СПОЖИВАННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ РЕСУРСІВ

ТЕМА 6. (Продовження). Енергетичні ресурси. Споживання енергетичних ресурсів у процесі виконання транспортної роботи. Методи енергозбереження.

Основні питання лекції:

1. Методи планування споживання енергетичних ресурсів.

2. Системи обліку споживання електроенергії.

3. Технічні засоби обліку електроенергії.

Основний зміст лекції:

1. Методи планування споживання енергетичних ресурсів.

Моделювання споживання електроенергії для обґрунтування нормативів витрат електроенергії трамвайними вагонами та тролейбусами

Нормативи та методики нормування витрат електроенергії на міському електротранспорті на протязі багатьох років не враховували особливості експлуатації МЕТ, в першу чергу, величину пасажирських потоків та умови руху транспортних засобів в окремих містах [175, 176, 178]. Дослідження показали доцільність планування потреби в електроенергії на експлуатацію міського електротранспорту за узагальненими статистичними даними і визначеними на їх основі питомими витратами [181]. За результатами цих досліджень Держбудом України затверджено „Галузеві комунальні норми ГКН 02.07.005 – 2001. Витрати електроенергії трамвайними вагонами та тролейбусами. Нормативи. Методи розрахунку” [179].

Експериментальне визначення питомих витрат електроенергії дозволяє встановити значення цього показника для конкретного типу рухомого складу, але визначення базового значення показника питомих витрат електроенергії для кожного міста України, потребує додаткового визначення коригувальних коефіцієнтів, які враховували би місцеві умови експлуатації рухомого складу.

Визначення коригувальних коефіцієнтів потребує значного часу і надання об’єктивного статистичного матеріалу щодо умов руху. Тому для визначення норм витрат електричної енергії на пасажирські перевезення можливо застосувати інших шлях, який базується на статистичному аналізі інформації, що надається у звітах про роботу підприємств МЕТ і накопичується у Державному комітеті України з питань житлово-комунального господарства (у деякий період в Держбуді України) [180, 181].

Як правило, усі підприємства міського електротранспорту ведуть облік витрат електроенергії та облік показників виконаної транспортної роботи (пробіг рухомого складу та обсяг перевезених пасажирів) .

Задача дослідження - визначити яким методом можливо отримати значення питомих показників витрат електроенергії, використовуючи ці статистичні дані.

Згідно статистичних даних Держбуду України на даний час в України функціонують підприємства міського електротранспорту, які експлуатують один (трамвай або тролейбус) або два види транспорту (трамвай і тролейбус).

Система енергопостачання в містах стосовно тягових підстанцій забезпечує одночасне живлення трамвая і тролейбуса, тобто в загальному випадку тягова підстанція забезпечує одночасну подачу електроенергії на тролейбусні і трамвайні маршрути. На підставі цього, виділити окремо електроенергію, яка була використана для перевезення пасажирів трамваєм та тролейбусом, можливо тільки розрахунковим методом.

В зв’язку з цим, використання статистичних даних про витрати електроенергії окремо трамваєм та тролейбусом для міст, які мають два типи транспорту неможливо, так як ці дані не є фактичними, а є розрахунковими, хоч і отримані за показаннями лічильників, встановленими на тягових підстанціях.

Якщо пробіг рухомого складу є завжди об’єктивно визначеною величиною, то загальний обсяг перевезених пасажирів, особливо у випадку даних щодо кількості пасажирів перевезених трамваєм та тролейбусом, є також розрахунковою величиною, що обумовлена використанням єдиного проїзного квитка на тролейбусному та трамвайному транспорті, а також і єдиного тарифу на разовий проїзний квиток.

Звідки витікає, що для визначення питомих витрат електроенергії можливо застосування тільки наступних статистичних даних: загальний обсяг спожитої електроенергії, пробіг рухомого складу по видам транспорту, загальна кількість перевезених пасажирів.

Таким чином, за кількістю факторів математична модель енерговитрат для кожного міста, який має два типи електричного транспорту, повинна включати наступні фактори : пробіг тролейбусів (L1); пробіг трамвайних вагонів (L2); загальний обсяг перевезених пасажирів (L3).

Для міста з одним типом електричного транспорту математична модель буде мати меншу кількість факторів: пробіг тролейбусів(або трамвайних вагонів) (L1); загальний обсяг перевезених пасажирів (L2).

