Цифровая трансформаторная подстанция

Изобретение относится к цифровой трансформаторной подстанции. Техническим результатом является снижение потерь электроэнергии и повышение надежности электроснабжения потребителей. Подстанция содержит счетчик электроэнергии по стороне 10(6) кВ, счетчик электроэнергии по стороне 0,4 кВ, трансформатор трехфазный масляный герметичный энергоэффективный (ТМГэ), устройство контроля и управления мощностью сети, а также сервер с программным обеспечением для моделирования работы подстанции, сбора и обработки информации. Подстанция дополнительно содержит устройство контроля и управления мощностью сети, содержащее корпус с лицевой панелью, на которой расположены светодиоды, индуцирующие работу устройства. Внутри корпуса расположены и зафиксированы электронный компенсатор и автоматический выключатель, причем внутри электронного компенсатора расположена печатная плата, на которой расположены элементы схемы: регулятор мощности, блок измерения тока, активный PFC, пассивный фильтр, блок управления процессами и приемопередающий блок, выполненный с возможностью приема/передачи данных по технологии 4G или 5G. 2 ил., 5 табл.

 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к области электроэнергетики и может быть применено при создании новых и модернизации существующих электрических подстанций в соответствии с концепцией цифровой подстанции. Также изобретение может быть отнесено к системам и устройствам контроля и управления мощностью электрической сети.

Уровень техники

Общеизвестно, что электрическая энергия производится, передается, распределяется и потребляется в основном посредством переменного тока. На переменном токе, в отличие от постоянного, помимо активного сопротивления необходимо также учитывать индуктивные и емкостные сопротивления, которые называются реактивными.

Все без исключения устройства-приемники переменного тока являются потребителями активной (AM) и реактивной мощности (РМ). Потребителями РМ являются приемники электроэнергии, которые по принципу своего действия используют переменное магнитное поле: асинхронные двигатели, индукционные печи, сварочные трансформаторы, выпрямители и т.п., а также звенья электрической сети - трансформаторы, линии электропередачи, реакторы и другое оборудование. Согласно оценкам, около 60% всей реактивной мощности, связанной с образованием переменных магнитных полей, потребляют асинхронные двигатели и около 25%-трансформаторы.

Потребление активной и реактивной мощности всегда сопровождается потерями. В масштабе электрической системы потерями считаются AM и РМ, расходуемые в элементах и электрооборудовании электрической сети (в воздушных и кабельных линиях, силовых трансформаторах, реакторах и в другом оборудовании понижающих подстанций).

При снижении коэффициента мощности увеличиваются потери электрической энергии не только в питающих сетях, но и в трансформаторах и генераторах, установленных на электростанциях, так что при значительном снижении коэффициента мощности трансформаторы и генераторы оказываются настолько загруженными реактивными токами, что получение от них активной мощности, на которую они рассчитаны, становится невозможным. Вместе с тем, при снижении коэффициента мощности увеличиваются и потери напряжения в питающих электрических сетях вследствие возрастания тока.

Из уровня техники известно, что за счет уменьшения реактивной составляющей полного тока возможно увеличить активную составляющую коэффициента мощности, что обычно осуществляется путем подключения дополнительных потребителей электроэнергии с целью обеспечения полной загрузки генераторов и трансформаторов в системе электроснабжения производства.

Важным условием для стабильной работы электрооборудования является качество потребляемой электроэнергии и ее расход.

Качество потребляемой энергии является одним из ключевых показателей, определяющих энергоэффективность систем электропитания, и в значительной степень влияет на срок полезного использования всего электрооборудования. Отклонение параметров электропитания от номинальных значений может быть вызвано как качеством электроэнергии, обеспечиваемым поставщиком, так и характером электроустановок потребителей. В зависимости от типов нагрузки и качества поставляемой электроэнергии, пользователи сталкиваются с рядом проблем. К таким проблемам можно отнести отмеченные далее.

Пусковые токи и кратковременные падения напряжения, переходные процессы, вызывающие кратковременные превышения токов своих номинальных значений, могут быть обусловлены внешними и/или внутренними причинами. Как правило, на практике до 80% изменений напряжения в результате переходных процессов обусловлены переключениями на нагрузке (включение/выключение двигателей, систем кондиционирования, дроссели ламп и др.).

