Контроль и учет потребления электрической энергии электротехническим комплексом горного предприятия с территориально рассредоточенными энергоустановками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Виноградов, Игорь Владимирович

• Виноградов, Игорь Владимирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Виноградов, Игорь Владимирович

Введение. стр.

ГЛАВА

Учет и управление электропотреблением.

1.1 Задачи автоматизации учета и управления электропотреблением. стр.

1.2 Графики потребления электрической энергии. стр.

1.3 Характеристика и анализ способов управления электропотреблением. стр.

1.5 Научно-технические проблемы создания АСКУЭ повышенной надежности и экономичности. стр.

ГЛАВА

Разработка структуры учета электропотребления с использованием интеллектуальных измерительных устройств;

2.1 Обобщенная схема электроснабжения горного предприятия с территориально рассредоточенными объектами. стр.

2.2 Многофункциональные, интеллектуальные счетчики как базовый элемент перспективной структуры системы СКУЭ. стр.

2.3 Варианты организации систем СКУЭ с применением современного парка оборудования. стр.

ГЛАВА

Оценка погрешности в системе учета и контроля электропотребления и пути ее уменьшения.

3.1 Суммарная погрешность учета потребления электрической энергии. стр.

3.2 Погрешность, обусловленная погрешностями применяемых приборов учета, целевая функция выбора используемых элементов. стр.

3.3 Погрешности трансформаторов тока и счетчиков при переменных нагрузках. стр.

3.4 Погрешность, обусловленная необходимостью дискретизации информации. стр.

ГЛАВА

Повышение надежности систем учета.

4.1 Характеристики надежности систем и сетей, выбор оптимальной методики расчета надежности системы. стр.

4.2 Повышение надежности резервированием. стр.

4.3 Резервирование с восстановлением. стр.

4.4 Статистические модели надежности. стр.

4.5 Вариант практического примера расчета надежности. стр.

ГЛАВА

Минимизация энергозатрат с использованием микропроцессорных систем учета.

5.1 Параметры электропотребления узлов нагрузки. стр.

5.2 Методика оценки параметров электропотребления. стр.

5.3 Показатели электропотребления узла нагрузки ГП. стр.

5.4 Общие принципы организации локальных сетей. стр.

5.4.1 Типы ЛВС. ^ стр.

5.4.2 Сетевые топологии. стр.

5.4.3 Примеры ЛВС. стр.

5.4.4 Программное обеспечение систем дистанционного учета и контроля электропотребления. стр.

5.5 Экономическое обоснование преимущества выбора микропроцессорных счетчиков с точки зрения согласования оборудования. стр.

5.6 Анализ коммерческой эффективности внедрения СКУЭ. стр.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Контроль и учет потребления электрической энергии электротехническим комплексом горного предприятия с территориально рассредоточенными энергоустановками»

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

В последние годы прослеживается мировая тенденция увеличения стоимости первичных энергоносителей, что связано с усложнением горногеологических условий добычи полезных ископаемых. Данная тенденция ведет к увеличению стоимости электроэнергии и дальнейшему росту энергетической составляющей в структуре себестоимости полезных ископаемых. Решение задачи ограничения затрат электроэнергии сводится к внедрению энергосберегающих технологий производства продукции и уменьшению потерь электроэнергии во внутренних распределительных сетях. Ограничению тарифов на электроэнергию может способствовать соблюдение баланса интересов электропотребителей и энергоснабжающих организаций, что выражается в переносе нагрузок из часов максимума в зону минимального электропотребления, ужесточении требований ,к компенсации реактивной мощности (КРМ) в системе электроснабжения (СЭС) предприятий и введении дифференцированных тарифов на электропотребление. В этих условиях, особую актуальность приобретают вопросы автоматизации систем контроля и учета электропотребления, повышения их надежности достоверности предоставляемой ими информации.

Это особенно важно для электротехнических комплексов горных предприятий с территориально рассредоточенными энергообъектами. Внедрение систем контроля и учета позволяет формировать графики нагрузок таким образом, чтобы минимизировать непроизводительные потери и оплаты за них. Одной из ключевых задач системы контроля и учета потребления электроэнергии (СКУЭ), для таких электротехнических комплексов, является необходимость выявления совмещенного максимума электрических нагрузок всех энергоустановок входящих в структуру комплекса.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Целью настоящей работы является повышение экономичности и надежности системы контроля и учета электропотребления электротехнических комплексов горных предприятий с территориально рассредоточенными энергообъектами.

