Повышение точности информационно- измерительных систем учёта электроэнергии


Скачать 89,39 Kb.
PDF просмотр
НазваниеПовышение точности информационно- измерительных систем учёта электроэнергии
ФРАНТАСОВ Дмитрий Николаевич
Дата конвертации07.09.2012
Размер89,39 Kb.
ТипАвтореферат
СпециальностьИнформационно-измерительные и управляющие системы (в промышленности и медицине)
Год2011
На соискание ученой степениКандидат технических наук

 

 
На правах рукописи 
 
 
 
 
 
ФРАНТАСОВ Дмитрий Николаевич 
 
 
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ  ИНФОРМАЦИОННО-
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ УЧЁТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ  
 
 
Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные 
и управляющие системы (в промышленности и медицине) 
 
 
 
 
АВТОРЕФЕРАТ 
диссертации на соискание ученой степени 
кандидата технических наук 
 
 
 
 
 
 
Уфа – 2011  


 

 
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Самарский государственный универси-
тет  путей  сообщения»  на  кафедре  информационных  систем  и  телекоммуни-
каций. 
 
Научный руководитель:     доктор технических наук, профессор 
Косолапов Александр Михайлович, 
заведующий  кафедрой  информационных  
систем  и  телекоммуникаций  Самарского 
государственного  университета  путей  со-
общения. 
 
Официальные оппоненты: 
доктор технических наук, профессор 
Гречишников Владимир Михайлович, 
заведующий  кафедрой  электротехники  
Самарского  государственного  аэрокосми-
ческого университета им.  Академика С.П. 
Королёва  (Национального  исследователь-
ского университета). 
 
кандидат технических наук, доцент 
Мирина Татьяна Владимировна, 
доцент 
кафедры 
информационно-
измерительной  техники  Уфимского  госу-
дарственного  авиационного  технического 
университета.  
 
Ведущая организация:         
Самарская дирекция связи «Центральная  
станция  связи» (филиал ОАО «Российские 
железные дороги»). 
 
Защита состоится «1» июля 2011 г. в 1000 часов на заседании диссерта-
ционного совета Д–212.288.02 при Уфимском государственном авиационном 
техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12. 
 
С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке УГАТУ.  
 
Автореферат разослан «__» _______ 2011 г. 
 
 
Ученый секретарь  
диссертационного совета,  
доктор техн. наук, доцент                                                                  В.С. Фетисов  
 


 
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 
 
Актуальность  и  перспективность  работы.  Проблема  эффективного 
управления энергопотреблением отвечает экономическим интересам постав-
щиков и потребителей электроэнергии. Одним из направлений решения дан-
ной  задачи  является  точный  контроль  и  учет  электроэнергии.  В  настоящее 
время при измерениях электроэнергии во многих случаях не обеспечивается 
необходимая  точность  для  реальных  режимов  работы  энергообъектов,  так 
как  эксплуатируемые установки призванные решать задачу учета количества 
и  контроля  качества  электроэнергии,  зачастую  не  обеспечивают  необходи-
мые показатели для эффективного управления и энергосбережения. Решение 
этой  проблемы  позволит  значительно  продвинуться  вперёд  не  только  в  об-
ласти учёта электроэнергии, но и в создании новых энергосберегающих тех-
нических средств и технологий.  
Повышения точности можно достичь путем замены существующих эле-
ментов измерительных систем средствами учета более высокого класса точ-
ности,  но  это  требует  значительных  финансовых  затрат.  Поэтому  возникла 
задача  повышения  точности  информационно-измерительных  систем  (ИИС), 
находящихся  в  эксплуатации,  без  масштабной  замены  компонентов,  входя-
щих в их состав. Задача совершенствования существующих и создания новых 
методик  учета  электроэнергии  в  настоящее  время  актуальна,  имеет  важное 
народно-хозяйственное значение и перспективна в обозримом будущем. 
 
Целью  диссертационной  работы  является  повышение  точности  учета 
электроэнергии. 
 
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие 
задачи. 
1. Провести анализ существующих методов и средств коммерческого и 
технического учета электроэнергии и мощности для выявления недостатков, 
ограничивающих  точность  учёта  электроэнергии.  Определить  факторы, 
влияющие на величину появляющихся погрешностей и способы их миними-
зации. 
2.  Разработать  математические  и  алгоритмические  модели  масштаби-
рующих  преобразователей  с  компенсацией  погрешностей  от  воздействия 
дестабилизирующих факторов. 
3. Определить оптимальные параметры основных элементов ИИС. 
4. Разработать ИИС учета электроэнергии с коррекцией погрешности от 
дестабилизирующих факторов.  


