Способ определения мест возникновения и величины неконтролируемого потребления электроэнергии в электрической сети 0,4 кВ
METHOD OF DETERMINING THE LOCATION AND MAGNITUDE OF UNCONTROLLED POWER CONSUMPTION IN AN ELECTRICAL NETWORK OF 0,4 kV

Способ определения мест возникновения и величины неконтролируемого потребления электроэнергии в электрической сети 0,4 кВ
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оперативного выявления потребителей, имеющих подключение к электрической сети в обход счетчика электрической энергии, и определения значения неконтролируемого потребления электроэнергии в электрической сети 0,4 кВ каждым из них.
Известно устройство для измерения электрической энергии с защитой от хищений, выполненное в виде двух блоков, один из которых содержит размещенный до ввода в строение датчик мощности и имеет возможность дистанционной передачи данных в другой блок, который представляет собой счетчик электрической энергии потребителя со вторым датчиком мощности. Сравнение данных обоих датчиков позволяет фиксировать факт хищения и количество потребленной энергии (патент RU 2234707, МПК G 01R 21/06, 2003).
Недостатком устройства является то, что дублируется учет электроэнергии внешним датчиком и электросчетчиком потребителя, что приводит к увеличению его стоимости и необходимости проведения поверки каждого из датчиков.
Известен также способ отпуска и учета электрической энергии в распределительных сетях 0,4 кВ с защитой от хищений, который предполагает измерение электроэнергии потребителей до ввода в строение и дистанционную передачу полученных данных в блок, установленный у потребителя, на котором реализуется только индикация результата измерений с внешнего датчика. Таким образом, исключается дублирование учета электроэнергии (патент RU 2330294 C2, МПК G 01R 11/00, 2006).
Основным недостатком указанного способа является усложнение устройства, которое содержит: первый электросетевой модем, подключенный непосредственно к распределительной сети 0,4 кВ; второй электросетевой модем, подключенный к началу линии электроснабжения потребителя; третий электросетевой модем блока индикации, подключенного к электрической сети на стороне потребителя; управляемый выключатель; блок индикации; электросетевой модем концентратора; концентратор.
Известна система отпуска и учета электрической энергии в распределительной сети 0,4 кВ с защитой от хищений, позволяющая упростить схему электроснабжения, которая представлена в патенте RU 2330294, и повысить ее надежность. В этой системе, чтобы исключить дублирование показаний, объединяются в одном функции двух модемов, подключенных непосредственно к распределительной сети 0,4 кВ и к началу линии электроснабжения потребителя (патент BY 19289 C1, МПК G 01R 11/00, 2015).
Недостаток указанной системы тот же – сложность предлагаемой схемы устройства.
Следует отметить, что во всех представленных способах рассматривается только отдельный потребитель. Для выявления мест возникновения и величины неконтролируемого потребления электроэнергии на контролируемом участке среди группы потребителей потребуется установка таких систем для каждого потребителя, что приведет к значительному повышению конечной стоимости системы. Для существующих многоквартирных домов, в которых счетчики электроэнергии установлены в квартирах, применение этих методов затруднительно, так как необходимы значительные изменения конструкции и оборудования этажного распределительного щита.
Известен способ выявления мест возникновения и величин нетехнических потерь энергии в электрических сетях по данным синхронных измерений (патент RU 2651610, кл. G 01 R 11/19, 2018), выбранный в качестве прототипа и позволяющий выявлять места и величину неконтролируемого потребления электроэнергии на основе сравнения расчетных и измеренных мощностей нагрузок у потребителей. Способ заключается в возможности определять величину нетехнических потерь электроэнергии в каждом узле электрических сетей и с высокой степенью оперативности и достоверности определять места неучтенного потребления электроэнергии с точностью до отдельного потребителя, отличающийся тем, что реализован подход, основанный на оценивании синхронно измеренных векторов токов и напряжений, расчете по измеренным векторам напряжений в узлах нагрузки и центре питания токов во всех элементах сети и последующем сравнении расчетных и измеренных мощностей нагрузок, на основании которого делается вывод об отсутствии или наличии нетехнических потерь электроэнергии в каждом узле сети, позволяющий учитывать не симметрию нагрузок, повторные заземления, взаимоиндукцию между проводами фаз и не синусоидальность как токов потребления, так и напряжений источника питания, предназначен для снижения затрат на эксплуатацию распределительных электрических сетей.
Недостатком такого способа является необходимость синхронного измерения векторов напряжений с высокой точностью во всех узлах контролируемой сети. При этом в сети с узлами без потребителей будет необходима установка 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 изменяться со временем.