Для практической реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать структуру и алгоритм функционирования СКУЭ с использованием интеллектуальных измерительных устройств для электротехнических комплексов горных предприятий с территориально рассредоточенными энергообъектами;

• выявить закономерности изменения точности и достоверности учета электрической энергии от показателей входящих в состав СКУЭ компонентов;

• разработать модель оценки надежности СКУЭ, как системы с резервированием составляющих ее элементов, путем восстановления;

• выявить зависимость влияния уровня точности и надежности микропроцессорной системы учета с интеллектуальными счетчиками на показатели их коммерческой эффективности и энергопотребление электротехнических комплексов горных предприятий.

ИДЕЯ РАБОТЫ.

Заключается в повышении экономичности и надежности СКУЭ горных предприятий с территориально рассредоточенными объектами путем повышения точности измерений и увеличении надежности передачи информации между иерархическими уровнями благодаря применению интеллектуальных измерительных устройств на нижнем уровне и резервированием компонентов путем восстановления.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

Разработана структура и алгоритмы функционирования СКУЭ с интеллектуальными измерительными устройствами и системой передачи данных в электротехнических комплексах с территориально рассредоточенными электроустановками; разработана вероятностная модель функционирования СКУЭ при отказах в каналах передачи данных и резервирования их путем восстановления; выявлены закономерности изменения точности и достоверности учета электропотребления при вариации параметров измерительных трансформаторов тока (ТТ), трансформаторов напряжения (ТН), электросчетчиков (ЭС) и параметров нагрузки.

ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом теоретических исследований, а также положительными результатами внедрения разработок в НГДУ «Бавлынефть».

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается в следующем:

• разработана методика оценки погрешности автоматизированных систем учета, контроля и управления электропотреблением при вариации параметров входящих в ее состав элементов;

• предложена совокупность технических средств для организации СКУЭ электротехнических комплексов с территориально рассредоточенными электроустановками с применением резервирования путем восстановления, входящих в ее состав компонентов;

• обоснована коммерческая эффективность совокупности технических средств и устройств для организации автоматизированной СКУЭ.

РЕАЛИЗАЦИЯ ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ РАБОТЫ.

Обоснован и реализован комплекс технических средств повышения экономической эффективности СКУЭ электротехническим комплексом 7 горного предприятия. За счет использования результатов диссертационной работы при внедрении СКУЭ, повышается точность и надежность сбора и передачи информации об электропотреблении. Это позволяет предпринять комплекс мер по оптимизации режимов электропотребления и повысить экономическую эффективность использования электрической энергии в электротехнических комплексах горных предприятий.

АПРОБАЦИЯ.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на семинарах кафедры электротехники и электроснабжения горных предприятий СПбГГИ (ТУ), конференциях молодых ученых СПбГГИ (ТУ) в 1997-2000 годах, V международном симпозиуме "Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология" С-Петербург 1997г., Межвузовской научно-практической Конференции "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения" Воркута 1998г., Третьей Санкт-Петербургской ассамблеи молодых ученых и специалистов Санкт-Петербург, 1998г.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Виноградов, Игорь Владимирович

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

Разработана структура и алгоритм функционирования автоматизированной, микропроцессорной системы контроля и учета электропотребления с использованием интеллектуальных измерительных устройств, для электротехнических комплексов горных предприятий с территориально рассредоточенными объектами. Исследованы вопросы разработки структуры систем учета электрической энергии, с применением интеллектуальных измерительных устройств. Проведен сравнительный анализ датчиков первого уровня и обоснован их выбор как базового элемента перспективной структуры СКУЭ. Обосновано применение выбранного оборудования с точки зрения совместимости оборудования.

По результатам анализа реальных схем электроснабжения, ряда горных предприятий, построена усредненная схема замещения СЭС. Предприятия по добыче, транспортировке и переработке твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых, имеют схемы электроснабжения различной степени разветвленности и протяженности, а суммарная потребляемая электроприемниками мощность изменяется в пределах 10V70 МВА. Анализ указанных СЭС позволяет получить схему, связанную с одной секцией ГПП на стороне 6(10) кВ, в виде удовлетворяющем всей общности СЭС предприятий горной промышленности.

Установлено, что: для организации технологического процесса ГП и своевременной передачи данных о режимах электропотребления, качестве электрической энергии и режимах напряжения электротехнического комплекса горного предприятия особенно актуальна задача построения СКУЭ. Основной отличительной чертой такой системы, является организация, в ее составе, локальных сетей для передачи данных об электропотреблении и управляющих воздействий. Необходимым условием организации подобных систем является дооборудование типовых схем электроснабжения первичными устройствами учета электрической энергии, от выбора которых зависят функциональные возможности создаваемой СКУЭ. Были проведены исследования характеристик надежности систем и сетей, сделан выбор оптимальной методики расчета надежности. Разработаны рекомендации по повышению надежности систем учета.

