"Новости Электротехники": "Энергетика и Электротехника

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №6(18) 2002 -
1(19) 2003

Современные принципы автоматизации энергоучета в энергосистемах

Аркадий Гуртовцев, с.н.с., к.т.н., член-корреспондент Академии метрологии, РУП «БелТЭИ» Белорусская энергосистема:

территория 207,6 тыс. км2;
23 крупных ТЭС;
более 1270 крупных понизительных подстанций на напряжение от 750 до 35 кВ;
свыше 70 тыс. ТП и РП на напряжения 10/6/0,4 кВ;
более 260 тыс. км линий электропередачи напряжением от 750 до 0,38 кВ.

В 2000 г. Белорусская энергосистема выработала 25,6 млрд. кВт.ч, а потребителю предоставила 33,2 млрд. кВт.ч, закупив недостающую часть энергии в Литве и России.Концерн «Белэнерго»: 6 областных энергосистем включают в себя в общей сложности 20 ЭС, а те, в свою очередь, – 140 РЭС.

Энергосистема – сложная многоуровневая структура. Товаром в ней является электроэнергия гарантированного качества, количество которой определяется запросами потребителей и возможностями энергосистемы. Прохождение электроэнергии по всей производственной цепочке энергосистемы требует достоверного, точного и оперативного учета.
С коммерческой точки зрения такой учет необходим для выявления произведенной, переданной, распределенной и потребленной электроэнергии, с тем чтобы получить за нее соответствующую плату. Системный аспект учета состоит в его незаменимости для планирования, прогнозирования и оценки эффективности работы структур энергосистемы.
С позиций производства современный учет служит для выявления, анализа и снижения производственных потерь. Нужен он и для регулирования режимов работы энергосистемы, и для выявления безучетного потребления энергии.
В целом же современный энергоучет необходим для повышения эффективности работы энергосистем, снижения их издержек и себестоимости электроэнергии, повышения их конкурентоспособности в условиях демонополизации рынка энергии.

Проблемы энергоучета в энергосистемах
Эффективный энергоучет – это правильно организованный автоматизированный учет с оперативной передачей данных из множества точек учета: на линиях, шинах и фидерах подстанций энергосистемы и потребителей – в соответствующие структуры энергосистемы и их обрабатывающие центры. Такой учет требует создания современных АСКУЭ энергосистем – Автоматизированнных Систем учета, Контроля и Управления выработкой, передачей, распределением, потреблением и сбытом Энергии. Создание АСКУЭ – предпосылка решения и главных балансных проблем энергосистем: получения достоверного, точного и оперативного баланса по перетокам каждого крупного потребителя. Только балансный подход способен выявить и перекрыть все утечки и потери электроэнергии. Создание АСКУЭ энергосистем ведется в Беларуси с начала 80-х годов. Однако все, что создано по АСКУЭ в энергосистемах, может рассматриваться только как промежуточное и преходящее решение, подлежащее коренному пересмотру уже сегодня. Как фундаментально решать проблемы энергоучета в энергосистемах, как строить долговременные и перспективные АСКУЭ – об этом речь ниже.

С внедрением АСКУЭ повысились достоверность и точность учета и соответственно снизились потери в республиканской энергосистеме. Снижение потерь только на 1% позволит дополнительно ежегодно иметь и продавать порядка 0,2-0,3 млрд. кВт.ч. электроэнергии, что при средней ее себестоимости около 0,02 $/кВт.ч обеспечит не менее $4-6 млн. ежегодной прибыли.

«Метод шкалы, карандаша и бумаги» – первый в истории метод учета электроэнергии – эпизодический визуальный съем показаний первичных приборов, запись этих данных в журнал и их ручное суммирование. При таком учете результирующая погрешность достигала 10-12%, несмотря на то что первичные приборы имели относительную погрешность 2-4%. Это происходило из-за ошибок при списывании показаний, из-за усреднения значений мощности энергопотребления, не соответствующего реальному процессу, разновременности съема показаний, неполноты учета из-за нехватки приборов, из-за неизбежных арифметических ошибок и специфических ошибок измерения индукционными счетчиками.

