МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯФАКУЛЬТЕТ ПРИКЛАДНИХ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТАЕЛЕКТРОІНЖЕНЕРІЇКАФЕДРА ЕЛЕКТРИЧНОЇ ІНЖЕНЕРІЇАНТОНЮК КОСТЯНТИН ВІКТОРОВИЧУДК 621.311ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ВИБІР

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

ФАКУЛЬТЕТ ПРИКЛАДНИХ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ЕЛЕКТРОІНЖЕНЕРІЇ

КАФЕДРА ЕЛЕКТРИЧНОЇ ІНЖЕНЕРІЇ

АНТОНЮК КОСТЯНТИН ВІКТОРОВИЧ

УДК 621.311

ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ВИБІР МЕТОДІВ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ

НА ПРОМИСЛОВИХ ПІДПРИЄМСТВАХ

141 – «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка»

Автореферат

дипломної роботи на здобуття освітнього ступеня «магістр»

Тернопіль

2018

2

Роботу виконано на кафедрі електричної інженерії Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України

Керівник роботи: кандидат технічних наук, доцент кафедри електричної інженерії

Оробчук Богдан Ярославович,

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя,

Рецензент: кандидат технічних наук, доцент кафедри комп’ютерно-інтегрованих технологій Золотий Роман Захарійович,

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя,

Захист відбудеться 24 грудня 2018 р. о 14

годині на засіданні

екзаменаційної комісії № 40 у Тернопільському національному технічному

університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль,

вул. Микулинецька, 46, навчальний корпус № 7, ауд. 310

ЗАГАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ РОБОТИ

Актуальність теми. Збільшення долі споживачів з несиметричним і нелінійним характером навантаження вимагає постійного підвищення обсягів виробництва електроенергії і покриття графіків їх електричних навантажень. В той же час слід зауважити, що вітчизняна електроенергетика як і раніше відчуває нестачу маневрових потужностей.

До недавнього часу в Україні були відсутні достатня кількість і специфі- кація вітчизняних засобів обліку електроенергії і контролю параметрів режимів електроспоживання промислових підприємств в умовах енергоринку. Недоско- нала нормативна база і відсутність єдиної концепції були перешкодою для розробки і застосування таких засобів. В результаті плідної співпраці ряду провідних інститутів і організацій в області енергозбереження в 2010 - 2014 рр.

вийшли ряд національних нормативних документів (НД), що визначають концепцію використання інформаційно-вимірювальної техніки в умовах енергоринку України. Основні положення розроблених НД спрямовані на підвищення ефективності обліку електроенергії і впорядкування функціонуван- ня ринку електричної енергії України. Досягнення цієї мети обумовлює необхідність вдосконалення методів і засобів інформаційного забезпечення задач управління режимами електроспоживання, підвищення достовірності обліку електроенергії і контролю поточних параметрів режимів електроспо- живання (ППРЕ), розробки та виробництва сучасних засобів обліку і контролю за використанням електричної енергії, засобів і систем збору та обробки даних, математичного і програмного забезпечення, автоматизованих систем контролю електроспоживання (АСКОЕ) промислових підприємств. Питанням розробки технічних засобів повинен передувати аналітичний огляд і дослідження:

 особливостей електроенергетичного виробництва;

 впливи погіршення якості електроенергії (ЯЕ) на ефективність роботи елек- троприймачів, втрати електроенергії, надійність систем електропостачання (СЕС), точність і достовірність обліку електроенергії і контролю параметрів режимів електроспоживання і тому подібне;

 існуючих методів обліку електричної енергії і визначення кількісних і якісних характеристик електроспоживання;

 методів вирішення задач управління електроспоживанням промислових підприємств;

 існуючих технічних засобів обліку, контролю і управління режимами електроспоживання.

Отже, комплексний контроль електроспоживання передбачає не лише

облік потужності і електроенергії, але і контроль показників якості

електроенергії (ПЯЕ). Забезпечення достовірного обліку електроенергії і

оперативного контролю ППРЕ, на основі якого можливе управління режимам

електроспоживання і проведення комплексних розрахунків за електричну

енергію з урахуванням її споживчих властивостей, обумовлює актуальність цієї

роботи.