 
5. Исследовать и оценить погрешности предложенной ИИС, разработать 
пути  их  уменьшения,  доказать  соответствия  характеристик  ИИС  поставлен-
ным требованиям. Полученные результаты внедрить в промышленность и на 
транспорте. 
 
Методы исследования. Поставленные задачи в диссертационной работе 
решаются  с  использованием  теории  погрешностей,  теории  автоматического 
управления,  теории  электрических  цепей  и  сигналов,  методов  математиче-
ского моделирования и анализа с использованием языков программирования 
высокого уровня. 
 
Научная новизна проведённых исследований определяется следующим:  
−  впервые разработанной математической и алгоритмической моделя-
ми  масштабирующего  преобразователя  с  непрерывной  коррекцией  погреш-
ностей при влиянии дестабилизирующих факторов; 
−  впервые разработанной математической и алгоритмической моделя-
ми  масштабирующего  преобразователя  с  дискретной  коррекцией  погрешно-
стей при влиянии дестабилизирующих факторов; 
−  исследованиями  математических  и  алгоритмических  моделей  мас-
штабирующих  преобразователей  тока  с  коррекцией  погрешности  непрерыв-
ным и дискретным сигналами; 
−  структурой  и  параметрами  ИИС  коммерческого  учета  электроэнер-
гии с коррекцией погрешностей, позволяющей повысить точность измерений 
потребляемой  электроэнергии  путем  введения  поправок  в  процессе  измери-
тельных преобразований. 
 
Практическую ценность имеют:  
−  алгоритмическая  модель  позволяющая  определять  оптимальные  па-
раметры  первичных  преобразователей  тока  с  непрерывной  коррекции  по-
грешности; 
−  алгоритмическая  модель  позволяющая  определять  оптимальные  па-
раметры первичных преобразователей тока с дискретной коррекции погреш-
ности; 
−  методика  определения  оптимальных  параметров  элементов  входя-
щих в состав первичных преобразователей тока с коррекцией погрешности; 
−  результаты  исследования  математических  и  алгоритмических  моде-
лей масштабирующих преобразователей тока с коррекцией погрешности не-
прерывным и дискретным сигналами; 


 
−  структура  ИИС  коммерческого  учета  электроэнергии  с  коррекцией 
погрешности от воздействия дестабилизирующих факторов; 
 
На защиту выносятся: 
−  алгоритмическая  модель  измерительного  масштабирующего  преоб-
разователя тока с непрерывной коррекцией погрешности преобразования при 
влиянии дестабилизирующих факторов; 
−  результаты  исследования  алгоритмической  модели  измерительного 
масштабирующего преобразователя тока с непрерывной коррекцией погреш-
ности; 
−  алгоритмическая  модель  измерительного  масштабирующего  преоб-
разователя  тока  с  дискретной  коррекцией  погрешности  преобразования  при 
влиянии дестабилизирующих факторов; 
−  результаты  исследования  алгоритмической  модели  измерительного 
масштабирующего  преобразователя  тока  с  дискретной  коррекцией  погреш-
ности; 
−  методика  определения  оптимальных  параметров  преобразователей 
тока с коррекцией погрешности; 
−  структура  ИИС  учета  электроэнергии,  позволяющая  повысить  точ-
ность  измерений  потребляемой  электроэнергии  в  несколько  раз  путем  кор-
рекции погрешности измерительного преобразователя тока вызванную влия-
нием дестабилизирующих факторов. 
 
 Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в Куй-
бышевской дирекции по энергообеспечению (филиал ОАО «РЖД»). 
 
Апробация  работы.  Материалы  диссертационной  работы  докладыва-
лись  и  обсуждались  на V и VI Всероссийской  научно-практической  конфе-
ренции  «Актуальные  проблемы  развития  транспортного  комплекса» (Сам-
ГУПС,  февраль 2009 и  март 2010), Международной    научно-практической 
конференции  «Наука  и  образование  транспорту» (СамГУПС,  октябрь 2009), 
Международной  конференции  с  элементами  научной  школы  для  молодежи 
«Перспективные  информационные  технологии  для  авиации  и  космоса» 
(СГАУ, сентябрь 2010). 
 
Публикации  по  теме  диссертации.  Основные  материалы  диссертаци-
онной работы изложены в 10 научных трудах, в том числе 8 в научных изда-
ниях, из них 3 в изданиях из перечня ВАК, 2 свидетельства о государствен-
ной регистрации программ для ЭВМ. 