Большой пусковой ток вызывает значительное падение напряжения в сети, а так же увеличивает нагрев кабеля. Это может стать причиной выхода из строя элементов ТП в результате подгорания контактов в выключателях из-за появления электрической дуги, что может привести к пожару.

Таким образом, при проектировании и эксплуатации электроустановок необходимо предусматривать средства, обеспечивающие контроль и компенсацию пусковых токов.

Далее, увеличение вихревых токов повышает рабочую температуру стального сердечника трансформатора, что, в свою очередь, ухудшает параметры изоляции между слоями сердечника. Это приводит к значительному увеличению потерь PR выше проектных пределов трансформатора и перегреву изоляции обмоток и, как следствие, к преждевременному выходу трансформатора из строя. Гармоники тока в кабельных линиях приводят к дополнительным потерям электроэнергии и напряжения. Это, в свою очередь, увеличивает число повреждений кабеля и стоимость ремонтов.

При гарантированном качестве потребляемой электроэнергии и отсутствии искажений, последние могут возникать в процессе потребления энергии и быть обусловлены характером нагрузки - импульсные источники питания электронных устройств, двигатели переменного тока, люминесцентные лампы и другие нелинейные электрические нагрузки создают искажения в питающей сети. Суммарный эффект этих нагрузок выражается в искажении напряжения, которое воздействует на другое оборудование, получающее электропитание оттого же источника. Это, как правило, вызывает перегрев и рассинхронизацию в других устройствах, сбои в коммуникациях и сетях передачи данных и, как следствие - повреждение аппаратуры. Кроме того, гармонические искажения могут являться причиной снижения К.П.Д. системы. Наличие гармоник снижает коэффициент мощности, что обусловлено повышением доли реактивной энергии.

Таким образом, для уменьшения указанных негативных эффектов необходимо предусматривать меры по снижению гармонических искажений при работе оборудования.

Кроме того, при неравномерной загрузке фаз, в частности, у трансформатора происходит перегрузка отдельных его фаз, чрезмерное повышение фазных напряжений и насыщение магнитопровода. Это приводит к нагреву и потерям мощности.

При управлении процессорами в трехфазных системах сложно добиться равномерной загрузки всех фаз, поэтому зачастую одна или две фазы оказываются нагруженной больше остальных. Например, данная ситуация возникает при подключении большого количества однофазных устройств на одну из фаз трехфазной системы, вызывая повышенную загрузку данной фазы относительно остальных. Для трехфазных нагрузок технические средства с электроприводом (компрессоры, насосы и др.) могут быть причиной перекоса, что обусловлено дефектами в обмотках электродвигателей. Следствием чего будет являться снижение общего К.П.Д. системы. Кроме того, для системы с электроприводом это обуславливает превращение кругового вращающегося поля в эллиптическое, что приводит к нагреву двигателей, повышению токов за счет возникновения режима электромагнитного тормоза. Таким образом, потребитель электроэнергии столкнется с ремонтом оборудования, выходящего из строя из-за низкого качества электроэнергии.

Данные проблемы могут вызвать следующие негативные последствия: преждевременный выход оборудования из строя, потеря данных и перезагрузка системы, выход из строя контроллеров с программируемой логикой, потери в результате простоя, частое перегорание ламп освещения и стартеров люминесцентных ламп, вынужденная замена обмоток двигателей вследствие пробоя изоляции, отказ источников бесперебойного питания.

Перечисленные выше факты не включают весь спектр негативных явлений, но являются при этом основными для решения вопросов, связанных со снижением потерь электроэнергии в электроустановках потребителей. Единственно возможный способ экономии электроэнергии заключается в снижении потерь и компенсации факторов, снижающих К.П.Д. систем электропотребления.

Предложенное изобретение направлено на возможно полное преодоление указанных проблем уровня техники.

Анализ патентного уровня техники в отношении решения сходных проблем уровня техники показывает следующее.

Известна цифровая трансформаторная подстанция по патенту RU 2552842 С2, 10.06.2015.

