Анализ методов измерения активной и реактивной мощности в линиях электропередач

Размещено на http://allbest.ru

Институт сферы обслуживания и предпринимательства

Филиал Донского государственного технического университета

Анализ методов измерения активной и реактивной мощности в линиях электропередач

Карелин Артем Евгеньевич

Поддубняк Анастасия Михайловна

Разработка технологий генерации электрической энергии и их применение предусматривает повышенные требования к контролю параметров электрической сети. Одним из основных факторов устойчивости работы энергетической системы состоит в том, чтобы сбалансировать потребляемую и генерируемой мощности.

Потребление реактивной мощности (и энергии) домашних потребителей постоянно растет (лампы накаливания заменяются осветительными приборами с использованием LC цепей, широко используются компьютеры и микроволновые печи, мощность потребителей увеличивается с использованием электродвигателей: инструменты, стиральные машины, холодильники).

Для измерения мощности в электрических сетях применяются следующие методы: энергетический мощность напряжение ток

- определение активной и реактивной мощности по мгновенным значениям напряжения и тока;

- определение активной и реактивной мощности, на основе усреднения результатов за период;

- измерение активной мощности по методу задержек;

- измерение активной мощности, на основе применения спектрального анализа тока и напряжения;

Метод определения активной и реактивной мощности по мгновенным значениям напряжения и тока. Данный метод включает в себя измерение мгновенных значений тока и напряжения в электрической цепи, выполненные с временным интервалом, соответствующим углу фазового сдвига.

Затем производится вычисление составляющих мощности по результатам измерений, при этом выполняют два измерения мгновенных значений тока и напряжения с временным интервалом, соответствующим углу фазового сдвига 90°, в каждом из измерений значения тока и напряжения измеряют одновременно, а составляющие мощности вычисляют по следующим выражениям [1]:

(1)

(2)

Где P - активная мощность, Вт; Q - реактивная мощность, вар; U₁, U₂ - мгновенные значения напряжения, В; I₁, I₂ - мгновенные значения тока, А.

Достоинства метода:

- высокое быстродействие, время измерения составляет ј периода входного сигнала;

- высокая точность измерений

Недостатки метода:

- наличие погрешности при девиациях частоты сетевого напряжения в пределах допустимых значений и априорно-неизвестной величины интервала интегрирования.

Метод определения активной и реактивной мощности, на основе усреднения результатов за период. Этот метод заключается в том, что измеренные мгновенные значения напряжения и тока, перемножают и усредняют результаты перемножения за период.

Затем перемноженные результаты разделяются по знаку и усредняются отдельно [2].

Достоинства метода:

- простота реализации;

- дешевизна.

Недостатки метода:

- Низкая точность;

- Низкое быстродействие.

Измерение активной мощности по методу задержек. Этот метод характеризуется одновременным формированием интегралов от произведения тока и напряжения и от произведения задержанных на фиксированный временной интервал сигналов тока и напряжения в нагрузке.

Результат измерения определяется из равных значений накопленных интегралов в четные моменты равенства значений результатов интегрирования.

Реализация данного метода позволяет строить активные измерители мощности, которые позволяют измерять активную мощность с погрешностью порядка 0,01 %.

В этом методе интегрирование произведения напряжения и тока осуществляется согласно формуле:

(3)

где U_m - амплитуда напряжения на нагрузке;

I_m - амплитуда тока протекающего через нагрузку;

T_u - длительность временного интервала, на котором осуществляется усреднение (время интегрирования);

щ - частота изменения напряжения;

ц - фазовый сдвиг между током и напряжением;

t₀ - момент начала интегрирования, который по умолчанию обычно принимается равным нулю.

Кроме того, дополнительно параллельно во времени осуществляется интегрирование задержанных на фиксированный интервал времени t₃ сигналов напряжения и тока на нагрузке

(4)

На рисунке 1 приведены графики изменения функций Р₁(Т_u) и P₂(T_u,t₃) в зависимости от текущего времени интегрирования при t₃=4 мс.

Рисунок 1 - Графики изменения функций Р₁(Т_u) и P₂(T_u,t₃)

Метод может быть реализован либо как аппаратное обеспечение в аналоговой форме, либо с помощью программного обеспечения виртуальных устройств на персональном компьютере [3].

Достоинства метода:

- высокая точность измерений;

- расширенные функциональные возможности;

Недостатки метода:

- при малом времени задержки сигналов, требуется повышать квантование по уровню сигнала, что накладывает дополнительные требования на оборудование.

Метод измерения активной мощности, на основе применения спектрального анализа тока и напряжения. В данном методе процесс измерения активной мощности производится по следующим этапам:

1) Получение заданного числа выборок тока и напряжения с исходной частотой дискретизации;

2) Измерение частоты входного сигнала по выборкам напряжения, полученным на этапе 1;

3) Определение оптимального значения частоты дискретизации, удовлетворяющего условию кратности с частотой входного сигнала по формуле:

(5)

где f_{s, new} - оптимальное значение частоты дискретизации; f - частота входного сигнала.

4) Переопределение отчетов тока и напряжения для полученной на этапе 3 частоты дискретизации;

5) Выполнение дискретного преобразования Фурье полученных на этапе 4 сигналов тока и напряжения;

6) Вычисление значения активной мощности согласно формуле [4]:

(6)

где M - число гармоник входного сигнала; U_k - действующее значение k-ой гармоники напряжения; I_k - действующее значение k-ой гармоники тока; ц_k - фазовый сдвиг между k-ми гармониками тока и напряжения.

Достоинства метода:

- простота реализации;

- высокое быстродействие;

Недостатки метода:

- невысокая точность относительно метода задержек;

- зависимость от неосновных гармоник и шумов входного сигнала;

- высокая стоимость оборудования.

На основании проведенного анализа методов измерения активной и реактивной мощности можно сделать вывод, что наиболее лучшим методом является метод задержек. В этом методе сочетаются высокая точность и быстродействие при сравнительно не дорогой стоимости оборудования, что позволяет измерять мощность с погрешностями порядка 0,01 %.

Список использованных источников

1. Мелентьев В.С., Шутов В.С., Баскаков В.С. Способ измерения активной и реактивной составляющих мощности в цепях переменного тока с установившимся синусоидальным режимом // Патент РФ № RU2039358

2. Безикович А.Я., Шапиро Е.З. Измерение электрической мощности в звуковом диапазоне частот.- М. :Энергия, 1980. - 168 с.

3. Михотин В.Д., Чернецов В.И. Способ измерения активной мощности нагрузки в электрических цепях переменного тока // Патент РФ №2229723

4. Сергиенко, А.Б., Цифровая обработка сигналов / А.Б. Сергиенко. - СПб. : Питер, 2007. - 103 с.

5. Липкин, Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок. Учебник для СУЗов/ Б.Ю. Липкин. - М. : Высшая школа, 2012. - 230 с.

Аннотация

Анализ методов измерения активной и реактивной мощности в линиях электропередач. Карелин Артем Евгеньевич, Поддубняк Анастасия Михайловна. Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал Донского государственного технического университета)

В статье произведен анализ основных методов измерения активной и реактивной мощности в линиях электропередач таких как: определение активной и реактивной мощности по мгновенным значениям напряжения и тока; определение активной и реактивной мощности, на основе усреднения результатов за период; измерение активной мощности по методу задержек; измерение активной мощности, на основе применения спектрального анализа тока и напряжения.

Ключевые слова: Измерения, мощность, электрические сети.

Размещено на Allbest.ru