Řešení

Analyzátor kvality elektřiny, který vyhovuje platným mezinárodním standardům a je založen na běžně dostupných hardwarových komponentách, jako je CompactRIO - robustní, flexibilní hardwarová platforma - a LabVIEW - grafické vývojové prostředí.

Firmware přístroje umožňuje společně se softwarovými aplikacemi uživatelského grafického rozhraní snadnou konfiguraci přístroje a práci s uloženými daty jakožto i jejich následné zpracování na PC. Softwarová aplikace pro následné (off-line) zpracování naměřených dat dovoluje generovat výstupní protokoly z provedených měření.

“Řada analyzátorů kvality elektřiny ENA může být snadno a v krátkém čase modifikována a rozšiřována a je tak neustále v souladu se všemi nejnovějšími platnými mezinárodními standardy. Zároveň mohou být analyzátory ENA rozšířeny o další přídavné funkce podle požadavků konkrétního zákazníka.” (Doc. Ing. Daniel Kaminský, CSc., ředitel divize Virtuální instrumentace ELCOM, a.s.)

Proč je kvalita elektřiny důležitá?

Elektřina je produktem jako cokoli jiného a je dnes snad nejvýznamnější „surovinou“ používanou v průmyslu. Je typem komodity, u níž požadujeme kontinuální dodávku, která nemůže být skladována a u níž není možné kontrolovat její kvalitu dříve, než je skutečně použita. Přitom špatná kvalita elektřiny může právě v průmyslové produkci způsobit významné škody na znehodnocené výrobě či poškozených strojích a zařízeních. Monitorováním kvality elektřiny můžeme identifikovat potenciální problémy dříve, než narostou do té míry, že začnou působit škody spojené s mnohdy velkými finančními ztrátami. Prevence v této oblasti je relativně levná ve srovnání s náklady vyvolanými škodami. 

Co je potřeba měřit?

Typický analyzátor kvality elektřiny měří tři fázová napětí a počítá kvalitativní ukazatele definované mezinárodními standardy. Kvalita elektřiny je v základním pohledu vyjádřena frekvencí napětí, odchylkami napětí od nominálních hodnot, flickerem (kolísáním napětí), nesymetrií třífázové soustavy, spektrem vyšších harmonických složek 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 například činný, jalový a zdánlivý výkon, energie a podobně.

Obr 1.Principiální schéma elektrické přenosové a distribuční sítě s instalací měření kvality elektřiny

Firma ELCOM nabízí řadu analyzátorů kvality elektřiny pod označením ENA (ELCOM Network Analyzer). ENA reprezentuje komplexní modulární systém pro 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 řešení

Pro implementaci systému byla vybrána platforma CompactRIO firmy National Instruments s měřicími moduly řady C. V porovnání s měřicí technikou na bázi PC se jedná o velmi kompaktní platformu vyznačující se malými rozměry (88 x 180 x 90 mm). Pracovní rozsah teplot -40°C až +70°C a velmi nízká spotřeba předurčuje systém pro nasazení rovněž v extrémních podmínkách. Platforma NI CompactRIO nabízí jednotlivé hardwarové komponenty v různých provedeních, což umožňuje vybrat variantu sestavy tak, aby bylo možno pružně doplňovat nové funkce do systému analyzátoru.

Z široké nabídky I/O modulů je pro měření napětí využíván modul NI 9225 umožňující přímé připojení napětí až 300 Vrms. Tento modul lze přímo využít pro měření fázových napětí v nn sítích, resp. lze jej připojit k výstupu měřicího transformátoru napětí, který má obvykle na svém výstupu nominální napětí 100 Vrms. Pro měření proudu se používá modul NI 9227. Měřicí moduly NI 9225 a NI 9227 umožňují simultánní vzorkování měřených signálů s vzorkovací frekvencí až 50 kS/s. Alternativně nabízí firma ELCOM pro platformu cRIO vlastní hardwarové moduly pod označením EL9215U-R1 (měření napětí) a EL9215I-R1 (měření proudu). Tyto moduly jsou založeny na hardware NI 9215 ve spojení s elektronikou pro úpravu vstupních signálů vyvinutou firmou ELCOM.