 
Объем  и  структура  работы.  Диссертационная  работа  состоит  из  вве-
дения, четырех глав, заключения, приложений и списка использованных ис-
точников. Общий объем диссертации – 130 страниц, в том числе 22 рисунка и 
2 таблицы. 
 
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 
 
Во  введении  обосновывается  актуальность  и  формулируется  цель  дис-
сертации,  ставятся  задачи  исследования,  приводятся  основные  положения  и 
результаты,  выносимые  на  защиту,  отмечается  их  актуальность,  новизна  и 
практическая значимость. 
В первой главе определены основные требования, предъявляемые в на-
стоящее время к ИИС контроля и учета электроэнергии и мощности. Прово-
дится сопоставительный анализ существующих методов и средств учета. По-
казано, что существующие ИИС контроля и учета электроэнергии имеют не-
достатки,  которые  приводят  к  недостаточной  точности  измерения  потреб-
ляемой электроэнергии. Их точностные параметры не отвечают требованиям 
современных  информационных  систем  в  реальных  условиях  эксплуатации 
при  наличии  дестабилизирующих  факторов.  Основными  элементами,  огра-
ничивающими класс точности ИИС учёта электроэнергии, являются масшта-
бирующие преобразователи. 
При  измерениях  с  использованием  масштабирующих  преобразователей 
с  ферромагнитными  сердечниками  основными  факторами,  влияющими  на 
погрешность измерения электроэнергии, являются нелинейность намагничи-
вания сердечника и характер нагрузки контролируемого присоединения. Не-
достатком существующих методов учета электроэнергии является то, что при 
создании ИИС контроля и учета электроэнергии на конкретном предприятии 
не  нормируется  результирующая  погрешность.  В  нормативных  документах 
приводится ряд требований к каждому компоненту системы, однако на прак-
тике,  условия  эксплуатации  средств  учета  электроэнергии  и  их  техническое 
состояние  не  всегда  отвечают  требованиям,  определяемым  нормативными 
документами.  Это  приводит  к  тому,  что  точностные  характеристики  таких 
средств учета выходят за пределы класса точности и содержат дополнитель-
ные  погрешности,  зависящие  от  внешних  факторов,  которые  оказываются 
преобладающими.  
Отсутствие  в  ИИС  контроля  и  учета  электроэнергии  технического  уст-
ройства  или  методик,  позволяющих  учитывать  эти  погрешности  и  вносить 
поправки, снижает точность системы, что приводит к недостоверной оценке 
потребляемой электроэнергии.  


 
Установлено, что перспективными являются методы и средства учета с 
коррекцией  погрешностей.  В  соответствии  с  выявленными  недостатками  в 
рассмотренных  методах  и  средствах  учета,  а  также  в  соответствии  с  выяв-
ленными требованиями определяется цель и ставятся задачи исследования. 
Во  второй  главе  рассматриваются  первичные  преобразователи,  входя-
щие  в  состав  ИИС,  которые  вносят  наибольшие  погрешности  в  результаты 
измерения электроэнергии. Повышение точности коммерческого учета элек-
троэнергии невозможно без определения точностных характеристик не толь-
ко самих электросчетчиков, но и первичных масштабных преобразователей – 
измерительных трансформаторов напряжения и тока. Спад производства по-
следних  лет  привел  к  уменьшению  нагрузок  в  ряде  узлов  энергосистемы,  а 
также снижению потребления промышленностью, что в свою очередь вызва-
ло  возникновение  отрицательной  погрешности  в  системах  контроля  и  учета 
электроэнергии.  Причиной  тому  стало  возникновение  отрицательной  по-
грешности у масштабирующих преобразователей тока и напряжения.  
В  условиях  снижения  потребления  электроэнергии  промышленными 
предприятиями загрузка преобразователей тока часто не превышает 5 - 15 %, 
что приводит к значительному увеличению погрешностей. 
Для коррекции измерительных преобразователей тока наиболее широкое 
применение  получили  конструктивно-технологические  методы  уменьшения 
погрешностей.  Все  эти  способы  обеспечивают  уменьшение,  как  правило, 
лишь  отдельных  составляющих  погрешности  в  сравнительно  небольших 
пределах, при нормальном режиме работы.  
Более  универсален  структурный  метод  коррекции  погрешности  с  по-
правкой по значению, позволяющий в значительной степени уменьшить то-
ковую,  угловую  и  другие  составляющие  погрешности.  Обобщенная  струк-
турная  схема  преобразователя  тока  с  коррекцией  погрешности,  пригодного 
для использования в широком диапазоне входных токов и частот, приведена 
на рисунке 1.  
Сущность метода состоит в том, что входной сигнал преобразуют в не-
скольких каналах с гальванической развязкой так, что в одном из них форми-
руют  основную  часть  выходного  сигнала,  а  в  других – сигналы  поправки  к 
нему,  позволяющие  в  значительной  мере  компенсировать  появляющиеся 
ошибки.  
На рисунке 1 обозначено:   – входной ток, – обмотки преобра-
1
1
6
зователей, ПТ – типовой измерительный преобразователь тока, ПК – коррек-
тирующий преобразователь,  – нагрузка, БК – блок корректирующего сиг-
н
нала.  