Известное решение содержит датчики технических параметров оборудования, подключенные к оборудованию электрической подстанции и к преобразователям электрического сигнала в оптический, оптическую шину передачи данных из преобразователя в преобразователь оптического сигнала в электрический сигнал, систему управления оборудования электрической подстанции, выходы преобразователя оптического сигнала в электрический сигнал подключены к информационным входам технологической системы управления, а именно системы управления, распределяющей информационные потоки между подсистемами: анализа диагностических параметров; управления элементами устройства исполнения команд управления; учета действующих значений токов и напряжений; защиты, выходные цепи которых объединены на входах системы сетевого взаимодействия, дополнительно соединенной с системой управления оборудованием электрической подстанцией, оптическая шина команд управления одними концами подключена к системе управления, а другими - к устройству исполнения команд управления, причем использованы два блока оборудования питания отдельных потребителей электрической энергии, которые соединены посредством шины сетевого взаимодействия, подключенной к системам сетевого взаимодействия блоков.

Указанное решение направлено на достижение технического результата, заключающегося в возможности автоматического регулирования напряжения у потребителей и дистанционного управления коммутационной аппаратурой.

Вместе с тем, можно отметить, что известное решение в-основном направлено на обеспечение самой возможности дистанционного контроля и управления оборудованием подстанции без реализации средств точного регулирования и компенсации мощности. Кроме того, в современных условиях реализация волоконно-оптических каналов связи (особенно на обширных территориях) не является целесообразным, более подвержено отказам, длительному поиску неисправностей и низкой пропускной способностью в сравнении с современными беспроводными технологиями (включая 4G и 5G).

Также известна цифровая трансформаторная подстанция по патенту RU 2740075 С1, 11.01.2021.

Известное решение содержит силовое оборудование, коммутационные аппараты с возможностью дистанционного управления и систему управления оборудованием электрической подстанции, содержит датчики напряжения, датчики тока, датчики положения коммутационных аппаратов, блок бесперебойного питания, устройство сбора, приема и передачи данных, блок регулирования напряжения, блок регулирования реактивной мощности, блок контроля и управления трансформаторной подстанцией.

Задачей, решаемой известным решением, является расширение функциональных возможностей цифровой трансформаторной подстанции.

Вместе с тем, необходимо отметить чрезмерную сложность предложенной системы, отсутствие полностью автоматического режима управления (в данном случае управление осуществляется по запросам диспетчера), отсутствие современных беспроводных средств передачи информации, отсутствие средств централизованного агрегирования, хранения, анализа информации.

Предлагаемое изобретение направлено на преодоление отмеченных недостатков уровня техники и при своем осуществлении позволяет обеспечить достижение следующих эффектов, которые следует рассматривать в качестве технических результатов:

- обеспечение снижения потерь электроэнергии;

- обеспечение снижения потерь от простоя объекта или технологического оборудования, оптимизация сервисных затрат;

- повышение надежности электроснабжения потребителей;

- создание общедоступной, надежной и контролируемой системы интеллектуального коммерческого учета электроэнергии;

- создание инфраструктуры для простого и эффективного взаимодействия с потребителями;

- виртуальная генерация электроэнергии;

- создание возможности для автоматизации контрактных отношений в части оказания услуг по передаче, технологическому присоединению;

- обеспечение надежного и высокоскоростного канала обмена служебной информацией и сбора информации, подлежащей дальнейшей агрегации, учету и обработке.

Раскрытие изобретения

Для достижения отмеченных выше технических результатов предлагается цифровая трансформаторная подстанция, содержащая счетчик электроэнергии по стороне 10(6) кВ, счетчик электроэнергии по стороне 0,4 кВ, трансформатор трехфазный масляный герметичный энергоэффективный (ТМГэ), при этом она дополнительно содержит устройство контроля и управления мощностью сети, которое содержит корпус с лицевой панелью, на которой расположены светодиоды, индуцирующие работу устройства, а внутри корпуса расположены и зафиксированы электронный компенсатор и автоматический выключатель, причем внутри электронного компенсатора расположена печатная плата, на которой расположены элементы схемы: регулятор мощности, блок измерения тока, активный PFC, пассивный фильтр, блок управления процессами, приемопередающий блок, выполненный с возможностью приема/передачи данных по технологии 4G или 5G, при этом счетчик электроэнергии по стороне 10(6) кВ через ТМГэ, а счетчик электроэнергии по стороне 0,4 кВ непосредственно соединены с устройством контроля и управления мощностью сети, а также с сервером, выполненным с возможностью моделирования работы цифровой трансформаторной подстанции, который, в свою очередь, соединен с устройством контроля и управления мощностью сети.

В следующем разделе описания представлены более подробные сведения в отношении предложенного изобретения.

Осуществление изобретения

В данном разделе описания дано представление о том, каким образом может быть осуществлено предлагаемой изобретение на иллюстративных примерах, не предназначенных для ограничения объема охраны.

