Изучение объекта мониторинга информационно-измерительных систем мониторинга энергопотребления.

 

Токаревский Павел Александрович,

аспирант Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического

Университета «ЛЭТИ».

 

Для  создания эффективной системы мониторинга нужно предварительно изучить объект измерения энергопотребления,  об объекте необходимо получить  информацию, которая в дальнейшем позволит провести анализ и определить алгоритм проектирования наиболее эффективной системы мониторинга для  данного объекта. Поскольку кроме показаний измерительных приборов есть много факторов позволяющих делать определенные выводы о состоянии, о адекватности  существующей системы энергообеспечения и энергопотребления, для того что бы проводить эффективное энергоуправление объектом.

Действительно показания измерительных датчиков будут нам максимально полезны, если мы их будем использовать в совокупности с информацией о теплоемкости здания, погодных условиях, продолжительности светового дня, режимах работы основных потребителей.  Только проанализировав все факторы, оказывающие воздействие на энергосистему можно будет спроектировать наиболее эффективную информационно измерительную систему.

Рассмотрим пример структуры  изучения объекта мониторинга энергопотребления.

1)Наименование объекта  мониторинга

В этом пункте указывается  наименование объекта, название организации,  административная единица(если проектируется мониторинговая система населенного пункта)

2) Профиль деятельности

Указывается профиль деятельности  предприятия.

1.Государственные органы

2.Наука, образование

3.Медицина

4.Промышленность

5.СМИ

6.Оптовая торговля

7.Розничная торговля

8.Общественные организации

9.Услуги

10.Сельское хозяйство

11. Медицина 

3) Территориальное описание объекта.

Указывается территориальное размещение объекта (количество зданий, занимаемая площадь, удаленность зданий объекта  друг от друга) 

-                     Географические координаты

-                     Высота над уровнем моря

-                     Среднегодовая температура

-                     Минимальная температура самого холодного месяца

-                     Средняя температура самого холодного месяца

-                     Максимальная температура наиболее жаркого месяца

-                     Градусу сутки отопительного периода

-                     Среднегодовое количество осадков

-                     Среднегодовая влажность  

-                     Среднегодовая продолжительность светового дня

 4) Конструктивное описание объекта

Подробно описываем здания\помещения в которых находится объект

-                     Объем здания

-                     Толщина стен

-                     Материал, использованный для постройки здания

-                     Теплоемкость используемого материала

-                     Площадь окон

-                     Количество окон

-                     Площадь дверей

-                     Количество дверей

-                     Количество этажей

-                     Наличие цокольного этажа\подвала

-                     Высота потолков

-                     Толщина потолочных перекрытий

5) Структура электросети

-          Схема электропроводки

-          Схема размещения существующих электросчетчиков

-          Типы электросчетчиков 

-          Схема расположения трансформаторов напряжения электрического тока,

-          Описание используемого кабеля (кол-во жил, сечение, трехфазный\однофазный)

-          Протяженность кабеля каждого типа

6) Структура теплосети

7) Источники энергии

-                     Городская электросеть

-                     Собственный генератор

-                     Центральное отопление

-                     Собственная котельная

 4)  Потребление энергии

 Потребление энергии это один из самых важных разделов, которому необходимо уделить максимальное внимание. В ходе анализа энергопотребления изучаемого объекта необходимо собрать статистику о потреблении электроэнергии и о основных потребителях

входящих в энергосистему.  Здесь необходимо рассмотреть  такие  показатели как

- частота(мах, мин),

- напряжение (мах, мин.),

- мощность (мах. мин.)

эти показатели должны быть получены как для отдельных потребителей, групп потребителей, режимы и календарные графики работы потребителей групп потребителей. Режимы и графики нужны для получения расчетной потребляемой мощности, а этот показатель в свою очередь позволит определить расхождения между значением средней потребляемой мощностью полученным в ходе измерений, для отдельного потребителя (для группы потребителей, для объекта в целом). Далее нужно будет сгруппировать потребителей электроэнергии группам, и определить количество приемников в каждой группе:

Потребители трехфазного тока напряжением до 1000 с частотой в 50 Гц

Потребители трехфазного тока напряжением выше 1000 с частотой в 50 Гц

Потребители однофазного тока напряжением до 1000 с частотой 50 Гц

Потребители, работающие с частотой отличной от 50 Гц, питаемые от преобразовательных подстанций  и установок.

