Разработка и исследование методов воспроизведения единиц электрической мощности и энергии и создание системы первичных и вторичных эталонов в области измерений электроэнергетических величин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.15, доктор технических наук в форме науч. докл. Шапиро, Ефим Зиновьевич

• Шапиро, Ефим Зиновьевич
• доктор технических наук в форме науч. докл.
• 1999

Оглавление диссертации доктор технических наук в форме науч. докл. Шапиро, Ефим Зиновьевич

Общая характеристика работы.

Введение.

1. Вопросы теории измерений фиктивной электрической мощности методом сравнения.

1.1 Особенности измерений фиктивной активной мощности.

1.2 Исследование неоднозначности функции преобразования и фазовой погрешности средств измерений фиктивной мощности

1.3 Исследование математических моделей типовых КИПМ и обоснование выбора вида функционального преобразователя для создания эталонных СИМ.-,. 1.4 Анализ тепловых режимов термоэлектрических КИПМ и погрешности сравнения мощностей постоянного и переменного тока

2. Разработка и исследование методов воспроизведения единицы электрической мощности и передачи ее размера.

2.1 Методы моделирования нагрузки.

2.2 Методы сравнения фиктивных мощностей постоянного и переменного тока.

3. Создание эталонной базы России в области измерений электроэнергетических величин (состав, результаты разработки и исследований, концепция развития).

3.1 Государственный первичный эталон единицы электрической мощности России ГЭТ 153

3.2 Рабочий эталон единицы электрической мощности ВЭТ 153

3.3 Транспортируемый эталон сравнения Трансватт 1.

3.4 Транспортируемый эталон сравнения Трансватт 1.2 и первичный эталон единицы электрической мощности Республики Корея (эталон КШБЗ).

3.5 Трехфазные эталонные счетчики электрической энергии Трансватт 3.1 и Трансватт 3.2.

3.6 Состояние и концепция развития системы передачи размера единиц мощности и энергии СИ электроэнергетических величин.

4. Международные сличения эталонов единицы электрической мощности и их результаты.

1.1 Сличения эталонов России и Финляндии.

Т.1 Сличения эталонов России, Республики Корея и Австралии Ключевые международные сличения эталонов единицы электрической мощности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов воспроизведения единиц электрической мощности и энергии и создание системы первичных и вторичных эталонов в области измерений электроэнергетических величин»

В диссертационной работе, представленной в форме научного доклада, приводится краткое содержание и результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных лично автором или при его участии и научном руководстве по созданию эталонных средств измерений электроэнергетических величин*, комплекс которых составляет в настоящее время эталонную базу России в этой области измерений. Проблема обеспечения единства измерений электроэнергетических величин при учете электроэнергии и оценке ее качества предусматривает в крупном плане проведение метрологических работ в двух направлениях:

- создание эталонов и средств передачи размеров единиц высоковольтным трансформаторам напряжения (10-1500 кВ) и тока (0.5-10 кА);

- создание эталонов и средств передачи размеров единиц всем разновидностям СИ электроэнергетических величин, работающих во вторичных цепях этих трансформаторов.

Результаты работ, отраженные в настоящем докладе, относятся ко второму из названных направлений.

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И.Менделеева.

Актуальность темы. Повышение точности измерений количественных и качественных показателей энергоносителей всегда было приоритетной задачей метрологии и измерительной техники, поскольку результаты этих измерений служат основанием для финансовых расчетов между производителем и потребителем энергии, а также позволяют оценить экономическую эффективность технологических процессов и оборудования, управлять ими или создавать новые энергосберегающие технологии.

Систематические работы по метрологическому обеспечению средств измерений (СИ) электроэнергетических величин были начаты во ВНИИМ в первой половине 50-х годов. Усилиями ведущих в этой области ученых: К.П.Широкова, М.С.Каяндер, Д.И.Зорина, А.Я.Безикович, В.С.Попова были созданы первые установки на основе электростатических и термоэлектрических компараторов, обеспечившие в то время уровень точности сопоставимый с мировым. Основной элемент термокомпаратора - многоэлементный термоэлектрический преобразователь ТЭМ, сконструированный и изготовленный Э.В.Ловцюсом, остается и сегодня одним из лучших в мире.

