Введение. Измерения и измерительные системы

Производство, передача, преобразование и потребление электрической энергии происходит в больших количествах и на больших территориях. Даже в пределах одного завода получение, преобразование, распределение и потребление электрической энергии производится энергетическими объектами и электрическими потребителями, удалёнными на значительные расстояния. Электропотребление представляет собой в большей степени не стационарный процесс изменения мощности электроприёмников. Всё это указывает на тот факт, что энергетическая система представляет собой большую систему, для которой свойственна вероятностная природа формирования электрических мощностей.

В 70-80г. прошлого века в мире для описания больших систем разрабатывались автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). В электроэнергетике эти системы применялись, в основном, для обработки поточной документации – финансовой и технической. Обработка месячных и квартальных отчётов производилось на ЭВМ типа ЕС. В это же время завод приборов (Вильнюс, Литва) стал выпускать информационно - измерительные системы учёта расхода электрической энергии (ИИСЭ 1, 2,3). Они были внедрены на ряде предприятий в Казахстане и позволяли не только вести автоматизированный учёт расхода электроэнергии в течении смены, суток, месяца, квартала, но и контролировать максимальный расход электрической энергии в часы утреннего и вечернего максимума нагрузки предприятия. Для работы такой системы были необходимы счётчики электрической энергии с телеметрическим (импульсным) выходом. Невысокая надёжность отдельных элементов системы, ограниченность точек контроля и расстояний от их до блока обработки, не позволило их широкому распространению.

На станциях, подстанциях и в распределительных устройствах имеется определённый комплект измерительного оборудования для контроля напряжения, тока, мощности, частоты и расхода электрической энергии. Источником информации служат электроизмерительные приборы. Все они входят в локальные (местные) измерительные системы (ЛИС). В ЛИС преобладают функции измерения, а функции обработки и хранения незначительны или отсутствуют совсем. На вход ЛИС поступает множество измеряемых величин, изменяющихся во времени и распределённых в пространстве. На выходе ЛИС получают результаты измерений в виде именованных чисел или отношений измеряемых величин.

Измерительные системы (ЛИС) весьма однотипны и содержат первичный (возможно и вторичный) измерительный преобразователь, линию связи и измерительный прибор. ЛИС содержат ряд каналов – по каждому на измеряемый параметр. Для обеспечения постоянного контроля за работой отдельных элементов системы электроснабжения и учёта потребляемой электроэнергии подлежат измерению значения тока, напряжения, частоты, мощности и расхода электроэнергии, для чего применяют контрольно – измерительные приборы (см. рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Обобщённая схема измерения параметров высоковольтной
электроустановки

а) б)

Рисунок 1.2 – Панель линии 6 кВ на щите управления (а) и монтажная
схема включения амперметра и счетчика активной энергии (б)

Контрольно-измерительные приборы (КИП) совместно со средствами управления и автоматизации размещают на щитах управления (ЩУ) в диспетчерских пунктах. Кроме главных ЩУ устанавливаются местные щиты управления предназначенные для управления конкретным электроприёмником, например, электродвигателем. Они состоят из панелей или шкафов, на лицевой стороне которых установлены измерительные приборы (см. рисунок 1.2.а). Соединения приборов выполняют с задней стороны. Туда же подводятся и присоединяются измерительные трансформаторы тока и напряжения при помощи контрольных кабелей. Соединения внутри шкафа выполняются в соответствии с монтажными схемами (см. рисунок 1.2, б). Как видно из данной схемы, для измерения установлены амперметр и универсальный трёхфазный счётчик активной энергии 3 ´ 5А; 3 ´ 100 В.

Измерительный прибор (ИП) – средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины непосредственно по его отсчётному устройству (шкале). Приборы бывают показывающими и регистрирующими (записывающими). Большинство приборов бывают аналоговыми, так как отсчёт по шкале в может быть любой в пределах его диапазона измерения.