Для более полного понимания сущности в описании сделаны отсылки на поясняющие чертежи, согласно которым представлено указанное далее.

Фиг. 1 - блок-схема основного оборудования цифровой трансформаторной подстанции (ЦТП). Согласно позициям на фиг. 1 представлены: 01 - Счетчик (датчик) электроэнергии по высокой стороне 10(6) кВ; 02 - Энергосберегающий Трансформатор (серия ТМГэ); 03 - Устройство контроля и управления мощностью электрической сети; 04 - Счетчик (датчик) электроэнергии по низкой стороне 0,4 кВ; 05 - Сервер с программным обеспечением.

Фиг. 2 - чертеж энергосберегающего герметичного трансформатора. Согласно позициям на фиг. 2 представлены: 1 - пробка сливная; 2 - зажим заземления; 3 - бак; 4 - табличка; 5 - серьга для подъема трансформатора; 6 - маслоуказатель; 7 - коробка зажимов; 8 - термометр манометрический; 9 - мановакуумметр; 10 - ввод ВН; 11 - ввод НН; 12 - ролик транспортный; 13 - переключатель.

По существу предлагаемое изобретение представляет собой цифровую трансформаторную подстанцию с устройством контроля и управления мощностью электрической сети, предназначенную для функционирования с системой контроля и мониторинга энергоэффективности цифрового объекта, системой мониторинга технического состояния объекта, системой передачи данных о техническом состоянии и состоянии энергоэффективности объекта.

Изобретение также можно рассматривать как аппаратно-программный комплекс, состоящий из аппаратной части и программного обеспечения, что обеспечивает возможность контроля и управления реактивной мощностью для создания виртуальной генерации с возможностью увеличения активной мощности для подключения новых абонентов или увеличения объемов потребления уже подключенным абонентам.

Аппаратный комплекс должен быть выполнен в виде блока с возможностью универсального крепления на объекте и минимально содержать/иметь характеристики: энергосберегающий трансформатор; шину расширения с 1 разъемом для модулей расширения; интерфейсы связи RS232, RS485, USB; дополнительные релейные выходы; широкий ряд электрических измерителей, включая анализ гармоник тока и напряжения до 15; отдельный вход напряжения от входа питания, что позволяет применять прибор в сетях среднего напряжения через трансформатор напряжения; широкий ряд напряжения питания (100-440 VAC); возможность программирования с ПК, смартфона/планшета; встроенный датчик температуры; монтаж без использования инструментов.

В качестве основного элемента в предлагаемом изобретении рассматривается Устройство контроля и управления мощностью сети.

Техническая реализация данного средства раскрыта в патенте RU 197555 U1, 13.05.2020, отсылка на который в данном описании служите целях подтверждения возможности осуществления изобретения.

Устройство контроля и управления мощностью сети представляет собой корпус, внутри которого установлены и закреплены электронный компенсатор с дисплеем и автоматические выключатели.

Электронный компенсатор представляет собой соединенных регулятора мощности, блок измерения тока, активный PFC, пассивный фильтр, блок управления процессами и передающий блок.

Устройство дополнительно содержит конденсаторную батарею, которая подключена через контакторы. Передающий блок осуществляет передачу данных при помощи технологии 4G. Устройство дополнительно содержит анализатор качества электроэнергии. Устройство дополнительно содержит аварийный блок питания. Устройство дополнительно содержит блок пожаротушения.

Устройство контроля и управления мощностью сети содержит корпус с лицевой панелью, на которой расположены светодиоды, индуцирующие работу устройства. Внутри корпуса расположены и зафиксированы электронный компенсатор и автоматический выключатель. Внутри электронного компенсатора расположена печатная плата из фольгированного стеклопластика, на которой расположены при помощи пайки элементы схемы (блоки):

- регулятор мощности,

- блок измерения тока,

- активный PFC,

- пассивный фильтр,

- блок управления процессами,

- передающий блок.

PFC - Power Factor Correction (коррекция коэффициента мощности), это процесс приведения потребления конечного устройства, обладающего низким коэффициентом мощности при питании от силовой сети переменного тока, к состоянию, при котором коэффициент мощности соответствует принятым стандартам.