Pro vývoj firmware analyzátoru bylo využito grafické vývojové prostředí LabVIEW firmy National Instruments. V tomto vývojovém prostředí jsou vyvinuty všechny části software analyzátoru ENA. Platforma LabVIEW umožňuje přenositelnost a škálovatelnost softwarových aplikací, což se ukázalo jako velmi výhodné při přenosech řešení mezi platformami cRIO a PC, kdy mohly být využity již dříve vyvinuté softwarové aplikace 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 kontrolér CompactRIO jsou 400MHz procesor a šasi s 2M hradlovým polem FPGA.

Analyzátor kvality elektřiny na bázi platformy CompactRIO

Díky škálovatelnosti platformy NI CompactRIO, použitému operačnímu systému a přenositelnosti LabVIEW kódu je možné postavit analyzátor ENA na různých mechanických platformách s různými rozměry a požadavky na vestavbu odpovídajícími specifickým potřebám zákazníků. Vedle implementace založené výhradně na NI CompactRIO (ENA450.EC) jsou k dispozici varianty postavené na:

• integrovaném systému CompactRIO, který kombinuje real-time procesor a konfigurovatelné hradlové pole (FPGA - Field-Programmable Gate Array) v jednom šasi (modely analyzátorů označené jako ENA450.EB, ENA450.NB).
• jednodeskovém (Single-Board) systému RIO, který integruje všechny 3 jádrové komponenty systému CompactRIO - real-time procesor, FPGA a I/O - na jedné desce (ENA460).

Softwarová část analyzátoru kvality elektřiny ENA je tvořena souborem softwarových aplikací řešících vše od měření a on-line zpracování signálů, dálkového ovládání analyzátoru a analýzy uložených dat až po prohlížení a prezentaci dat prostřednictvím internetu. Modulární koncept umožňuje naplnit všechna zákaznická očekávání při minimalizaci nákladů.

Měřicí funkce

Firmware ENA-Node běží přímo na platformě CompactRIO a zabezpečuje všechny měřicí funkce, on-line výpočty a ukládání dat.

ENA-Node (firmware přístroje) obsahuje několik SW modulů (virtuálních přístrojů), které běží paralelně:

• FFT analyzátor
• Vektorový analyzátor
• Monitor toku výkonů
• Flickermeter
• Napěťový monitor EN50160
• Monitor půl-periodových RMS hodnot
• Analyzátor telegramů & alarmů
• Digitální vstupy

Všechny zmíněné firmwarové moduly mohou zpracovávat jak 50Hz, tak 60Hz signály. Uživatel přístroje může sledovat real-time data na virtuálním grafickém displeji a ukládat je do datových souborů. Všechny virtuální přístroje analyzátoru pracují se základní vzorkovací frekvencí 9.6kS/s na měřený kanál. Vzorkovací frekvence je synchronizována s frekvencí měřených signálů. Algoritmy jsou implementovány v souladu s aktuálními standardy z oblasti kvality elektřiny (IEC61000-4-30, IEC61000-4-15 a IEC61000-4-7).

Software přístroje analyzuje tři napěťové a tři proudové signály na základě vzorkování časových průběhů měřených signálů a vypočítává RMS hodnoty signálů, frekvence, spektra signálů, celkové harmonické zkreslení, flicker, třífázovou nesymetrii, činný výkon, jalový výkon, zdánlivý výkon, energie a mnoho dalších veličin. Proudy měřené ve většině případů na sekundární straně měřicích proudových transformátorů proudu (1A/5A) mohou být měřeny přímo (pomocí modulu NI 9227 nebo proudového modulu ELCOM EL9215I-R1), nebo nepřímo (pomocí proudových kleští připojených k modulu NI 9239).