Суммарная погрешность отсчета электроэнергии определяется несколькими составляющими и вычисляется по формуле: °ТН + °ЭС +аД+СГУ + °Íh + °кс >

Заданную величину результирующей, случайной погрешности на выходе цепочки из п элементов можно обеспечить различным сочетанием величин 5¡. Чтобы этот выбор не носил случайный характер, была сформулирована целевая функция:

Z; =at + . + ai+bi*3i+. + ak*32k + Ьк*Як+ск + . + а„* 3™ + Ъп * ¿Г +. + dn *ön +. + /„+ ÁjS2+022 +. + Sf+.Sl - d)= min,

Результаты расчетов 8Тт; 5Тн; 5эс при заданных значениях D, полученные по данным оптовых цен на некоторые виды приборов показали: при электроучете на напряжении 10 кВ наиболее высокие требования следует предъявлять к трансформаторам тока, затем электросчетчикам и в последнюю очередь к трансформаторам напряжения; для некоторых типов трансформаторов напряжения требования к их погрешности выше, чем к погрешности электросчетчиков.

Показано, что при нагрузке 40% от номинальной и ниже погрешности трансформаторов тока и индукционных счетчиков выходят за пределы нормирования для номинальных условий. Проведенные расчеты показали: выравнивание графиков нагрузки приводит к существенному уменьшению погрешностей электроучета при тех же номиналах трансформаторов тока и электросчетчиков.

Проведенный расчет относительной погрешности, вносимой дискретизацией импульсов в 5-ти и 10-ти минутных интервалах для систем с 10, 20, 50, и 100 каналами учета показал, что для того, чтобы ее величина была не более 1% на всех диапазонах частот необходимо увеличение частоты импульсов Л (Л >1 имп./мин) в несколько раз.

Разработка и конструирование СКУЭ связана с решением альтернативной задачи: с одной стороны необходимо иметь систему максимальной надежности, с другой - необходимо, чтобы ее стоимость была невысокой. Если целью ставится достижение определенного показателя надежности системы, то целевая функция минимизирует затраты. Если целью является достижение максимально возможного показателя надежности при заданных затратах, то затраты выступают в виде ограничения целевой функции, максимизирующей показатель надежности системы. В обоих случаях способ решения задачи одинаков, так как в одном случае рассматривается функция «надежность -затраты», в другом - обратная ей функция.

Предложен алгоритм статистической оценки надежности системы с резервированием. Предложен метод повышения надежности резервированием элементов структуры системы, методом восстановления. Разработана вероятностная модель оценки надежности СКУЭ как системы с резервированием путем восстановления. В принципе достижима сколь угодно большая надежность системы, однако практическая реализация резервирования связана с усложнением аппаратуры, увеличением ее веса, габаритных размеров, потребляемой энергии и повышением стоимости. Эти факторы ограничивают возможности применения резервирования.

Проведенные практические расчеты надежности систем показали: учитывая, что коэффициент а (загруженности резерва) может принимать значения 0 или 1 (в зависимости от загруженности), а соотношение между // -интенсивностью потока восстановления и Л - интенсивностью потока отказов (коэффициент а) лежит, как правило, в диапазоне от 0,5 до 100:

• с повышением коэффициентов «а и А,» коэффициент готовности системы растет и может достигать значений 0,99 и более;

• надежность систем с ненагруженным резервированием несколько выше чем у систем с нагруженным резервированием, но при выборе вида резервирования необходимо учитывать и тот факт, что в системе с нагруженным резервированием происходит постоянная самодиагностика элементов структуры, в то время как в системе с ненагруженным резервированием ее нет.

Анализ формы суточного ГЭН реальной электроподстанции показал, что он имеет выраженный утренний и вечерний максимум нагрузки (с 8 ч. до 10 ч и с 18 ч до 20 ч). Максимальная нагрузка отдельной электроподстанции может достигать 5-6 МВт, а узла нагрузки - 30 МВт.

Установлено, что: групповой график узла нагрузки, формирующийся из индивидуальных периодических и непериодических графиков, удовлетворяет условию обобщенной периодичности. Поэтому связь между его ординатами в разные моменты времени носит случайный характер.