Данная процедура, необходимая для равномерного использования мощности фазы и исключения перегрузки нейтрального провода трехфазной сети, обязательна для импульсных источников питания мощностью в 100 и более Вт. Компенсация обеспечивает отсутствие всплесков тока потребления на вершине синусоиды питающего напряжения и равномерную нагрузку на силовую линию.

Блок измерения тока, блок управления процессами, активный PFC, и пассивный фильтр служат для выравнивания синусоиды тока и напряжения и приводят их в соответствующие параметры сети.

Регулятор мощности и блок управления процессами уменьшают неравномерность загрузки фаз, а также увеличивают коэффициент мощности.

Активный PFC и пассивный фильтр служат для снижения гармонических колебаний по току и напряжению.

Передающий блок предназначен для передачи данных с устройства на компьютер процесса и итогов работы устройства.

Все блоки электронного компенсатора могут быть настроены последовательно или параллельно.

Выполнение устройства приведенным образом обеспечивает устранение недостатков известного уровня техники и возникающих ранее и приведенных выше проблем. В частности, использование устройства предназначено для устранения таких проблем, как преждевременный выход оборудования из строя, потеря данных и перезагрузка системы, выход из строя контроллеров с программируемой логикой, частое перегарное ламп освещения и стартеров люминесцентных ламп, вынужденная замена обмоток двигателей в следствии пробоя изоляции, отказ источников бесперебойного питания, которые обычно вызываются пусковыми токами, кратковременное падение напряжений при переходных процессах.

Дополнительно в электронном компенсаторе могут быть установлены одна или несколько косинусных конденсаторных батарей, которые подключены через контакторы.

Устройство устанавливается после узлов учета электросетевой компании и не требует внесения изменений в проектную документацию и дополнительных согласований. Заявленное устройство не дает дополнительную нагрузку на сеть, оптимизирует напряжение в сети, что в свою очередь, продлевает «жизнь» электроприборов. Заявленное устройство также производит балансировку фаз, фильтрацию гармоник и увеличивает коэффициент мощности.

Все указанные выше преимущества устройства обеспечивают повышение эффективной работы по контролю и управлению мощностью сети.

Дополнительно устройство содержит интеллектуальный блок для измерения текущих параметров трансформаторной подстанции (ТП) с аварийным блоком питания, а также соответствующее блоку программное обеспечение, моделирующее работу ТП с передачей цифровой информации для последующей бизнес аналитики.

Таким образом, на устройство контроля и управления мощностью сети возлагаются следующие функции по определению/контролю параметров: полная мощность; активная мощность; реактивная мощность; видимая мощность; коэффициент мощности; межфазные напряжения; фазные напряжения; фазные токи и ток нейтрали; гармоники тока нечетные (до 15 гармоники); гармоники напряжения; сдвиги фаз по напряжению и токам; частота.

Устройство контроля и управления мощностью сети устанавливается в составе оборудования цифровой трансформаторной подстанции и соединяется с блоками 02, 04, 05 (фиг. 1) по информационным входам/выходам.

Программное обеспечение поддерживает работу аппаратной части и обеспечивает передачу информации в цифровом виде потребителям, предоставляет возможность передавать информацию в АСКУЭ сертифицированные потребителем; обеспечивает сбор данных во внутреннюю память для последующего анализа нештатных ситуаций при помощи встроенного механизма формирования отчета и удобного интерфейса передачи цифрового сигнала.

Счетчики 01, 04 должны обеспечивать определение следующих характеристик: активная мощность; реактивная мощность; видимая мощность; коэффициент мощности; межфазные напряжения; фазные напряжения; фазные токи и ток нейтрали. Аппаратная реализация указанных счетчиков может быть осуществлена посредством использования изделий таких производителей как Меркурий, СЭТ, СЭБ, ПСЧ, Милур, Миртек и т.д.

Таким образом, применение указанных интеллектуальных устройств для измерения текущих параметров ТП по высокой и низкой стороне позволят добиться эффекта «Виртуальной генерации» - использование этой системы сокращает потери на передачу электроэнергии, снижает потребность в наличии пиковых мощностей в энергосистеме, повышает надежность системы за счет оптимизации процесса производства энергии в реальном временив соответствии со спросом.

Система учета электрической энергии представляет собой информационно-измерительные системы по контролю и учету энергопотребления. Они предназначены для измерений электрической энергии и мощности, измерения сигналов от датчиков физических параметров, коммерческого и технического учета энергоресурсов, автоматизированного сбора, накопления, обработки, хранения и отображения информации об энергопотреблении.

