Организация измерения и учета электрической энергии

Дисциплина: Системы и приборы измерения и учета электрической энергии Измерение и учет тесно связаны с метрологией, стандартизацией, экономикой, и должны учитывать особенности электроэнергии и электроэнергетики – производство, передача, распределение. В этом курсе будем рассматривать метрологические характеристики оборудования – погрешности, классы точности, поверку и прочее, принципы работы и конструкцию измерительных приборов, а также подключение счетчиков, принципы построения систем АСКУЭ, сбор данных. Также рассматривается система измерений на электростанциях и подстанциях. Если успеем – основы функционирования рынков электрической энергии. Лекция 1. Организация измерения и учета электрической энергии 1.1. Определение метрологии МЕТРОЛОГИЯ наука о… (геология, биология и т.п.) метро? метр – мера длины, но метрология гораздо старше метра: метр «родился» в 1790 г. во Франции. Слово «метр» происходит от греческого μετρον – МЕРА. Старинное понимание: метрология – наука о мерах. Современное понимание шире: метрология – это наука об измерениях. Итак: • измерения • их единство • их точность ИЗМЕРЕНИЯ Объекты материального мира имеют бесчисленное множество различных свойств: объём, масса, цвет и т.д. Для многих свойств применимы понятия «больше» – «меньше», например, масса Земли больше массы Луны; вкус лимона более кислый, чем апельсина. Для некоторых свойств применимы не только понятия «больше» – «меньше», но и во сколько раз больше или меньше: масса Земли в 81 раз больше массы Луны (приблизительно). Но нельзя сказать, что лимон во сколько-нибудь раз, например, в два раза кислее апельсина. А почему нельзя? Потому что для массы существует единица измерения – килограмм – а для вкусовых ощущений она ещё не создана. Те свойства, для которых существуют единицы измерения, называют ФИЗИЧЕСКИМИ ВЕЛИЧИНАМИ: длина, масса, сила электрического тока и т.д. Физические величины содержат в себе качественный и количественный признаки. Качественный – что это за величина, например, сила электрического тока. Количественный – сколько единиц содержится в данной физической величине, например, 5,4 А. Здесь 5,4 А – значение силы электрического тока (далее для краткости просто «тока»). Нельзя говорить «величина тока 5,4 А», потому что величина – это сам ток. Надо говорить: «значение тока 5,4 А». Но вот беда: в разные времена у разных народов для одних и тех же величин были созданы разные единицы. Например, L = 7,05 фут = 2,15 м. Обилие единиц для одной и той же величины – большое неудобство. В 18 веке в Европе были сотни различных «футов». Постепенно пришли к ограниченному числу систем единиц, а идеал –одна система для всего мира. В 1960 году большинство стран мира приняло международную систему – в русской транскрипции СИ (система интернациональная), в международной – SI (System International)[1]. Как любая система единиц, она содержит несколько независимых основных единиц (7 основных, порядка 20 – допускаемых к применению): – единица длины – метр (м); – единица массы – килограмм (кг); – единица времени – секунда (с); – единица силы электрического тока – ампер (А); – единица термодинамической температуры – кельвин (К); – единица силы света – кандела (кд); – единица количества вещества – моль и множество (больше ста) производных единиц. Они образуются из основных на основе фундаментальных физических законов. Например, вольт: Таблица 2.3 – Производные единицы с собственными названиями (часть) Величина Единица измерения Обозначение Выражение русское название м/народное название русское международное Плоский угол радиан radian рад rad м·м−1 = 1 Телесный угол стерадиан steradian ср sr м2·м−2 = 1 Частота герц hertz Гц Hz с−1 Сила ньютон newton Н N кг·м·c–2 Энергия джоуль joule Дж J Н·м = кг·м2·c–2 Мощность ватт watt Вт W Дж/с = кг·м2·c–3 Электрический заряд кулон coulomb Кл C А·с Разность потенциалов вольт volt В V Дж/Кл = кг·м2·с−3·А−1 Сопротивление ом ohm Ом Ω В/А = кг·м2·с−3·А−2 Электроемкость фарад farad Ф F Кл/В = с4·А2·кг−1·м−2 Магнитный поток вебер weber Вб Wb кг·м2·с−2·А−1 Магнитная индукция тесла tesla Тл T Вб/м² = кг·с−2·А−1 Индуктивность генри henry Гн H кг·м2·с−2·А−2 Электрическая проводимость сименс siemens См S Ом−1 = с3·А2·кг−1·м−2 Физические величины принимают свои значения в широких диапазонах. Чтобы избежать чисел с большим количеством нулей, применяют кратные и дольные единицы: 10–12 10–9 10–6 10–3 1 103 106 109 1012 пико нано микро милли кило мега гига тера п н мк м к М Г Т p n μ m k M G T В последней строке – международное обозначение, в предпоследней – русское. Измерить какую-либо физическую величину – это узнать, сколько в ней содержится единиц. Результат измерения – это именованное число, например, 5,83 мкА Но как получить это число? Нужно сравнить данную величину с её единицей (или с её дольной единицей). Единица электрического тока – ампер. Но что такое ампер? Как определена эта единица? Вот теоретическое определение: «Ампер равен силе не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенными в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2×10–7 Н». Из определения ампера следует, что магнитная постоянная μ0 равна 4 π × 10− 7 Гн/ м или, что то же самое, 4 π × 10− 7 Н/А² точно. Это утверждение становится понятным, если учесть, что сила взаимодействия двух расположенных на расстоянии d друг от друга бесконечных параллельных проводников, по которым текут токи I1 и I2, приходящаяся на единицу длины, выражается соотношением: Совершенно ясно, что практически всё это недостижимо: бесконечная длина, вакуум. Практически ампер воплощается в эталоне ампера. По своему смыслу эталон – это мера. Его назначение – хранить и воспроизводить физическую величину заданного размера. Но