Мета і завдання дослідження.

Мета і завдання досліджень. Метою дипломної роботи є підвищення ефективності використання електричної енергії на промислових підприємствах шляхом вдосконалення методів і засобів інформаційного забезпечення задач управління режимами електроспоживання на основі оперативної і достовірної інформації про поточні параметри режимів електроспоживання в умовах застосування АСКОЕ.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні основні задачі:

 обґрунтувати необхідність розробки комплексної автоматизованої системи комерційного обліку електроенергії і контролю ППРЕ на промислових підприємствах на основі результатів аналізу впливу погіршення ЯЕ на ефективність енерговикористання і точність визначення характеристик електроспоживання;

 розробити комплексний алгоритм визначення кількісних і якісних характеристик електроспоживання в АСКЕ на основі вибірок миттєвих значень напруги і струмів;

 розробити структурні схеми, алгоритми функціонування, а на їх основі - комплексну автоматизовану систему комерційного обліку електроенергії і контролю ППРЕ на промислових підприємствах.

Об’єкт дослідження – електроустаткування промислових підприємств і режими електроспоживання.

Предмет дослідження – методи і засоби інформаційного забезпечення завдань контролю, обліку і управління режимами електроспоживання промислових підприємств.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- запропонована методика реалізації підвищення точності обліку електро- енергії і контролю ППРЕ;

- запропоновано спосіб і розроблено алгоритм усунення впливу нестабільності частоти мережі на результати визначення характеристик електроспоживання, що дозволяють підвищити точність контролю ППРЕ;

- визначені можливість і механізм формування інформаційного забезпечення завдань управління режимами електроспоживання промислових підприємств.

Практичне значення одержаних результатів. Виконані дослідження дозволяють:

 підвищити якість оцінки ППРЕ на промислових підприємствах шляхом отримання оперативної і достовірної інформації про кількісні і якісні характеристики електроспоживання на основі комплексної АСКОЕ;

 підвищити точність обліку електричної енергії і контролю ППРЕ на промис-

лових підприємствах шляхом застосування механізмів корекції похибок на

етапах вимірювання і обробки первинних даних при визначенні параметрів режимів електроспоживання.

Апробація.

Основні положення роботи і її результати доповідалися на VІІ Міжнарод- ній науково-технічній конференції молодих учених та студентів «Актуальні задачі сучасних технологій» 28-29 листопада 2018 р. (Тернопіль 2018 р.)

Структура роботи.

Робота складається зі вступу, 8 розділів, висновків, переліку посилань (34 найменування).

Загальний обсяг текстової частини – 101 сторінка, 9 таблиць, 20 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи: стан розробки наукової проблеми й актуальність, мету і завдання роботи, об’єкт та предмет дослідження, описану наукову новизну і практичну значимість отриманих результатів.

У першому розділі «Аналітична частина» розглянуто особливості електроенергетичного виробництва, проведено аналіз діючих нормативних документів та вимог до АСКОЕ енергії і контролю ППРЕ на промислових підприємствах, виконано постановку завдання досліджень.

Особливості електроенергетичного виробництва обумовлюють необхід- ність обліку електричної енергії і оперативного контролю поточних параметрів режимів електроспоживання (ППРЕ), що є однією з невід'ємних умов ефектив- ного функціонування систем електропостачання (СЕС) сучасних промислових підприємств. Вимога оперативності пов'язана з швидкоплинністю електроенер- гетичних процесів і обмеженим часом впливу на ці процеси.

Удосконалення методів і засобів інформаційного забезпечення задач уп- равління режимами електроспоживання на промислових підприємствах повин- но грунтуватися на попередньому аналізі НД, що діють, в частині технічних вимог до систем комерційного обліку електричної енергії і контролю режимів електроспоживання.

Аналіз існуючих методів і засобів контролю ППРЕ показує, що з переходом до автоматизованого контролю на базі АСКОЕ необхідно вирішувати наступні завдання:

- підвищення точності первинних вимірювальних перетворювачів електричної енергії.