Рівняння яке зв’язує цільову функцію з факторами в загальному вигляді має вид: Y = j (L₁,L₂,........L_n)

Незалежно від виду рівняння яке буде прийнято за математичну модель можна визначити головну вимогу до неї, а саме: модель повинна давати мінімальну різницю між розрахованими витратами електроенергії і її фактичним значенням для заданих пробігу рухомого складу та кількості перевезених пасажирів.

Встановлена умова виконується при застосуванні методу найменших квадратів: ,

де: А - фактичні витрати електроенергії; А_р - витрати електроенергії визначені за математичною моделлю; n_в - кількість даних із значеннями витрат електроенергії.

Мінімальне значення Z_е для підприємств з одним та двома видами транспорту можливо отримати вирішивши системи рівнянь:

з двома видами , або з одним видом транспорту.

Взявши частинні похідні за коефіцієнтами математичної моделі маємо системи рівнянь для підприємств з одним та двома видами транспорту:

,

, (3.30)

Вирішити системи рівнянь можливо, якщо усі елементи, які є значеннями витрат електроенергії та невизначених коефіцієнтів математичної моделі значень пробігу і обсягу пасажирських перевезень, надати у вигляді матриць:

, - підприємств з двома видами і

, - одним видом електротранспорту.

Тоді система рівнянь у матричному вигляді буде мати вигляд: В*L = Y,

а матриця коефіцієнтів може бути визначена як L = Y*B^-1, де В^-1 обернена матриця до матриці В (В*В^-1 = E).

Таким чином, визначення коефіцієнтів математичної моделі виконується шляхом вирішення матричного рівняння, при цьому математична модель буде задовольняти умові мінімальних відхилень розрахункових значень від фактичних.

Розглянемо застосування нового методу для визначення витрат електроенергії для міста Вінниці, статистичні дані про витрати електроенергії на пасажирські перевезення для якої наведені у таблиці 3.10.

Математична модель витрат електроенергії , коефіцієнти якої визначені методом найменших квадратів має вид:

А=-7929,61+0,4523L1+3,6288L2+0,062174L3. (3.31)

В таблиці 3.11 наведенні значення похибок розрахунку витрат електроенергії, визначених за математичною моделлю. Середнє значення похибки складає 3,58%.

Таблиця 3.10.

Статистичні дані м. Вінниця.

Застосування регресійного аналізу дозволяє тримати не тільки значення коефіцієнтів математичної моделі, а і визначити довірчий інтервал для фактичних витрат електроенергії: А_Ф=А_Р ± t*D_у,

де А_ф –фактичне значення витрат електроенергії, тис. кВт*год, Y– розраховане значення витрат електроенергії, тис. кВт*год; Dу- стандартна похибка визначення витрат електроенергії; t - критерій Ст’юдента.

Таблиця 3.11.

Результати моделювання споживання електроенергії.

Так для міста Вінниці ця середня похибка склала t*Dу=2398 тис.кВт*год для рівня значимості 5%.

При формуванні замовлення на електроенергію до енергопостачальної компанії її величина повинна визначатися на рівні максимальної межі довірчого інтервалу, тобто: Аз=А+ t*D_у,

де: Аз – обсяг енергії, яка замовляється, тис. кВт*год.

Знання похибки визначення електроенергії крім того дозволяє встановити об’єктивні межі для визначення наявності перевитрат або економії електроенергії за результатами роботи у минулому році .

По закінченню поточного року підприємство міського електротранспорту повинно визначити за фактичними показниками пробігу трамвайних вагонів і тролейбусів та кількістю перевезених пасажирів наявність перевитрат або економії електроенергії.

Перевитратами електроенергії вважається таке значення витрат , яке перевищує максимальну довірчу межу розрахованих витрат електроенергії для фактичних показників пробігу та кількості перевезених пасажирів, тобто якщо : Аф> А+t*D_у, то різниця Аф-А є перевитратами електроенергії.

За економією електроенергії вважається таке значення витрат, яке не перевищує мінімальну довірчу межу розрахованих витрат електроенергії для фактичних показників пробігу та кількості перевезених пасажирів, тобто якщо: Аф< А-t*D_у, то різниця Ар - А є економією електроенергії.

Таким чином запропонована нова методика визначення витрат електроенергії на пасажирські перевезення, що затверджена для усіх підприємств України [179], має наступні переваги:

- надає можливість затвердити базові показники на тривалий час (коефіцієнти моделі) та виключити планування витрат за підсумками минулого року;

- дозволяє визначити обсяги фактичних витрат електроенергії за плановими показниками роботи рухомого складу на наступний рік та обґрунтовано замовити обсяг енергоспоживання на пасажирські перевезення;

- отримати об’єктивні межі для визначення наявності економії або перевитрат електричної енергії за підсумками роботи;

- забезпечити нормативами базу даних для систем управління проектами ресурсозбереження на міському електротранспорті.