простейшая линейка – это тоже мера, мера длины. Эталоны – это меры высшей точности. Это очень дорогие устройства, которые хранятся в метрологических институтах. Они находятся в специальных помещениях со стабильной температурой. Есть специальная должность – хранитель эталона. По длинной цепочке размер единицы передаётся от самого точного первичного эталона ко вторичному, далее к рабочим эталонам и наконец доходит до рабочих измерительных приборов и мер. В некоторых редких случаях для выполнения измерения достаточно только меры: измерение длины линейкой. Длина непосредственно воспринимается зрением. В большинстве же случаев одной меры недостаточно. Например, массу какого-либо тела можно измерить путём взвешивания на рычажных весах. Здесь тоже присутствует мера – это гири, но одних гирь недостаточно, нужны весы. Весы вместе с гирями – это измерительный прибор, в котором мера присутствует непосредственно. Есть другие весы, пружинные, со шкалой и стрелкой. Теперь можно дать определение понятию «измерение»: ИЗМЕРЕНИЕ – ЭТО СОВОКУПНОСТЬ ОПЕРАЦИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ТЕХНИЧЕСКОГО СРЕДСТВА, ХРАНЯЩЕГО ЕДИНИЦУ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ НАХОЖДЕНИЕ СООТНОШЕНИЯ ИЗМЕРЯЕМОЙ ВЕЛИЧИНЫ С ЕЁ ЕДИНИЦЕЙ И ПОЛУЧЕНИЕ ЗНАЧЕНИЯ ЭТОЙ ВЕЛИЧИНЫ. Это определение содержится в [3]. До этого было принято другое [4], вошедшее во многие книги: «Измерение – это нахождение значения физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств». От термина «измерение» происходит «измерять», но не следует употреблять «мерить», «замерять», «замер» и т.п. Измерение – широкое понятие. Далее мы будем заниматься электрическими измерениями. Что это значит? Физические величины могут быть: • механические – сила, давление, … • пространства и времени – длина, время, скорость,… • тепловые – температура, теплоёмкость, теплопроводность, … • электрические – ток, напряжение, мощность, сопротивление, … • световые – сила света, световой поток, освещённость, … • акустические – скорость звука, звуковое давление, … …… …… Электрические величины в свою очередь можно разделить на: • активные – ток, напряжение, э.д.с., мощность и др.; • пассивные (параметрические) – сопротивление, ёмкость, индуктивность, взаимная индуктивность и др. Кроме того, есть некоторые величины, неразрывно связанные с электрическими – частота, период, фазовый сдвиг. Под электрическими измерениями понимают: 1) Измерения электрических величин; 2) Измерения временных величин, связанных с электрическими (обычно активными); 3) Измерение неэлектрических величин, преобразованных в электрические, например, измерение температуры с помощью термопары. Термопара – пример измерительного преобразователя. Его нельзя отнести ни к мерам, ни к измерительным приборам. Меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи – простейшие средства измерений. ЕДИНСТВО ИЗМЕРЕНИЙ Понятию «измерение» сопутствует понятие единство измерений. Это очень важное понятие. Существует Закон РФ об обеспечении единства измерений [5]. Что это значит – «единство измерений»? В Законе дано определение: ЕДИНСТВО ИЗМЕРЕНИЙ – ЭТО СОСТОЯНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ, ПРИ КОТОРОМ ИХ РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫРАЖЕНЫ В УЗАКОНЕННЫХ ЕДИНИЦАХ И ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ НЕ ВЫХОДЯТ ЗА УСТАНОВЛЕННЫЕ ГРАНИЦЫ С ЗАДАННОЙ ВЕРОЯТНОСТЬЮ. «Узаконенные единицы» – это единицы СИ и некоторые внесистемные единицы, разрешённые к применению (их около 20, например, тонна, гектар). Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений. Государственное регулирование в области обеспечения единства измерений согласно Федерального закона № 102-ФЗ "Об обеспечения единства измерений" осуществляется в следующих формах: а) утверждение типа стандартных образцов или типа средств измерений; б) поверка средств измерений; в) метрологическая экспертиза; г) федеральный государственный метрологический надзор; д) аттестация методик (методов) измерений; е) аккредитация юридических лиц и индивидуальных предпринимателей на выполнение работ и (или) оказание услуг в области обеспечения единства измерений. Средства измерений, предназначенные для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, до ввода в эксплуатацию, а также после ремонта подлежат первичной поверке, а в процессе эксплуатации - периодической поверке. Применяющие средства измерений в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений юридические лица и индивидуальные предприниматели обязаны своевременно представлять эти средства измерений на поверку. ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ Точность - показывает как близко измеренное значение к истинному значению измеряемого параметра. Пример. Прибору, имеющему полную шкалу 10 В, приписывается точность ±1%. Это значит, что при любом отечете стрелка прибора может отклоняться от истинного значения не более, чем на ± 0,1 В. Если прибор показывает 9 В, то истинное значение может быть от 9,1 до 8 9 В. Если прибор показывает 2 В, то ошибка будет возрастать до 10 %. Следовательно, для большей точности следует выбирать подходящий диапазон шкалы измерительного прибора. Количественно точность измерений характеризуется погрешностями измерений. Точность – величина, обратная погрешности. Есть две формы выражения погрешностей измерения: • абсолютная погрешность измерения Δ; • относительная погрешность измерения δ. Кроме самого результата измерения должны быть указаны границы интервала, в котором с данной вероятностью находится истинное значение измеряемой величины. Этот интервал называют доверительным интервалом, а эту вероятность – доверительной вероятностью. Пример записи результата измерения: (5,481 ± 0,025) мА; Р = 0,95. Размер доверительного интервала при данной доверительной вероятности характеризует точность. Чем ýже интервал при той же вероятности, т.