Способ определения факта, места и величины неучтённого потребления электрической энергии в распределительной сети
METHOD FOR DETERMINING FACT, LOCATION, AND MAGNITUDE OF UNACCOUNTED CONSUMPTION OF ELECTRICAL POWER IN DISTRIBUTION NETWORK

Изобретение относится к области измерения электрических и магнитных величин, а именно к измерению электрической мощности с использованием цифровой техники и может быть использовано для установления факта, определения величины и места возникновения коммерческих потерь электрической энергии в распределительной сети, вследствие чего снижаются трудозатраты на определение места возникновения коммерческих потерь в электрической сети.
Известен способ определения расхода электроэнергии электроподвижным составом в границах произвольной зоны учета, заключающийся в измерении специальным информационно-измерительным комплексом на борту электроподвижного состава приращений расхода и рекуперации электрической энергии и географических координат его местоположения с заданным интервалом и привязкой к глобальному времени, на основании которых на сервере сбора и обработки данных верхнего уровня путем арифметического сложения приращений расхода (рекуперации) электрической энергии j-м электроподвижным составом, зафиксированных в расчетном периоде Т в границах k-й зоны учета, определяется значение расхода (рекуперации) электрической энергии j-м электроподвижным составом в границах расчетной зоны учета, а также вышеописанный способ, отличающийся тем, что задание границ зон учета электрической энергии производится на сервере сбора и обработки данных верхнего уровня, а не на электроподвижном составе, а также раздельным определением расхода и рекуперации электрической энергии в границах зоны учета (патент RU 2559408 С1, МПК B60L 3/00 (2006.01), G01R 21/133 (2006.01)).
Однако в основе данного способа лежит измерение только расхода и рекуперации электрической энергии подвижным составом, что не позволяет применять данный способ для определения наличия или отсутствия в сети потерь электрической энергии.
Известен способ определения технологических потерь электроэнергии в оборудовании тяговых подстанций, входящих в систему тягового электроснабжения, заключающийся в измерениях на тяговой подстанции постоянного тока напряжения и тока на уровне напряжения 3,3 кВ, отличающийся тем, что измерения на вводе преобразователей тяговых подстанций и дополнительно к ним устройствах усиления осуществляются синхронно с измерениями на стороне высокого напряжения переменного тока преобразовательного трансформатора, результаты измерений передаются на сервер обработки данных через корпоративную сеть передачи данных с тяговых подстанций, на основе которых определяются технологические потери электроэнергии на тягу в оборудовании тяговой подстанции за анализируемый период времени как разность между расходом электроэнергии, определяемым по данным автоматизированной системы коммерческого учета, и расходом электроэнергии по данным измерительных систем, установленных на вводах преобразовательных агрегатов тяговых подстанций постоянного тока, а также устройств усиления системы тягового электроснабжения (патент RU 2573098 С2, МПК В60М 3/00 (2006.01), G01R 21/133 (2006.01)).
Основным недостатком описанного способа является тот факт, что фиксируются и анализируются только показатели расхода электроэнергии, на основании разности которых технологические потери определяются по интервалам измерений, что не позволяет производить анализ потребления электрической энергии в сети для произвольного момента времени.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату - прототипом - является способ определения технологических потерь электроэнергии в тяговой сети переменного тока, заключающийся в измерениях для выбранного участка тока и напряжения на тяговых подстанциях и электровозах, отличающийся тем, что измерения тока и напряжения осуществляют синхронно на каждом фидере контактной сети каждой тяговой подстанции и на электровозах и регистрируют измеренные параметры с периодичностью от 0,1 до 1 мин, вычисляют расходы электроэнергии на тяговых подстанциях и на электровозах и регистрируют их с той же периодичностью, передают вычисленные значения расхода электроэнергии на тяговых подстанциях и на электровозах на устройство сбора и обработки данных, посредством которого рассчитывают электроэнергию, потребленную на тяговых подстанциях в пределах выбранного участка, и на электровозах за время прохождения ими этого участка, а технологические потери электроэнергии в тяговой сети выбранного участка определяют как разность между значениями расхода электроэнергии на тяговых подстанциях и на электровозах (патент RU 2267410 С1, МПК B60L 3/00 (2006.01), G01R 21/06 (2006.01)).