- усунення впливу зовнішніх чинників на точність визначення параметрів режимів електроспоживання в АСКОЕ;

- розробку комплексного алгоритму визначення кількісних і якісних характеристик електроспоживання в АСКОЕ на основі єдиної початкової інформації;

- підвищення достовірності обліку реактивної енергії в умовах

застосування різних схем електропостачання промислових підприємств;

- підвищення достовірності даних комерційного обліку, формованих АСКОЕ, в промисловій експлуатації.

У другому розділі «Науково-дослідна частина» проведено аналіз впливу похибок вимірювальних трансформаторів на точність контролю ППРЕ та запропоновано спосіб корекції похибок трансформаторів струму (ТС).

Невід'ємною умовою успішного функціонування АСКОЕ є велика інфор- маційна ємність первинної інформації, яка повинна містити вичерпні відомості про поточні параметри режимів електроспоживання. Такі відомості несуть в собі напруга і струм. Однак, як правило, вони мають рівні, які набагато перевищують межі засобів вимірювань. З метою приведення напруги і струму до вигляду, придатного для прямих вимірювань, використовують вимірювальні трансформатори (ВТ), напруги (ТН) і струму (ТС). Беручи до уваги їх високу надійність, вони найбільш прийнятні на сьогоднішній день для використання в АСКОЕ, оскільки напруги і струми, що знімаються з їх вторинних обмоток, практично зберігають первинну форму і взаємне розташування, а значить - не втрачають своєї інформаційної ємності

Результати проведених досліджень підтверджують необхідність корекції похибок ВТ при використанні їх в АСКЕ для обліку електроенергії та контролю ППРЕ. У зв'язку з цим розроблена методика корекції амплітудної (струмової) похибки ТС шляхом застосування поздовжньо-ємнісної компенсації індуктив- ного опору вторинної гілки ТС з наступним урахуванням величини результу- ючої кутову похибку при визначенні потужності та електричної енергії.

Аналіз результатів розробленої методики показав, що крива струмової похибки ТС змінює свій опуклий вид на увігнутий. Це відбувається в результаті того, що при значеннях первинного струму менше розрахункових виникає перекомпенсація, похибка починає збільшуватися і стає позитивною. При значеннях ж первинного струму більше розрахункових, крива збільшується дуже повільно. Така зміна форми кривої дає можливість розраховувати вели- чину ємності при менших кратностях первинного струму, тобто з запасом.

У третьому розділі «Технологічна частина» виконано оцінку впливу нестабільності частоти мережі на точність визначення показників якості електроенергії, запропоновано спосіб усунення впливу нестабільності частоти мережі на точність визначення ПЯЕ.

Аналіз результатів робіт, розглянутих у першому розділі дипломної роботи показує, що фазові помилки не можуть бути істотно зменшені застосуванням різного роду віконних функцій. Використання ж інтерполяційних алгоритмів дозволяє істотно зменшити вплив нестабільності частоти мережі на похибку вимірювань, але вимагає великого обсягу обчислень.

Як альтернатива пропонується ефективний спосіб і алгоритм обробки резу-

льтатів вимірювань, що дозволяє практично усунути похибку визначення ПЯЕ,

викликану нестабільністю частоти мережі, і який може бути застосований в

АСКОЕ.

Враховуючи результати проведених досліджень, пропонується використо- вувати наступний алгоритм для усунення впливу нестабільності частоти мережі на точність визначення ПЯЕ. Перед початком кожного циклу дискретизації (цикл дискретизації відповідає одному періоду напруги мережі) проводиться вимірю- вання частоти мережі (періоду мережевої напруги). Крок дискретизації для вибраної частоти дискретизації визначається з таким розрахунком, щоб період напруги мережі був кратним цілому числу кроків дискретизації. Під час циклу дискретизації також проводиться вимірювання частоти мережі. Таким чином, визначається реальне значення періоду мережевої напруги під час циклу дискретизації. На основі виміряного значення частоти обчислюється дійсний кут для кожної дискрети. Результати лабораторних досліджень показують, що даний алгоритм дозволяє практично повністю усунути похибку, зумовлену нестабільністю частоти мережі.