е. чем меньше погрешность, тем выше точность. Если интервал не указан, количество разрядов числа, выражающего результат измерения, ориентировочно свидетельствует о точности. Сравните, например, две записи: 5,4 А и 5,43135 А. При этом не следует думать, что чем точнее, тем лучше. И это не только потому, что чем точнее, тем дороже обойдётся полученный результат. При увеличении точности мы обязательно столкнёмся с тем, что наша мысленная модель объекта перестаёт быть адекватной самому объекту. Простой пример. Пусть нам надо измерить высоту проёма двери. Мы можем взять рулетку и измерить с погрешностью, не выходящей за пределы ± 0,5 см. Но если мы захотим произвести более точное измерение, например, такое, что погрешность не выходит за пределы ± 0,5 мм, мы обнаружим, что наша модель проёма в виде прямоугольника перестаёт быть адекватной: высота не одинакова по ширине. Поэтому, строго говоря, понятие физическая величина относится не к самому объекту, а к его модели. По мере уточнения результатов измерений можно переопределять модель. Например, может выясниться, что модель проёма – это не прямоугольник, а трапеция. Прецизионность - показывает как точно или отчетливо можно произвести отсчет. Она определяется тем, насколько близки друг к другу результаты двух идентичных измерений. Разрешение прибора - наименьшее изменение измеряемого значения, на которое прибор будет реагировать. Диапазон прибора - определяется минимальным и максимальным значениями входного сигнала, для приема которого он предназначен. Полоса пропускания прибора - разность между минимальной и максимальной частотами, для которых он предназначен. Если сигнал находится за пределами полосы пропускания прибора, то будут возникать ошибки, так как прибор не сможет следовать изменениям измеряемого сигнала. Чувствительность - определяется отношением выходного сигнала (показания прибора) к входному сигналу (измеряемой величине). Шумы - любой сигнал, который не несет полезной информации, может быть назван шумом и служит источником ошибок. Шумы могут быть механическими, электрическими, магнитными. Они могут быть уменьшены путем защиты прибора от вибраций, электростатических и магнитных полей. Шумы могут возникать в самом приборе и уменьшение их уровня обеспечивается тщательным конструированием. Значащие цифры — указывают на прецизионность прибора. Заключение по разделу 1.1. Мы ввели и определили ряд понятий, связанных с метрологией. Они находятся в определённой взаимосвязи: Основы метрологии. Основные метрологические термины. Основные понятия и определения. а) измерение - процесс сравнения путем физического эксперимента данной величины с величиной того же рода, принятой за единицу измерения; б) измерительный прибор - это средство измерения в виде устройства, в котором измеряемая величина преобразуется в показания или сигнал, пропорциональный физической величине; в) мера - средство измерения в виде устройства, служащего для воспроизведения одного или нескольких значений данной физической величины. К мерам и измерительным приборам относятся: Эталоны - средства измерения, обеспечивающие воспроизведение и хранение физической величины с целью передачи размера единицы образцовым средствам измерения, а от них - рабочим средствам измерения Уровни эталонов: а) рабочие эталоны - являются основными измерительными средствами в отраслевой лаборатории. Используются для контроля и калибровки лабораторного инструмента в данной отрасли производства и для выполнения некоторых точных измерении. Они периодически сверяются с вторичными эталонами; б) вторичные эталоны - хранятся в различных лабораториях отрасли производства. Их основная функция контроль и калибровка рабочих эталонов. Периодически эти эталоны можно отсылать в национальные метрологические лаборатории для контроля и калибровки. Их сравнивают с первичным эталоном; в) первичные эталоны - хранятся в национальных лабораториях различных стран. Они не доступны для использования вне данной национальной лаборатории, их можно использовать для калибровки присланных в лабораторию вторичных эталонов; г) международный эталон - воспроизводится с максимально возможной точностью, обеспечиваемой принятым методом измерения. Они хранятся в Международном бюро мер и весов в Севре (вблизи Парижа) и не подлежат использованию для измерений или калибровки. Образцовые меры и измерительные приборы - им размер физической величины передается непосредственно от рабочего эталона. Они предназначены только для поверки рабочих средств измерений. Рабочие меры и измерительные приборы - их используют для проведения измерений в лабораториях и на производстве. Система измерений. Меры обеспечения единства измерений. Эталоны Эталон единицы длины – метр – длина пути, проходящая светом в вакууме на часть секунды (1 / 299 792 458). Эталон единицы массы – килограмм – масса одного кубического дециметра чистой воды при температуре, которая обеспечивает ее самую большую плотность (4 °С). Эталон единицы времени – секунда – время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Эталон единицы температуры – кельвин – 1/273,16 части тройной точки воды. Эталон единицы силы света – кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Эталон количества вещества – моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. Эталон единицы силы электрического тока – ампер – сила неизменного тока, который проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и слишком малого круглого перереза и размещенными на расстоянии 1 метра друг от друга в вакууме, при силе тока в проводниках в 1 А образовывал бы между проводниками силу взаимодействия в 2×10–7 Н на каждый