 
 
Рисунок 1 – Обобщенная структурная схема преобразователя тока с коррекцией 
погрешности (ПТК) 
 
Методики,  положенные  в  основу  выполненных  ранее  исследований,  не 
позволяют учитывать изменения динамических параметров системы и её не-
линейность. Результаты исследования, проведённые  в настоящей работе, не 
имеют этого недостатка. 
В третьей главе исследуется метод коррекции погрешности преобразо-
вателей  тока,  пригодный  для  использования  в  широком  диапазоне  входных 
токов  и  частот.  Рассматриваются  зависимости  погрешностей  от  параметров 
входных сигналов, а также влияния дестабилизирующих факторов. Схеме на 
рисунке 1 соответствует математическая модель в виде системы уравнений в 
операторной форме (1): 
p)pI p K p
I p
I p K
p
3
46
− ( )
( )
4
46
− ( )
6
− ( )
( )
5
56
= 0

pI p K p
                               (1) 
6
= ( ) ( )
5
у

p)
H
pI p
2
+ ( )
6
Полагая, с учётом схемы на рисунке 1, что         
p) = p);                                                                                                 (2) 
3
1
p) = p);           
              (3) 
4
2
получим из соотношений (1) – (3)  
p) − p)1
)( + γ )
p) = p) 36
46
12
12
,                                               (4) 
6
1
p)
1

+
p)
56
у


 
где  γ12  – погрешность  преобразователя  ПТ;  p) = /1
 – 
у
+τρ
у
передаточная  функция  блока  БК;  Ijp)   и  p)-  изображения  по  Лапласу 
H
токов  в j-той  обмотке  и  в    соответственно,  ∈ 1
[
]
6
.. ;  p)  – 
н
mn
коэффициент  передачи  между  обмотками m и n,  ∈ 1
[ 6
.. ]  и  ∈ ..
1
[ 6];τ – 
постоянная времени блока БК;  - коэффициент усиления при p=0. 
у
Окончательно, с учётом (1) и (4), для установившегося режима при  
p)
1

p)
;                                                                                        (5) 
у
<< 1
56
p) = p) ;                                                                                          (6) 
12
36
p) = 1;                                                                                                      (7) 
46
p) = p)p) .                                                                                     (8) 
H
1
12
Как видно из (8), погрешность γ12  преобразователя ПТ компенсируется. 
Приведённую концептуальную модель можно существенно уточнить за 
счёт  учёта  паразитных  и  других  параметров  преобразователей,  а  также 
нелинейности  характеристик  намагничивания  сердечника  непосредственно 
при моделировании с использованием программного обеспечения Simulink.  
Для преобразователя тока с коррекцией погрешности (ПТК) имеем сле-
дующую передаточную функцию: 
A1
p) =
,                                                                                                     (9) 
B1
где = 521
.
4
*10 5− * p3 + .
50 052 * p2 + 5243
.
0
p
1
= 03
.
8
*10 11

* 4
+ 28
.
9
*10 4− * 3
+ .
1 01*103 * 2
+ .
2 95*102 * + 88
.
2
 
1
На  рисунке 2 приведены  зависимости  относительной  токовой 
погрешности от величины первичного тока  I1 в диапазоне от 0 до 500 А, при 
нескольких  значениях  сопротивления  нагрузки  на  частоте  = 50 Гц  для 
преобразователя  тока  с  коррекцией  (ПТК)  и  преобразователя  тока  без 
коррекции (ПТ). Графики ПТ1 и ПТК1 соответствуют  = 0.2 Ом, а ПТ2 и 
н
ПТК2  = 0.4 Ом. 
н
Из графика видно, что ПТК имеет на порядок лучшие характеристики по 
сравнению  с  ПТ  в  достаточно  широком  диапазоне  частот,  при  этом 
погрешность преобразования ПТК не превышает 0.1 %.  
 