Первый коммерческий электронный электросчетчик в Европе был выпущен в 1972 году фирмой «Landis & Gir» («Лэндис и Гир»). По существу, этот счетчик имел электронную измерительную часть и механический сумматор-индикатор, что по современным понятиям соответствует не 100%-ному электронному счетчику, а всего лишь гибридному электросчетчику.

Термин «телемеханика» – механика на расстоянии – предложен в 1905 г. французским ученым Э.Бранли, а первые телемеханические системы были применены в военном деле во время первой мировой войны.

От локального учета к автоматизированному
Учет в энергосистемах появился вместе с первыми электростанциями и сетями общего пользования в конце XIX века. Первыми приборами учета на электростанциях стали амперметры и вольтметры, позже появились ваттметры и варметры, в начале ХХ века – индукционные счетчики активной и реактивной энергии.
В 30-х годах ХХ века, с развитием энергосистем, ростом количества территориально распределенных потребителей и усложнением режимов их работы, проблема энергоучета обострилась. Основным методом ее решения наряду с использованием традиционных индукционных счетчиков с местным отсчетом данных стало применение измерительных преобразователей или датчиков с аналоговым или цифровым выходом и систем телемеханики для дистанционного доступа к этой информации и управления удаленными объектами.
Телемеханические измерительные системы состоят из полукомплекта пункта управления (ПУ), или диспетчерского пункта (ДП), канала связи и полукомплектов контролируемых пунктов (КП). Эти системы позволяют в масштабе реального времени почти одновременно получать на ПУ с удаленных КП усредненные значения мощности по всем точкам учета с выходов подключенных к ним соответствующих преобразователей мощности. Это достигается благодаря циклическому опросу (каждые 2-5 сек) и временному или частотному разделению канала связи.
Класс точности преобразователей мощности (например, типа Е848, Е830 или Е849) лежит в диапазонах 0,2-1,0. Но их аналоговый сигнал при передаче в канал связи подлежит квантованию как по уровню с помощью аналого-цифрового преобразования (широко применяется 8-разрядное АЦП-преобразование, позволяющее иметь до 256 уровней квантования с погрешностью преобразования порядка 0,2 %), так и по времени (дискретность опроса 2-5 сек). Такая точность измерения и преобразования мощности достаточна для решения в энергосистеме диспетчерских режимных задач, но не приемлема для эффективного учета электроэнергии телемеханическим методом интегрирования отсчетов мощности по времени. Этот метод, в силу редкого временного квантования и опроса сигнала мощности и из-за потерь передаваемых отчетов в зашумленных каналах связи телемеханики, приводит к результирующей погрешности измерения электроэнергии на уровне 8-10% и выше. Этот парадокс телемеханики – невозможность обеспечения точного энергоучета при всей ее оперативности – привел в начале 70-х годов к появлению нового направления в автоматизации энергоучета.

От телемеханики к системам учета
Начало 70-х годов отмечено мировым энергетическим кризисом, который резко взвинтил цены на топливо и электроэнергию. Энергосистемы реагировали на кризис переходом от одноставочного к двухставочному тарифу, определявшему отдельную плату за потребленную электроэнергию и дополнительную плату за заявленную мощность в часы максимума. Возникла острая потребность в создании систем энергоучета, которые могли бы, во-первых, фиксировать не только значения электроэнергии нарастающим итогом во времени, но и мощность нагрузки в заданные пиковые часы, и, во-вторых, позволяли бы принимать и обрабатывать информацию от множества обычных индукционных электросчетчиков.