Потребители постоянного тока, питаемые от преобразовательных подстанций и установок.

Для всех потребителей выше перечисленных групп необходимо выяснить

1.                  Требования, предъявляемые действующими Правилами  устройства электроустановок ПУЭ к надежности питания потребителей.  С точки зрения обеспечения надежного бесперебойного питания потребители электроэнергии делятся на три категории

1-я категория – потребители перерыв в электроснабжении которых может повлечь за собой опасность для жизни людей или значительный материальный ущерб, связанный с повреждением оборудования, массовым браком продукции(если речь идет о энергосистеме производственного предприятия).  

2-я категория – потребители, перерыв в электроснабжении которых  связан с существенным недовыпуском продукции,  простоем людей, механизмов, транспорта, потерей важной информации.   

3-я  категория – потребители не подходящие не  под определение 1-й и 2-й категории.      (например на предприятии потребители второстепенных цехов, не определяющих технологический процесс основного производства или системы охлаждения воздуха в офисах)

2. Режим работы  потребителей энергии

- продолжительный

Потребители тока с продолжительной не изменой или мало меняющейся нагрузкой. В этом режиме электрический прибор  может работать продолжительное время без повышения температуры отдельных частей прибора свыше допустимой.  Примерами потребителей в этом режиме являются электродвигатели компрессоров, насосов, вентиляторов.   

- кратковременный

В этом режиме рабочий период потребителя не настолько длителен, что бы температура отдельных частей потребителя могла достигнуть установившегося значения. Период остановки прибора настолько длителен, что он успевает охладиться до температуры окружающей среды

- повторно-кратковременный

В этом режиме кратковременные рабочие периоды прибора чередуются с кратковременными периодами отключения. Повторно кратковременный режим работы характеризуется относительной продолжительностью включения  и длительностью цикла. В повторно кратковременном режиме электрический прибор может работать с допустимой относительной продолжительностью включения для этого прибора неограниченное время.

Причем повышение температур отдельных частей прибора не выйдет за приделы допустимых значений. Примером этой группы потребителей являются электродвигатели кранов, сварочных аппаратов.

3. Места расположения потребителей электроэнергии.

4. Является данный потребитель стационарным,  передвижным

5.  Необходимо построить график нагрузки для каждого

потребителя(или для каждой группы потребителей)

A) Общий график описывающий потребляемую мощность в период времени t(цикл, смена, месяц, год), где t- последовательность t0, t1, t2,…,tn,  - значения времени, t0<t1<t2<tn.  Разница между двумя выбранными значениями представляет интервал времени t1-t0=∆t10. Значение f0, f1, f2,…fn

- показания счетчика в во время равное t0, t1, t2,…,tn соответственно для построения графика используем функцию f(t) в этом случае функция будет постоянно растущей, так как f0<f1<f2<fn  и судить об увеличении или уменьшении потребления электроэнергии мы сможем судить только по скорости изменения  функции. Наблюдая график построенный по экспериментальным данным видим данное отображение является не удобным.

Однако если мы найдем производную  u(t)=df/dt   то сможем наглядно увидеть динамику изменения в объемах потребления электроэнергии.

Соответственно общее потребление энергии в отрезке времени [t0;tn] можно найти по

формуле ∑u(ti) где i =0 to N , для данных таблицы1 ∑u(ti)=308 где i принимает значения от

0 до 11.

Б) Коэффициент использования

коэффициент использования является основным показателем для расчета нагрузки. Коэффициент использования активной мощности потребителя к _и,a  или группы потребителей К _и,a   называется отношение средней активной мощности отдельного потребителя (или их группы) к ее номинальному значению.

к _и,a = р_с /р_ном ; К _и,a= Р_с /Р_ном=  ∑ к _и,a р_ном/∑ р_ном

Для группы потребителей состоящих из подгрупп потребителей с разными режимами работы, средневзвешенный коэффициент использования активной мощности    К _и,a    определяется  с достаточным для практических расчетов приближением по формуле К _и,a=   ∑ Р_см/∑ Р_ном  , где Р_см- средня мощность подгруппы за наиболее загруженную смену, Р_ном – номинальная мощность подгруппы потребителей.