10 
 
 
Рисунок 2 - Зависимость номинальной токовой погрешности  
от величины входного тока 
 
Выполненные исследования позволяют указать диапазон параметров для 
блока  корректирующего  сигнала,  то  есть  для  коэффициента  усиления    и 
у
постоянной  времени  τ ,  при  которых  обеспечивается  требуемый  класс 
точности и приемлемое время протекания переходного процесса в системе не 
превышающее 0.04 с.  
Однако  при  коррекции  больших  токов  в  системе  с  непрерывной 
коррекцией  погрешности  рассеивается  и  потребляется  большая  мощность. 
Этот  недостаток  значительно  ослабляется  в  дискретной  системе,  где  
корректирующий  ток  создаётся  с  помощью  электронных  ключей, 
управляемых микроконтроллером.  


11 
 
Такое решение также позволит значительно уменьшить весогабаритные  
и эксплуатационные характеристики устройства и делает его более удобным 
для  применения на мобильных объектах. 
Передаточная  функция  системы  с  дискретной  коррекцией  погрешности 
при шаге дискретизации 
6
10−  сек. определяется соотношением: 
A2
(z) =
 ,                                                                                                  (10) 
B2
где 
= 02883
.
0
z6 − 02065
.
0
z5 − 06189
.
0
4 + 04129
.
0
z3 + 03733
.
0
2 − 02065
.
0
z
2
6
− 631
.
1
5
− 4283
.
0
4
+ 41
.
1
3
+ 03434
.
0
2
− 2921
.
0
− 02408
.
0

2
На  рисунке 4 показаны  графики  зависимостей  относительной  токовой 
погрешности  fi   для  измерительного  преобразователя  тока  (ПТ)  и  для 
преобразователя  тока  с  цифровой  коррекцией  погрешности  (ПТЦК)  от 
частоты входного сигнала   в диапазоне от 0 до 400 Гц, при номинальной 
величине первичного тока  =100 А и сопротивлении нагрузки  =0.2 Ом.  
1
н
 
 
Рисунок 4 - График зависимости показателей токовой погрешности от частоты  
входного тока 
 
Из графика видно, что ПТЦК имеет на порядок лучшие характеристики 
по  сравнению  с  ПТ  в  достаточно  широком  диапазоне  частот,  при  этом 
погрешность преобразования ПТЦК не превышает 0.05 %.  
На рисунке 5 приведены зависимости токовой погрешности от величины 
первичного  тока  I1   в  диапазоне  от 0 до 300 А,  при  использовании 
непрерывной (ПТК) и дискретной (ПТЦК) системы коррекции погрешности.   
 


12 
 
 
Рисунок 5 - Зависимость номинальной токовой погрешности от величины входного 
тока при использовании различных блоков коррекции погрешности 
 
Использования  цифрового  блока  коррекции  вместо  аналогового  хоть  и 
даёт  некоторое  увеличение  токовой  погрешности,  его  результаты  всё  равно 
остаются  на  порядок  лучшими  по  сравнению  с  некорректируемым 
преобразователем тока. 
Уменьшение  погрешности  типового  преобразователя  тока  в  несколько 
раз  позволит  обеспечить  улучшение  метрологических  характеристик  ИИС 
учёта электроэнергии в целом.  Выполнение этих условий технологически не 
сложно  и  не  повлечёт  существенных  изменений  уже  установленных  на 
предприятиях  измерительных  преобразователей  тока.  Такое  решение 
существенно расширяет диапазон рабочих токов и частот, а так же позволяет 
снизить влияние внешних факторов на точность измерений. 
Метод коррекции погрешности с поправкой по значению применим для 
основных элементов  ИИС учёта электроэнергии, таких как преобразователи 
тока и напряжения, счетчики электроэнергии.  
В  четвёртой  главе  проведен  анализ  параметров  ИИС  учёта 
электроэнергии с коррекцией погрешности. Исследованы основные факторы, 
влияющие  на  работоспособность  системы  и  погрешность  измерения, 
получены  рекомендации  по  модернизации  эксплуатируемых  измерительных 
каналов. 
Системы  измерений,  пригодные  для  применения  на  промышленных 
объектах  и  транспорте  должны  обеспечивать  не  только  требуемый  класс 
точности,  но  и  работать  в  реальных  условиях  эксплуатации.  Поэтому 
необходимо  рассмотреть  вопросы  работоспособности  измерительных 