Новым достигаемым техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение чувствительности выявления места неконтролируемого потребления электроэнергии на контролируемом участке распределительной сети и определение мощности неконтролируемого потребления электроэнергии.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем расчет токов потребителей на основе измерений векторов токов потребителей и векторов напряжений в узлах нагрузки, введены дистанционно управляемые коммутируемые тестовые сопротивления, расположенные в местах подключения к питающей линии ответвлений потребителей, включенные в разрыв фазных проводов ответвлений потребителей и состоящие из набора тестовых сопротивлений, модема, блока управления, блока управляемых ключей. При этом измерения действующего значения напряжения и фазы у потребителя производятся в двух случаях: 1 – при нулевом значении дистанционно управляемого коммутируемого тестового сопротивления (т.е. при его отсутствии); 2 – при определенном заданном его значении, не равном нулю (т.е. при включении его в схему). Счетчик электроэнергии потребителя задает необходимое значение тестового сопротивления в зависимости от величины тока нагрузки потребителя, необходимой точности расчетного значения тока нагрузки потребителя и допустимого отклонения напряжения у потребителя (220В±10%, ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения).
Предлагаемый способ реализуем, если у потребителей установлены счетчики электроэнергии, в которых предусмотрены функции: измерения действующего значения и фазы напряжения у потребителей и дистанционного управления включением в фазный провод ответвления потребителя дистанционно управляемого коммутируемого тестового сопротивления. Для корректной реализации способа необходимо наличие центра управления или счетчика с функцией измерения действующего значения напряжения сети на контролируемом участке, который бы осуществлял учет изменения питающего напряжения во время выявления неконтролируемого потребления электроэнергии.
Способ определения мест возникновения и величины неконтролируемого потребления электроэнергии в электрической сети 0,4 кВ основан на измерении действующего значения и фазы напряжений у потребителей в двух режимах: 1) при отсутствии дистанционно управляемого коммутируемого тестового сопротивления в фазном проводе ответвления потребителя; 2) при включении дистанционно управляемого коммутируемого тестового сопротивления в фазном проводе ответвления потребителя. При этом счетчик электроэнергии у потребителя для повышения чувствительности способа может подключать различные тестовые сопротивления из набора 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 запрограммированного микроконтроллера. В качестве 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. Значение тестового сопротивления определяется в зависимости от величины тока нагрузки потребителя, необходимой точности расчетного значения тока нагрузки потребителя и допустимого отклонения напряжения у потребителя.
На фиг.1 приведена электрическая схема включения счетчика электроэнергии потребителя W1A и дистанционно управляемого коммутируемого набора тестовых сопротивлений Rk1A.
Способ реализуется следующим образом. В ходе выявления неконтролируемого потребления электроэнергии счетчик электроэнергии потребителя подает команду, и начинается измерение напряжения, одновременно запускается генератор меток времени. Подается команда на включение в фазный провод ответвления потребителя одного из набора дистанционно управляемых коммутируемых тестовых сопротивлений, при этом счетчик электроэнергии у потребителя задает необходимое значение тестового сопротивления в зависимости от величины тока нагрузки потребителя, необходимой точности расчетного значения тока нагрузки потребителя и допустимого отклонения напряжения у потребителя. По окончании переходного процесса производится измерение напряжения и изменения его фазы относительно меток времени.
Одновременно с измерением напряжения потребителей необходимо измерение действующего значения напряжения сети на контролируемом участке центром управления или счетчиком, реализующим эту функцию. Это предполагается выполнить следующим образом. В течение времени, когда счетчики электроэнергии у потребителей выполняют функцию выявления неконтролируемого потребления электроэнергии, центр управления или счетчик измеряет питающее напряжение непрерывно, и, если во время выявления неконтролируемого потребления электроэнергии произошло изменение питающего напряжения хотя бы по одной из фаз больше величины допустимых погрешностей измерений (440 мВ), то результаты выявления неконтролируемого потребления считаются некорректными, требуются повторные измерения.
На основе измерений напряжения у потребителей проводится расчет действующего значения и фазы тока нагрузки потребителя, полученное значение сравнивается с током нагрузки, измеряемым счетчиком потребителя. Если разница превышает величину допустимых погрешностей, то фиксируется неконтролируемое потребление электроэнергии и рассчитывается его величина. Затем счетчиком потребителя подается команда восстановить исходное состояние (ключ k1 замкнут, все остальные ключи разомкнуты).
С целью подтверждения вышеизложенного представим способ расчета тока потребителя на основе предполагаемых измерений.