Под термином электроэнергетические величины здесь и далее понимается часть электрических величин, а также ряд параметров энергетических сетей и показателей качества электрической энергии таких, как электрическая мощность (активная, реактивная, полная, однофазная, трехфазная трехлинейная, трехфазная четырехлинейная, мощность прямых и обратных потоков, мощность гармонических составляющих, мощность искажений); электрическая энергия с теми же разновидностями; коэффициенты мощности; напряжения и токи в энергетических сетях.

Необходимо также отметить большой вклад в метрологическое обеспечение электроэнергетики таких ученых и специалистов, как: В.О.Арутюнов, Т.Б.Рождественская, Е.Д.Колтик, М.С.Векслер, Э.А.Кудряшов, В.У.Кизилов, П.П.Орнатский, П.В.Новицкий, О.П.Галахова, С.А.Кравченко, В.С.Белов, Ю.В.Никитин, И.Ф.Будовский, F.L.Hermach, E.S.Williams, W.J.Moore, G.Schuster, P.Miljanic и др.

В середине 70-х годов в связи с обострением энергетического кризиса появилась потребность в существенном увеличении точности измерений электрической энергии. Ведущие приборостроительные фирмы Германии, США, Канады, Швейцарии и Японии начали массовый выпуск счетчиков электроэнергии классов точности 0.5 и 0.2, а также разработку и выпуск эталонных средств измерений с погрешностью 0.05 % для их поверки. Метрологические организации Германии (РТВ), США (NIST), Канады (NRC) и другие приступили к созданию национальных эталонов единицы электрической мощности с погрешностью не более 0.01 %.

Аналогичные проблемы возникли и в Советском Союзе, где парк только рабочих счетчиков электроэнергии превысил 80 млн. единиц. Их поверка производилась с помощью десятков тысяч электродинамических ваттметров классов точности 0.2 и секундомеров. Для массовой поверки таких ваттметров, а также вольтметров и амперметров переменного тока во ВНИИМ на основе методов и технических решений, предложенных автором, были созданы: автоматизированная поверочная установка УППУ-1М [1], с погрешностью измерения мощности 0.04 % при cos (р = 1 (0.02 % - экземпляр ВНИИМ) и установка для поверки малокосинусных ваттметров УПМВ [28] с погрешностью 0.1 % при cos ф = 0.1. Серийный выпуск установок УППУ-1М (1200 шт.) в значительной степени снял остроту проблемы поверки эталонных, приборв класса 0.2, но не мог решить задачу метрологического обеспечения разработки новых, высокоточных (класса 0.02 - 0.05) СИ мощности и энергии.

В 1979 г. были проведены первые официальные международные сличения независимых* национальных эталонов единицы мощности трех стран: Германии, США и Канады. Отклонение от среднего для них размера ватта составило менее 0.005 %. После этого ведущие приборостроительные фирмы: ZERA, ЕМН, HEG (Германия), RADIAN, ROTEK (США), GUILDLINE (Канада) и др. начали выпуск эталонных СИ электрической мощности и энергии с погрешностью 0.01 - 0,02 %, часть из которых была закуплена другими странами в качестве национальных эталонов, и в 1981 г. были проведены международные сличения эталонов мощности уже 11 стран. В это время наша страна не входила в число стран с признанными размерами единиц мощности и энергии, что не позволяло проводить активную политику на внешнем энергетическом рынке при возникновении конфликтных ситуаций, связанных с неточностью учета энергии. Независимый эталон единицы мощности - эталон,воспроизводящий национальную единицу мощности на основе национальных единиц напряжения и сопротивления или тока.