метр длины. Сила тока — физическая величина I, равная отношению количества заряда Q, прошедшего через некоторую поверхность за время t, к величине этого промежутка времени . В качестве рассматриваемой поверхности часто используется поперечное сечение проводника. Из определения силы тока как физической величины видно, что единица силы тока равна количеству электричества, проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени. Поэтому естественно было бы принять за основную электрическую единицу некоторый заряд, например равный заряду электрона или определенного числа электронов. Однако в настоящее время нет возможности осуществить с достаточной точностью эталон, опирающийся на такое определение. Вследствие этого пришлось отказаться от единицы количества электричества как основной электрической единицы и принять в качестве таковой единицу силы тока – ампер. Размер ампера можно было бы воспроизводить по следующим действиям, которые оказывает ток в окружающей среде: – по выделению теплоты при прохождении по проводнику; – по осаждению вещества на электродах при прохождении тока через электролит; – по пондеромоторным (механическим) действиям тока на магнит или проводник с током. В 1893 г. Международный конгресс электриков в Чикаго принял первый эталон силы электрического тока, установив так называемый международный ампер. Ампер воспроизводился с помощью серебряного вольтметра и имел следующее определение: международный ампер – неизменяющийся ток, который, проходя через водный раствор азотнокислого серебра при соблюдении приложенной спецификации, выделяет 0,001118 г серебра в 1 с. IX Генеральная конференция по мерам и весам в 1948 г. приняла следующее определение ампера: «Ампер – сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывал бы между этими проводниками силу взаимодействия, равную 2·10–7 Н на каждый метр длины». Это определение действует и сегодня. Приведенная формулировка содержит понятие бесконечно тонких и бесконечно длинных проводников, которые на практике осуществить невозможно. Однако на основе законов электродинамики можно рассчитать с высокой степенью точности силу взаимодействия токов, протекающих по проводникам конечных размеров. Для реализации эталона ампера в ряде стран были сконструированы специальные «токовые весы». Это равноплечие рычажные весы, к одному из плеч подвешен соленоид, находящийся внутри другого, неподвижного соленоида, а к другому плечу – гири. Соленоиды соединены последовательно. При отсутствии тока гиря массой m0 уравновешивает подвижный соленоид. При пропускании тока I по соленоидам возникает втягивающая сила kI2, где k зависит от числа витков и геометрических размеров соленоидов. Она уравновешивается гирей с массой m: , откуда . Главное требование к эталону – стабильность. Токовые весы дают нестабильность тока I = 1 А практически не превышающую ± 10 мкА. Токовые весы представляют собой рычажные равноплечие весы, в которых подвешенная с одной стороны подвижная катушка уравновешивается грузом, положенным на чашку с противоположной стороны весов. Подвижная катушка входит во вторую неподвижную соосно расположенную катушку. При прохождении по этим последовательно соединенным катушкам постоянного электрического тока возникает сила взаимодействия, подвижная катушка опускается, поэтому для уравновешивания на чашку весов следует положить добавочный груз. В соответствии с законом Ампера сила взаимодействия токов в катушках будет равна , где – сила тока в катушках; – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы и размеров катушек, принятого значения относительной магнитной проницаемости среды и др. С другой стороны весов, в соответствии со вторым законом Ньютона, действует сила , где – масса уравновешивающего груза; – ускорение свободного падения в месте расположения весов. При равновесии весов и расчетная формула для силы тока имеет вид: . Государственный первичный эталон ампера, созданный в СССР в 1975 г. во ВНИИМ им. Менделеева, представлял собой комплекс измерительных средств в следующем составе: • токовые весы с гирей массой 8,16044 г и с дистанционным управлением; • аппаратура для передачи размера единицы, в которую входит катушка сопротивления Р342, получившая свое значение от первичного эталона Ома. НСП воспроизведения размера единицы тока этого эталона составляет около 1·10–5, СКО – 4·10–6. Точности этого эталона, однако, было явно недостаточно для развития электрических измерений, а технические возможности ее повышения были фактически исчерпаны. Кроме того, даже такая точность была малодоступной для широкого круга потребителей, т.к. измерения по воспроизведению ампера с помощью токовых весов настолько трудоемки, что проводятся один раз в 5 – 10 лет. В связи с успехами квантовой метрологии в 1992 г. появилась возможность воспроизводить единицу силы тока более точно с помощью косвенных измерений в соответствии с законом Ома: . При этом размеры единиц электрического напряжения и сопротивления воспроизводятся на основе квантовых эффектов Джозефсона и Холла. Это позволило снизить нестабильность почти на два порядка: ± 0,15 мкА. Такой эталон в статусе национального создали некоторые страны, в том числе Россия. Отметим также, что мнения разных стран относительно статуса аппаратуры, воспроизводящей ампер через вольт и ом, расходятся. Ведущие в метрологическом отношении страны (США, Англия, Германия) не склонны считать такую аппаратуру первичным эталоном ампера и квалифицируют ее на уровне поверочной установки. Особенности учета электрической энергии. Отличительной особенностью электроэнергии является неразрывность и практически полное совпадение во времени процессов производства, распределения и потребления электроэнергии. Производство электроэнергии возможно только в том