Оценка диапазона изменения статистических характеристик в экстремальных и нормальных зонах суточных ГЭН для предприятий нефтедобычи показала:

• средние значения нагрузки на подстанциях варьируют от 1,0 МВт до 2,5 МВт;

• средние значения нагрузки на подстанциях в часы максимальных нагрузок энергосистемы варьируют от 2 до 4 МВт;

• коэффициенты вариации ГЭН находятся в пределах 0,05.0,25; в экстремальных зонах суточного ГЭН величина коэффициента вариации может достигать значения 0,4.

Исследования ГЭН отдельных элкетроподстанций и узлов нагрузки ГП позволяют сделать следующие выводы: выбросы нагрузки выше заявленного максимума наблюдались на 20% из обследованных подстанций, в 10% случаев заявленный максимум активной мощности меньше среднего значения мощности, что обуславливает появление выбросов нагрузки в часы экстремальных нагрузок энергосистемы с вероятностью 0,8.0,9. Частота выбросов при этом достигает 0,3 ч"1, средняя длительность 1-2 часа.

Максимальная мощность выброса нагрузки наблюдается при наибольшем числе выбросов в диапазоне изменения нагрузки (0,95. 1,0) Рзм. При этом, средняя частота колеблется от 0,02 до 0,08 час"1; а средняя длительность выбросов составляет 1,2,. .3 часа. Зоной выбросов нагрузки с наименьшими затратами на возмещение ущерба, из-за возможного превышения заданного уровня Рзм, можно считать зону, в диапазоне (1,05. 1,1) Рср.

При отклонении от Рср, частота значительно уменьшается; в тоже время, при снижении Рзм для предприятий нефтедобычи актуальна задача наиболее точного определения Рзм и разработки методов управления нагрузкой, что невозможно без создания современной СКУЭ.

Проведен анализ коммерческой эффективности внедрения СКУЭ. Исследован вопрос организации локальных сетей для организации передачи данных об электропотреблении и управляющих воздействий в территориально рассредоточенном электротехническом комплексе и обоснован выбор применяемого программного обеспечения. Приведены общие принципы построения локальных сетей.

154

Доказано: при измерении 100 кВт*ч энергии счетчиками предыдущего п поколения получаем отклонения равные: 100%*(1-1/10 ), а при измерении 1 мВт*ч энергии отклонение составит уже 1%, и это без учета погрешности самих счетчиков. Даже упрощенная схема подсчетов убедительно показывает преимущества использования счетчиков с максимально возможным передаточным числом. Кроме того, если учесть надежность, класс точности и универсальность микропроцессорного счетчика то его предпочтение не вызывает сомнений. Удельная стоимость жизненного цикла счетчиков Alpha изменяется в пределах от 230 до 470 руб. год, меньше чем у ЭС других типов, либо примерно такая же.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе дано решение научной задачи, заключающейся в создании автоматизированной микропроцессорной системы контроля и учета потребления электрической энергии с повышенными показателями точности и надежности для территориально рассредоточенных объектов электропотребления горнодобывающих предприятий.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Виноградов, Игорь Владимирович, 2000 год

1. По материалам командировки делегации Госэнергонадзора в Великобританию «Автоматизированные системы контроля, учета и управления электропотреблением Великобритании». Промышленная энергетика № 1 1993 год.

2. Абрамович Б.Н., Евсеев А.Н. «Управление режимом напряжения и компенсации реактивной мощности на предприятиях горной промышленности. в сб.: Автоматическое управление энергообъектами ограниченной мощности». - Санкт-Петербург, 1992.

3. Сазыкин В.Г. «Формирование основных требований к новому поколению автоматизированных систем управления». Промышленная энергетика № 8 1995 год.

4. Berrie Т., "Inctitutional and organicational aspects of spot prising IIElectrical Reviev". V210 №6. 1982.

5. Carmanis M.C., Bohn R.E.,Sweppe F.C. "Optimal Spot pricing: practicle and theory. IEEE Transactions on Power Apparatus and System". 1982. 101. № 9 3234-3245.

6. Образцов B.C. Денисов А.И. «Системы АСКУЭ разработки АББ». Промышленная энергетика № 6 1995 год.

7. ГуртовцевА.Л. канд. техн. наук., Безносова М.Ю. инж. «Автоматизация управления энергопотреблением». Промышленная энергетика № 12 1995 год.

8. Иванов B.C., Соколов В.И. «Режимы потребления и качество электроэнергии системы электроснабжения промышленных предприятий М. Энергоатомиздат», 1987 год.