2. Системи обліку споживання електроенергії.

3. Технічні засоби обліку електроенергії.

Внедрение устройств индивидуального учета потребления электроэнергии на подвижном составе

Как отмечалось выше, одним из ресурсосберегающих направлений есть организация индивидуального учета потребления электроэнергии на подвижном составе В настоящее время для этого используют счетчики электрической энергии различной конструкции: от электромеханических до микропроцессорных. Наиболее характерным из счетчиков, которые проверены на предприятиях электротранспорта Донецкой области есть электронный счетчик КВАЗАР 504.

Электронный счетчик КВАЗАР 504 предназначен для измерения на электроподвижном транспорте:

- напряжения контактной сети;

- потребляемого тока;

- расхода электроэнергии;

- выработки электроэнергии при рекуперации.

Он имеет следующие технические характеристики:

- Электронный счетчик состоит из измерительного и индикаторного модулей.

- Номинальный ток счетчика соответствует ряду стандартных шунтов- Iн: 1000, 1500, 3000 Ампер.

- Рабочий диапазон токов от 0 до 135% Iн

- Номинальное напряжение – Uн=600, 3000 Вольт.

- Рабочий диапазон напряжений - ±35% Uн.

- Дискретность измерения напряжения не более 0,05% номинального.

- Дискретность измерения тока не более 0,1% номинального.

- Чувствительность электронного счетчика составляет

не более 0,1% от Iн.

- Диапазон измерения мощностей от 0 до 185 % Pн.

- Электронный счетчик соответствует классу точности 0,5 по ГОСТ 26035. Погрешность шунта и погрешность делителя напряжения учитываются при коррекции специальных коэффициентов при программировании на этапе установки на объект.

Систематическая составляющая относительной погрешности при подсчете кВт-часов не превышает нижеследующих значений, указанных в таблице 4.1.

Таблица 4.1.

Питание индикаторного модуля, осуществляется от сети постоянного тока напряжением 48±24В (Бортовая сеть электровоза). При необходимости напряжение питания может быть изменено по желанию заказчика. Потребляемая индикатором мощность не превышает максимальной величины 0,5 Вт. Питание измерительного модуля осуществляется от алкалайновой или литиевой батареи напряжением 3,0 В. Ток потребления не более 0,1 мА.

Счетчик работает при температуре окружающего воздуха от минус 40 до плюс 60 °С при относительной влажности до 90 %. Счетчик, может работать в условиях вибрации, с ускорением 10 м/сек ² в диапазоне частот от 1 до 100 Гц и одиночных ударов длительностью от 40 до 60мс с ускорением 30 м/сек ². Положение модулей счетчика любое.

Измерительный модуль выдерживает следующие импульсные перегрузки:

- током, превышающим в 40 раз номинальный, в течение 1,0 сек;

- током, превышающим в 10 раз номинальный, в течение 60,0 сек;

- напряжением, превышающим в 5 раз номинальный, в течение 10,0 сек. Индикаторный модуль имеет емкость счетного механизма на 25 лет работы при номинальной нагрузке.

Индикаторы напряжения и тока имеют четыре разряда с возможностью показания до 9999. Индикатор киловатт - часов имеет 9 разрядов (максимальная величина счета 999 999 999). Измерительный модуль является полностью автономным устройством и может работать без индикаторного модуля. Информация о кВт-часах хранится без питающего напряжения в течении не менее 40 лет.

Связь между индикаторным и измерительным модулями производится с помощью оптоволоконного кабеля, чем обеспечивается изоляция от высокого напряжения. На индикаторном модуле имеется возможность дистанционного контроля батареи питания измерительного модуля, с точностью 0,5% до 5 В. Для этого имеется специальная кнопка на панели индикатора. Индикация о напряжении на батареи выводится при этом на индикатор режима рекуперации.

Срок службы батареи измерительного модуля не менее 6 лет.

При изменении полярности тока (режим рекуперации) на индикаторе режима рекуперации появляется символ «Р». Измерительный и индикаторный модули имеют исполнение IP65.

Измерительный модуль имеет программный блок позволяющий ввести коррекцию в зависимости от сопротивлений шунта и делителя напряжения.

