ОБРАЗАЦ ЗА ПРИЈАВУ ТЕХНИЧКОГ РЕШЕЊА. Назив техничког решења: Метод за регистровање губитака изазваних нелинеарним потрошачима у

Transcript

1 ЕЛЕКТРОНСКИ ФАКУЛТЕТ У НИШУ ОБРАЗАЦ ЗА ПРИЈАВУ ТЕХНИЧКОГ РЕШЕЊА У складу са одредбама Правилника о поступку и начину вредновања, и квантативном исказивању научноистраживачких резултата истраживача, који је донео Национални савет за научни и технолошки развој Републике Србије («Службени гласник РС», бр. 38/2008) достављам следеће податке. Обавезни подаци: Аутор/аутори решења: Дејан Стевановић, Предраг Петковић Назив техничког решења: Метод за регистровање губитака изазваних нелинеарним потрошачима у електродистрибутивном/електроенергетском систему заснован на мерењу снаге дисторзије Категорија техничког решења (навести према одредбама Правилника садржаним у НАПОМЕНИ* ): прототип, нове методе, софтвер, инструмент, нове генске пробе, микроорганизми и сл. -лабораторијски прототип М85 За кога је решење рађено и у оквиру ког пројекта МНТР: Метод за регистровање губитака изазваних нелинеарним потрошачима у електродистрибутивном/електроенергетском систему заснован на мерењу снаге дисторзије развијен је у LEDA лабораторији Електронског факултета Универзитета у Нишу према спецификацијама корисника резултата EWG d.o.o. из Ниша. Ово техничко решење проистекло је из рада на пројекту под називом НАПРЕДНЕ ТЕХНОЛОГИЈЕ ЕЛЕКТРОНСКОГ МЕРЕЊА, УПРАВЉАЊА И КОМУНИКАЦИЈЕ НА ЕЛЕКТРИЧНОЈ ДИСТРИБУТИВНОЈ МРЕЖИ, које финансира Министарство просвете и науке републике Србије под шифром ТР32004 и представља надоградњу техничког решења Блок за мерење снаге дисторзијe реализованог у оквиру пројекта ТР Ко решење користи тј. ко је прихватио-примењује решење: Метод за регистровање губитака изазваних нелинеарним потрошачима који се јављају у електродистрибутивном систему заснован на мерењу снаге дисторзије директно је развијен по спецификацији корисника резултата истраживања а то је EWG d.o.o. из Ниша који развија нову генерацију трофазног вишефункциалног бројила и система за даљинско очитавање и управљање потрошњом електричне енергије Година када је решење урађено: година

2 Како су резултати верификовани(од стране кога тела): Решење је верификовао корисник истраживања EWG d.o.o., из Ниша а затим је прихваћено од стране ресорног Министарства за науку и технолошки развој Републике Србије усвајањем годишњег извештаја са пројекта под називом НАПРЕДНЕ ТЕХНОЛОГИЈЕ ЕЛЕКТРОНСКОГ МЕРЕЊА, УПРАВЉАЊА И КОМУНИКАЦИЈЕ НА ЕЛЕКТРИЧНОЈ ДИСТРИБУТИВНОЈ МРЕЖИ, под шифром ТР32004 за годину. На који начин се резултати користе Остварено техничко решење доступно је као поступак који може да се примени у већини постојећих стандардних електронских бројила на нивоу доградње софтвера. Описано техничко решење погодно је и за примену у другим инструментима који се користе за мерење параметара електричне енергије. Област на коју се техничко решење односи Предложени метод примењује се у технологији мерења, контроле и управљања потрошњом електричне енергије. Проблем који се техничким решењем решава У последње време сведоци смо рапидне промене карактера потрошача прикључених на електроенергетски систем, како у индустрији, тако и у домаћинствима. Савремени електронски уређаји подигли су квалитет живота, а истовремено довели до значајних уштеда у утрошеној електричној енергији. Међутим, масовна примена енергијски ефикасних електронских уређаја створила је нови проблем. Наиме, већина ових уређаја користи AC/DC конверторе у чијем саставу су прекидачки регулатори напона. Тајна њихове ефикасности лежи у прекидачком режиму рада транзистора које карактерише изузетно нелинеарна струјно-напонска карактеристика. Практично они се понашају као нелинеарни потрошачи. Утицај нелинеарног потрошача на електроенергетски систем огледа се кроз генерисање струје која, осим основне компоненте фреквенције 50Hz, садржи и хармонике. Ова струја изазива многобројне проблеме у електроенергетском систему. Поред тога што могу да изазову кварове у компонентама система пројектованих за рад у простопериодичним условима, значајан проблем представљају велики финансијски губици који се рефлектују у електродистрибутивном систему. Ови губици јављају се услед примене неадекватне мерне опреме. Постојећа савремена електронска бројила која су инсталирана и која се инсталирају, прате постојећу регулативу и стандарде тако да су пројектована са циљем да региструју само активну снагу (енергију) у домаћинствима док мерна места мере и реактивну снагу (енергију). Такав приступ није усклађен са променом профила савремених потрошача. Због све већег броја нелинеарних потрошача прикључених на електроенергетску мрежу проблем постаје све израженији. Регистровање само активне снаге на страни потрошача не даје тачну слику о потрошњи. Зато се овим техничким решењем предлаже регистровање и снаге дисторзије. При томе, предлаже се примена метода који се лако може доградити кроз промену софтвера уколико бројило већ региструје потрошњу активне, реактивне и привидне снаге. Досадашња истраживања у ЛЕДА лабораторији обављена су применом мерне групе коју производи фирма ЕWG из Ниша. Добијени резултати показали су да савремене уређаје карактерише дисторзиона снага која је истог реда величине, а код неких и већа од активне снаге. Тиме