В СССР такие системы впервые были разработаны в 1975 г. в Белорусском филиале ЭНИН им. Г.М. Кржижановского (ныне РУП «БелТЭИ») – информационно-измерительные системы энергоучета ИИСЭ-48 (цифры обозначают количество каналов учета или подключаемых электросчетчиков). Работа подобных систем энергоучета основана на приеме в реальном масштабе времени информации – импульсов с частотой не более 10 Гц – от унифицированных формирователей импульсов (УФИ), которыми оснащаются индукционные счетчики. Каждому киловатт-часу электроэнергии, зафиксированному счетчиком, соответствует определенное число оборотов диска счетчика или его постоянная, например, 1кВт.ч=900 оборотов. На диск счетчика наносится метка; в момент прохождения этой метки над датчиком на выходе УФИ формируется импульс. Импульс может быть передан по проводной линии связи длиной до 3 км на вход удаленной системы учета. Таким образом, каждый импульс от счетчика с УФИ несет информацию об очередном обороте счетчика или кванте измеренной счетчиком электроэнергии – приращении энергии.
Система принимает импульсы от каждого счетчика, умножает их на нормирующие величины, суммирует или вычитает приращения энергии по группе счетчиков, накапливает приращения по каждому счетчику и их группам за различные интервалы времени, отображает накопленную информацию и передает ее на верхний уровень АСКУЭ.
Телемеханические системы передают и принимают усредненные и квантованные по времени значения мощности, требующие последующего экстраполирования и интегрирования для получения значений энергии. В отличие от телемеханических систем, системы энергоучета работают с интегральными значениями приращений энергии (без экстраполирования, а интегрирование сводится к простому суммированию приращений).
Кроме того, в случае систем учета передача приращений энергии от первичного преобразователя – счетчика с УФИ – производится по выделенной двухпроводной линии, что гарантирует надежность передачи и достоверный прием данных со стороны систем учета (с этой целью в системах дополнительно используются программно-аппаратные средства фильтрации входных импульсов от возможных помех). Все вместе это существенно повышает достоверность и точность энергоучета в системах учета по сравнению с телемеханическими системами. С конца 80-х годов принимались неоднократные попытки совместить функции телемеханики с функциями систем учета, но тем не менее до сегодняшнего дня эти два направления – телемеханика и системы учета – сохранили самостоятельное развитие и применение.

От индукционных счетчиков к электронным
Электронные счетчики пока существенно дороже индукционных, но их применение дает значительный экономический эффект, зависящий от количества проходящей через счетчик электроэнергии и структуры автоматизации объекта, по которому осуществляется измерение и учет. Пришло время постепенной замены индукционных счетчиков на электронные. Предпосылкой замены является повсеместный переход от локального учета к автоматизированному с созданием АСКУЭ энергосистем. Тогда эффект от применения электронных счетчиков будет в следующем:

повышение точности учета и снижение потерь за счет более высокого класса точности рабочего электронного счетчика (класс 0.2 и 0.5 против 1.0 и 2.0 у индукционного счетчика);
повышение точности учета за счет самоадаптации электронного счетчика к существующим несинусоидальным искажениям формы кривой переменного тока в сети и возможным быстропеременным нагрузкам (индукционные счетчики в этих условиях просто «врут»);
замена одним электронным счетчиком нескольких индукционных счетчиков с одновременным уменьшением затрат на первичные преобразовательные средства (например, один электронный счетчик измерения активной/реактивной энергии в двух направлениях заменяет 4 обычных счетчика с уменьшением количества трансформаторов тока и напряжения);
замена одним электронным счетчиком, измеряющим как количество, так и качество электроэнергии,
целой серии измерительных приборов: частотомера, ваттметра, варметра, амперметра, вольтметра и фазометра;
возможность автоматизации энергоучета с использованием вместо телеметрических выходов счетчиков их цифровых интерфейсов, что значительно повышает гибкость, достоверность и точность учета;
возможность использования различных многотарифных систем, позволяющих экономическими рычагами оптимизировать весь процесс выработки/потребления электроэнергии;
стабильность класса счетчика в течение длительного времени, что повышает долговременную точность учета (погрешность индукционного счетчика из-за износа опор вращающегося диска постоянно растет);
снижение эксплуатационных затрат за счет повышения межповерочного интервала в 3-5 раз (в силу отсутствия подвижных механизмов и механического износа трущихся частей, которые в индукционном счетчике вызывают необходимость более частой поверки).

Электронный счетчик является, по существу, малоканальной системой учета (с долговременной памятью и «интеллектом»), которая размещается непосредственно в точке измерения энергии, позволяет отказаться от передачи в АСКУЭ импульсных приращений энергии и перейти к построению принципиально новых эффективных структур АСКУЭ.

Продолжение материала будет опубликовано в следующем номере журнала.