случае, если предварительно обеспечено соединение генераторов энергии и ее приемников в единую электрическую схему. Нарушение указанной схемы ведет к нарушению процесса производства электрической энергии. Поэтому присоединение электроустановок потребителей к энергосистеме должно производиться только с разрешения последней и по ее техническим условиям. Энергосистема должна осуществлять надзор за соблюдением потребителями соответствующих правил и норм в процессе эксплуатации своих электроустановок. Неразрывность технологического процесса производства и потребления электроэнергии приводит к жесткой зависимости объема производства энергетической продукции от ее потребления в каждый данный момент времени. Невозможно выработать электроэнергии больше, чем ее требуется для присоединенных электроприемников. С другой стороны, электроприемники не могут потребить больше электроэнергии, чем ее производится генераторами электроэнергии. Так как электроэнергия в силу своей универсальности, способности к неограниченному делению и превращению в другие виды энергии находит все более широкое применение в различных сферах человеческой деятельности, в быту и используется различными по режиму работы приемниками, то режим производства электроэнергии в течении суток, месяца, года не остается постоянным. Неравномерность графика производства и потребления энергии является второй характерной особенностью электроэнергетического производства. Третьей особенностью этого производства является то, что оно должно удовлетворять потребности электроприемников не только в электроэнергии, но и в покрытии их электрической нагрузки (т.е. потребляемой мощности). Только при этих условиях может быть обеспечено бесперебойное электроснабжение потребителей, т.е. выполнена основная задача энергетического производства. Неравномерность графика потребления энергии приводит к появлению суточных пиков нагрузки энергосистемы, на покрытие которых требуется соответствующая генерирующая мощность. Число часов использования этой мощности относительно невелико, и поэтому затраты на нее являются малоэффективными. Для снижения указанных затрат необходимо выравнивание суточных графиков потребления электроэнергии и снижение пиков нагрузки потребителей. Четвертая особенность электроэнергетического производства связана с обеспечением качества электроэнергии и влиянием на него электроприемников потребителей. Наличие у потребителей электроприемников, потребляющих реактивную энергию, искажает форму кривой напряжения, выделяющих при работе высшие гармоники и т.д., затрудняет для энергосистемы соблюдение стандарта на качество электроэнергии и вызывает дополнительные затраты на ее производство. Особенно распространены электроприемники потребляющие реактивную мощность. Для снижения затрат на покрытие реактивной нагрузки и обеспечение стандартных уровней напряжения требуется компенсация реактивной мощности как в сетях самой энергосистемы, так и в установках потребителей. Следующая особенность электроэнергетического производства связана с учетом электроэнергии и расчетами с потребителями. Так как продукция энергетического производства поставляется франко-потребителю и расходуется присоединенной электроустановкой практически без участия энергосистемы, требуется обеспечить полный учет взятой потребителем продукции (электроэнергии) и производить расчеты за нее в соответствии с заданным режимом работы электроустановки и особенностями электроприемников. По этим причинам: организацией учета электроэнергии в установках потребителей и эксплуатацией расчетных счетчиков занимается энергосистема; расчеты за потребленную электроэнергию производятся по тарифам, дифференцированным по группам потребителей в зависимости от потребляемой мощности и характера потребления реактивной мощности. Необходимость учёта электроэнергии возникла сразу же, как только ее начали применять в промышленности. Поэтому история развития счётчиков насчитывает столько же лет, сколько и промышленная электроэнергетика. Современным счетчикам - надёжным малогабаритными аппаратам -предшествовали счетчики самых разнообразных систем: электрохимические, электродинамические, магнитоэлектрические, маятниковые, осциллирующие и т.д. Так как в начале электрическая энергия вырабатывалась на постоянном токе, использовались счетчики постоянного тока, затем постоянный ток был вытеснен переменным, соответственно стали применять счетчики переменного тока. Цель и задачи учета электрической энергии. Основной целью учета электроэнергии является получение достоверной информации о количестве производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии и мощности на оптовом рынке ЕЭС России и розничном рынке потребления для решения следующих технико-экономических задач на всех уровнях управления в энергетике: - финансовые (коммерческие) расчеты за электроэнергию и мощность между субъектами оптового и розничного рынка потребления; - управление режимами электропотребления; - определение и прогнозирование всех составляющих баланса электроэнергии (выработка, отпуск с шин, потери и т.д.); - определение и прогнозирование удельных расходов топлива на электростанциях; - определение стоимости и себестоимости производства, передачи и распределения электроэнергии и мощности; - контроль технического состояния и соответствие требованиям нормативно-технических документов систем учета электроэнергии в электроустановках. Нормативно-правовая база в области измерений и учета электрической энергии. Расчеты за потребляемую электроэнергию являются одной из основополагающих позиций договорных взаимоотношений между потребителями и энергоснабжающей организацией, учитывающих интересы обеих сторон. Эти вопросы находятся в центре внимания на самом высоком государственном уровне и отражены в ряде законодательных правительственных документов, в том числе: • в Законе Российской Федерации «Об энергосбережении» №28-ФЗ, принятом Государственной Думой 13 марта 1996 г., в котором указана необходимость обеспечения обязательного приборного учета всего объема производимых и потребляемых энергоресурсов; • в статьях 541, 543 и 544 Гражданского кодекса, в котором подчеркивается, что количество переданной электрической энергии определяется в соответствии с данными приборов учета о ее фактическом потреблении и т.