Амперметры применяют для непрерывного контроля значения тока на вводах ГПП. РП, подстанций, отходящих линий, перемычках между секция-ми сборных шин. При равномерной нагрузке на линиях устанавливается по одному амперметру, а при неравномерной нагрузке и при необходимости контроля за каждой фазой – по три амперметра.

Рисунок 1. 3 – Контрольные измерительные приборы на щите
контроля и управления п/ст «Центральная» РФ

Вольтметры и частотомеры необходимы для контроля за качеством электроэнергии. Вольтметры устанавливают на сторонах ВН и НН ГПП и цеховых подстанций и на каждой секции шин всех напряжений. Частотомеры устанавливают на сборных шинах электростанций и в цепи статоров генераторов, если они предназначены для параллельной работы. На рисунке 1.3 приведена фотография установленных щитовых контрольно – измерительных приборов – частотомеров (верхний ряд) и вольтметров (нижний ряд). Все эти ИП подключены ко вторичным цепям измерительных преобразователей (ИПР) – измерительным трансформаторам напряжения

Счётчики активной и реактивной электроэнергии устанавливаются в местах выработки и потребления электроэнергии для расчётного (коммерческого) и технического учёта электроэнергии.

Ваттметры устанавливают для измерения активной мощности генераторов, мощных трансформаторов, синхронных компенсаторов, высоковольтных синхронных электродвигателей, а также линий, где необходимо контролировать перетоки мощности при двойном питании потребителей.

Ваттметры применяют для измерения реактивной мощности.

Все перечисленные приборы, несмотря на их разное применение, являются преобразователями тока, напряжения, частоты и мощности в угол поворота стрелки относительно шкалы прибора, проградуированной в делениях (см. рисунок 1.4) – ИПр непосредственного отсчёта. В этом случае шкала прибора есть многозначная мера. Одно деление определяет постоянную прибора C_x = X_н / N, (единиц физической величины Х на деление шкалы), где N – число нанесенных на шкале делений; Х_н – номинальное значение прибора.

Рисунок 1.4- Иллюстрация принципа измерения по методу отклонения (непосредственной оценки)

На предприятиях электроэнергетики, размещённых на больших расстояниях, необходимо измерять или контролировать одновременно сотни, а иногда и тысячи электрических и неэлектрических физических величин. При этом целесообразно принимать решения не на основании результатов отдельных измерений, а потока измерительной информации. Для этих целей применяются информационные измерительные системы (ИИС).

Основным средством измерений в настоящее время становится информационно – измерительная система (ИИС) (см. рисунок 1.5), обеспечивающая восприятие информации об измеряемом объекте или процессе в нём (первичное измерительное преобразование), её выделение из сигналов путём сбора, преобразования и обработки по требуемым алгоритмам, отображения выделенной информации в виде, необходимом для восприятия оператором, либо для передачи в другую систему.

Основное назначение ИИС - получение достоверной информации.

Централью (ядром) системы является аппаратура сбора, регистрации (запоминания) и (или) отображения данных. Чтобы передавать эквиваленты измеряемых величин в централь необходимо обеспечить сопряжение ПИП с централью в соответствии с условиями совместимости их свойств и характеристик.

Системы, содержащие программно – управляемые цифровые вычислительные системы (микропроцессоры МП). Обладают определённой универсальностью и при соответствующем программном обеспечении могут выполнять функции систем различного назначения.

ПИП – первичные измерительные преобразователи; БНКС – блоки нормирования и коммутации сигналов; УПОИ – устройства первичной обработки информации; АЦП – аналого – цифровой преобразователь

Рисунок 1.5 – Обобщённая схема ИИС

Измерительные системы, содержащие такие вычислительные средства, называют измерительно-вычислительными (ИВС). ИВС, создаваемые потребителями из стандартных устройств для решения локальных измерительных задач, локальными ИВС. Универсальное ядро ИВС называют измерительно-вычислительным комплексом (ИВК).

ИВК – автоматизированные средства измерения и обработки информации, предназначенные для исследования сложных объектов и представляющие собой совокупность программно-управляемых средств (измерительных и вычислительных) и средств воздействия на объект исследования.