Таким образом, к началу 80-х годов выявилась настоятельная потребность в решении двух чрезвычайно важных для экономики страны задач:

- создание системы метрологического обеспечения разработки, выпуска и эксплуатации высокоточных СИ электроэнергетических величин;

- обеспечение международного признания национальных единиц эталонов мощности и энергии и достоверности результатов наших измерений на внешнем энергетическом рынке.

Обе задачи могли быть решены только на основе проведения комплекса теоретических и экспериментальных работ, направленных на создание Государственного первичного эталона и функционально полной системы передачи размеров единиц к эталонным и рабочим СИ электроэнергетических величин. Несмотря: на то, что существенная часть названных задач за последние 15 лет решена, что нашло отражение в настоящей работе, они остаются актуальными и сегодня, когда техника измерений энергетических величин выходит на новый уровень и охватывает новые области измерений.

Цели и основные задачи работы. Настоящая работа посвящена разработке теоретических и научно-технических основ создания эталонной базы страны в области измерений основных электроэнергетических величин -активной электрической мощности и активной электрической энергии, а также разработке и практической реализации предложенной автором концепции построения эталонного комплекса, сочетающего высокую точность воспроизведения единиц и возможность передачи их размеров большинству электроэнергетических СИ с рациональными затратами на создание и обеспечение функционирования такого комплекса.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

- анализ и систематизация наиболее точных методов измерений электрической мощности и энергии и выбор основного направления работ;

- развитие теории измерений электрической мощности методом сравнения;

- разработка, теоретическое и экспериментальное исследование методов воспроизведения единиц электрической мощности и энергии;

- разработка и исследование методов передачи размеров единиц от первичного эталона вторичным эталонам и эталонным СИ различных энергетических величин;

- разработка структуры, основных технических решений и методов исследования первичного эталона единицы электрической мощности;

- разработка структуры, технических решений и методов исследования вторичных эталонов;

-разработка концепции развития системы передачи размеров единиц мощности и энергии широкому кругу (СИ) электроэнергетических величин;

- разработка принципов построения и создание транспортируемых эталонов сравнения для проведения международных сличений эталонов и передачи размеров единиц эталонным СИ, расположенным в удаленных от первичного эталона регионах.

Поставленные в диссертации задачи решались путем аналитических исследований с использованием положений теоретической метрологии, элементов математической статистики, функций комплексного переменного, высшей алгебры, дифференциального исчисления и математического моделирования, а также путем экспериментального исследования всех предложенных в работе методов измерений и последующих испытаний аппаратуры, реализующей эти методы.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. В теорию компарирующих измерительных преобразователей мощности введены понятия неоднозначности функции преобразования фиктивной мощности, коэффициента неоднозначности " и погрешности неоднозначности, позволившие объяснить природу нескольких основных составляющих погрешности сравнения мощностей постоянного и переменного тока и показать пути их уменьшения.

2. В отличие от известной частотнозависимой угловой погрешности СИ мощности введено понятие частотнонезависимой фазовой погрешности, как функции коэффициента мощности. Разработана методика выделения и исследования фазовой погрешности.

3. Предложены и исследованы математические модели компарирующих измерительных преобразователей мощности (КИПМ) с внутренними и внешними интеграторами выходных сигналов функциональных преобразователей (ФП). Выделен основной для создания исходных СИ мощности классификационный признак ФП - способ интегрирования мгновенной мощности. Теоретически обоснован выбор вида ФП для создания эталонных СИ электрической мощности.

4. Дана новая интерпретация и получены выражения для оценивания составляющих погрешности сравнения мощностей постоянного и переменного тока, вызванных неидеальностью характеристик функциональных преобразователей, показаны пути их уменьшения даже при больших отклонениях функции преобразования от идеальной.

5. Предложены, теоретически и экспериментально исследованы методы измерения (воспроизведения) электрической мощности, названные автором "Методами моделирования нагрузки". Эти методы, обеспечившие наивысшую точность воспроизведения единицы электрической мощности, положены в основу государственного первичного эталона.

6. Предложен теоретически и экспериментально исследован структурный метод подавления доминирующих составляющих погрешности одновременного сравнения мощностей постоянного и переменного тока при пространственном разделении каналов их преобразования. Этот метод положен в основу одной из модификаций эталона сравнения ВНИИМ Трансватт 1.2.