Значения коэффициента использования должны быть отнесены к тому же периоду времени (цикл, смена, год), к которому отнесены мощности,  на основании которых этот коэффициент вычисляется. Для графика нагрузок по активной мощности  средний коэффициент средний коэффициент использования активной мощности потребителя за смену может быть определен из выражения

к _и,a =(р₁t₁ + р₂t₂+ р₃t₃+…+ р_nt_n)/ р_н(t₁+ t₂+ t₃+…+ t_пауз)= Э_а/ Э_авозм, где Э_а – энергия потребленная  приемником за смену, Э_а,возм – энергия, которая могла бы  быть потреблена приемником за смену при номинальной нагрузке его в течении всей смены.

 

График 3 (индивидуальный график нагрузок по активной мощности).

В) Коэффициент включения  

Коэффициентом включения потребителя к_в называется отношение продолжительности включения приемника в цикле t_в ко всей продолжительности цикла t_н. Время включения потребителя за цикл складывается из времени работы t_р и времени холостого хода t_хк _и,a = t_в /t_ц  = (t_р+t_х ) /t_ц  Коэффициентом включения группы приемников, или групповым коэффициентом включения К_в, Называется средневзвешенное(по номинальной активной мощности) значение коэффициентов включения всех потребителей входящих в группу, определяемое по формуле К_в=∑ к_вр_ном/∑ р_ном, Для графика нагрузок по активной мощности, представленного на графике3 коэффициент включения определяется из выражения

к_в = t_р/ t_ц = (t₁ + t₂+ t₃+…+ t_n)/ (t₁+ t₂+ t₃+… +t_n+ t_пауз)

Приближенное значение к_в определяется в эксплуатации с помощью простейшего электрического счетчика времени. Коэффициент включения зависит от характера технологического процесса.

Г) Коэффициент загрузки

Коэффициентом загрузки к_з,а потребителя по активной мощности называется отношение фактически потребляемой им средней активной мощности р_с,в (за время включения t_в  в течении времени цикла t_ц ) к его номинальной мощности: 

к_з,а=р_с,в /р_ном =  =    (р_с /р_ном )(t_а /t_в) = к_и,а/ к_в.

Групповым коэффициентом загрузки по активной мощности называется отношение группового коэффициента использования к групповому коэффициенту включения К_в, т.е. К_з,а = К_и,а/К_в Коэффициент загрузки, как и коэффициент включения, связан непосредственно с технологическим процессом и изменяется с изменением режима работы потребителя. Коэффициент загрузки по активной мощности для графика нагрузки определяется из выражения

к _з,,a =(р₁t₁ + р₂t₂+ р₃t₃+…+ р_nt_n)/ р_н(t₁+ t₂+ t₃+…+ t_n)

и показывает степень мощности использования прибора за рабочее время,

т.е. за время включения плюс время холостого хода. Рассмотрим следующие основные соотношения

к_и,а = к_з,ак_в

К_и,а = К_з,аК_в

В первом уравнении величины к_з,а и  к_в  являются независимыми, связанные только технологическим процессом, величина  к_и,а   является функцией к_з,а и  к_в, весьма просто определяется в эксплуатации по показаниям счетчика активной энергии и характеризует важнейший параметр графика – среднею нагрузку    

Д) Коэффициент формы графика нагрузок.

Коэффициентом формы индивидуального или группового  графика нагрузок  к_ф,I, К_ф,I

называется отношение среднеквадратичного тока( или среднеквадратичной полной мощности)  потребителя или группы потребителей за определенный период времени  к среднему значению его за тот же период времени

 к_ф,I = i _с,к  /i_c = s _с,к  /s_c ; К_ф,I = I _с,к  /I_c = S _с,к  /S_c

Для определения активной мощности  одного потребителя или группы потребителей, коэффициенты формы определяются из следующих выражений 

к_ф,а = р _с,к  /р_c ; К_ф,а = Р _с,к  /Р_c

Коэффициенты формы характеризуют неравномерность графика во времени, свое наименьшее равное единицы,  значение он принимает при нагрузке, неизменной во времени.

Для индивидуального графика нагрузок следует различать значения коэффициента формы за полный цикл

к_ф,а = р _с,к,в  /р_c 

за время включения

к_ф,в,а = р _с,к  /р_cв

которые связаны зависимостью к_ф,в,а= к_ф,а.