д.; • в Законе Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений», который устанавливает правовые основы обеспечения единства измерений в Российской Федерации; • в Правилах учета электрической энергии (утв. Минтопэнерго РФ и Минстроем РФ 19, 26 сентября 1996 г.); • в Типовой инструкции по учету электроэнергии при ее производстве, передаче и распределении (РД 34.09.101-94), которая содержит основные положения по учету электроэнергии при ее производстве, передаче и распределении, устанавливает требования к организации, составу и правилам эксплуатации систем учета электроэнергии и мощности. Общие положения и требования к учёту электроэнергии определенны в Правилах устройства электроустановок, Гл. 1.5. 1.5.2. Расчетным учетом электроэнергии называется учет выработанной, а также отпущенной потребителям электроэнергии для денежного расчета за нее. Счетчики, устанавливаемые для расчетного учета, называются расчетными счетчиками. 1.5.3. Техническим (контрольным) учетом электроэнергии называется учет для контроля расхода электроэнергии внутри электростанций, подстанций, предприятий, в зданиях, квартирах и т. п. Счетчики, устанавливаемые для технического учета, называются счетчиками технического учета. 1. системы учета электроэнергии на промышленном предприятии 1.1. Основные понятия Энергоснабжающая организация (ЭСО) – коммерческая организация независимо от организационно–правовой формы, осуществляющая продажу потребителям произведенной или купленной электрической энергии. Потребитель электрической энергии (мощности) – физическое или юридическое лицо, осуществляющее пользование электрической энергией (мощностью). Регулирующие органы – Федеральная энергетическая комиссия Российской Федерации (ФЭК РФ) и региональные энергетические комиссии (РЭК), осуществляющие государственное регулирование тарифов (цен) на электрическую энергию в соответствии с установленными законодательством РФ полномочиями. Оптовый рынок электрической энергии (мощности) – Федеральный (общероссийский) оптовый рынок электрической энергии (мощности) – сфера купли–продажи электрической энергии (мощности), осуществляемой его субъектами в пределах Единой энергетической системы (ЕЭС) России. Расчетный период регулирования (период регулирования) – период, на который устанавливаются тарифы (цены). Тарифы – система ценовых ставок, по которым осуществляются расчеты за электрическую энергию (мощность). Срок действия тарифов (цен) – период времени между изменениями тарифов (цен) регулирующими органами. Участники оптового рынка – поставщики электрической энергии и мощности (генерирующие компании) и покупатели электрической энергии и мощности (энергосбытовые организации, крупные потребители электрической энергии, гарантирующие поставщики), получившие статус оптового рынка. Отклонение – объем электрической энергии, определяемый как разница между объемами ее фактического производства (потребления) и планового производства (потребления) участником оптового рынка в соответствующий час суток. 1.2. Договорные отношения с электроснабжающей организацией Взаимоотношения потребителей с энергоснабжающими организациями регламентируются договором энергоснабжения, Гражданским Кодексом Российской Федерации и действующими нормативно–правовыми актами в области энергоснабжения предприятий, организаций и учреждений. На поставку электрической энергии между электроснабжающей организацией и предприятием (абонентом) заключается договор электроснабжения. По договору электроснабжения электроснабжающая организация обязуется подавать абоненту (потребителю) через присоединенную электрическую сеть электрическую энергию и мощность как вид промышленной продукции. Абонент обязуется своевременно оплачивать принятую электрическую энергию и мощность, а также соблюдать предусмотренный договором режим потребления электрической энергии, обеспечивать безопасность эксплуатации находящихся в его ведении электрических сетей и электрических установок и исправность используемых им приборов и оборудования, связанных с потреблением электрической энергии. Договор электроснабжения заключается с абонентом при наличии у него отвечающих установленным техническим требованиям электроустановок, присоединенных к электрическим сетям электроснабжающей организации, и другого необходимого оборудования, а также при обеспечении учета потребления электроэнергии. Качество подаваемой электроснабжающей организацией электроэнергии должно соответствовать требованиям, установленным государственными стандартами и иными обязательными правилами или предусмотренным договором электроснабжения. В случае нарушения электроснабжающей организацией требований, предъявляемых к качеству электроэнергии, абонент вправе отказаться от оплаты такой электроэнергии. При этом электроснабжающая организация вправе требовать возмещения абонентом стоимости того, что абонент не­основательно сберег вследствие использования этой электроэнергии. Оплата электроэнергии производится за фактически принятое абонентом количество электроэнергии в соответствии с данными учета электроэнергии, если иное не предусмотрено законом, иными правовыми актами или соглашением сторон. 