Основным недостатком данного способа является то, что в нем отсутствует возможность определения характера потерь электрической энергии в сети и, как следствие, невозможность определить наличие или отсутствие неучтенного потребления электрической энергии в электрической сети, а также установить участок, характеризующийся высоким уровнем потерь. Также упомянутый способ характеризуется отсутствием возможности анализа процессов, происходящих в сети в произвольный момент времени за счет того, что на устройство сбора и обработки данных передается только информация о расходах электроэнергии за заданный период времени.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании способа определения факта, места и величины неучтенного потребления электрической энергии в распределительной сети, при использовании которого возможно производить анализ процессов, происходящих в сети в произвольный момент времени, а также определять наличие или отсутствие в сети неучтенного потребления электроэнергии по небалансу токов для повышения скорости и достоверности установления факта и определения величины и места возникновения неучтенного потребления электрической энергии в распределительной сети, а также способного обеспечить возможность алгоритмизации и автоматизации процесса определения факта, места и величины неучтенного потребления электрической энергии в распределительной сети.
Решение данной технической проблемы достигается тем, что в способе определения факта, места и величины неучтенного потребления электрической энергии в распределительной сети, заключающемся в синхронном измерении электрических величин, согласно изобретению одновременно измеряется значение величин активной мощности, тока и напряжения на источнике питания и в точках присоединения потребителей с частотой до 1 раза в секунду, все измеренные и вычисленные параметры регистрируются с той же периодичностью и передаются на устройство сбора и обработки данных, посредством которого рассчитывается величина неучтенного потребления электрического тока в сети, при превышении которой некоторого порогового значения устанавливается факт наличия в сети неучтенного потребления электрической энергии, а место неучтенного потребления электрической энергии определяется расчетным путем на основе анализа данных о падении напряжения на отдельных участках электрической сети как расстояние от источника питания до точки неучтенного потребления электроэнергии в сети.
Ввиду того, что определение места неучтенного потребления электроэнергии осуществляется на основе данных о падении напряжения на участках сети, для проведения расчета- требуется иметь информацию о конфигурации сети, а именно: длина и марка провода каждого участка, общая топология сети и другие параметры, а также показания приборов учета на источнике питания, у потребителей и в других точках. Тогда на основании имеющихся данных можно определить ток небаланса и разность в расчетных и фактических значениях напряжения на каком-либо участке. При помощи полученных значений в дальнейшем определяется расстояние от начала участка, причем началом участка считается его край со стороны источника питания до точки неучтенного потребления электроэнергии.
Очевидно, что ток и напряжение являются комплексными величинами, однако приборы учета позволяют определять только модули значений этих величин.
В первую очередь для определения факта, места и величины неучтенного потребления электрической энергии в распределительной сети требуется определить, присутствует ли в заданной сети неучтенное потребление электрической энергии.
Однако для этого не может быть использован баланс мощностей, так как в данном случае не смогут быть учтены потери мощности на элементах линии. Также некорректно производить определение небаланса токов и делать вывод о наличии или отсутствии тока утечки ввиду того, что исходные данные получаются с приборов учета, установленных в различных точках сети, в связи с чем значения токов приведены по углу к значениям соответствующих напряжений. Данный факт не позволяет верно определить небаланс токов в сети, в связи с чем установление факта наличия или отсутствия неучтенного потребления в сети без проведения расчетов сделать невозможно. Причина невозможности проведения такого анализа связана с тем, что даже при отсутствии неучтенного потребления в сети угол сдвига фазы тока относительно напряжения, то есть коэффициент мощности между напряжением в точке подключения потребителя и током потребителя и между напряжением источника питания и током потребителя различается ввиду влияния комплексного характера сопротивления линии электропередачи. А при возникновении неучтенного потребления в сети различия только усиливаются.
