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 разновидностямикоэффициенты мощностинапряжения 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 величинактивной 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 электроэнергииТрансватт 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 — 20 000 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.

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.