13 
 
преобразователей  тока  из-за  отклонений  параметров  элементов  при 
производстве и эксплуатации. 
Наиболее предпочтительны методы анализа работоспособности системы 
при отклонении параметров элементов, основанные на использовании оценок 
чувствительности. Они являются весьма удобными для инженерных расчётов 
и требуют относительно небольшого объёма вычислений, позволяя получить 
результаты с приемлемой точностью.  
При  производстве  измерительных  преобразователей  тока  на  основе 
трансформаторов  важным  параметром  является  магнитная  проницаемость 
сердечника, т.к. она может значительно изменятся в различных партиях ста-
ли. На основной рабочей частоте 50 Гц для системы, описываемой выраже-
нием (9), при изменении магнитной проницаемости сердечника ПТ (рисунок 
1)  на 20 % получим  значение  относительной  чувствительности 
W
−6
Sp)
≈ .
2 58 *10 .  Данная  величина  свидетельствует  о  незначительном 
WLТТ
влиянии параметров сердечника преобразователя тока на ошибку выходного 
сигнала.   
Для оценки влияния параметров корректирующего преобразователя тока 
определим относительную  чувствительность системы с коррекцией погреш-
ности при изменении магнитной проницаемости сердечника ПК (рисунок 1) 
на 20 %. На частоте 50 Гц получим  Sp≈ 0 00114
.
. Это свидетельствует о 
WK
значительно  большем  влиянии  параметров  корректирующей  части  на  точ-
ность работы преобразователя тока с коррекцией. 
Обычно  интерес  представляют  не  абсолютные  отклонения  значений  вы-
ходной  характеристики  I
Δ ,  а  относительные  значения  этих  отклонений  I
δ , 
поэтому отклонения параметров элементов задаются так же в относительных 
величинах δ= Δ.  
i
i

Δ
n
I
I
δ =
= ∑
y
d
δ * ,                                                                                  (11) 
i
di
I
i=
ном
1
где   – номинальный ток;   – количество учтённых параметров. 
ном
При использовании выражения (11) следует иметь в виду, что оно являет-
ся  справедливым  лишь  для  достаточно  малых  отклонений  d
δ .  Во  многих 
i
практических случаях точность анализа линейных схем, обеспечиваемая вы-
ражением (11), оказывается достаточной при  − 0.25 ≤ δd

≤ +0.25
Таким образом, для элемента системы учёта электроэнергии с коррекци-
ей погрешности можно определить относительные значения этих отклонений 
используя полученные значения чувствительности. Значение относительного 

14 
 
отклонения 
−4
I
δ < .
2 5*10   при  частоте  первичного  тока 50
=
  Гц.  Относи-
тельные изменения выходной величины меньше относительной погрешности 
и соответствуют требуемому классу точности, это свидетельствует о высокой 
вероятности  работоспособности  системы  учёта  электроэнергии  в  различных 
условиях эксплуатации и низком проценте брака при производстве.  
При измерениях электрической энергии, реализуемых посредством ИИС 
(состоящей из измерительных преобразователей напряжения и тока, счетчика 
электрической энергии, линии присоединения счетчика к преобразователям), 
расчет  доверительных  границ  относительной  погрешности  измерений 
количества  электрической  энергии  при  доверительной  вероятности,  равной 
0.95,  выполняют  (в  предположении,  что  все  составляющие  погрешности 
имеют равномерную функцию плотности вероятности) по формуле: 
l
2
2
2
2
2
2
δ
.
1 1
δ
δ
δ
δ
δ
δ  ,                                       (12) 
= ±
×
+
+
Л со +
Θ
∑ ci
i=1
где  δ  – пределы  допускаемой  токовой  погрешности  преобразователя  тока;  
I
δ  – пределы  допускаемой  погрешности  напряжения  преобразователя  на-
U
пряжения;  δ  – доверительные  границы  допускаемой  погрешности  транс-
Θ
форматорной  схемы  подключения  счетчика  (при  измерениях  активной  или 
реактивной  электроэнергии);  δ  – погрешность  из-за  потери  напряжения  в 
л
линии  соединения  счетчика  с  преобразователем  напряжения;  δ  – пределы 
со
допускаемой  основной  относительной  погрешности  счетчика;  δ –  пределы 
сi
допускаемой  дополнительной  погрешности  счетчика  от i-й  влияющей  вели-
чины; l – число влияющих величин.  
На  рисунке 6 представлены  схемы  традиционной  ИИС  учета  электро-
энергии  и  ИИС  на  основе  преобразователя  тока  (ПТ),  преобразователя  на-
пряжения (ПН), корректирующего преобразователя (ПК) и счетчика электро-
энергии. На рисунке 6 также отражены погрешности используемых измери-
тельных преобразователей. 
При измерениях активной электрической энергии в предположении, что 
ИИС  состоит  из  измерительных  преобразователей  напряжения  и  тока  с 
коррекцией  (класс  точности 0,05) и  цифрового  счетчика  электрической 
энергии  с  коррекцией  (класс  точности 0,05), по (12) получим  δ
 

