Krzysztof UrbaĔski - Uniwersytet Zielonogórski

,POGFSFODKBOBVLPXB,/84
v*OGPSNBUZLBT[UVLBD[ZS[FNJPT’P
D[FSXDB$[PDIB
POMIARY JAKOĝCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ Z WYKORZYSTANIEM TECHNIKI
MIKROPROCESOROWEJ
Krzysztof UrbaĔski
Instytut Informatyki i Elektroniki, Uniwersytet Zielonogórski
65-246 Zielona Góra, ul. Podgórna 50
e-mail: [email protected]
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono podstawowe definicje parametrów jakoĞci energii elektrycznej oraz
wymagania jakie powinny one spełniaü. Opisano proces zbierania i analizy wyników pomiarów
oraz zasadĊ działania analizatora parametrów sieci energetycznej.
1. WPROWADZENIE
W związku z liberalizacją rynków energii elektrycznej i moĪliwoĞcią zakupu energii u
dowolnego dostawcy, energia stała siĊ towarem o okreĞlonych parametrach, za który naleĪy
zapłaciü okreĞloną cenĊ. Parametry zjawisk związanych z jakoĞcią energii i zasady ich
pomiaru zostały znormalizowane i opisane w normach EN50160 i IEC-61000-x-xx. JakoĞü
energii elektrycznej rozumiana jest jako zespół charakterystyk napiĊcia zasilającego odbiorcĊ:
zmiany czĊstotliwoĞci sieci, fluktuacje, zwłaszcza te, które powodują migotanie Ğwiatła, nagłe
zmiany lub wyłączenia napiĊcia, asymetria napiĊü trójfazowych, harmoniczne,
interharmoniczne i przepiĊcia „szpilkowe”. Przykładowo, dla przeciĊtnego odbiorcy, Ğrednia
10s czĊstotliwoĞü sieciowa powinna wynosiü 50Hz±1% przez 95% tygodnia, Ğrednia 10 min
wartoĞü skuteczna napiĊcia powinna wynosiü 230V±10% przez 95% tygodnia a współczynnik
zniekształceĔ harmonicznych nie powinien przekroczyü 8%. Łączny czas wyłączeĔ w ciągu
roku nie powinien przekroczyü 48h, a jednorazowa przerwa nie moĪe byü dłuĪsza niĪ 24h. W
przypadku niedotrzymania przez dostawcĊ parametrów, odbiorca otrzymuje odpowiednią
bonifikatĊ. Rozliczenia miĊdzy dostawcą i odbiorcą wyzwoliły potrzebĊ zainstalowania
urządzeĔ pomiarowo – rejestrujących (analizatorów parametrów sieci), które umoĪliwiają
jednoznaczną ocenĊ jakoĞci energii elektrycznej.
2. PODSTAWOWE WYMAGANIA JAKIE MUSI SPEŁNIAû NAPIĉCIE SIECIOWE
Wymagania jakie musi spełniaü napiĊcie w sieci energetycznej wg normy EN50160
przedstawione są w tab. 1. Dla kaĪdego z wymienionych parametrów okreĞlony jest zakres
zmian lub procentowa tolerancja, którą parametr moĪe przyjmowaü. Ponadto opisany jest czas
225
uĞredniania parametru oraz czĊstotliwoĞü skumulowana czyli czĊĞü okresu obserwacji
(zwykle 95%) lub liczba przekroczeĔ w ciągu tego okresu, która jest dopuszczalna dla
spełnienia wymagaĔ normy.
Tab.1. Parametry jakoĞci energii wg EN50160.
Kryterium
Zakres / tolerancja
Czas
uĞredniania
CzĊstotliwoĞü
Okres
skumulowana obserwacji
50Hz ± 1%
10 s
95%
tydzieĔ
50Hz +4%/-6%
10 s
100%
tydzieĔ
Wolne zmiany napiĊcia
UN ± 10%
10 min
95%
tydzieĔ
Szybkie zmiany napiĊcia
UN ± 5%
10 ms
100%
dzieĔ
Plt≤ 1
2h
95%
tydzieĔ
(1% - 90%) UN
przez 10ms – 1s
10 ms
10 - 1000
rok
Krótkie przerwy w zasilaniu
<1% UN
przez < 3min
10 ms
10 - 100
rok
Długie przerwy w zasilaniu
<1% UN
przez > 3min
10 ms
10 – 50
rok
< 200% UN (<1.5kV)
10 ms
kilka sekund
Zmiany czĊstotliwoĞci
Fluktuacje napiĊcia - flicker
Zapady napiĊcia
PrzepiĊcia
PrzepiĊcia „szpilkowe”
Asymetria
Harmoniczne
µs ... ms
< 6 kV
< 2%
10 min
95%
tydzieĔ
THD < 8%
10 min
95%
tydzieĔ
< 9%
3s
95%
dzieĔ
Interharmoniczne
NapiĊcie sygnałowe
UN – znamionowe napiĊcie skuteczne sieci energetycznej
InterpretacjĊ graficzną poszczególnych parametrów przedstawiono na rys. 1.