3 се потврђује неопходност мерења и осталих компонената привидне снаге и оправданост њихове примене у тарифном систему за утрошену електричну енергију. Стање решености овог проблема у свету Повећање енергијске ефикасности у савременим електронским уређајима омогућено је смањењем губитака на активним елементима. Наиме, транзистори раде у прекидачком уместо у линеарном режиму. Највећа струја кроз транзистор тече када је напон на њему минималан (затворен прекидач), и обрнуто (отворен прекидач). Нажалост, тада до изражаја долази њихова нелинеарна природа. Замена старих линеарних потрошача новим нелинеарним, створила је додатне проблеме дистрибутерима електричне енергије. Према досадашњој регулативи домаћинства плаћају само утрошену активну енергију што је било сасвим разумно у периоду када су доминирали линеарни отпорни потрошачи. Сада то више није случај. Део снаге која се јавља услед присуства виших хармоника практично је испоручена потрошачу, али је невидљива са становишта дистрибутера. Међу првима који су уочили проблем и који су кренули са конкретним решавањем били су стручњаци Enel S.p.A. (Ente azionale per l'energia elettrica) групације ( која представља најзначајнијег дистрибутера у Италији и другог, према инсталисаној снази, у Eвропи. Oни су дошли до закључка да услед промене карактера потрошача долази до појаве губитака у електроенергетском систему. Зато су одлучили да замене стара електро-механичка бројила новим електронским која имају могућност да, осим активне, мере и реактивну снагу. Инсталација ових бројила кренула је 2001 и до сада је 99% бројила на територији Италије замењено. На овај начин губици су делимично смањени али нису елиминисани. Истраживања у ЛЕДА лабораторији доказала су да је осим мерења реактивне снаге, неопходно мерити (тарифирати) и дисторзиону снагу која је саставни део привидне снаге. Свест о овом проблему расте тако да, упркос томе што постојећи стандарди стриктно не обавезују произвођаче бројила да мере снагу изобличења, недавно објављена спецификација ЕПС-а захтева да се мерним групама региструје и изобличење у виду THD (Total Harmonic Distortion). Објашњење суштине техничког решења и детаљан опис са карактеристикама, укључујући и пратеће илустрације и техничке цртеже Основни принцип рада електронских бројила заснива се на дигиталној обради тренутних вредности напона и струје, који се добијају са излаза дигиталних филтара. Тренутна вредност простопериодичног сигнала (напона или струје) фреквенције f, x(t) дефинисана је са: x( t) = 2X RMS cos(2π ft + ϕ). (1) После дискретизације узоркованјем са фреквенцијом f sempl, у тренутку nt, где је T=1/f sempl овај сигнал може да се представи у облику: x( nt ) = 2X RMS cos(2 π f nt + ϕ). (2) Његова ефективна вредност рачуна се на основу тренутних вредности према формули: X RMS = n= 1 x( nt ) 2, (3)

4 где означава укупан број узорака у 1s. Тренутна вредност активне снаге добија се множењем тренутних вредности струје и напона: p( nt ) = v( nt ) i( nt ), (4a) а средња снага рачуна се као: v( nt ) i( nt ) p( nt ) n= 1 n= 1 P = = (4б) За рачунање реактивне снаге користи се слична једначина и, практично, исти хардвер. Једина разлика је у томе што се узимају узорци напона померени за π/2. v' ( nt ) = 2VRMS cos(2 π f nt + π / 2). (5) Привидна снага рачуна се као производ ефективних вредности напона и струје (6). U = V RMS I RMS. (6) У електроенергетском систему са линеарним отпорним оптерећењима нема изобличења струје, тако да простопериодични мрежни напон на потрошачу изазива проток простопериодичне струје у фази са напоном тако да је: U = P. (7a) На линеарним реактивним потрошачима јавиће се разлика у фази између струје и напона, што ће проузроковати појаву реактивне снаге, а тада важи: U = P + Q. (7b) Међутим, у присуству хармоника добија се да је: U > P + Q. (7c) Очигледно је да разлика потиче од присуства виших хармоника, односно да је она последица изобличења напона и струје у систему. Пратећи укупну логику у дефинисању активне и реактивне снаге Budeanu је године увео појам снаге изобличења, односно дисторзионе снаге, која је последица присуства хармоника у мрежи. Зато је увео корекцију у изразу за привидну снагу: U = P + Q + D. (8) где је са D означена дисторзиона снага. Суштина ове корекције садржана је у чињеници да у одсуству хармоника, D=0, важи U 2 =P 2 +Q 2, чиме ова позната дефиниција постаје специјални случај примене (8). Имајући ово у виду, следи да снага дисторзије може да се израчуна на основу познатих вредности привидне, активне и реактивне снаге као: D = U P Q. (9) Предложени метод потврђен је уз примену тестног окружења приказаног на Слици 2 које омогућава успешно мерење основних параметра електричне енергије. 240V/50HZ Ulaz Merna grupa Energetski izlaz Signalni izlaz Uređaj koji se testira RS232 ulaz Ra čunar + Softver Слика 2. Блок шема тесног окружења

