Kompletna platforma do analizy jakości energii elektrycznej

„Analizator energii elektrycznej z serii ENA może być w krótkim czasie zmodernizowany tak, aby spełniał wszystkie najnowsze, międzynarodowe standardy i mógł sprostać niestandardowym wymaganiom klientów” – Dr Daniel Kaminsky, Dyrektor Elcom, a.s.

Pomiary i analiza jakości energii elektrycznej to jedno z ważniejszych zagadnień w branży energetyki, które dotyczy zarówno dostawców energii, jak też jej odbiorców. Szczególnie ci ostatni coraz częściej zainteresowani są możliwością pomiarów cech odbieranej energii oraz zapewnianiem jej pożądanych parametrów. W artykule opisano projekt kompletnego analizatora jakości energii elektrycznej, który obejmuje zestaw przyrządów pracujących pod kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego i umożliwia realizację wszystkich niezbędnych pomiarów. Przy projektowaniu systemu wzięto pod uwagę możliwość jego przyszłej rozbudowy, tak aby zapewnić zgodność algorytmów pomiarowych i przetwarzania danych z najnowszymi normami IEC i EN.

Zrealizowany analizator jakości energii elektrycznej kompatybilny jest ze standardami międzynarodowymi. Wykorzystano w nim niezawodne, skalowalne narzędzia sprzętowe COTS (Commercial-Off-The-Shelf), takie jak NI CompactRIO oraz graficzne środowisko projektowania LabVIEW. W oprogramowaniu firmware zaimplementowano interfejs użytkownika oraz biblioteki komend umożliwiające łatwą konfigurację narzędzi akwizycji, przetwarzania i rejestracji danych. Zarejestrowane dane mogą być analizowane off-line i wykorzystane do generacji raportów. Analizator może być również łatwo i szybko modyfikowany w celu zapewnienia zgodności z najnowszymi specyfikacjami i standardami, a także rozbudowywany o dodatkowe funkcje użytkownika.

Dlaczego analiza jakości energii elektrycznej jest istotna?

Prąd elektryczny jest prawdopodobnie najważniejszym z produktów wykorzystywanych obecnie w zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych. Jest on również produktem o tyle nietypowym, że musi być dostarczany w sposób ciągły i nie może być zmagazynowany przed użyciem. Prąd elektryczny cechujący się złą jakością powodować może liczne problemy, taki jak choćby uszkodzenia maszyn, urządzeń, a nawet linii produkcyjnych. Z tych powodów monitorowanie jakości energii elektrycznej pozwala na identyfikowanie potencjalnych problemów, zanim staną się one na tyle poważne, że powodować mogą uszkodzenia i w konsekwencji narazić odbiorcę na straty finansowe. Analiza jakości energii jest natomiast stosunkowo tania i może się odbywać zarówno na poziomie pojedynczych układów, jak i globalnych instalacji monitorowania.

Jakie parametry powinno się mierzyć?

Typowy analizator jakości energii elektrycznej monitoruje trzy napięcia sieciowe i na tej podstawie wyznacza jakość dostarczanej energii definiowaną międzynarodowymi standardami. Jakość opisują m.in. takie parametry jak: częstotliwość, wahania amplitudy, migotanie, niezrównoważenie faz, widmo i zawartość harmonicznych. W niektórych przypadkach równolegle z wartościami napięć konieczna jest też analiza sygnałów prądowych. Pozwala to na wyznaczenie wielkości pośrednich takich jak moc czynna, moc bierna i energia. Zaprojektowany przez Elcom sprzętowo-programowy analizator jakości energii elektrycznej został oznaczony symbolem ENA (Elcom Network Analyzer). Reprezentuje złożony system modularny służący do monitorowania jakości energii zgodnie z aktualnymi standardami międzynarodowymi i dokumentami wydanymi przez poszczególne kraje. 

Wybór platformy projektowej

Firma Elcom zdecydowała się na implementację analizatora na bazie modułów serii C platformy NI CompactRIO. W porównaniu z rozwiązaniami bazującymi na komputerach osobistych, moduły te są mniejsze (88 × 180 × 90mm), bardziej wytrzymałe mechanicznie, pracować mogą w szerszym zakresie temperatur od –40 do +70°C i pobierają mniejszą moc (około 8W). Ponadto oferowane są one w różnych wariantach pod względem obudów, co może być istotne w przypadku specyficznych wymogów aplikacyjnych klientów. Spośród dostępnych modułów I/O wybrano służący do pomiarów wysokonapięciowych model NI 9225 300V. Umożliwia on pomiar napięć pomiędzy przewodem fazowym i neutralnym w sieci 240V. Do pomiaru prądu użyty został moduł NI 9227. Wymienione NI 9225 i NI 9227 umożliwiają równoczesne próbkowanie kanałów z prędkością 50 kS/s w 3-fazowych układach pomiaru mocy i parametrów jakości energii, takich jak migotanie, zawartość harmonicznych czy współczynnik mocy. Na bazie modułu 9215 produkowanego przez National Instruments Elcom opracował również alternatywne moduły służące do pomiaru napięć i prądów – EL9215-R1 i EL9215I-R1. Jedyną różnicą w stosunku do oryginału jest tutaj zastosowanie własnego obwodu kondycjonowania sygnałów. Moduły te mieszczą się w 3 slotach obudowy CompactRIO. Do opracowania części programowej wykorzystano środowisko LabVIEW ze względu na jego prostotę obsługi, skalowalność i przenośność. Minimalne wymagania oprogramowania firmware analizatora jakości energii ENA to mikroprocesor taktowany zegarem 400MHz i układ FPGA z 2 milionami bramek logicznych.

Analizator jakości energii elektrycznej na bazie platform CompactRIO

Chociaż w artykule omawiany jest analizator ENA450, ze względu na skalowalność platformy CompactRIO i przenośność kodu LabVIEW, Elcom zrealizować może system w innych wersjach dostosowanych do wymogów klienta i aplikacji docelowej. Oprócz implementacji bazującej na w pełni elastycznym systemie CompactRIO (ENA450.EC) stworzono też wersje oparte na:

• systemach CompactRIO zawierających mikroprocesor czasu rzeczywistego i układ FPGA zintegrowane w tym samym module (ENA450.EB i ENA450.NB),
• jednopłytkowych systemach RIO z trzema kluczowymi komponentami systemu CompactRIO: mikroprocesorem czasu rzeczywistego, układem FPGA i modułem I/O zintegrowanymi na pojedynczej płytce drukowanej (ENA460).

Możliwości analizatora definiuje część sprzętowa i programowa. System ENA obejmuje aplikacje programowe do zdalnego sterowania pracą analizatora, analizy zgromadzonych danych i prezentacji wyników pomiarowych w sieci Internet. Modułowa koncepcja systemu pozwala zrealizować pożądane przez użytkownika funkcje przy minimalnym nakładzie kosztów.