У четвертому розділі «Проектно-конструкторська частина» запропоно- вано спосіб визначення симетричних складових напруги в електричних мережах та розроблено комплексний алгоритм визначення кількісних та якісних характеристик електроспоживання в АСКОЕ.

Як вже зазначалося, більшість показників якості електричної енергії визна- чаються на основі симетричних складових трифазної системи напруг. В огляді літературних джерел (розділ 1) наведені найбільш поширені методи визначення симетричних складових. Складність полягає в тому, що напруга зворотної послідовності має визначатися на основі вимірювання міжфазних напруг, а напруга нульової послідовності - на основі вимірювання фазних напруг. У даному розділі пропонується спосіб визначення напружень симетричних складових на основі вимірювання тільки фазних напруг трифазної електричної мережі.

Для перевірки ефективності визначення симетричних складових з допомо- гою запропонованого алгоритму була складена модель цифрового фільтра, про- ведена імітація його роботи і досліджена методична похибка. Отримані резу- льтати порівнювалися з теоретичними розрахунками і результатами роботи відомого алгоритму за швидкодією і точністю. В якості вихідного сигналу була використана періодична несинусоїдна функція з відомим аналітичним виразом її ряду Фур'є.

Запропонований алгоритм дозволяє підвищити оперативність контролю ППРЕ в електричних мережах промислових підприємств шляхом скорочення тривалості циклу обробки даних в базовому КТЗ АСКОЕ і визначення всіх контрольованих параметрів режимів електроспоживання, в т.ч. ПЯЕ на основі єдиної первинної інформації.

У п’ятому розділі «Спеціальна частина» виконано розробку структури

комплексу технічних засобів автоматизованої системи контролю ППРЕ, запро-

поновано алгоритм підвищення точності визначення періоду напруги мережі

при контролі ППРЕ та алгоритм управління каналами аналого-цифрового

перетворення.

Основною метою розробки є підвищення точності та достовірності обліку електроенергії та контролю поточних параметрів режимів електроспоживання на промислових підприємствах для забезпечення комерційних розрахунків за електричну енергію, в т.ч. і за якість електричної енергії. Крім цього, розроблю- вальна АСКОЕ повинна забезпечити оперативний контроль ППРЕ для вирішен- ня завдань управління режимами електроспоживання промислових підприємств.

Розроблена структура базового КТЗ АСКОЕ промислового підприємства, що відповідає перерахованим вище умовам, представлена на рис. 1. Функціо- нально КТЗ містить модуль сканування матриці датчиків (СМД), модуль інтер- фейсу лічильників електроенергії (ІЛЕ), модуль аналого-цифрового перетворен- ня (АЦП), модуль вимірювання частоти мережі (ВЧМ), модуль вимірювання коливань напруги (ВКН), модуль обробки інформації (МОІ), модуль зв'язку (МЗ) і інформаційне табло (ІТ).

Рисунок 1 - Структурна схема КТЗ АСКОЕ і контролю ППРЕ

Головною відмінністю запропонованого КТЗ від застосовуваних на сучас-

ному етапі пристроїв обліку є реалізована вперше можливість обчислення в

АСКОЕ даних за групами обліку, які об'єднують різні типи ПВП: імпульсні і

цифрові. Причому, ці ПВП можуть бути підключені до різних КТЗ, що входять

в структуру АСКОЕ. Це досягається застосуванням єдиного інтервалу

інтеграції при обчисленні параметрів електроспоживання в КТЗ і підключення

до нього багатофункціональних електронних лічильниках електроенергії, а

також реалізацією процедури синхронізації часу в КТЗ і цифрових ПВП за

єдиним джерелом еталонного часу.

У шостому розділі «Обґрунтування економічної ефективності» вико- нано верифікацію даних імпульсних вимірювальних каналів, визначено похибки вимірювальних каналів та проведено обробка результатів верифікації отриманих даних.

У сьомому розділі «Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуа- ціях» розглянуто питання електротравматизму та дії електричного струму на організм людини, досліджено вплив високих значень напруги на організм людини та запропоновано організаційні заходи захисту від впливу енергетичних параметрів.