Результаты измерений позволяют определить величины учетных показателей, которые могут использоваться в финансовых расчетах между поставщиками и потребителями, а также осуществлять управление нагрузкой.

Система контроля и учета электроэнергии компонуется передающим устройством с аварийным блоком питания и передачей данных по интерфейсу RS 485, CAN через модем, опционально доступна передача по сетям 4G, 5G.

ПО позволяет быстр о создавать многоуровневые системы электроучета с возможностью формирования отчетов для руководителей, энергетиков и бухгалтерии предприятия.

Система контроля и учета электроэнергии выполняет следующие основные функции:

- измерение электроэнергии и мощности на заданных интервалах времени (1, 3, 5, 15, 30, 60 минут), в зависимости от поддерживаемых применяемыми в системе электросчетчиками интервалов времени;

- периодический и/или по запросу сбор привязанных к единому календарному времени измеренных данных о приращениях электроэнергии с заданной дискретностью учета;

- периодический и/или по запросу сбор различных параметров энергоресурсов;

- периодический и/или по запросу сбор регистраторов состояния средств и объектов измерения;

- ведение системы единого времени в ИИС (измерение времени, синхронизация времени, коррекция времени);

- хранение данных об измеренных величинах в стандартной базе данных с настраиваемой глубиной хранения;

- обеспечение резервирования баз данных на внешних носителях информации;

- разграничение доступа к базам данных для разных групп пользователей;

- подготовка данных в различных форматах для передачи их внешним организациям (пользователям информации);

- прием данных в различных форматах от внешних организаций (поставщиков информации);

- обеспечение защиты оборудования, программного обеспечения и данных от несанкционированного доступа на физическом и программном уровне (использование аппаратных блокировок, паролей, электронно-цифровой подписи);

- конфигурирование и настройка параметров;

- диагностика и мониторинг функционирования технических и программных средств.

- фиксация и анализ расхода электроэнергии - возобновляемый источник электроэнергии.

В качестве трансформатора в предложенном изобретении использовано изделие из серии трансформаторов трехфазных масляных герметичных энергоэффективный (с пониженным уровнем потерь холостого хода и короткого замыкания) типа ТМГэ (без маслорасширителей), которые применяются в сетях 6-10 кВ и предназначены для преобразования входящего напряжения до уровня конечного потребителя. Регулирование напряжения осуществляется посредством устройства ПБВ (переключатель без возбуждения) в диапазоне ± 2x2,5%. Температурные изменения объема масла компенсируются изменением объема гофров бака за счет пластичной их деформации. Основное преимущество трансформаторов данного типа заключается в том, что они не нуждаются в обслуживании в течение всего срока эксплуатации. Это связанно с тем, что за счет их герметичного исполнения отпадает необходимость регулярной замены силикагеля (воздухоосушитель не предусмотрен конструкцией) и проверки трансформаторного масла на содержание влаги.

Ниже представлен алгоритм, согласно которому может быть осуществлена компенсация реактивной мощности (РМ).

Передача РМ от генераторов электростанций по электрической сети к потребителям вызывает в сети затраты AM в виде потерь и дополнительно загружает элементы электрической сети, снижая их общую пропускную способность. Поэтому, как правило, увеличение выдачи РМ генераторами станций с целью доставки ее потребителям нецелесообразно, а наибольший экономический эффект достигается при размещении компенсирующих устройств вблизи потребляющих РМ электроприемников.

При оценке потребляемой РМ применяется коэффициент мощности cos ϕ=Р/S, где Р, S - соответственно величины активной и полной мощности. Коэффициент мощности является недостаточной характеристикой потребляемой реактивной мощности, так как при значениях cos ϕ, близких к единице, потребляемая РМ еще достаточно велика. Так, например, при высоком значении cos ϕ=0,95 потребляемая нагрузкой РМ составляет 33% потребляемой AM (Табл. 1). При cos ϕ=0,7 величина потребляемой РМ практически равна величине AM.

Наиболее удачным показателем, характеризующим величину потребления РМ, является коэффициент РМ tg ϕ=Q/P, где Q, Р - соответственно величины РМ и AM (активной мощности). Передача РМ к потребителю и ее потребление в сети приводят к дополнительным потерям AM в распределительных электрических сетях.

