Aktuální vydání

celé číslo

10

2019

Automatizace v chemii a petrochemii

Hladinoměry

celé číslo

Kompletní platforma pro analýzu kvality elektřiny

Analyzátory kvality elektřiny řady ENA od společnosti Elcom vyhovující mezinárodním standardům jsou založeny na běžně dostupných komponentách – robustní, flexibilní hardwarové platformě CompactRIO a grafickém vývojovém prostředí LabVIEW od firmy National Instruments. Speciálně vyvinutý firmware a grafické uživatelské rozhraní umožňují přístroje snadno konfigurovat a ovládat i pracovat s naměřenými i vypočítanými údaji včetně jejich ukládání a následného zpracování.

 

Proč je kvalita elektřiny důležitá?

Elektřina je produkt jako cokoliv jiného a v současnosti je snad nejvýznamnější „surovinou“ používanou v průmyslu. Je typem komodity, u níž je požadována kontinuální dodávka, která nemůže být skladována a jejíž kvalitu nelze kontrolovat dříve, než je skutečně použita. Přitom špatná kvalita elektřiny může právě v průmyslové výrobě způsobit významné škody v podobě znehodnocené produkce či poškozených strojů a zařízení. Monitorováním kvality elektřiny lze identifikovat potenciální problémy dříve, než narostou do té míry, že začnou působit škody spojené s mnohdy velkými finančními ztrátami. Prevence v této oblasti je v porovnání s náklady vyvolanými škodami relativně levná.
 

Co je třeba měřit?

Typický analyzátor kvality elektřiny měří tři fázová napětí a počítá kvalitativní ukazatele stanovené mezinárodními standardy (obr. 1). Kvalita elektřiny je v základním pohledu vyjádřena frekvencí napětí, odchylkami napětí od nominálních hodnot, kolísáním napětí, blikáním napětí (flicker), nesymetrií třífázové soustavy, spektrem vyšších harmonických a činitelem harmonického zkreslení. V některých případech je nezbytné provádět současně s analýzou napětí také analýzu proudových signálů. Pak lze vypočítávat další odvozené veličiny, jako je např. činný, jalový a zdánlivý výkon, energie atd.
 
Společnost ELCOM, a. s., nabízí řadu analyzátorů kvality elektřiny pod označením ENA (Elcom Network Analyzer). Analyzátor ENA představuje kompletní modulární systém ke sledování kvality elektřiny, který uživatelům poskytuje veškeré funkce měření a analýzy v souladu s požadavky aktuálních mezinárodních norem a standardů.
 

Východiska pro výběr hardwarové a softwarové platformy pro vývoj analyzátoru

K realizaci analyzátoru ENA byla vybrána platforma CompactRIO od firmy National Instruments (NI) s měřicími moduly řady C. V porovnání s měřicí technikou na bázi PC jde o velmi kompaktní platformu vyznačující se malými rozměry (88 × 180 × 90 mm). Rozsah provozní teploty od –40 do +70 °C a velmi malá spotřeba předurčují platformu NI CompactRIO k použití také v extrémních podmínkách. Současně zmíněná platforma nabízí jednotlivé hardwarové komponenty v různých provedeních, což umožňuje vybrat variantu sestavy tak, aby bylo možné do analyzátoru pružně doplňovat nové funkce.
 
Z široké nabídky modulů I/O je k měření napětí využíván modul NI 9225, k němuž lze přímo připojit napětí s efektivní hodnotou až 300 V. Tento modul je možné přímo využít k měření fázových napětí v sítích nízkého napětí, popř. jej lze připojit k výstupu měřicího transformátoru napětí, který má obvykle na svém výstupu nominální efektivní napětí 100 V. K měření proudu se používá modul NI 9227. Měřicí moduly NI 9225 a NI 9227 umožňují simultánně vzorkovat měřené signály se vzorkovací frekvencí až 50 kS/s. Společnost Elcom pro platformu cRIO alternativně nabízí vlastní hardwarové moduly pod označením EL9215U-R1 (měření napětí) a EL9215I-R1 (měření proudu). Tyto moduly jsou založeny na hardwaru NI 9215 ve spojení s elektronikou pro úpravu vstupních signálů vyvinutou společností Elcom.
 
K vývoji firmwaru analyzátoru ENA bylo využito grafické vývojové prostředí NI LabVIEW. V tomto vývojovém prostředí jsou vyvinuty všechny části softwaru analyzátoru ENA. Platforma LabVIEW umožňuje vytvářet přenositelné a rozšiřitelné aplikační programy, což se ukázalo jako velmi výhodné při přenosech softwaru mezi platformami cRIO a PC, kdy mohly být využity již dříve vyvinuté aplikační programy původně určené pro platformu PC. V současné době je nabízeno několik modelů analyzátoru kvality elektřiny na bázi systému cRIO, které se liší podle typu použitého CompactRIO a vstupních modulů. Minimální hardwarové požadavky na řídicí jednotku CompactRIO jsou 400MHz procesor a šasi s konfigurovatelným hradlovým polem se dvěma miliony hradel (2M FPGA).
 