В связи с этим для определения величины неучтенного потребления электрического тока в сети потребуется привести по углу сдвига фазы все токи потребителей к единому напряжению - напряжению источника питания. Для этого следует определить расчетное напряжение в начале линии относительно напряжения в конце линии, модуль которого в общем случае может не совпадать с фактическим значением напряжения источника питания. В рамках данного способа этот факт свидетельствует о наличии неучтенного потребления в электрической сети.
Затем потребуется привести токи нагрузки всех потребителей в сети по углу сдвига к полученному значению расчетного напряжения в начале линии. Тогда может быть составлен баланс токов в сети и определена величина и коэффициент мощности неучтенного тока. Значимое различие между силой тока в отходящей линии от источника питания и геометрической суммой токов у потребителей может возникать вследствие наличия токов утечки на землю емкостного характера и/или неучтенного потребления электроэнергии.
О наличии на рассматриваемом участке электрической сети незаконных подключений также может говорить факт небаланса отпущенной потребителям с питающей подстанции и суммой потребленной электроэнергии. Благодаря современным приборам учета, способным передавать показания в автоматическом режиме, стало возможным проводить так называемый «интервальный» контроль за сетью, то есть передавать показания на обработки через определенные периоды времени. Однако, такой метод установления факта наличия неучтенного потребления в сети содержит в себе высокую погрешность, поскольку отсутствует возможность выделить технологические потери, зависящие от уровня нагрузки ввиду нелинейной зависимости потерь от передаваемой мощности. В связи с этим, для обеспечения необходимой точности измерений, возникает необходимость в определении дополнительных параметров - величины протекающей активной мощности, на основании чего становится возможным определить коэффициент мощности каждой нагрузки и численно получить активную и реактивную составляющую каждого тока.
В сетях низкого напряжения существованием токов утечки на землю можно пренебречь (но при необходимости их можно рассчитать на основании имеющейся информации об уровне напряжения и конфигурации сети), кроме того, токи утечки будут изменяться только в случае изменения величины напряжения и, поэтому, их можно определять единожды для каждого участка сети. Факт превышения разницей отдаваемых и потребляемых токов суммарной погрешности измерительных приборов (за вычетом технически неизбежных токов утечки на землю) является свидетельством наличия на участке неучтенного потребления электроэнергии, а величина разности отдаваемых и потребляемых токов будет являться величиной неучтенного потребления электрического тока.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена схема сбора и передачи данных в распределительной сети.
Способ определения факта, места и величины неучтенного потребления электрической энергии в распределительной сети основан на анализе данных, поступающих с приборов учета или аналогичных устройств, установленных в определенных точках в распределительной сети - обычно в точках подключения потребителей и на источнике питания с использованием информации о конструктивных параметрах распределительной сети, а именно: марка и сечение применяемого провода (кабеля), типы используемых опор (способ прокладки кабеля), длины всех участков линии электропередачи. Прибор учета регистрирует и передает следующий набор данных: величину напряжения в точке его установки, величину протекающего через него тока и величину потребляемой через него активной мощности. Передача данных осуществляется через один из видов каналов связи: GSM канал связи, интерфейс RS-485/232, сеть Интернет, электрическая сеть, радиоканал связи. Устройство сбора и обработки данных принимает данные со всех устройств в распределительной сети и на их основании, а также с учетом информации о конструктивных параметрах распределительной сети проводит анализ сети на наличие факта неучтенного потребления электрической энергии и, в случае наличия такового, производит расчет с целью определения места неучтенного потребления электрической энергии в распределительной сети. Связь приборов учета и устройства сбора и обработки данных с физической средой каналов связи производится при помощи специальных модемов или модулей.