1.3. Технические условия на присоединение к энергоснабжающей организации Электрическая сеть потребителя электрической энергии (абонента) являемся продолжением электрической сети электроснабжающей организации. На предприятия с электроприемниками I и II категории по надежности электроснабжения электроэнергия должна подводиться по двум отдельным кабельным или воздушным линиям электропередачи от двух независимых источников электроснабжения. На предприятия с электроприемниками III категории электроэнергия может подводиться по одной кабельной или воздушной линии электропередачи от одного источника электроснабжения. Границей балансовой принадлежности и эксплуатационной ответственности электроснабжающей организации и потребителя электроэнергии являются вводные фидера электроустановок потребителя, к которым присоединяются наконечники кабельных или воздушных линий электропередачи электроснабжающей организации. В некоторых случаях граница балансовой принадлежности и эксплуатационной ответственности устанавливается на отходящих фидерах электроустановок электроснабжающей организации, к которым присоединяются наконечники кабельных или воздушных линий электропередачи потребителя электроэнергии. Перед подключением новых и реконструированных электроустановок потребителей электрической энергии производится их допуск в эксплуатацию. Для этого создается приемочная комиссия, в состав которой входят представи­ли потребителя, электроснабжающей организации и органов Федеральной службы атомного, технологического и экологического надзора (ранее Департамента государственного энергетического надзора и энергосбережения Минтопэнерго Российской Федерации). Допуск в эксплуатацию заключается: 1) в составлении акта допуска электроустановки в эксплуатацию; 2) в выдаче разрешения на подключение электроустановки к электрической сети электроснабжающей организации. При этом для трансформаторных подстанций общей мощностью 1000 кВА и выше и напряжением 35 кВ и выше, линий электропередач напряжением 35 кВ и выше акт допуска электроустановки в эксплуатацию может не составляться. Однако обязательным является присутствие в приемочной комиссии представителей органов Федеральной службы атомного, технологического и экологического надзора. Все вновь смонтированные и реконструированные электроустановки должны быть выполнены в соответствии с выданными техническими условиями, Правилами устройства электроустановок, СНиП и другими нормативными документами. Они должны быть обеспечены проектной, приемосдаточной и эксплуатационной документацией; подготовленным электротехническим персоналом (либо договором на обслуживание электроустановок специализированной организацией); испытанными средствами защиты, инструментом, запчастями, средствами связи и сигнализации, пожаротушения, аварийного освещения и вентиляции. У потребителей электрической энергии должны быть назначены ответственные за электрохозяйство. Электроустановки, располагаемые во взрывоопасных зонах, должны иметь также свидетельство Федеральной службы атомного, технологического и экологического надзора. Кроме этого, электроснабжающая организация выдает потребителю дополнительные технические условия на подключение новых и реконструированных электроустановок потребителей к электрической сети. Основные из этих технических условий следующие: 1) пределы потребления и генерации реактивной мощности; 2) уровни напряжения и показатели качества электрической энергии на границе балансовой принадлежности электрической сети; 3) места установки измерительных трансформаторов тока и трансформаторов напряжения, питающих расчетные приборы учета электрической активной и реактивной энергии и мощности; 4) установка расчетных приборов учета электрической энергии и мощности заданного класса точности; 5) техническое обслуживание, ремонт и замена расчетных приборов учета электрической энергии и мощности; 6) приведение схем электроснабжения абонента в соответствие с проектом в отношении обеспечения надежности электроснабжения; 7) обеспечение устойчивой работы технологического оборудования абонента при перерывах в электроснабжении на время работы устройств автоматического повторного включения (АПВ), автоматического включения резерва (АВР) и другой противоаварийной автоматики энергосистемы и абонента по восстановлению питания; 8) нагрузка потребителей электроэнергии абонента, подключенных к устройствам автоматизированного частотного регулирования (АЧР). 1.4. Договорные величины потребления электрической энергии и мощности По договору электроснабжения между потребителем электрической энергии и электроснабжающей организацией устанавливается целый ряд договорных величин. Основные из них следующие: 1) годовой объем отпуска и потребления активной электрической энергии и мощности, участвующей в максимуме нагрузки энергосистемы; 2) ежемесячные объемы отпуска и потребления активной электрической энергии и мощности, участвующие в максимуме нагрузки энергосистемы; 3) годовой и ежемесячные объемы отпуска и потребления электроэнергии субабонентами потребителя; 4) тарифы и тарифные группы потребителей электроэнергии; 5) потери активной и реактивной электроэнергии в сети от места установки приборов учета до границы балансовой принадлежности сети; 6) ориентировочная стоимость годового объема отпуска и потребления электроэнергии и мощности; 7) сроки и порядок оплаты за потребленную электроэнергию и мощность; 8) пределы потребления и генерации реактивной энергии и мощности; 9) скидки и надбавки к тарифу за компенсацию реактивной мощности в электроустановках потребителя; 10) гарантированный уровень напряжения на границе балансовой при­надлежности сети; 11) показатели качества электрической энергии на границе балансовой принадлежности сети; 12) сроки и продолжительность отключений, ограничений в отпуске электроэнергии и снижения надежности