряжения за период, введены дистанционно управляемые коммутируемые тестовые сопротивления, расположенные в местах подключения к питающей линии ответвлений потребителей и включенные в разрыв фазных проводов ответвлений потребителей, состоящие из набора тестовых сопротивлений, модема, блока управления, блока управляемых ключей, при этом из центра управления в счетчики электроэнергии потребителей передается команда отключения нагрузки всех потребителей на контролируемом участке распределительной сети и действующее значение питающего напряжения, измеренное в центре управления после отключения нагрузки потребителей, счетчики электроэнергии у потребителей сравнивают полученное из центра управления действующее значение напряжения и измеренное действующее значение напряжения у потребителей после отключения нагрузки при различных значениях тестовых сопротивлений, при этом счетчик электроэнергии у потребителя задает необходимое значение тестового сопротивления в зависимости от величины неконтролируемого потребления электроэнергии.
Предлагаемый способ реализуем, если у потребителей электроэнергии установлены дистанционно управляемые счетчики электроэнергии, в которых предусмотрены функции отключения нагрузки потребителей и измерения действующего значения напряжения у потребителей.
Способ выявления неконтролируемого потребления электроэнергии в электрической сети напряжением 0,4 кВ основан на измерении действующего значения напряжений у потребителей при отключении всей нагрузки и его сравнении с измеренным в этот период времени действующим значением напряжения в центре управления. Для повышения чувствительности способа в местах подключения к питающей линии ответвлений потребителей в разрыв фазного провода ответвления, питающего потребителя, включается дистанционно управляемое тестовое сопротивление с помощью устройства, представленного на фиг. 1, где цифрами обозначены: 1 – модем; 2 – блок управления; 3 – блок управляемых ключей; 4 – набор тестовых сопротивлений.
В качестве модема 1 можно использовать любые модемы, выпускаемые промышленностью. Блок управления 2 выполняется на основе микроконтроллера, запрограммированного соответствующим образом. В качестве управляемых ключей блока управляемых ключей 3 можно использовать силовые реле с подходящими параметрами по допустимому напряжению и току. В наборе тестовых сопротивлений 4 можно использовать мощные силовые резисторы, серийно выпускаемые промышленностью. В состав дистанционно управляемого тестового сопротивления должно входить несколько сопротивлений, каждое из которых соответствует определенному диапазону токов неконтролируемого потребления электроэнергии потребителем. Диапазон тока на одно сопротивление имеет верхнюю и нижнюю границу. Верхняя граница обусловлена допустимым отклонением напряжения у потребителя, а нижняя граница обусловлена величиной погрешности измерения напряжения счетчиками электроэнергии потребителей.
На фиг.2 приведен пример электрической схемы замещения возможного контролируемого участка распределительной сети с учетом расстановки счетчиков электроэнергии потребителей (W1A, W1B, W1C, W2, WnA, WnB, WnC) и устройств, выполненных по фиг.1 (Rk1A, Rk1B, Rk1C, Rk2, RknA, RknB, RknC), где , ,  – трехфазная система питающих ЭДС; , , ,  – внутренние сопротивления источника;  – сопротивление цепи заземления источника; W – центр управления; , , , , , , , , , , ,  – комплексные сопротивления участков питающей линии; , , , , , , , , , , , , , , ,  – комплексные сопротивления участков кабелей потребителей; , , , , , ,  – комплексные сопротивления нагрузки (потребителей); , ,  – сопротивления повторных заземлений.
Способ реализуется следующим образом. Центр управления передает всем счетчикам электроэнергии потребителей на контролируемом участке распределительной сети команду «отключить нагрузку». Счетчики потребителей отключают нагрузку и измеряют действующее значение напряжений у потребителей, в центре управления также измеряется действующее значение напряжения сети и потребляемая мощность. Если мощность, измеряемая в центре управления, меньше или равна мощности технологических потерь на контролируемом участке распределительной сети и напряжения потребителей равны напряжению сети (в пределах допустимых погрешностей), то делается вывод, что неконтролируемого потребления энергии нет и счетчики потребителей соответствуют заявленным требованиям по допустимым погрешностям (ГОСТ 31819.22-2012). Если мощность, измеряемая в центре управления, меньше или равна мощности технологических потерь на контролируемом участке распределительной сети, а напряжения у потребителей имеют отклонения выше обусловленных погрешностью измерений напряжений счетчиками электроэнергии потребителей, то делается заключение о несоответствии класса точности счетчиков электроэнергии потребителей заявленным.
В случае если центром управления фиксируется потребляемая мощность на контролируемом участке распределительной сети выше технологической, то имеется факт неконтролируемого потребления электроэнергии. Для определения места неконтролируемого потребления электроэнергии используются измерения напряжений у потребителей и напряжения сети в центре управления.
Выявление мест неконтролируемого потребления электроэнергии реализуется следующим образом. Центр управления подает команду счетчикам потребителей «отключить нагрузку» и измеряет действующие значения фазных напряжений, питающих контролируемый участок распределительной сети. Центр управления передает счетчикам потребителей действующие значения соответствующих питающих напряжений. Счетчики электрической энергии потребителей отключают нагрузку и измеряют действующие значения фазных напряжений у потребителей. Для повышения избирательности и чувствительности выявления места неконтролируемого потребления электроэнергии на контролируемом участке распределительной сети используются дистанционно управляемые коммутируемые тестовые сопротивления, которые работают следующим образом.