Схема сбора и передачи данных в распределительной сети состоит из неограниченного числа приборов учета электроэнергии 1 (или аналогичных устройств), которые по внутренним каналам связи прибора учета 2 передают данные на один из модемов для связи с физической средой каналов связи: GSM-приемопередатчик 3, RS485/232-модем 4, Интернет-модем 5, PLC-модем 6, модуль радиосвязи 7. Упомянутые модемы/модули связаны с физической каналов связи данных напрямую. Данные могут передаваться через GSM канал связи 8, интерфейс RS-485/232 9, сеть Интернет 10, электрическую сеть 11, радиоканал связи 12. Передаваемые по упомянутым каналам связи данные поступают на модемы/модули для связи с физической средой каналов связи со стороны устройства сбора и обработки данных: GSM-приемопередатчик 3, RS485/232-модем 4, Интернет-модем 5, PLC-модем 6, модуль радиосвязи 7, затем по внутренним каналам связи устройства сбора и обработки данных 13 поступают на устройство сбора и обработки данных 14.
Способ определения факта, места и величины неучтенного потребления электрической энергии в распределительной сети работает следующим образом. В общем случае, имея в сети N участков (N>1), необходимо определить «подозрительные участки». «Подозрительным» называется участок, фактическое напряжение в конце которого не совпадает с расчетным напряжением, рассчитанным относительно показаний прибора учета, находящегося на предыдущем участке. Если расчетное и фактическое напряжения в конце участка не совпадают, то точка потребления неучтенного тока (или его части) находится на данном участке и данный ток вызывает дополнительное падение напряжения, протекая по части сопротивления этого участка. Расстояние до точки неучтенного потребления электроэнергии от начала участка определяется по сопротивлению участка, на котором происходит падение напряжения. Если расчетное и фактическое напряжения совпадают, то потребление тока, вызванного неучтенным потреблением электроэнергии, происходит на другом участке и данный участок, а также всего его параметры могут быть использованы как опорные, в связи с чем условно может быть снижена протяженность сети за счет вывода части участков из расчета. В конечном итоге определяются участки, содержащие точку неучтенного потребления электроэнергии.
Учитывая то, что напряжение источника питания принято опорным, можно заключить, что известные из показаний прибора учета значения тока источника питания являются корректно заданными, становится очевидно, что с наибольшей точностью на данном этапе возможно определить расчетное значение напряжения в конце первого по ходу движения от источника питания участка.
Расчетное напряжение в конце участка будет определяться по формуле (1):
где  - фактическое значение напряжения в начале участка, полученное на основании информации из исходных данных;
- ток, отдаваемый в сеть от источника питания;
- сопротивление участка.
В случае, если расчетное напряжение в конце участка  полученное по формуле (2) совпадет по модулю с фактическим напряжением в конце участка  полученным из показаний прибора учета, то можно будет заключить, что неучтенное потребление на данном участке отсутствует и в таком случае полученное комплексное значение  будет являться истинным и сможет использоваться в дальнейшем как опорное (фактическое). В связи с этим становится возможно условно исключить данный участок из расчета и продолжить «движение» по сети. При этом полученное  можно будет принять как  для «уменьшенной» сети. А ток  в этом случае следует уменьшить на ток нагрузки данного потребителя. Однако следует отметить, что равенство расчетного и фактического значений не гарантирует отсутствие неучтенного потребления непосредственно в точке измерения прибором учета фактического напряжения в конце участка.
В случае, если напряжение  полученное по формуле (1) не совпадет по модулю с напряжением фактическим напряжением в конце участка  полученным из показаний прибора учета, то делается вывод о наличии неучтенного потребления на данном участке. Причем модуль  в этом случае должен быть меньше модуля  что будет говорить о том, что неучтенное потребление присутствует внутри участка. Превышение модуля  над модулем  говорит об ошибке в исходных данных или в расчетах.
Так как в общем случае участок, на котором первым обнаружилось неучтенное потребление, не будет последним, то в дальнейшем потребуется произвести движение с конца линии таким же образом, каким производилось ранее описанное определение  при этом выполнять это требуется относительно  которое задано в исходных данных.
При этом расчетное напряжение в начале участка будет определяться по формуле (2):
где  - фактическое значение напряжения в конце участка, полученное на основании информации из исходных данных;
- ток, потребляемый на участке N;
- сопротивление участка N.
Совпадение напряжения  рассчитанного по формуле (2) с модулем напряжения  полученным из исходных данных, говорит об отсутствии утечки на данном участке. А потому данный участок также может быть исключен из расчета. Однако важным замечанием является то, что перед каждой следующей итерацией следует выполнять приведение тока  к опорному напряжению (напряжению конца линии).