Средний срок службы счетчика не менее 25 лет. Масса ндика-торного модуля не превышает 0,6 кг. Масса измерительного модуля не превышает 0,5 кг. Габаритные и установочные размеры счетчика указаны на рис.4.1. и 4.2.

Рис. 4.1.

Рис 4.2.

Комплект поставки

1. Измерительный модуль 1 шт.

2. Индикаторный модуль 1 шт.

3. Оптоволоконный кабель 15 м 1 шт.

4. Паспорт 1 экз.

Схема включения счетчика.

Схема включения счетчика приведена на рис 4.3. Измерительный модуль крепится непосредственно к шунту винтами М5.

Делитель напряжения возможен любого типа, выпускаемого раньше, например ДН-Р604. При выборе типа делителя напряжения производится измерение его сопротивления и вводится коррекция в программе контроллера измерительного модуля.

При измерении сопротивлении шунта вводится коррекция в программе контроллера измерительного модуля и по этому параметру. Требования к расположению индикаторного модуля не предъявляются.

Связь между индикаторным и измерительным модулями производится с помощью оптоволоконного кабеля на расстоянии не более 50 м.

Указания мер безопасности.

Монтаж и эксплуатация счетчика следует проводить в соответствии с действующими правилами технической эксплуатации электроустановок и техники безопасности. Монтаж, демонтаж, ремонт, калибровка и клеймение измерителей проводятся только специально уполномоченными организациями и лицами.

Устройство и принцип работы.

Электронный счетчик состоит из следующих функциональных узлов:

- измерительного модуля;

- индикаторного модуля;

- оптоволоконного кабеля;

- стандартного наружного шунта с падением напряжения 75 мВ или 150 мВ;

- делителя напряжения.

Рис 4.3.

Измерительный модуль служит для измерения тока проходящего через шунт и напряжения в контактной сети, вычисления мощности в моторном и рекуперативном режиме, обработку и хранения информации в долговременной памяти.

Измерительный модуль состоит из:

- усилительного блока;

- микроконтроллера;

- блока опорного напряжения;

- блока оптоволоконного передатчика;

- источника питания.

Усилительный блок производит усиление и нормализацию сигналов после шунта и делителя напряжения. Микроконтроллер производит аналого-цифровое преобразование сигналов тока и напряжения, вычисление мощности путем перемножения кодов тока и напряжения в данный промежуток времени с частотой 100 раз в секунду. Затем микропроцессор производит интегрирование количества электричества с точностью до 1 Вт-час в пропорциональное количество импульсов. При накоплении счета до одного кВт-часа производится суммирование и запоминании в счетном блоке микроконтроллера.

Рис. 4.4.

С помощью передатчика по оптоволоконному кабелю обработанная информация последовательно передается на индикаторный модуль с частотой 1Гц.

Передается следующая информация:

- величина напряжения в контактной сети;

- величина тока тяги;

- количество кВт-час электроэнергии в моторном режиме;

- количество кВт-час электроэнергии в рекуперативном режиме;

- признак режима рекуперации:

- величину напряжения источника питания измерительного модуля.

Каждый параметр, передаваемый измерительным модулем, имеет свой код – адрес.

Измерительный модуль является полностью автономным устройством и может функционировать без индикаторного модуля. Информация о количестве кВт-часов в обоих режимах хранится в EEPROM памяти и не может быть изменена извне. Информация также остается при замене источника питания или без питания не более 40 лет.

В измерительном модуле возможна установка дополнительно еще одного оптоволоконного передатчика для передачи информации в другую секцию локомотива.

Индикаторный модуль служит для приема и индикации информации принятой от измерительного модуля.

Индикаторный модуль состоит из следующих функциональных узлов:

- блока индикации напряжения в контактной сети;

- блока индикации тока тяги и рекуперации;

- блока индикации кВт-час электроэнергии в моторном режиме;

- блока индикации кВт-час электроэнергии в рекуперативном режиме и

напряжения источника питания измерительного модуля;

- блока оптоволоконного приемника;

- блока питания.

Информация, переданная измерительным модулем по оптоволоконному кабелю, принимается блоком оптоволоконного приемника. Каждый блок информации дешифрует свой код адреса и принимает только свою ему адресуемую необходимую информацию

Калибровка измерительного устройства.

Периодическая контрольная калибровка счетчика должна проводиться не реже одного раза в 6 лет. После ремонта счетчик подвергается калибровки независимо от указанного выше срока.