Analyzátor kvality elektřiny na bázi platformy CompactRIO

Analyzátor ENA lze díky rozšiřitelnosti platformy NI CompactRIO, použitému operačnímu systému a přenositelnosti kódu LabVIEW postavit na různých mechanických platformách s různými rozměry a požadavky na vestavbu odpovídajícími specifickým potřebám zákazníků. Vedle provedení s využitím výhradně komponent NI CompactRIO (model ENA450.EC) jsou k dispozici varianty postavené na:
  • integrovaném systému CompactRIO, u něhož jsou v jednom šasi kombinovány procesor s vlastnostmi reálného času a konfigurovatelné hradlové pole (modely ENA450.EB, ENA450.NB),
  • jednodeskovém (single-board) systému RIO, v němž jsou všechny tři jádrové komponenty systému CompactRIO – procesor reálného času, konfigurovatelné hradlové pole a vstupy/výstupy – integrovány na jedné desce (model ENA460).
 
Softwarová část analyzátoru kvality elektřiny ENA je tvořena souborem aplikačních programů řešících vše od měření a on-line zpracování signálů přes dálkové ovládání analyzátoru a analýzu uložených údajů až po prohlížení a prezentaci údajů prostřednictvím internetu. Modulární koncept umožňuje při minimalizaci nákladů naplnit všechna zákaznická očekávání.
 

Měřicí funkce

Firmware analyzátoru ENA nazvaný ENA-Node běží přímo na platformě CompactRIO a zabezpečuje všechny měřicí funkce, on-line výpočty a ukládání údajů. Paralelně v něm běží tyto programové moduly (virtuální přístroje):
  • analyzátor na bázi FFT,
  • vektorový analyzátor,
  • monitor toku výkonů,
  • měřič kolísání napětí (flickermeter),
  • napěťový monitor podle EN 50160,
  • monitor půlperiodových efektivních hodnot,
  • analyzátor telegramů a výstrah,
  • digitální vstupy.
 
Všechny uvedené firmwarové moduly mohou zpracovávat jak 50Hz, tak 60Hz signály. Uživatel přístroje může sledovat údaje v reálném čase na virtuálním grafickém displeji a ukládat je do datových souborů. Všechny virtuální přístroje analyzátoru pracují se základní vzorkovací frekvencí 9,6 kS/s na měřený kanál. Vzorkovací frekvence je synchronizována s frekvencí měřených signálů. Použité algoritmy jsou v souladu s aktuálními standardy z oblasti kvality elektřiny (IEC 61000-4-30, IEC 61000-4-15 a IEC 61000-4-7).
 
Software přístroje měří a analyzuje tři napěťové a tři proudové signály. Na základě vzorkování časových průběhů měřených signálů dále vypočítává efektivní hodnoty napětí a proudů, frekvence, spektra signálů, celkové harmonické zkreslení, flicker, třífázovou nesymetrii, činný výkon, jalový výkon, zdánlivý výkon, různé energie a mnoho dalších veličin (tab. 1). Proudy, ve většině případů měřené na sekundární straně měřicích proudových transformátorů proudu (1 A/5 A), mohou být měřeny přímo (při použití modulu NI 9227 nebo proudového modulu ELCOM EL9215I-R1) nebo nepřímo při použití proudových
kleští připojených k modulu NI 9239 (obr. 2).
 

Uživatelské grafické rozhraní pro parametrizaci přístroje a správu a zpracování dat

Program ENA-Touch je softwarový nástroj pro práci s analyzátorem s intuitivním grafickým uživatelským rozhraní. Při použití tohoto nástroje lze provádět veškerá nastavení, zobrazovat naměřené a vypočítané hodnoty a nastavovat režimy ukládání dat. Nástroj ENA-Touch nabízí dva základní typy zobrazovacích panelů – panely prvního typu obsahují předem definované množiny veličin, druhý typ umožňuje nastavovat různé množiny zobrazovaných veličin a volit různé způsoby zobrazení jejich hodnot (tabulky, časové nebo frekvenční závislosti, statistiky). Nástroj ENA-Touch disponuje grafickým rozhraním optimalizovaným pro dotykovou obrazovku, a může tak být provozován např. na Ultra Mobile PC s rozlišením displeje 800 × 480 obrazových bodů. S firmwarem ENA-Node komunikuje nástroj ENA-Touch pomocí protokolu TCP/IP prostřednictvím rozhraní Ethernet. Simultánně s on-line zobrazováním lze údaje ukládat na paměťové médium pro následnou analýzu. Vypočtené veličiny jsou agregovány v čase a některé údaje jsou také statisticky zpracovávány ještě před jejich uložením. Údaje se ukládají periodicky v daných časových intervalech. Událostmi řízené ukládání se aktivuje v okamžiku splnění určené podmínky.
 
