Krzysztof_PODLEJSKI_.. - Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów

Nr 58
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 58
Studia i Materiały
Nr 25
2005
licznik energii, harmoniczne
Krzysztof PODLEJSKI* Janusz FIUT* *
F
KONTROLNY LICZNIK ENERGII ELEKTRYCZNEJ
Z ANALIZĄ HARMONICZNYCH
Kontrolne liczniki energii elektrycznej są przyrządami pomiarowymi spełniającymi najwyższe wymagania metrologiczne. Błędy podstawowe takiego licznika definiowane są w określonych warunkach
odniesienia. Praktyka pomiarowa pokazuje, że inne liczniki, wzorcowane za pomocą liczników kontrolnych, pracują w warunkach odbiegających od przyjętych w normach badań. Dotyczy to głównie przypadków przekraczania wartości mocy przenoszonych przez wyższe harmoniczne, zarówno w przebiegach
prądowych jak i napięciowych. Przedstawiony w artykule licznik posiada dodatkowe możliwości pomiaru wielkości elektrycznych a w szczególności energii elektrycznej, w obecności wyższych harmonicznych. Może być także wykorzystany jako analizator harmonicznych. Opisany licznik kontrolny może
pracować w układach: porównania bezpośredniego, metody impulsowej i fotogłowicy, w dowolnych
układach pomiarów trójfazowych. Licznik zawiera opcję rejestracji wewnętrznej, definiowaną przez
użytkowników lub rejestracji zewnętrznej w systemie nadrzędnym, opartym o komputer klasy PC. Warstwa aplikacji może być pisana samodzielnie lub dostarczona użytkownikom. Istotną cechą licznika jest
możliwość zastosowania go do kalibracji źródeł prądowych i napięciowych o kształtowanych przebiegach elektrycznych.
1. WPROWADZENIE
Pomiar energii elektrycznej w określonych warunkach odniesienia oraz warunkach
przebiegów odkształconych [1, 2] wymaga opracowania kontrolnych liczników energii elektrycznej, które umożliwią wzorcowanie liczników przemysłowych indukcyjnych bądź statycznych o klasach dokładności niższych niż 0,5. Należy zaznaczyć, że
znane są zagraniczne liczniki kontrolne [3, 4, 5], spełniające odpowiednie wymagania
(ale z ograniczonymi możliwościami analizy harmonicznych ), są to jednak urządzenia
bardzo kosztowne i wykonywane na specjalne zamówienia. Doświadczenia nabyte
__________
*
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-370, Wrocław,
ul. Smoluchowskiego 19, [email protected]
**
Instytut Komputerowych Systemów Automatyki i Pomiarów, 51-608 Wrocław, ul. Różyckiego 1
przy projektowaniu i realizacji kontrolnych statycznych liczników energii stanowiły
podstawę do przyjęcia następujących podstawowych założeń:
- pomiar energii czynnej w układzie 3 i 4 przewodowym z błędem ±0,05/PF [%],
gdzie PF jest wartością współczynnika przesunięcia fazowego,
- pomiar energii pozornej z dokładnością ±0,1/PF [%],
- zakres pomiarowy natężenia prądu 0,01–120A,
- zakres pomiarowy napięcia prądu 36–324V (napięcie fazowe),
- pomiary energii i analiza harmonicznych do 48 włącznie,
- możliwość rejestracji danych pomiarowych,
- możliwość współpracy z zewnętrznym kontrolerem (interfejs RS-232, RS-485),
- koszty i cena niższa od porównywalnych przyrządów importowanych.