9. Менделевич В.А., Палицын Д.Б. «О создании цифровых систем автоматизации энергетическх объектов» Промышленная энергетика № 6 1994 год.

10. Жуков С.А. «Комплекс технических средств Энергия и устройство сбора данных Е443 для построения автоматизированной системы контроля и учета потребления» Промышленная энергетика № 5 1995 год.

11. Варнавский Б.П., «Первый российский конкурс Электронные счетчики классов 0,2 и 1,0» Промышленная энергетика № 12 1993 год.

12. Денисов А.И., Соколов Ю.Е., Лифанов Е.И. «Сравнительный анализ электронных счетчиков электроэнергии» Промышленная энергетика № 8 1997 год.

13. Тубинис В.В. Варнавский Б.П. «Проблемы массового внедрения электронных средств учета электрической энергии в России». Промышленная энергетика №12 1994 год.

14. Денисов А.И. Образцов B.C. «Многофункциональный электронный счетчик фирмы АББ как элемент системы сбора и передачи информации». Промышленная энергетика №3 1995 год.

15. Сазыкин В.Г., «Формирование основных требований к новому поколению автоматизированных систем управления» Промышленная энергетика №8 1995 год.

16. Аввакумов В.Г. Терешкевич Л.Б. «Принципы создания и развития энергетических систем АСУ промышленных предприятий». Промышленная энергетика № 10 1991 год.

17. Ильин В.И., Мещераяков В.В., Бам М.А., Гуртовцев А.Л., Забелло Е.П., «Автоматизированная система учета и контроля энергии для промышленных предприятий» Промышленная энергетика № 8 1994 год

18. Горелик Д.Г., Докучаев Ю.М., Кубышкин Е.А.,Семеренко A.B., «Нормирование метрологических характеристик электронных счетчиков электрической энергии». Измерительная техника. 1983. № 6.

19. Илюнин К.К., Леонтьев Д.И., Набенина Л.И. и др. Справочник по электроизмерительным приборам. Энергоатомиздат. 1983 год.

20. ГОСТ 7746-78. «Трансформаторы тока. Общие технические условия». Государственный комитет СССР по стандартам. М. 1978 год.

21. ГОСТ 1983 -77 «Трансформаторы напряжения. Общие технические условия (CT СЭВ 2734-80)». Государственный комитет СССР по стандартам. М. 1984 год.

22. Железко Ю.С. «Погрешности учета электроэнергии. Электрические станции». № 1, 1984 год.

23. Мороз И.Н. «Погрешности отсчета электроэнергии за короткие интервалы времени при использовании электросчетчиков с датчиками импульсов». Автоматическме и автоматизированные системы управления в энергетике М. 1977 год.

24. ГОСТ 8.009-84. «Нормируемые метрологические характеристики средств измерений2. Издательство стандартов. М. 1985 год.

25. Лихолетов И.И. «Высшая математика, теория вероятностей и математическая статистика». Минск, высшая школа. 1976 год.

26. ДедковВ.К., Северцев И.А. «Основные вопросы эксплуатации сложных систем», Учебное пособие для втузов М. Высшая школа 1976 год.

27. Креденцер Б.П., Ластовченко М.М., Сенецкий С.А., Шишонок H.A. «Решение задач надежности и эксплуатации на универсальных ЭЦВМ». М. Советское радио 1977 год.

28. Забелло Е.П. «О распределении уровней надежности в цепи электроснабжения источник-потребитель». Энергетика 1986 год.

29. Дружинин Г.В. «Надежность автоматизированных систем» Энергия 1977 год.

30. Гуткин Л.С. «Оптимизация радиоэлетронных устройств по совокупности показателей качества». М. 1985 год.

31. ГОСТ 2.116-84. «Карта технического уровня и качества продукции». М. Издательство стандартов 1984 год.

32. Михайлов В.В. «Надежность электроснабжения промышленных предприятий», Энергоиздат 1982 год.

33. Певзнер Л.Д. «Проектирование надежности систем», М. 1982 год.

34. Кудряшов P.A., Новоселов Ю.Б. «Электрические нагрузки технологических установок нефтяных промыслов», M 1982 год.

35. Минин Г.П. Копытова Ю.В., «Справочник по электропотреблению в промышленности», Энергия 1987 год.

36. Новоселов Ю.Б., Кудряшов P.A., Казьмин A.A. «Нормирование расхода электрической энергии по технологическим процессам добычи нефти.», ВНИИОЭНГ, 1984 год.39.