В Табл. 2 приведен пример расчета полезной AM у потребителя при передаче по сети неизменной AM (Р=100%) при различных cos ϕ и условии, что при передаче этого количества мощности потери AM в сети при cos ϕ=1 равны Р=10%.

Потери AM в электрической сети:

где Р, Q, U - соответственно AM, РМ и напряжение в сети;

R - эквивалентное активное сопротивление сети;

tg ϕ - коэффициент РМ в сети;

cos ϕ - коэффициент мощности в сети.

Из приведенного выражения следует, что при неизменных параметрах передаваемой мощности (Р), напряжении (U) и сопротивлении сети (R) величина потерь AM в сети обратно пропорциональна квадрату коэффициента мощности передаваемой нагрузки, или

Из расчетов Табл. 2 видно, что потери AM в электрической сети быстро растут с понижением cos ϕ. При cos ϕ=0,5 они достигают 40%, а при cos ϕ=0,316 вся АМ, передаваемая по сети, расходуется на потер и в ней. При этом величина РМ почти в 3 раза превышает AM.

Далее представлены результаты опытной эксплуатации, направленные на снижения потерь мощности электроэнергии на примере распределительно-трансформаторной подстанции завода.

Рассмотрим распределительно-трансформаторную подстанцию на одном из предприятий. С АСКУЭ предприятия были сняты показания коэффициента мощности на низковольтной стороне.

В Таблице 3 представлены данные потребления активной и реактивной энергий за расчетный период, равный 12 месяцам.

Подсчитаем, насколько можно снизить потери активной электроэнергии, произведя мероприятия по компенсации реактивной мощности. При tg ϕ=0,96 (cos ϕ=0,72) потери активной энергии в активном сопротивлении линии при передаче реактивной мощности по I секции составляют 40443,558 кВт⋅час. Тогда при tg ϕ=0,4 (cos ϕ=0,928) они будут равны 16851,48 кВт⋅час. Таким образом, применяя мероприятия по КРМ можно уменьшить потери на 23592,08 кВт⋅час. При tg ϕ=0,88 потери активной энергии в активном сопротивлении линии при передаче реактивной мощности по II секции составляют 24808,62 кВт⋅час. Тогда при tg ϕ=0,4 они будут равны 11 276,64 кВт⋅час. Таким образом, применяя мероприятия по КРМ можно уменьшить потери на 13 531,97 кВт⋅час. В таблице 5 приведены итоги расчетов.

Таким образом, применяя мероприятия по компенсации реактивной мощности, путем установки устройства контроля и управления мощностью сети, обеспечивается: увеличение пропускной способности сетей, в результате уменьшения тока, протекающего через сеть; разгруженное электрооборудование подстанций; уменьшение потерь активной мощности; рациональное использование электрической энергии, что свидетельствует о возможности достижения указанных технических результатов.

По укрупненным оценкам технико-экономической эффективности устройства контроля и управления мощностью сети в распределительных электрических сетях 0,4-10 кВ России, повышение коэффициента мощности с cos ϕ=0,8-0,85 до cos ϕ=0,93 (tg ϕ=0,4) позволило бы снизить технические потери электроэнергии в этих сетях на 25-35%, или на 7-10 млрд кВт⋅ч в год (10-15% от суммарных потерь) со сроком окупаемости от одного до пяти лет.

Цифровая трансформаторная подстанция, содержащая счетчик электроэнергии по стороне 10(6) кВ, счетчик электроэнергии по стороне 0,4 кВ, трансформатор трехфазный масляный герметичный энергоэффективный (ТМГэ), отличающаяся тем, что дополнительно содержит устройство контроля и управления мощностью сети, которое содержит корпус с лицевой панелью, на которой расположены светодиоды, индуцирующие работу устройства, а внутри корпуса расположены и зафиксированы электронный компенсатор и автоматический выключатель, причем внутри электронного компенсатора расположена печатная плата, на которой расположены элементы схемы: регулятор мощности, блок измерения тока, активный PFC, пассивный фильтр, блок управления процессами и приемопередающий блок, выполненный с возможностью приема/передачи данных по технологии 4G или 5G, при этом счетчик электроэнергии по стороне 10(6) кВ через ТМГэ, а счетчик электроэнергии по стороне 0,4 кВ непосредственно соединены с устройством контроля и управления мощностью сети, а также с сервером, выполненным с возможностью моделирования работы цифровой трансформаторной подстанции, который, в свою очередь, соединен с устройством контроля и управления мощностью сети.