-77. Предложены и исследованы методы одновременного сравнения в одаом компарирующем преобразователе фиктивных мощностей с частотным и временным разделением каналов преобразования. Эти методы использованы в последней модификации эталонного трехфазного счетчика электроэнергии -Трансватт 3.2.

Практическое значение и реализация результатов работы

1. Разработанные методы воспроизведения единицы электрической мощности и значений коэффициента мощности (Кр) обеспечили создание в 1986 г. впервые в стране государственного первичного эталона единицы заектрической мощности ГЭТ 153-86, при этом точность измерений электрической мощности и энергии в широких диапазонах напряжений, токов, частот и коэффициентов мощности была повышена в 5 раз.

2. Введение в действие первичного эталона и внедрение государственной поверочной схемы для средств измерений электрической мощности и коэффициента мощности обеспечило централизованное воспроизведение единицы и регламентировало порядок передачи ее размера, что позволило обеспечить единство измерений электроэнергетических величин в стране.

3. Создание первичного эталона ГЭТ 153-86 и рабочего эталона ВЭТ 153-88, переданного в 1988 г. головному институту Министерства приборостроения, обеспечило разработку и выпуск первых отечественных средств измерений электрической энергии классов точности 0.05 и 0.1.

4. Создание первого транспортируемого эталона сравнения Трансватт 1 с нестабильностью 0.001 % в месяц позволило провести в 1991 г. первые международные сличения эталона России и эталона Финляндии, аттестованного предварительно в РТВ (Германия), и таким образом объективно подтвердить заявленный высокий уровень точности первичного эталона. Эталон сравнения Трансватт 1, аттестованный, кроме того, как эталонный счетчик электроэнергии с основной погрешностью 0.01 %, обеспечил передачу размера единиц наиболее точным стационарным СИ мощности и энергии.

5. Обеспечена передача размеров единиц от однофазных первичного или рабочего эталонов трехфазным средствам измерений мощности и энергии с помощью трехфазных эталонных счетчиков электроэнергии Трансватт 3.1 (старое наименование ТТО-1) и Трансватт 3.2 с основной погрешностью 0.02 % при cos ф=1 и 0.03 % при cos ф=0.5.

Трансватт 3.1 является исходным средством измерений крупнейшего в стране производителя счетчиков электроэнергии ПО "КВАНТ", г. Невинномысск.

6. На основе предложенных в работе методов измерений автором разработан и исследован в период 1992-1995 гг. независимый первичный эталон единицы электрической мощности Республики Корея (институт KRISS). Центральный узел этого эталона - двухканальный компаратор мощности одновременного сравнения продублирован для ВНИИМ и используется как эталонный компаратор мощностей постоянного и переменного тока Трансватт 1.2 с погрешностью сравнения не более 0.002 %. Экземпляр компаратора, принадлежащий КИКБ, использован для международных сличений эталонов России, Кореи и Австралии. Полученные расхождения результатов измерений для трех стран не превысили 0.002 %, что соответствует лучшим результатам международных сличений эталонов мощности в последнее десятилетие.

7. Опубликованные и представленные на международных конференциях материалы эталонных работ, проводимых ВНИИМ, а также результаты сличений эталонов России и Финляндии, России, Республики Корея и Австралии способствовали укреплению международного признания эталонов национальных единиц мощности и энергии России, что выразилось в предложении Консультативного Комитета * "по Электричеству (ККЭ) Международного Комитета Мер и Весов (МКМВ) принять участие в ключевых сличениях 1997-1998 гг. эталонов электрической мощности с целью установления эквивалентности национальных эталонов 10 ведущих в этой области стран мира.

Сличения с помощью транспортируемого эталона сравнения, присланного МБТ (США), проведены во ВНИИМ в 1998 г. По предварительным данным расхождения результатов измерений ВНИИМ и КЧБТ не превосходят 0.002 %.