.
0
± %
1
l
( ∑ 2
δ
0 ,  поскольку  расчет  проводится  для  нормальных  условий 
ci =
i=1
эксплуатации счетчика). 


15 
 
 
Рисунок 6 –Структурная схема ИИС с учетом накопления:  
а) без коррекции; б) с коррекцией погрешности 
 
Значение  результирующей  погрешности  ИИС  учёта  электроэнергии  с 
коррекцией в 4 раза меньше чем у существующих аналогов. 
В приложении А приводится акт внедрения результатов диссертацион-
ной работы в Куйбышевской дирекции по энергообеспечению (филиал ОАО 
«РЖД»). 
 
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 
 
В  ходе  теоретических  и  экспериментальных  исследований,  выполнен-
ных  в  диссертационной  работе,  получены  следующие  основные  научные  и 
практические результаты и выводы. 
1.  Проведённый  анализ  существующих  методов  и  средств  коммерче-
ского и технического учёта электроэнергии и мощности показал, что системы 
учёта  практически  не  обеспечивают  требуемой  точности,  так  как  измери-
тельные устройства имеют большую погрешность и работают в условиях не 
надлежащих их эксплуатационным характеристикам 
2.  В  работе  доказано,  что  повышение  точности  учёта  электроэнергии, 
адекватное современным требованиям, невозможно без повышения точности 
основных  элементов  информационно-измерительных  систем,  особенно  пер-
вичных преобразователей, путём замены либо коррекции их погрешности. 
3.  Исследование  методов  коррекции  погрешности  измерительных  пре-
образователей  тока  и  напряжения  показало,  что  все  применяемые  методы 
обеспечивают  уменьшение  либо  отдельных  составляющих  погрешности  в 

16 
 
сравнительно небольших пределах, при нормальном режиме работы преобра-
зователей, либо, как метод обратной связи, имеют ограничение из-за потери 
устойчивости. 
4.  Исследования  математических  моделей  комбинации  методов  обрат-
ной связи с методом поправки по значению показали, что возможно обеспе-
чить погрешность масштабирующего преобразователя тока и напряжения не 
превосходящую сотых долей процента в широком диапазоне входных сигна-
лов при умеренных требованиях к коэффициенту усиления в замкнутом кон-
туре с обратной связью и незначительных требованиях к мощности усилите-
ля. 
5.  Впервые разработаны алгоритмические модели преобразователя тока 
с  коррекцией  погрешности  непрерывным  и  дискретным  сигналами,  учиты-
вающие  влияние  дестабилизирующих  факторов  на  погрешность  преобразо-
вания  и  позволяющие  проводить  большой  объём  экспериментов,  затрудни-
тельных при физическом моделировании. 
6.  Исследования  алгоритмических  моделей  преобразователей  тока  с 
коррекцией  погрешности  непрерывным  и  дискретным  сигналами  показали, 
что  погрешность  преобразования  типового  измерительного  преобразователя 
тока можно уменьшить в 5–10 раз путём введения дополнительного коррек-
тирующего канала. В результате исследований установлено, что существенно 
расширяется диапазон рабочих токов и частот, диапазон изменения рабочей 
нагрузки  во  вторичной  цепи  преобразователя,  снижается  влияние  внешних 
факторов на точность измерения электроэнергии. 
7.  Показано,  что  преобразователь  тока  с  коррекцией  погрешности  при 
изменении ряда параметров сохраняет работоспособность и остаётся в задан-
ном классе точности. 
8.  Результаты  исследования  алгоритмических  моделей  совпадают  с  
физическими экспериментами и подтверждаются внедрением в промышлен-
ность. 
9.  Анализ  результирующей  погрешности  определения  потреблённой 
электроэнергии  в  информационно-измерительной  системе  с  коррекцией  по-
грешности  показал,  что  введение  корректирующих  каналов  повышает  точ-
ность измерения электроэнергии в  2–4 раза, обеспечив погрешность системы 
не более   ±
%
1
.
0

Результаты  исследований,  полученные  в  диссертационной  работе,  по-
зволили решить поставленные задачи и достигнуть целей работы. 
 