При поведении калибровки выполняются следующие операции:

Калибровка электрической прочности изоляции;

Определение систематической составляющей относительной погрешности;

Определение чувствительности.

Схема калибровки приведена на рис. 4.5.

Рис. 4.5.

Таблица 4.2. Примерный перечень средств калибровки:

При проведении калибровки должны применятся средства измерения, обеспечивающие определение параметров с погрешностью, не превышающих 0,1 допускаемой погрешности поверяемых измерителей. Калибровка счетчика осуществляется:

- при температуре окружающего воздуха 25 ºС;

- относительной влажности воздуха до 90%;

- при атмосферном давлении 100 ± 4 кПа;

- при напряжении питания 48 ± 20%.

Определение систематической составляющей относительной погрешности:

1). Относительная погрешность измеряемого напряжения определяется по формуле

ΔU= (Uо – Uи)/Uох100%,

где Uо – значение эталонного напряжения, мВ;

Uи – измеренное напряжение на счетчике, В.

Uо = UмВ. дел. x Кпu х1000

UмВ. дел. – измеренное значение напряжения на выводе «делитель напряжения»

Кпu - коэффициент пересчета напряжения в программе счетчика

1000 - соотношение 1 В = 1000 мВ

2). Относительная погрешность измеряемого тока определяется по формуле

ΔI= (Iо – Iи)/Iо х 100%,

где Iо – значение измеренного напряжения эталонным милливольтметром, мВ;

Iи – измеренный ток на счетчике, А.

Iо = UмВ.ш. x Кпi х 10.

UмВ.ш. – измеренное значение напряжения на выводе «шунт»

Кпi - - коэффициент пересчета тока в программе счетчика

3). Определение относительной погрешности измерение счета кВт-часов электроэнергии.

С помощью кабеля цифровой частотомер подключается к специальному разъему на плате измерительного модуля. Для измерения временного интервала частотомер настраивается на режим измерения периода следования импульсов с точностью 1 мсек. На выходе «Тест» формируются два импульса длительностью 5 мксек. Первый импульс «Старт» формируется в момент подачи питания на измерительный модуль с помощью переключателя на плате. Второй импульс «Стоп» формируется в момент окончания счета кВт-часов, количество которых, устанавливается программным способом и может быть от 10 до 1000 кВт-часов. Необходимо учитывать, что чем выше число кВт-часов используемых при измерении, тем выше точность измерения, но больше время тестирования.

Сформированные с выхода «ТЕСТ» запускают и останавливают частотомер по отсчету заданного количества кВт-часов.

4). Относительная погрешность кВт-час счетчика ΔР при разных токах и напряжениях, и выбранного количества кВт-часов – А, определяется по формуле:

ΔP= (То – Ти)/То х 100%,

где То – образцовое значение времени счета выбранного количества кВт-часов, мсек;

Ти – измеренное значение времени счета выбранного количества кВт-часов, мсек.

Образцовое значение времени счета выбранного количества кВт-часов определяется по формуле;

То = [3600000х1000/(U x I)]x A,

где 3600000 – количество миллисекунд в одном часе;

1000 – пересчет Вт-час в кВт-час

U - Напряжение, при котором производится аттестация, В;

I - Ток, при котором производится аттестация в диапазоне 5±120%, А;

A - выбранная величина кВт-часов для аттестации.

Чувствительность счетчика проверяется при плавном повышением тока. от нуля до первого значения тока на цифровом индикаторе, при выбранном напряжении. Чувствительность счетчика проверяется при плавном повышением тока. от нуля до первого значения тока на цифровом индикаторе, при номинальном напряжении. При положительных результатах калибровки необходимо поставить клейма на двух винтах корпусов индикаторного и измерительного модуля и заполнить свидетельство о калибровке счетчика.

Запрещается пускать в обращение и применять измерители, если в процессе калибровки счетчика будет обнаружено несоответствие требованиям хотя бы одного пункта табл. 4.1.

Предприятие изготовитель гарантирует соответствие счетчика требованиям ТУ в течение 24 месяцев со дня установки. Гарантийный срок хранения не более 12 месяцев со дня отгрузки с предприятия изготовителя.

Предприятие изготовитель.

Почтовый адрес: 83086 г. Донецк, ул. Донецкая, 39

Телефон: (062) 335-77-21, (062) 305-52-11, 305-50-97, Факс: (062) 335-77-21

E-mail: [email protected].

ЛЕКЦІЯ 11.