В исходном состоянии в разрыв фазного провода ответвления потребителя (замкнут ключ k1 фиг.1, все остальные разомкнуты) не включено ни одно сопротивление. В этом режиме счетчик электроэнергии потребителя измеряет действующее значение напряжения у потребителя. Если оно отличается от напряжения, измеренного в центре управления, более чем на величину допустимой погрешности измерения напряжения, то факт неконтролируемого потребления электроэнергии является установленным. Если напряжение, измеренное счетчиком электроэнергии потребителя не отличается от измеренного в центре управления (в пределах допустимых погрешностей), то счетчик электроэнергии потребителя отдает команду дистанционно управляемому коммутируемому тестовому сопротивлению «включить» в разрыв фазного провода сопротивление (один из ключей kn фиг.1 замкнуть, остальные разомкнуть). Величина включаемого сопротивления зависит от падения напряжения, которое должен фиксировать счетчик электроэнергии у потребителя. При заданном диапазоне токов падение напряжения должно иметь минимальное значение, ограниченное погрешностью измерения напряжения, а максимальное – должно быть таким, чтобы напряжение у потребителя осталось в допустимых пределах номинального значения (220В±5%). Поиск неконтролируемого потребления электроэнергии начинается с наибольшего диапазона токов. Счетчик электроэнергии потребителя измеряет действующее значение напряжение у потребителя с учетом включенного тестового сопротивления. Если оно, отличается от напряжения, измеренного без тестового сопротивления более чем на величину допустимых погрешностей измерения напряжения, то факт неконтролируемого потребления электроэнергии является установленным. Если напряжение, измеренное счетчиком энергии потребителя, не отличается, то счетчик электроэнергии потребителя отдает команду дистанционно управляемому коммутируемому тестовому сопротивлению «включить» в разрыв фазного провода следующее сопротивление, соответствующему меньшему диапазону возможного тока ответвления потребителя. Минимальный диапазон токов ограничивается минимальной мощностью неконтролируемого потребления электроэнергии, которую планируется обнаруживать данным способом.
В результате выявляется неконтролируемое потребление электроэнергии или, в случае равенства напряжений при различных тестовых сопротивлениях, определяется отсутствие неконтролируемого потребления электроэнергии у данного потребителя. Затем счетчиком потребителя подается команда восстановить исходное состояние (ключ k1 замкнут все остальные ключи разомкнуты).
После проведения измерений напряжений всеми счетчиками потребителей в центр управления передается информация о потребителях, имеющих неконтролируемое потребление электроэнергии. После этого центром управления подается команда «подключить нагрузку» и питание потребителей восстанавливается.
С целью подтверждения выше изложенного представим расчет. Возьмем действительное действующее значение фазного напряжения источника питания равным 220 В. Измерение действующего значения напряжения счетчиками электрической энергии без их существенного удорожания возможно с относительной погрешностью, не превышающей ±0,1%. Таким образом, в случае отключения всех нагрузок счетчиками потребителей и отсутствия неконтролируемого потребления электроэнергии максимальное отличие напряжений, измеряемых счетчиками электроэнергии у потребителей и в центре управления, может достигать 440 мВ.
2
2
2
2
Для надежного обнаружения неконтролируемого потребления электроэнергии необходимо, чтобы разница измеренных напряжений составляла величину более 1000 мВ. Известно, что полное сопротивления у двух – пяти жильных кабелей сечением жилы 2.5 мм имеет такую величину, которая при токе 1 А обуславливает падение напряжение 7 мВ для медных или 11 мВ для алюминиевых жил на один метр длины кабеля. При сечении 10 мм падение напряжения, соответственно, не превышает 2 мВ и 3 мВ. Таким образом, для выявления неконтролируемого потребления электрической энергии мощностью порядка 220 Вт (ток 1 А) при использовании кабеля с медными жилами для сечения 2.5 мм кабель должен иметь минимальную длину 140 м, а для сечения 10 мм – 500 м для достижения необходимой разницы измеренных напряжений (1000 мВ) в центре управления и у потребителей. Очевидно, что такая ситуация встречается крайне редко, обычно длина питающей линии и ответвлений к потребителям имеет меньшую длину или большее сечение. Для устранения данного недостатка применяется дистанционно управляемое коммутируемое тестовое сопротивление.
Ниже представлены результаты расчета тестовых сопротивлений в составе дистанционно управляемого коммутируемого сопротивления для трех диапазонов токов, которые охватывают ток ответвления потребителя от 0,4 А до 130 А:
1. Сопротивление R1=2,5 Ом на ток 0,4-2 А, напряжение 1000-5000мВ, мощность 10 Вт;
2. Сопротивление R2=0,5 Ом на ток 2-10 А, напряжение 1000-5000мВ, мощность 50 Вт;
3. Два параллельных резистора общим сопротивлением R3=0,023 Ом на ток 10 - 130 А, напряжение 920-2990 мВ, мощностью два по 200 Вт).
Учет изменения питающего напряжения во время поиска места неконтролируемого потребления электроэнергии предполагается выполнить следующим образом. В течение времени, когда счетчики электроэнергии у потребителей выполняют функции поиска мест неконтролируемого потребления электроэнергии, центр управления измеряет питающее напряжении непрерывно, и если во время поиска неконтролируемого потребления электроэнергии произошло изменение питающего напряжения хотя бы по одной из фаз больше величины допустимых погрешностей измерений (440 мВ), то результаты поиска места неконтролируемого потребления считаются некорректными, требуются повторные измерения.
Таким образом, приведенный оценочный расчет подтверждает возможность повышения избирательности и чувствительности выявления места неконтролируемого потребления электроэнергии на контролируемом участке распределительной сети с помощью предложенного способа.