электроснабжения потребителя для проведения плановых работ по ремонту электрооборудования электроснабжающей организации; 13) сроки и продолжительность ограничений в потреблении электроэнергии для проведения плановых работ по ремонту электрооборудования, технологических установок и производств потребителя электроэнергии; 14) заданная нагрузка потребителей электроэнергии, подключенных к устройствам АЧР. Пределы потребления или генерации реактивной энергии и мощности устанавливаются электроснабжающей организацией в зависимости от режима работы энергосистемы, включая режимы работы синхронных генераторов на электростанциях. Если потребитель электроэнергии соблюдает указанные пределы путем компенсации реактивной мощности, то в платежных документах за потребленную электроэнергию и мощность учитываются скидки (при генерации) или надбавки (при потреблении) к тарифу. В случае превышения установленных технических пределов потребления или генерации реактивной мощности скидки с тарифа не представляются. Показатели и нормы качества электрической энергии на границе балансовой принадлежности сети определяются на основании требований действующего в настоящее время ГОСТ 13109–99. Данный ГОСТ устанавливает следующие основные показатели качества электроэнергии: 1) отклонение частоты δ f; 2) установившееся отклонение напряжения δUу; 3) размах изменения напряжения δUt ; 4) доза фликера (мерцания или колебания) Pt ; 5) коэффициент искажений синусоидальности кривой напряжения КU; 6) коэффициент n–й гармонической составляющей напряжения КU(n); 7) коэффициенты несимметрии напряжений по обратной K2U и по нулевой K0U последовательности; 8) глубина и длительность провала напряжения δUп, δtn; 9) импульсное напряжение Uимп; 10) коэффициент временного перенапряжения KпepU . К договору электроснабжения прилагается график вывода в ремонт электроустановок потребителя и электроснабжающей организации, снижающих надежность электроснабжения, приводящих к отключению потребителей или ограничению отпуска и потребления электроэнергии, а также график вывода в ремонт технологических установок и производств потребителя. В этом документе устанавливаются последовательность и сроки проведения планово–предупредительных технических обслуживаний и ремонтов отдельных электрических и технологических установок и производств, указывается, на какую величину будут уменьшены отпуск и потребление электрической энергии и мощности во время проведения этих работ. 1.5. Коммерческий и технический учет электроэнергии на предприятии Внедрение коммерческого и технического (внутризаводского) учета электроэнергии на предприятии является эффективным способом организации экономии энергоресурсов. Коммерческий учет предусматривает взаимоотношения с энергосбытовой организацией, технический (внутризаводской) учет – с отдельными вторичными потребителями (арендаторами, хозрасчетными производственными единицами, энергоемкими производствами). Коммерческий учет – процесс получения и отображения коммерческой информации о движении товарной продукции (оказании услуг) с целью проведения финансовых расчетов между субъектами рынка электроэнергии. Выделяют следующие основные задачи коммерческого учета электроэнергии: • потребление активной и реактивной энергии (включая обратный переток) за данные временные интервалы по отдельным счетчикам, заданным группам счетчиков и предприятию в целом с учетом многотарифности; • средние (получасовые) значения активной мощности (нагрузки) и средний (получасовой) максимум активной мощности (нагрузки) в часы утреннего и вечернего максимумов нагрузки по отдельным счетчикам, заданным группам счетчиков и предприятию в целом; • построение графиков получасовых и, при необходимости, трехминутных нагрузок, необходимых для организации рационального энергопотребления предприятия. Расчеты по купле–продаже электроэнергии между участниками рынка должны проводиться по показаниям тех приборов учета, которые указаны в действующих договорах. В договорах на оптовом рынке для каждого граничного сетевого элемента необходимо указать, какой измерительный комплекс средств коммерческого учета является основным, а какой – резервным, т.е. определить основную и резервные зоны учета субъекта рынка. Приборы учета могут располагаться не строго в точках раздела балансовой (эксплуатационной) принадлежности вследствие того, что в реальных условиях схема расстановки измерительных комплексов зависит от возможности установки первичных датчиков (трансформаторов тока и напряжения). Конкретные требования к аппаратуре распространяются на вновь устанавливаемые и модернизируемые средства коммерческого учета, входящие в состав автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ). В АСКУЭ оптового рынка должны использоваться самые современные первичные датчики, отличающиеся малыми величинами и стабильностью основной и дополнительной погрешности в широком диапазоне влияющих величин. Необходимо стремиться к освоению датчиков с цифровым входом. Сечения поставки и учета для субъектов рынка должны совпадать, а на каждую зону поставки необходимо предусматривать две зоны учета по обе стороны зоны поставки. Это означает, что смежные субъекты рынка (имеющие границы балансовой принадлежности) должны установить измерительные комплексы средств коммерческого учета на всех присоединениях граничных сетевых элементов к своим подстанциям. Общие технические требования к трансформаторам тока (ТТ) и трансформаторам напряжения (ТН), как к датчикам тока и напряжения в цепях коммерческого учета отражены в соответствующих ГОСТах. В АСКУЭ оптового рынка следует применять только трансформаторы тока, измерительные обмотки которых специально предназначены для подключения приборов коммерческого учета, имеющие класс точности не ниже 0,2S, 0,5S.