KONTROLNY LICZNIK ENERGII ELEKTRYCZNEJ Z ANALIZĄ HARMONICZNYCH

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 58 Politechniki Wrocławskiej Nr 58 Studia i Materiały Nr Krzysztof PODLEJSKI * Janusz FIUT *F * licznik energii, harmoniczne 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, , Wrocław, ul. Smoluchowskiego 19, krzysztof.podlejski@pwr.wroc.pl ** Instytut Komputerowych Systemów Automatyki i Pomiarów, Wrocław, ul. Różyckiego 1

2 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 V (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).

3 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-

4 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

5 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 % wartości znamionowej I N ), przy czym dopuszczalna wartość szczytowa wynosi 3 I N. W przypadku opcji licznika kontrolnego wymaga się wartości THD 3%. Dla opcji analizatora harmonicznych realizowana jest analiza do 48 harmonicznej przy współczynniku szczytu k s 3. Pomiar kątów fazowych w odniesieniu do harmonicznej podstawowej przeprowadzany jest w zakresie od 2 do 13 harmonicznej. Pomiar napięcia realizowany jest w zakresie V (co oznacza % wartości znamionowej U N ). Dopuszczalna wartość szczytowa napięcia wynosi 2 U N. 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).

6 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, [2] SAWICKI J., Pomiar mocy czynnej w warunkach przebiegów odkształconych, Gdańsk, KKM [3] Landis &Gyr., D3000.Instruction of service. [4] Radian Research., RD 31. [5] Meters Test Equipment AG., SRS 121,3. 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.