8. Разработана и частично реализована долговременная концепция развития эталонной базы России в области измерений электроэнергетических величин.

9. Совокупность рассмотренных выше эталонных средств измерений электрической мощности и энергии является основой эталонной базы страны в области измерений электроэнергетических величин, которая в значительной степени обеспечивает потребности приборостроения и электроэнергетики.

Апробация работы. Диссертация является результатом обобщения опубликованных работ, выполненных автором в период 1968 - 1998 гг.

Обновные положения работы докладывались и обсуждались на отечественных и международных конференциях, совещаниях, симпозиумах и семинарах, в том числе:

- на конференциях: "Автоматический контроль и методы точных измерений" (Новосибирск, 1968 г.); "Комбинированные измерительные приборы" (Житомир, 1970 г.); "Метрология и методы точных измерений" (Тбилиси, 1971 г.); "Электронные приборы, основанные на коммутационных методах измерений" (Львов, 1973 г.); "Точные измерения энергетических величин" (Ленинград, 1982 г.); " Точные измерения электрических величин переменного тока" (Ленинград, Кириши, 1985, 1988 гг.); "Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике." (Харьков, 1988 г.); т»оесий&КАЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ .9- БИБЛИОТЕКА

- на международных семинарах и конгрессах: IMEKO-IV (1972, 1990 гг.), на ККЭ (1975, 1995 гг.); на международных конференциях: "Интеллектуальные средства измерений электрических и магнитных величин", (Варна, 1990 г.); "Датчики и преобразователи информации для систем измерений и управления" (Гурзуф, 1993 г.); СРЕМ-94, (Boulder, США), СРЕМ-96, (Брауншвейг, Германия); СРЕМ-98, (Вашингтон, США);

- на НТК Госстандарта РФ в 1994, 1996 и 1998 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано лично и в соавторстве 60 печатных работ, в том числе монография "Измерение электрической мощности в звуковом диапазоне частот", книга "Поверка средств электрических измерений", три учебных пособия для слушателей института стандартизации и метрологии (ВИСМ), 15 авторских свидетельств на изобретения, 2 ГОСТа, восемь зарубежных публикаций.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Развитие теории компарирующих измерительных преобразователей мощности (КИПМ):

- введение понятий коэффициента неоднозначности функции преобразования КИПМ, погрешности неоднозначности и фазовой погрешности КИПМ и новый подход к анализу и методам подавления доминируищих составляющих погрешности эталонных СИ мощности на основе этих понятий;

- проведение систематизации и классификации КИПМ для исходных СИ мощности на основе анализа математических моделей типовых КИПМ, позволившего выбрать функциональный преобразователь, потенциально обеспечивающий минимальную погрешность сравнения мощностей постоянного и переменного тока.

2. Новые методы воспроизведения единицы электрической мощности и передачи ее размера - методы физического и геометрического моделирования нагрузки.

3. Результаты разработки и исследования государственного первичного эталона единицу электрической мощности (ГЭТ 153-86) и государственной поверочной схемы для СИ электрической мощности и коэффициента мощности в диапазоне частот 20 - 20000 Гц.

4. Новые методы сравнения мощностей постоянного и переменного тока с частотным, временным и пространственным разделением. каналов преобразования с помощью КИПМ с изменяемой структурой.

5. Результаты разработки и исследований вторичного эталона единицы электрической мощности ВЭТ 153-88.

6. Результаты разработки и исследований первичного эталона единицы электрической мощности Республики Корея (эталон KRISS).

7. Результаты разработки и исследований однофазных транспортируемых эталонов сравнения Трансватт 1 и Трансватг 1.2.

-108. Результаты разработки и исследований вторичных эталонов единицы электрической мощности для трехфазных цепей - трехфазных эталонных счетчиков электрической энергии Трансватт 3.1 и Трансватт 3.2.

9. Результаты международных сличений эталона единицы электрической мощности России с целью установления эквивалентности национальных эталонов.

10. Концепция дальнейшего развития эталонной базы России в области измерений электроэнергетических величин.