На фиг.1 нагрузка потребителя  через счетчик электрической энергии W1A и набор тестовых сопротивлений Rk1A подключена к линии электроснабжения. Согласно второму закону Кирхгофа , где  – комплекс действующего напряжения в месте подключения к питающей линии ответвления потребителя; ,  – комплексы действующего значения напряжения и тока, измеряемые счетчиком электроэнергии потребителя;  – комплекс действующего значения тока хищения; ;  – комплексные сопротивления фазного и нейтрального провода питающего кабеля; ;  – значение выбранного для измерения тестового сопротивления из набора дистанционно управляемых коммутируемых тестовых сопротивлений.
Для нахождения мощности хищения , где ,  – активная и реактивная составляющие мощности хищений;  – сопряженный комплекс тока ; необходимо знать ток , напряжение  и параметры кабеля , которые должны быть заранее известны и храниться в счетчике электроэнергии потребителя.
Для решения этой задачи воспользуемся векторной диаграммой фиг. 2 для двух создаваемых установившихся режимов работы, когда производятся измерения напряжений (интервал  и  на фиг. 3).
В первом режиме без включения тестового сопротивления  измеряется напряжение на счетчике электроэнергии , ток потребителя  (если он есть), его угол относительно напряжения , а также мощности . Если ток , проводятся измерения действующего значения напряжения  при различных значениях тестовых сопротивлений. В случае, если наблюдается отклонение значения  от первоначального  не более, чем на величину допустимых погрешностей измерения, то неконтролируемого потребления электроэнергии нет .
При обнаружении отклонения напряжения , вызванного тестовым сопротивлением , выше допустимого (измерение напряжения на интервале времени ), делается вывод о наличии неконтролируемого потребления электроэнергии, и величина  определяется следующим образом. Предполагается, что во время измерений напряжение сети, питающей ответвления потребителей, остается неизменным , а введение тестового сопротивления не влияет на величину мощности нагрузки потребителя , . При этом, считая, что мощность неконтролируемого потребления носит чисто активный характер (), можем определить максимальную возможную мощность хищения , где ток  рассчитывается на основании уравнения:
, где .
Расчет тока проводится в счетчике электроэнергии потребителя по выражению, представляющему собой решение данного уравнения. При допущении, что комплексное сопротивление кабеля  имеет нулевой угол , ток  можно рассчитать по упрощенной формуле:
.
При необходимости установить значения составляющих мощности неконтролируемого потребления  нужен угол , который можно определить расчетным путем на основе измеренного угла  – между напряжениями  и . Способ измерения угла  показан на фиг. 3. Для этого необходимо измерить во втором режиме  – интервал времени между меткой времени  и моментом перехода через ноль . Тогда угол  в радианах: , где  – период напряжения. Метки времени синхронизируются относительно перехода через ноль . Погрешность определения угла  возникает вследствие изменения частоты сети и не идеальности задания меток времени. Для того, чтобы уменьшить погрешности, необходимо производить измерения  спустя минимально возможное время после завершения переходного процесса в нагрузке потребителя, вызванного коммутацией тестового сопротивления. При времени измерения () порядка 10 периодов питающего напряжения и в случае максимального отклонения частоты сети от номинальной (50±0.05 Гц), если метки времени воспроизводятся таймером с точностью хода ±1 с за 24 часа, погрешность определения угла  не превышает (±3.645 град, ±1%).
Из диаграммы на фиг. 2 очевидно, . На основе теоремы синусов для двух треугольников с общей стороной  можно записать:
; ,
где . Приведем выражения к виду:
;.
Из диаграммы можно записать: . Определить  и  можно из выражений:
, ,
где .
Используя эти выражения, запишем:
;
.
Используя формулу суммы аргументов, а также основное тригонометрическое тождество и упрощения , , , получим:
;
.
Упростим выражения:
;
.
В итоге получим:
; ;
.
Угол  может быть определен из уравнения:
.
Данное уравнение может быть решено любым численным методом, например, простой итерацией или методом секущих. Решение уравнения реализуется в счетчике электроэнергии потребителя.
При допущении, что комплексное сопротивление кабеля  имеет нулевой угол , угол  можно рассчитать по упрощенной формуле:
.
Таким образом, при реализации способа на основе измерений действующего значения напряжения и фазы у потребителя в двух режимах возможно определение действующего значения и фазы тока неконтролируемого потребления.
В случае наличия тока , измеряемого счетчиком электроэнергии потребителя, проводится его сравнение с расчетным током. Если разница превышает величину допустимых погрешностей, то обнаруживается факт неконтролируемого потребления электроэнергии и может быть определена величина мощности неконтролируемого потребления электроэнергии у данного потребителя.