Nástroj ENA-Report také umožňuje uložené údaje pohodlně analyzovat v režimu off-line a včetně generování protokolů s grafickými výstupy.
 

Distribuovaný monitoring kvality elektřiny s přístroji ENA

S použitím skupiny analyzátorů ENA450 je možné vybudovat distribuovaný monitorovací systém kvality elektřiny. Údaje z distribuovaného systému sledování kvality elektřiny lze replikovat do databáze MS-SQL nebo Oracle. S využitím tohoto centrálního datového úložiště je pak možné údaje hromadně analyzovat off-line.
 

Závěry

Hlavními přednostmi analyzátoru elektřiny ENA ve všech jeho provedeních jsou kompatibilita s mezinárodními standardy, velká výkonnost, provozní flexibilita a malé rozměry. Komerčně dostupná hardwarová platforma NI Compact RIO s moduly řady C s vestavěnou elektronikou pro úpravu signálů, její standardní grafické vývojové prostřední LabVIEW a speciálně vyvinutý softwarový ovládací nástroj ENA-Touch s uživatelsky příjemným a intuitivním rozhraním umožňují analyzátor snadno spravovat i udržovat. Použitý koncept současně znamená výrazně menší náklady při rozšiřování monitorovacího systému. Aktualizovat a doplnit algoritmy či parametry při změnách standardů lze velmi rychle, takže je možné garantovat, že měření a výpočty prováděné analyzátory ENA jsou trvale v souladu s platnými normami.
 
Použitá otevřená koncepce umožňuje analyzátory snadno integrovat s jinými zařízeními a systémy. Komunikační protokoly mohou být upravovány či rozšiřovány tak, aby bylo možné analyzátory ENA připojit do již existujících systémů SCADA používaných u zákazníků. Do otevřené hardwarové struktury lze snadno přidávat další moduly I/O k realizaci doplňujících řídicích a monitorovacích funkcí. Systém analyzátoru ENA lze také snadno rozšířit o časovou synchronizaci využívající GPS nebo o bezdrátový přenos dat prostřednictvím GSM.
 
Flexibilita platformy CompactRIO a grafického vývojového prostředí LabVIEW umožnily v poslední době během několika málo týdnů realizovat analyzátor PMU (měřič fázorů). Analyzátor PMU umožňuje přesně vyhodnocovat tzv. synchrofázory podle normy IEEE C37.118-2005. V současné době odborníci ve společnosti Elcom pracují na sloučení analyzátoru PMU s analyzátorem kvality elektřiny ENA a zapisovačem přechodových dějů v jediný měřicí systém.
 
Daniel Kaminský, Petr Bilik, Jiří Hula,
ELCOM, a. s.
 
Obr. 1. Principiální schéma elektrické přenosové a distribuční sítě s instalací měřidla kvality elektřiny (ENA – Elcom Network Analyzer; údaje v závorkách jsou hodnoty napětí v daném bodě sítě)
Obr. 2. Připojení analyzátoru ENA k měřeným signálům při použití měřicích transformátorů napětí (vlevo – modul NI 9225) a proudových měřicích kleští (vpravo – modul NI 9239)
 

Tab. 1. Veličiny měřené a vypočítávané analyzátorem ENA

Napětí Proud Výkon Energie Napětí vyhodnocované podle EN 50160
RMS1) (200ms) RMS (200ms) účiník celková energie činného
výkonu
RMS
THD2) THD kosinus energie základní
harmonické činného
výkonu
THD
harmonické (1. až 50.) harmonické (1. až 50.) činný výkon celková energie jalového
výkonu
harmonické (1. až 25.)
meziharmonické
(0,5. až 49,5.)
meziharmonické
(0,5. až 49,5.)
harmonické činného
výkonu (1. až 50.)
energie první harmonické
jalového výkonu
nesymetrie
stejnosměrná složka stejnosměrná složka jalový výkon energie zdánlivého výkonu frekvence
nesymetrie harmonické jalového
výkonu (1. až 50.)
energie činného výkonu – pozitivní signály HDO3)
flicker (Pst4), Plt5)) energie činného výkonu – negativní
zdánlivý výkon energie jalového výkonu – induktivní
harmonické zdánlivého
výkonu (1. až 50.)
energie jalového výkonu – induktivní

1) efektivní hodnota, 2) celkové harmonické zkreslení, 3) hromadné dálkové ovládání, 4) Short Term Perceptibility, 5) Long Term Perceptibility