3. SYSTEM REJESTRACJI I ANALIZY DANYCH
Zebranie „dobrych” danych jest połową sukcesu w ocenie jakoĞci energii elektrycznej.
Podstawowe kryteria, którymi siĊ naleĪy kierowaü to:
ƒ wybór odpowiedniego miejsca w sieci do zainstalowania analizatora;
ƒ
skorygowanie błĊdów połączeĔ w miejscu zainstalowania, do czego słuĪy funkcja
pomiarów w „czasie rzeczywistym”;
ƒ
właĞciwe ustawienie parametrów rejestracji, zwłaszcza progów wyzwalania
zapisu danych do pamiĊci, której wielkoĞü jest ograniczona.
Typowy system akwizycji danych do oceny jakoĞci energii elektrycznej przedstawiony jest na
rys. 2. ZłoĪony on jest z szeregu analizatorów umieszczonych w wĊzłach sieci energetycznej.
KaĪdy analizator wyposaĪony jest w interfejs komunikacyjny: RS232, RS485, USB, Ethernet,
modem analogowy lub GSM czy GPRS. Z drugiej strony łącza komunikacyjnego znajduje siĊ
226
U
U – napiĊcie w [%] wartoĞci znamionowej
napiĊcia sieci energetycznej
±10%
110%
< 6kV
<
±5%
100%
90%
kilka [s]
10ms – 1min
< 3min
µs...ms
> 3min
1%
Zapad
napiĊcia
Wolne zmiany Szybkie zmiany Krótkotrwały
napiĊcia
napiĊcia
zanik napiĊcia
Długotrwały
zanik napiĊcia
Chwilowe PrzepiĊcie
przepiĊcie „szpilkowe”
Rys. 1. Parametry opisujące zmiany napiĊcia w sieci energetycznej
komputer z oprogramowaniem słuĪącym do ustawiania konfiguracji pomiarowej kaĪdego z
analizatorów oraz parametrów rejestracji. Ponadto na komputerze zainstalowany jest tzw.
„scheduler” – program, który zarządza przepływem w czasie wyników pomiarów i ich
archiwizacją na lokalnym lub zdalnym komputerze. Zarchiwizowane dane poddawane są
ocenie ich zgodnoĞci z wymaganiami norm. Analiza przebiega w sposób automatyczny i
polega na przygotowaniu zestawu kryteriów oceny (tzw. Evaluation Profile) a nastĊpnie
wizualizacji wyników w postaci numerycznej i graficznej. JednoczeĞnie przygotowywany jest
raport potwierdzający zgodnoĞü z normami lub wskazujący miejsca rozbieĪnoĞci.
4. ANALIZATOR PARAMETRÓW SIECI ENERGETYCZNEJ
Struktura analizatora przedstawiona jest na rys. 3. Mierzone napiĊcie doprowadzone jest przez
precyzyjne dzielniki napiĊcia do filtru, który rozdziela przebieg na wysokoczĊstotliwoĞciowy
(>3,2kHz) do pomiaru napiĊü „szpilkowych” i niskoczĊstotliwoĞciowy (<3,2kHz) do pomiaru
wartoĞci skutecznej, harmonicznych i flickera.
NapiĊcie ze składowymi o wysokiej czĊstotliwoĞci przetwarzane jest w szybkim (2MHz)
227
RS232/485/USB
Sieü komputerowa
Analizator1
Ethernet
Analizator2
modem analogowy
Analizator3
„Scheduler”
modem GSM/GPRS
Oprogramowanie
do analizy
parametrów sieci
Analizator n
Analizator m
Wizualizacja
wyników, wykresy,
statystyki, raporty
„Scheduler”
Rys. 2. System pomiaru, akwizycji i analizy parametrów sieci energetycznej
A/C
szybki
FIFO
GPS
RAM, EPROM
>3.2kHz
U
filtr
<3.2kHz
I
µP
16bit
25MHz
PLD
filtr
<3.2kHz
A/C
12bit
A/C
12bit
80-265V AC/DC
Compact
Flash 64Mb
RS232
RS485
µP-DSP
16bit
75MHz
Zasilacz
USB
GSM/
GPRS
Ethernet
Rys. 3. Struktura analizatora do pomiaru parametrów sieci energetycznej
przetworniku A/C i zapisywane w rejestrze FIFO pod warunkiem, Īe wartoĞü przekroczy
okreĞlony poziom, co kontrolowane jest przez układ PLD. ZawartoĞü FIFO odczytywana jest
raz na okres przebiegu mierzonego przez mikroprocesor µP i zapamiĊtywana w pamiĊci
Compact Flash. NapiĊcie o składowych niskoczĊstotliwoĞciowych (podobnie prąd
wejĞciowy) jest próbkowane synchronicznie z szybkoĞcią 128 próbek na okres a procesor
DSP oblicza wartoĞci skuteczne i wartoĞci poszczególnych harmonicznych (FFT) sygnału.