ВВЕДЕНИЕ

Ускоренное развитие в начале 80-х годов топливно-энергетического комплекса, энергомашиностроения, энергоприборостроения и расширение внутреннего и внешнего энергетических рынков потребовали существенного повышения точности измерений электроэнергетических .величин, а также обеспечения международного признания размеров отечественных единиц электрической мощности и энергии и достоверности результатов учетных операций при международной торговле электрической энергией.

Эти требования промышленности и экономики могли быть удовлетворены путем создания эталонного комплекса средств измерений, включающего в себя:

- независимый первичный эталон, воспроизводящий основную в этой области измерений величину - ватт на основе национальных единиц напряжения и сопротивления;

- развитую систему вторичных эталонов, обеспечивающих передачу размера единицы электрической мощности широкому кругу различных однофазных и трехфазных СИ электрической энергии, мощности и других энергетических величин;

- высокостабильные транспортируемые эталоны сравнения, обеспечивающие возможность проведения международных сличений эталонов.

Создание энергетического эталонного комплекса, адекватного по метрологическим характеристикам лучшим мировым аналогам, представляет собой сложную научно-техническую проблему и достаточно крупный инженерный проект, требующий значительных финансовых затрат и соответствующего технологического уровня для его реализации. В связи с этим теоретически обоснованный выбор основного направления исследований представляется наиболее важной задачей начального этапа работ.

Анализ состояния эталонных работ по воспроизведению единицы электрической мощности, проводившихся специалистами ведущих в данной области измерений метрологических лабораторий: Германии (РТВ, И-Ве^еэг, М.Юопг); США (МБТ, И.ОШат, О^епЬакеп); Канады (ИКС, Р.РШрэк!); Англии С№РЬ, РЛ.'МПапз); Японии (Ъ1ЕЬ, К.ТакаЬазЫ); Австралии (ЫРЬ, ВЛг^Нз) показал, что повторение используемых в этих странах методов и

-11 технических решений не даст желаемого результата в связи с существенными различиями в технологической базе и в финансовых возможностях.

В то же время, безусловно, целесообразным было использование многолетнего опыта, результатов исследований и материальной базы, накопленных во ВНИИМ им.Д.И.Менделеева в области измерений электрических величин переменного тока.

С начала 50-х годов во ВНИИМ традиционно развивались методы измерений переменного тока, напряжения и мощности, основанные на сравнении измеряемых величин с однородными величинами постоянного тока с помощью различных видов компараторов. Усилиями упомянутых выше ученых и специалистов ВНИИМ в 60-е годы была обеспечена возможность измерения электрической мощности с погрешностью 0,05 - 0,2% (в зависимости от области частот и коэффициентов мощности).

В 70-е годы эта погрешность была уменьшена до 0,02-0,05% за счет методов, предложенных автором и реализованных в поверочных установках УППУ-1М [15] и УПМВ [28]. Достигнутые результаты во многом были обеспечены благодаря уникальным метрологическим характеристикам многоэлементных термоэлектрических преобразователей ТЭМ, созданных во ВНИИМ, однако, технологические возможности дальнейшего улучшения их характеристик и снижения таким путем погрешности измерений мощности были практически исчерпаны.

Следующий шаг в повышении точности измерений мощности потребовал проведения углубленного теоретического анализа физической природы погрешностей сравнения мощностей постоянного и переменного тока и разработки новых методов измерений, не требующих высокого качества функциональных преобразователей, которые позволили создать эталон единицы электрической мощности с погрешностью воспроизведения единицы 0,003 - 0,01% и ряд вторичных эталонов, обеспечивших передачу размера единицы мощности к СИ электрической мощности и энергии.

Учитывая многообразие электроэнергетических величин и еще большее многообразие и массовость средств их измерений, не менее важной является задача разработки общей концепции построения эталонной базы, сочетающей высокую точность и многофункциональность с рациональными затратами на ее создание и эксплуатацию.

Результаты решения отмеченных задач представлены в настоящем докладе.