Obr. 2. Připojení analyzátoru ENA k měřeným signálům pomocí proudových měřicích kleští

Seznam měřených veličin:

Uživatelské grafické rozhraní pro parametrizaci přístroje a správu a zpracování dat

Softwarová aplikace ENA-Touch je softwarový nástroj s intuitivním grafickým uživatelským rozhraní pro práci s analyzátorem. Pomocí této aplikace je možné provádět veškerá nastavení, zobrazení měřených hodnot a nastavování režimů ukládání dat. ENA-Touch zahrnuje dva základní typy vizualizačních panelů - první obsahují na vizualizačním panelu předdefinované množiny veličin, druhé umožňují nastavit různé množiny zobrazovaných veličin a volit různé formy jejich zobrazení (tabulky, časové nebo frekvenční závislosti, statistické zpracování výsledků). ENA-Touch disponuje grafickým rozhraním optimalizovaným pro dotekovou obrazovku a může tak být provozován například na Ultra Mobile PC s rozlišením displeje 800 x 480 bodů. ENA-Touch komunikuje s ENA-Node pomocí protokolu TCP/IP prostřednictvím rozhraní Ethernet. Simultánně s on-line zobrazováním dat umožňuje systém ukládat data na paměťové médium pro následnou analýzu. Vypočtené veličiny jsou agregovány v čase a některá data jsou také statisticky zpracovávána ještě před jejich uložením. Data se ukládají periodicky v definovaných časových intervalech. Událostmi řízené ukládání se aktivuje v okamžiku splnění definované podmínky.

Aplikací ENA-Report lze uložená data pohodlně analyzovat v off-line režimu a lze také generovat protokoly s grafickými výstupy.

Distribuovaný monitoring kvality elektřiny s přístroji ENA

Pomocí skupiny analyzátorů ENA450 je možno vybudovat distribuovaný monitorovací systém kvality elektřiny. Data z distribuovaného systému sledování kvality elektřiny lze replikovat do databáze MS-SQL nebo  ORACLE. Na tomto centrálním datovém úložišti je pak možné provádět off-line analýzu dat.

Závěry:

Hlavní výhodou popsaného systému je vysoký výkon, flexibilita a malé rozměry. Moduly řady C s vestavěnou elektronikou pro úpravu signálů a softwarová aplikace s uživatelsky příjemným a intuitivním ovládáním umožňují snadnou správu a údržbu. Díky použitému konceptu lze významně snížit náklady na případné rozšiřování systému. Aktualizace a doplnění algoritmů či parametrů při změnách standardů probíhá velmi rychle a je tedy možno garantovat, že měření a výpočty prováděné analyzátory ENA jsou v souladu s platnými normami.

Otevřenost řešení umožňuje snadnou integraci s jinými systémy. Komunikační protokoly mohou být upravovány či rozšiřovány tak, aby bylo možné analyzátory ENA připojit do existujících SCADA aplikací zákazníka. Otevřenost hardwarové architektury umožňuje přidávat další vstupně-výstupní moduly pro přídavné řídicí a monitorovací funkce. Systém ENA je rovněž možno snadno rozšířit o časovou synchronizaci využívající GPS nebo komunikaci prostřednictvím GSM pro bezdrátový přenos dat.

Flexibilita CompactRIO a LabVIEW umožnila implementovat analyzátor PMU (měřič fázorů) v čase několika týdnů. PMU umožňuje přesné vyhodnocování tzv. synchrofázorů podle normy IEEE C37.118-2005. V současné době probíhají práce na implementačním sloučení analyzátoru PMU s analyzátorem kvality elektřiny ENA a tranzientním zapisovačem od jediného měřicího systému.

Autor: Doc. Ing. Daniel Kaminský, CSc. -  .Elkom, a.s.

Průmyslová oblast: Elektroenergetika

Produkty využité pro vývoj:  NI LabVIEW, NI CompactRIO

Odkazy

• National Instruments (Czech Republic), s.r.o., www