228
Wyniki pracy procesora DSP odczytywane są przez procesor µP, poddawane wstĊpnej
analizie w celu redukcji nadmiarowych danych a nastĊpnie rejestrowane w pamiĊci Compact
Flash. SynchronizacjĊ zapisu danych z czasem astronomicznym zapewnia zegar DCF lub
system z odbiornikiem GPS. Komunikacja z analizatorem i pobieranie zarejestrowanych
danych odbywa siĊ przez jeden z aktywnych interfejsów. Analizator zasilany jest za pomocą
zasilacza o szerokim zakresie napiĊü wejĞciowych z podtrzymaniem akumulatorowym,
umoĪliwiającym pracĊ w czasie zaników napiĊcia zasilania.
5. OPROGRAMOWANIE DO ANALIZY WYNIKÓW POMIARÓW
Integralną czĊĞcią systemu analizy jest oprogramowanie na komputer klasy PC. UmoĪliwia
ono:
ƒ komunikacjĊ z poszczególnymi analizatorami;
ƒ
ustawienie parametrów i właĞciwoĞci analizatora („Meter Profile”) a w
szczególnoĞci wybór układu połączeĔ (1-fazowy / 3-fazowy, 3- lub 4przewodowy, wybór współpracujących przetworników prądowych);
ƒ
ustawienie parametrów rejestracji („Recording Profile”) a w szczególnoĞci czasu
rejestracji, prĊdkoĞci rejestracji, wybór rejestrowanych parametrów i czasu ich
uĞredniania, ustawienie wartoĞci progowych od których rozpoczyna siĊ
rejestracja;
ƒ
ustawienie zasad i warunków analizy danych („Evaluation Profile”) oraz sposobu
ich prezentacji;
ƒ
odczyt danych z poszczególnych urządzeĔ i zarządzenie bazą danych
pomiarowych.
Wygląd okna programu przedstawiony jest na rys. 4. Główną czĊĞü ekranu zajmuje okno
prezentujące wykres wybranych wielkoĞci wzglĊdem czasu. Wykresy mogą byü dowolnie
skalowane i umieszczane w róĪnym połoĪeniu wzglĊdem siebie. Zaznaczane na nich są
symbolami tzw. zdarzenia, czyli momenty w których mierzona wielkoĞü przekroczyła
ustaloną wartoĞü progową. MoĪliwe jest równieĪ przełączenie wyĞwietlania danych do
postaci liczbowej a dodatkowo harmoniczne wyĞwietlane są w postaci wykresów
słupkowych. Ponadto moĪliwe jest wyĞwietlanie danych statystycznych pozwalających na
analizĊ czĊstoĞci wystĊpowania poszczególnych zjawisk i porównanie jej z wymaganiami
norm. Wyniki pomiarów mogą byü przedstawione w postaci wartoĞci i czasu trwania
zdarzenia na wykresie zwanym krzywą CBMA, dziĊki której zdarzenia mogą byü
klasyfikowane jako dopuszczalne w normalnej pracy, niedopuszczalne ale takie, które nie
powodują uszkodzenia urządzeĔ podłączonych do sieci energetycznej, oraz niedopuszczalne,
które mogą spowodowaü uszkodzenia lub nawet zniszczenie urządzenia. Pozostałe okna
229
programu pozwalają na ustawienia profili miernika, rejestracji i analizy wyników oraz
komunikacji z urządzeniami.
Rys. 4. Widok głównego okna programu do pomiaru parametrów sieci energetycznej
6. ZAKOēCZENIE
Szybki rozwój Ğrodków telekomunikacyjnych, „urynkowienie” gospodarki energetycznej,
rosnące koszty energii i pracy oraz uzaleĪnienie od ciągłych dostaw energii wymuszają
potrzebĊ opracowania systemów pomiarów i kontroli jej jakoĞci. Ze wzglĊdu na iloĞü
parametrów i skomplikowane wymagania dla nich przewiduje siĊ gwałtowny rozwój
systemów do zautomatyzowanej oceny jakoĞci parametrów sieci energetycznej.
LITERATURA
[1] PN-EN 50160 Parametry napiĊcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych,
Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa 2002
[2] IEC 61000-4-30 Testing and measurement techniques –Power quality measurement
methods, IEC, Geneva 2003
230