2. ZASADA DZIAŁANIA LICZNIKA
Sygnały elektryczne U i I są dołączane do układów wejściowych przyrządu: przekładników napięciowych i prądowych, które dopasowują ich wartość do wymagań
wzmacniaczy wejściowych (rys.1). Następnie sygnały przekazywane są do przetworników analogowo-cyfrowych.. Kolejne układy przetwarzania sygnałów są odseparowane galwanicznie za pomocą optoizolatorów. Także tory prądowe i napięciowe są
wzajemnie odseparowane galwanicznie. Proces próbkowania jest synchronizowany z
badanymi sygnałami (jedno z napięć lub prądów fazowych) w układzie pętli fazowej
PLL. Blok obliczeniowy został zrealizowany z wykorzystaniem procesora sygnałowego (moduł DSP), który wykonuje obliczenia wartości natężenia i napięcia prądu, mocy, energii, współczynnika przesunięcia fazowego i realizuje szybką transformatę
Fourier’a (okno prostokątne o szerokości czterech okresów) do analizy harmonicznych. Ponadto w bloku tym jest wytwarzany sygnał o częstotliwości proporcjonalnej
do mierzonej mocy. Do głównych zadań bloku sterującego (moduł CPU), zrealizowanego w oparciu o mikrokontroler, należą: sterowanie działaniem licznika na podstawie danych z klawiatury lub interfejsu (układy pracy i zakresy pomiarowe), gromadzenie, wizualizacja i transmisja danych. Klawiatura i wyświetlacz są podstawowymi
narzędziami do komunikacji z użytkownikiem. Na płycie czołowej licznika umieszczono także diody LED wskazujące przekroczenie zakresu prądowego lub napięciowego a także realizowanie procesu rejestracji danych. W polu klawiatury można wyróżnić dwa obszary zróżnicowane ze względu na pełnione funkcje. Pierwszym jest
pole klawiszy numerycznych do wprowadzania danych liczbowych (stałej badanego
licznika, korekty daty, czasu i częstotliwości wykonywania pomiarów w opcji rejestracji danych).
Rys. 1. Schemat blokowy licznika
Fig. 1. Block diagram of counter
Drugim jest pole klawiszy funkcyjnych do realizacji następujących funkcji: wybór
konfiguracji układów wejściowych i zakresów pomiarowych, zdefiniowanie parametrów do wizualizacji, określenie parametrów do współpracy z licznikami zewnętrzny-
mi, włączanie trybu automatycznego wyboru zakresów pomiarowych. Pole odczytowe
licznika jest zbudowane z alfanumerycznego wyświetlacza LCD i spełnia dwie funkcje: okna dialogowego i okna informacyjnego. Blok interfejsu jest separowany galwanicznie od pozostałych układów.
Rys.2. Widok licznika
Fig. 2. Prospect of counter
Zawiera on linie częstotliwości wyjściowej proporcjonalnej do mierzonej energii
(sygnał w standardzie HCT i RS-485), linie komunikacyjne z zewnętrznym komputerem (sterowanie zmianą zakresów pomiarowych i konfiguracją układu pomiarowego
oraz przesyłanie danych w czasie rzeczywistym lub zgromadzonych w trakcie rejestracji) i linie wejściowe do współpracy z licznikami zewnętrznymi (wyznaczanie
wartości błędu licznika badanego). Te typowe funkcje pomiarowe i komunikacyjne
uzupełniają funkcje specjalne związane z autokalibracją, testami (wyświetlacza, klawiatury, wejść i wyjść impulsowych, szeregowego interfejsu komunikacyjnego), restartem, zmianą źródła synchronizacji próbkowania, przekroczenia wartości szczytowych sygnałów wejściowych, sprawdzenia wejść impulsowych napięciowych i
prądowych (rys.2 przedstawia panel czołowy licznika). Przykładowym rodzajem pracy licznika kontrolnego jest określenie błędu licznika zewnętrznego z wykorzystaniem
wyjścia impulsowego tego licznika lub fotogłowicy sprzężonej ze sprawdzanym licznikiem. W tym trybie obliczanie błędu dokonywane jest cyklicznie, po upływie czasu
zadanego przez użytkownika. Czas pomiaru zależy od dokładności sprawdzanego
licznika, częstotliwości sygnału pomiarowego tego licznika i częstotliwości sygnału
pomiarowego z licznika kontrolnego.
3. WYBRANE DANE TECHNICZNE
Pomiar natężenia prądu realizowany jest w zakresie 0,01–120A (co oznacza 10–
120% wartości znamionowej IN), przy czym dopuszczalna wartość szczytowa wynosi
3×IN. W przypadku opcji licznika kontrolnego wymaga się wartości THD≤3%. Dla
opcji analizatora harmonicznych realizowana jest analiza do 48 harmonicznej przy
współczynniku szczytu ks≤3. Pomiar kątów fazowych w odniesieniu do harmonicznej
podstawowej przeprowadzany jest w zakresie od 2 do 13 harmonicznej. Pomiar napięcia realizowany jest w zakresie 36–324V (co oznacza 60–135% wartości znamionowej
UN). Dopuszczalna wartość szczytowa napięcia wynosi 2×UN. Pomiar kątów fazowych harmonicznych jak i zakres analizy jest taki sam jak dla wejść prądowych, natomiast analizę harmonicznych ograniczono do przypadku , gdy THD≤40% (przebiegi
napięciowe). Zakres pomiaru współczynnika mocy wynosi 0,25 ind…1…0,25 poj.