 
 


17 
 
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 
 
Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК России 
1.  Франтасов  Д.Н.  Исследование  трансформатора  тока  с  коррекцией 
погрешности / А.  М.  Косолапов,  Д.  Н.  Франтасов // Датчики  и  системы. – 
2010. – № 6. – С. 55 – 58.  
2.  Франтасов  Д.Н.  Улучшение  метрологических  характеристик  транс-
форматоров тока с цифровым блоком коррекции погрешности / А. М. Косо-
лапов, Д. Н. Франтасов // Вестник транспорта Поволжья. – 2010. – № 3(23). –
С. 90–93.  
3.  Франтасов  Д.Н.  Анализ  чувствительности  при  оценке  совершенства 
элементов информационно-измерительных систем учета электроэнергии / А. 
М.  Косолапов,  Д.  Н.  Франтасов // Вестник  транспорта  Поволжья. – 2011. –    
№ 2(26). – С. 37–41. 
 
Публикации в журналах и сборниках научных трудов, материалах 
конференций 
4.  Франтасов Д.Н. Защита информации в подсистемах сбора информа-
ционных систем / А.М. Косолапов, Д.Н. Франтасов // Транспорт, наука, биз-
нес:  материалы  Всероссийской  научно-технической  конференции. – Екате-
ринбург: УрГУПС, 2008. – С. 73–74.  
5.  Франтасов  Д.Н.  Преобразователи  тока  для  систем  учета  электриче-
ской энергии / А.М. Косолапов, Д.Н. Франтасов // Актуальные проблемы раз-
вития  транспортного  комплекса:  материалы V Всероссийской  научно-
практической конференция. – Самара: СамГУПС, 2009. – С. 117–118.  
6.  Франтасов Д.Н. Оптимизация параметров измерительных трансфор-
маторов тока с корректирующим каналом / А.М. Косолапов, Д.Н. Франтасов 
//  Наука  и  образование  транспорту:  материалы  Международной    научно-
практической конференции. – Самара: СамГУПС, 2009. – С.163–164.  
7.  Франтасов Д.Н. Имитационное моделирование трансформатора тока 
с цифровым блоком коррекции погрешности / А.М. Косолапов, Д.Н. Франта-
сов // Актуальные  проблемы  развития  транспортного  комплекса:  материалы 
VI Всероссийской научно-практической конференции. – Самара: СамГУПС, 
2010. – С. 53–54.  
8.  Франтасов  Д.  Н.  Компьютерное  моделирование  датчиков  тока  мо-
бильных  объектов / А.М.  Косолапов,  Д.Н.  Франтасов // Перспективные  ин-
формационные  технологии  для  авиации  и  космоса:  труды  Международной 
конференции с элементами научной школы для молодёжи. – Самара: СГАУ, 
2010. – С. 92–94.  

18 
 
9.  Программный  комплекс  моделирования  измерительного  токового 
трансформатора с коррекцией (ПКМ ТТК) / А.М. Косолапов, Д.Н. Франтасов 
//  Свидетельство  о  государственной  регистрации  программы  для  ЭВМ          
№ 2009614987 от 11.09.2009. 
10.  Программный  комплекс  моделирования  измерительного  токового 
трансформатора  с  цифровой  коррекцией  (ПКМ  ТТКЦ) / А.М.  Косолапов, 
Д.Н. Франтасов // Свидетельство о государственной регистрации программы 
для ЭВМ № 2010610672 от 20.01.2010. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ФРАНТАСОВ Дмитрий Николаевич 
 
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ  ИНФОРМАЦИОННО-
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ УЧЁТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ  
 
Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные 
и управляющие системы (в промышленности и медицине) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Подписано в печать 23.05.2011. Формат 60х90 1/16. 
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 132. 
 
Отпечатано в Самарском государственном университете путей сообщения. 
443022, Самара, Заводское шоссе, 18. 
Тел. (846) 999-01-56. 
 

 
20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


Разместите кнопку на своём сайте:
поделись


База данных защищена авторским правом ©dis.podelise.ru 2012
обратиться к администрации
АвтоРефераты
Главная страница