Коэффициент формы графика нагрузок группы потребителей одного режима работы (т.е. с одними и теми же значениями к_и,а   и к _ф,а) включаемых  независимо определяется уравнением

 Кф,а=    

Где n_п – приведенное число приемников группы, определяемое достаточно точно по формуле

n_п  = =,

где в числителе стоит квадрат суммы номинальных активных мощностей всех n потребителей (т.е. квадрат групповой мощности) данной группы, а в знаменателе сумма квадратов номинальных активных мощностей отдельных потребителей группы, а в знаменателе сумма квадратов номинальных активных мощностей отдельных потребителей группы.

Если все приемники группы имеют одинаковую номинальную мощность p_ном, то

 n_п  =(nр_ном,i)²/(n р²_ном,i)=n.

Если приемники группы имеют различные номинальные мощности, то n_п<n.

Широко используемое в литературе понятие эффективного числа приемников(потребителей) n_э фактически является приведенным к определенным условиям и нами так и называется приведенным числом приемников n_п .

Групповой коэффициент формы, а следовательно, и неравномерность группового графика нагрузок потребителей одного режима работы не зависят от коэффициента использования к_иа,  а  зависят от коэффициента включения к_в , влияние которого убывает с увеличением n_п При заданных значениях к_в и к_ф величина n_п полностью определяет величину к_ф,а. Следовательно, приведенное число потребителей n_п  является числом одинаковых по мощности с заданным режимом работы, которые при той же суммарной номинальной мощности P_ном будут иметь тот же групповой коэффициент формы что и при заданных различных мощностях потребителей. Так как n_п при прочих равных  условиях К_ф,а,  а следовательно и неравномерность группового графика будут тем больше, чем больше различие мощностей отдельных потребителей в группе. Последнее физически объясняется тем, что взаимная компенсация провалов и пиков на случайно налагающихся индивидуальных графиках нагрузок потребителей  одного режима  работы, формирующих групповой график нагрузок, для потребителей разной мощности  будет меньше чем для приемников одинаковой мощности.

В условиях эксплуатации коэффициент формы удобнее всего находить по показаниям счетчиков активной и реактивной энергии.  Коэффициент формы графика активной мощности предлагается определять по формуле

К_ф,а=           

На графике4  изображен график нагрузок по активной мощности за время T=24ч., построенный по показаниям счетчика активной электроэнергии.

 

График 4.

 

 

Значение Э_а получено по показаниям счетчика за сутки, величины  ∆Э_а,i представляют собой потребление электрической энергии за время ∆T=T/m,  где m – число интервалов, на которое разбит график нагрузок( в случае изображенном на графике 4 ∆T=1ч, m=24).

Следует отметить, что при постоянном (неизменном) технологическом процессе и постоянном объеме  выполняемых работ коэффициент формы К_ф,а практически постоянен и не меняется в зависимости от графика нагрузок за рассматриваемый период времени(при условии стабильности обеспечения электроэнергией), т.e. Э_а = const(график 5), где Э_а,1=  Э_а,2, что подтверждается многочисленными опытами.

 

График 5. График нагрузок потребителя при различном потреблении мощности
(во времени), но при Э_а = пост. за рассматриваемый промежуток времени(в данном случае сутки).

 

 

7) Административное деление объекта (отделы, подразделения, арендаторы)  

8) Сбои в работе систем

-                     Описание,

-                     Статистика

-                     Причины

По рассмотренному материалу о изучении объекта мониторинга ИИС энергопотребления, можно сделать вывод что, проведя анализ объекта мониторинга, мы можем перейти к следующему этапу проектирования   ИИС мониторинга энергопотребления, к созданию базы данных в которой  хранится информация о текущих данных по потреблению энергии,  хранится информация для получения расчетных данных по потреблению электроэнергии. Соответственно если разность между расчетными данными и результатами измерений превысит расчетную погрешность, то необходимо будет принимать комплекс мер по выяснению причин и устранению расхождений. Так же на основании полученных данных можно определить оборудование, используемее в ИИС, так, например если организация существенный процент  электроэнергии потребляет в ночное время то имеет смысл принимать решение о закупке цифровых электросчетчиков позволяющих учитывать потребление энергии в разное время суток.

 

Поступила в редакцию 20 октября 2006 г.