Licznik realizuje czterokwadrantowy pomiar mocy i energii. Licznik może pracować
jako licznik kontrolny energii lub analizator harmonicznych. Błędy i warunki pracy
dla każdej z tych funkcji określone są oddzielnie. W przypadku licznika kontrolnego
maksymalny błąd pomiaru mocy i energii czynnej wynosi ±0,05/PF% wartości mierzonej, mocy i energii biernej ±0,12/PF% wartości mierzonej (podobnie dla mocy i
energii pozornej). Dla współczynnika mocy PF błąd jest≤0,002. Zgodnie z wymaganiami odpowiednich norm określono także błędy dodatkowe licznika kontrolnego
związane z odkształceniem przebiegów napięciowych i prądowych oraz wpływem
zmian temperatury otoczenia i pola magnetycznego pochodzenia zewnętrznego. W
przypadku pracy przyrządu jako analizatora harmonicznych pomiar wartości skutecznych napięcia i natężenia prądu realizowany jest z błędem ±0,05% wartości mierzonej.
Wartość błędu przesunięcia kątowego między składowymi podstawowymi natężenia i
napięcia prądu wynosi ±0,2º a wartości błędów pomiaru przesunięć kątów fazowych
poszczególnych harmonicznych nie przekraczają ± 0,5º×k (gdzie: 2 ≤k≤ 13). Wyznaczono także błędy pomiarów wartości skutecznych napięcia i natężenia prądu poszczególnych harmonicznych i współczynnika zniekształceń THD. Również dla analizatora harmonicznych określono błędy dodatkowe zależne od współczynnika szczytu
napięcia i natężenia prądu, temperatury otoczenia i zewnętrznego pola magnetycznego. Przykładowo, licznik spełnia wymagania klimatyczne dla przyrządów pomiarowych grupy A (PN 89/T 06500/06), mechaniczne dla przyrządów pomiarowych grupy
M1 (PN 92/T 06500/7), a w przypadku generowania zakłóceń radioelektrycznych
spełnia wymagania urządzeń klasy B (PN-EN 55022/1996).
4. PODSUMOWANIE
Przedstawiony w artykule kontrolny statyczny licznik energii elektrycznej z analizą
harmonicznych charakteryzuje się cechami metrologicznymi spełniającymi najwyższe
wymagania. Został wykonany w kilku prototypach i został wdrożony do produkcji.
Zaproponowane rozwiązania konstrukcyjne, informatyczne, ergonomiczne i nowatorski proces produkcji pozwoliły na obniżenie kosztów, w stosunku do porównywalnych przyrządów importowanych i zyskało się z szerokie zainteresowanie instytucji
wzorcujących liczniki energii elektrycznej. Obecnie trwają prace mające na celu dalszą optymalizację procedur obliczeniowych i transmisji między-pakietowej. Zainicjowano także prace badawcze mające na celu zastosowanie licznika do korekcji sygnałów zadawanych z programowanych źródeł mocy wykorzystywanych do kalibracji
liczników energii elektrycznej.
LITERATURA
[1] FIUT J. LESZCZYŃSKI J., PODLEJSKI K., Potrzeby budowy wzorcowych liczników energii elektrycznej przebiegów odkształconych , Warszawa, KKM, 2001.
[2] SAWICKI J., Pomiar mocy czynnej w warunkach przebiegów odkształconych, Gdańsk, KKM 1998.
[3] Landis &Gyr., D3000.Instruction of service.
[4] Radian Research., RD 31.www.radianresearch.com.
[5] Meters Test Equipment AG., SRS 121,3.www.mte.ch.
A ELECTRICAL ENERGY CONTROL METER AND HARMONICS ANALYZER
The presented electrical energy control meter complies to the highest metrology requirements. The
proposed design solution and novel technological process allowed for a significant cost reduction as
compared to similar imported units. Currently further works are performed to optimize and improve the
computational procedures and inter-packet transmission, in order to allow the device to be used for signal
correction of programmable source at electrical energy meter calibration stand.