5 Као мерни инструмент коришћена је мерна група коју је развио корисник овог техничког решења, фирма EWG из Ниша. Ради се о бројилу које испуњава стандарде IEC и IEC Оно мери основне параметре електричне енергије у складу са њиховим дефиницијама које су дате једначинама (3), (4) и (6). Мерна група тренутно нема могућност рачунања снаге дисторзије па се, због тога, параметри који се очитавају током сваке секунде, а који су неопходни за рачунање снаге дисторзије, шаљу у рачунар. Комуникација између рачунара и бројила урађена је преко оптичког и RS232 порта. На основу измерених вредности за U, P и Q рачуна се дисторзиона снага D једноставном применом (9). За верификацију метода користили смо различите врсте потрошача. Резултати мерења добијени за различитих типова штедљивих сијалица CFL и LED сијалица дати су у Табели 1. Табела 1. Резултати мерења различитих типова сијалица Као што се види из Табеле 1, за сијалицу са ужареним влакном (у првој врсти) која представља линеарни потрошач, дисторзиона снага једнака је нули. У осталим случајевима ради се о изразито нелинеарним потрошачима, тако да струје ових потрошача садрже хармонике који не постоје у напону напајања. Ово има за последицу појаву снаге дисторзије. Њена вредност расте са нелинеарношћу потрошача зато што у струји доминира утицај хармоника. Посебан значај за електродистрибуцију игра чињеница да се класичним електромеханичким, али и електронским бројилима региструје само активна и реактивна снага. Истовремено то значи да не постоји могућност да се у тарифни систем уведе и трећа компонента испоручене снаге. Очигледно је да ће услед тога да се појаве финансијски губици. Један од начина за њихово покривање јесте подизање цене испоручене активне снаге. Наравно, дистрибутер тиме може да смањи губитке, али на рачун свих потрошача. Најблаже речено такав приступ није поштен јер највише кажњава регуларне потрошаче. Шта више, тиме се стимулишу потрошачи који уносе нелинеарна изобличења. Ово ће имати за последицу пораст привилегованих потрошача и већи атак на

6 угрожавање квалитета мрежног напона. Имајући у виду да је дистрибутер дужан да изобличење напона на мрежи одржава у границама до 3%, мораће да повећа улагања у опрему за корекцију изобличења. Намеће се питање да ли је и колико овај проблем изражен. Односно, одређивање вредности губитака. Одговор на ово питање садржан је у последњој колони Табеле 1. Губици који се јављају услед нерегистровањa дисторзионе снаге достижу и до 86% привидне снаге. Слика постаје још драматичнија када се дисторзиона снага пореди са активном, која се једино у домаћинствима и мери постојећим бројилима. Иако је номинална снага анализираних потрошача мала, мора се имати у виду њихова распрострањеност, а самим ти и губици постају све израженији. Слични резултати добијају се и за остале уређаје који се налазе у домаћинствима и/или канцеларијама. Резултати мерења потрошача већих номиналних снага дати су у Табели 2. Табела 2. Резултати мерења различитих типова потрошача На основу приказаних резултата може се видети да се на 48.55W активне снаге коју утроши стандардни персонални рачунар, потроши 67.34VAR дисторзионе снаге која се не региструје. Очигледно је да ред величине дисторзионе снаге није занемарив и да савремена електронска бројила треба доградити са опцијом која дозвољава њено регистровање. Шта више, код многих потрошача она је већа од реактивне компоненте снаге. Када су у питању савремени потрошачи (LCD монитори, рачунари) она је чак већа од активне компоненте снаге. Дакле, само због одсуства метода за ефикасно регистровање дисторзионе снаге дистрибутери електричне енергије бележе велике губитке. Метод описан овим техничким решењем омогућава да се модификација угради на једноставан начин без интервенције у хардверу. Наравно, примена специјализованог DSP хардвера још би више олакшала имплементацију овог метода. Како је реализовано и где се примењује, односно које су могућности примене Метод за елиминацију губитака који се јављају у електроенергетском систему развијен је заједничким радом стручњака из ЛЕДА лабораторије Електронског факултета

7