У восьмому розділі «Екологія» розглянуто основні концепції надійності і екологічної безпеки об'єктів енергетики та запропоновано заходи щодо захисту від електромагнітне забруднення навколишнього середовища та його впливу на організм людини.

ВИСНОВКИ

У дипломній роботі розв'язана науково-прикладна проблема вирішення проблеми підвищення ефективності використання електричної енергії на промислових підприємствах. При цьому отримані наступні основні результати:

1. Встановлено, що підвищення ефективності використання електричної енергії на промислових підприємствах можна досягти шляхом вдосконалення методів і засобів інформаційного забезпечення задач управління режимами електроспоживання на основі оперативної і достовірної інформації про ППРЕ в умовах застосування АСКОЕ.

2. На основі аналізу поточного стану енерговикористання на промис- лових підприємствах і дослідження впливу погіршення якості електроенергії на його ефективність визначені можливість і механізм формування інформаційного забезпечення задач управління режимами електроспоживання на базі комплексної АСКОЕ.

3. Розроблено базовий КТЗ АСКОЕ і комплексний алгоритм визначення кількісних і якісних характеристик електроспоживання на основі обробки масивів миттєвих значень напруги і струмів, в яких застосовано спосіб визначення симетричних складових трифазної системи, що забезпечують підвищення оперативності контролю ППРЕ шляхом скорочення циклу обчислень при визначенні характеристик електроспоживання.

4. Досліджено і доведено, що точність і достовірність обліку електро- енергії і контролю ППРЕ в АСКОЕ можуть бути забезпечені застосуванням механізму корекції похибок на етапах вимірювання і обробки первинних даних.

Розроблена методика компенсації амплітудної похибки ТС дозволяє підвищити точність обліку електроенергії у вибраному діапазоні вимірювань.

5. Запропонований алгоритм усунення впливу нестабільності частоти

мережі на визначення ПЯЕ забезпечує підвищення точності контролю ППРЕ,

що обчислюється на основі гармонійних складових.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Антонюк К.В. Вибір методів підвищення ефективності електропоста- чання на промислових підприємствах: зб. тез доповідей міжнар. наук.-техн.

конф. молодих учених та студентів, (Тернопіль, 28–29 листоп. 2018.) // М-во освіти і науки України, Терн. націон. техн. ун-т ім. І. Пулюя [та ін]. – Тернопіль: ТНТУ, 2018. – С. 61-62.

АНОТАЦІЯ

Антонюк К. В. Дослідження та вибір методів підвищення ефективності використання електричної енергії на промислових підприємствах, 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка; Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2018.

Дипломна робота присвячена питанням підвищення ефективності використання енергії у зв'язку з удосконаленням методів і засобів інформа- ційного забезпечення задач керування режимами із споживання потужності на промислових підприємствах на основі оперативної і достовірної інформації про поточні параметри режимів споживання енергії в умовах застосування систем моніторингу.

Запропонований підхід, виконана специфікація і розроблений алгоритм визначення в АСКОЕ якісних параметрів електроспоживання з метою забезпе- чення комплексних розрахунків за електроенергію з врахуванням її якості.

Ключові слова: електроспоживання, енерговикористання, комплекс, контроль, облік, параметр, режим, система, точність, характеристика.

ANNOTATION

Antoniuk Kostiantyn. Investigation and choice of methods for increasing the efficiency of electric energy use at industrial enterprises, 141 – Electrical Power Engineering, Electrical Engineering and Electromechanics; Ternopil Ivan Puluj National Technical University; Ternopil, 2018.

The diploma paper is dedicated to improving energy efficiency improvements to methods and means of information provision control problems regimes of power consumption in industrial plants based on timely and reliable information about the current settings mode power consumption in terms of application monitoring systems.

The specification and the worked up algorithms of definition of qualitative parameters of power consumption are accomplished with the purpose of maintenance of complex accounts for the electrical energy. The offered approach allows to define the valid cost of the consumed electrical energy taking into consideration its quality.

Key words: power consumption, energy use, complex, monitoring, accounting,

parameter, mode, system, energy using, accuracy, characteristic.