Таким образом, для сети общего случая при проведении двух итераций расчета становится возможным получить два возможных исхода:
- выделение одного участка, на котором установлено наличие неучтенного потребления электрической энергии;
- выделение диапазона участков (N>1), на первом и последнем участке которого установлено наличие неучтенного потребления электрической энергии.
Рассмотрим первый случай, когда был определен один участок с наличием неучтенного потребления.
При условии, что известна конфигурация сети, получены единовременно снятые показания приборов учета во всех точках их установки, становится возможным определить расчетное значение напряжения  в одной из точек участка между двумя приборами учета (или другими измерительными устройствами) для условия, что ток небаланса внутри участка отсутствует.
Расчетное значение напряжения  рассчитывается по формуле (3):
где  - фактическое значение напряжения в начале участка, полученное на основании информации из исходных данных;
- ток, протекающий через прибор учета, установленный в конце участка, приведенный к напряжению в начале участка  по углу сдвига;
- сопротивление участка.
2расч.макс.
Очевидно, что U будет являться максимально возможным значением напряжения в конце участка ввиду сделанного допущения (отсутствует протекание неучтенных токов), а потому может быть использован в качестве опорного для производства расчетов.
Следует отметить, что в общем случае для распределительной сети ток  будет представлять из себя суммарный учтенный ток, который протекает по всей длине участка, что подтверждается исходными данными или полученной в ходе расчета информацией (результат «сворачивания» сети для удобства расчета).
Тогда фактическое значение напряжения в конце участка, содержащего неучтенный токбудет определяться из уравнения (4):
где  - максимально возможное значение напряжения в конце участка, получаемое на основании расчета по формуле (3);
- неучтенный ток, протекающий по части сопротивления участка, приведенный к напряжению в начале участка  по углу сдвига;
- удельное сопротивление участка;
- расстояние от начала участка до места утечки.
В комплексной форме (4) можно переписать как (5):
где А - индекс, означающий, что принимается в расчет активная составляющая величины;
Р - индекс, означающий, что принимается в расчет реактивная составляющая величины.
Уравнение (4) может быть решено для любой корректно заданной распределительной сети. При этом при помощи простейших арифметических преобразований может быть получено квадратное уравнение, имеющее одно неизвестное (6):
Для находимых корней следует производить проверку по условию (7):
где  - длина участка.
Только один найденный корень будет удовлетворять данному условию ввиду того, что геометрическим решением уравнения (4) будет являться длина прямой, сонаправленной с вектором  и проведенной из конца вектора  до точки пересечения с окружностью, построенной из начала координат и имеющую радиус, равный модулю  а, следовательно, второй корень будет иметь значение, не имеющее геометрического смысла.
При решении приведенных выше уравнений неизбежно будет возникать погрешность в расчетах, вызванная невозможностью определения точного сдвига фазы напряжения у потребителей относительно напряжения источника питания, вследствие чего в расчетах будет накапливаться ошибка, которая может быть снижена до минимума путем проведения дополнительного приведения углов сдвига фаз токов в линии к углу сдвига фазы напряжения, рассматриваемого в качестве базового, однако не может быть полностью устранена по причине невозможности определить фактическое значения сдвига фазы напряжения у потребителей относительно источника питания в применяемых конструкциях линий электропередачи и приборов учета
Таким образом, при помощи предлагаемого способа определения факта, места и величины неучтенного потребления электрической энергии в распределительной сети возможно в автоматическом режиме проводить анализ распределительных сетей, в результате чего становится возможно устанавливать факт присутствия в распределительной сети неучтенного потребления электроэнергии и математически строго определять место неучтенного потребления электроэнергии, что позволяет значительно снизить трудовые и временные затраты на выявление неучтенного потребления электроэнергии, а также оперативно выявлять участки распределительной электрической сети с наличием неучтенного потребления и принимать технические и/или организационные меры по устранению неучтенного потребления.