Podstawy monitorowanie jakości energii elektrycznej

Podstawy monitorowanie jakości energii elektrycznej Podstawą badania parametrów JEE powinno być monitorowanie JEE będące procesem gromadzenia, przetwarzania, analizowania i interpretacji pomierzonych parametrów JEE, ukierunkowanym zazwyczaj na realizację następujących celów podstawowych : - oceny poziomu JEE w systemach sieciowych (monitoring oceniający); ocena polega na porównaniu wielkości pomierzonych z wartościami dopuszczalnymi określonymi w obowiązujących przepisach, - diagnozowanie zaburzeń elektromagnetycznych w sieciach, gdy wyniki monitorowania oceniającego są negatywne, albo gdy ich skutkiem są widoczne zakłócenia w pracy urządzeń elektrycznych (monitoring diagnostyczny); diagnozowanie umoŝliwia poznanie przyczyn i natury zaburzeń oraz zakłóceń, pomaga w poprawie procedur realizacji monitoringu oceniającego, ma zastosowanie w określeniu odpowiednich środków do przeciwdziałania zakłóceniom. Działania podstawowe w zakresie monitorowania JEE zaleŝą od odpowiedzi na pytania następujące: - kiedy (w jakich okolicznościach) monitorować parametry JEE? Czynnikami sprawczymi mogą być przepisy określające warunki realizacji monitorowania oceniającego albo widoczne zakłócenia w pracy sieci elektroenergetycznej czy przyłączonych do niej odbiorników, wymagające ich zdiagnozowania. Trudniejsze w realizacji jest monitorowanie wyprzedzające okoliczności pojawienie się zaburzeń i zakłóceń; - w jakich miejscach sieci elektroenergetycznej mierzyć parametry? Wybór miejsc pomiarów w sieci moŝe być określony przepisami jak w przypadku monitorowania oceniającego lub wymaga rozwaŝenia wielu czynników pomocnych w wyborze odpowiednich miejsc zainstalowania przyrządów pomiarowych; - jakie parametry JEE mierzyć? W przypadku normatywnego monitorowania oceniającego skalę parametrów JEE określają przepisy regulujące ich pomiary. Czasami w podstawowych ekspertyzach wymagana jest ocena wszystkich wskaźników jakości energii elektrycznej. W innych przypadkach interesują nas tylko niektóre parametry JEE; - jak mierzyć parametry JEE? Jaki rodzaj przyrządów pomiarowych zastosować? Wybór między podręcznymi, przenośnymi lub stacjonarnymi przyrządami moŝe zaleŝeć od moŝliwości pomiarowych przyrządu takich jak : czas rejestracji pomiarów, liczba kanałów pomiarowych i rodzaj rejestrowanych zaburzeń, - jak oceniać parametry JEE? powinna być forma raportu z wynikami monitorowania parametrów JEE. Jak przetworzyć wyniki pomiarów. Po wykonaniu pomiarów, surowe dane i zdarzenia naleŝy przeanalizować w celu uzyskania wniosków. NiezaleŜnie od rozwoju systemów pomiarowych umoŝliwiających monitorowanie JEE w róŝnych miejscach sieci elektroenergetycznych, naleŝy się spodziewać zapotrzebowania na szczegółowe badania JEE, które w waŝnych węzłach systemów sieciowych będą mieć charakter stacjonarny lub będą wykonywane dorywczo. Pomocne w takich badaniach będą specjalistyczne przyrządy pomiarowe, np. analizatory JEE. Do podstawowych elementów technicznych zapewniających realizację monitorowania JEE naleŝą urządzenia pomiarowe, które moŝna podzielić na dwie kategorie : 1) przyrządy specjalistyczne, przeznaczone tylko do pomiaru wielu zaburzeń elektromagnetycznych i parametrów JEE, 2) urządzenia pomiarowe wielofunkcyjne, w których pomiar JEE jest jednym z zadań (np. liczniki elektryczne z członem mierzącym parametry JEE). Oprócz wstępnych warunków standardowych jakie powinny spełniać przyrządy pomiarowe mierzące parametry JEE, naleŝy uwzględniać przy ich doborze inne rekomendacje będące wynikiem wieloletnich analiz i badań w tej dziedzinie. NaleŜy zwracać uwagę, aby 1

współczesne przyrządy do pomiarów JEE spełniały wymagania normy PN-EN 61000-4- 30:2003 Norma PN-EN 61000-4-30:2003 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część 4-30: Metody badań i pomiarów. Metody pomiaru jakości energii. Zdefiniowano metody pomiaru wskaźników jakości energii elektrycznej dla systemów zasilających prądu przemiennego o częstotliwości 50/60 Hz oraz wymagania dotyczące interpretacji wyników pomiarów. Dla kaŝdego parametru i wskaźnika opisano metody pomiaru oraz podano sposób umoŝliwiający uzyskanie wiarygodnych, powtarzalnych i porównywalnych wyników, niezaleŝnie od typu zastosowanego przyrządu i niezaleŝnie od jego warunków środowiskowych. Zapisy zawarte w normie dotyczą pomiarów realizowanych w miejscu badanej instalacji, a przedstawiona standaryzacja metod wyznaczania wszystkich wskaźników jakości energii elektrycznej odnosi się do wybranego i w pewnym sensie ograniczonego zbioru zaburzeń, obejmującego tylko zjawiska przewodzone, które występują w sieci zasilającej prądu przemiennego 50/60 Hz oraz uwzględniają wszystkie parametry napięcia i/lub prądu, stosownie do potrzeb. Przedstawiona norma jest tylko pewnym opisem działania przyrządu pomiarowego (np. analizatora jakości energii elektrycznej), a nie specyfikacją projektową, a określone w niej niepewności wyników pomiaru w podanych przedziałach zmian wielkości wpływających na pomiar, jedynie determinują wymagania funkcjonalne. Sama norma określa głównie metody pomiaru, lecz nie ustala wartości progowych, a wpływ na wyniki pomiarów stosowanych dodatkowych elementów sprzętowych np. przetworników, włączanych pomiędzy system zasilający i przyrząd pomiarowy, nie są w tym dokumencie szczegółowo rozwaŝane. Istotnym wyznacznikiem dla całego dokumentu jest to, Ŝe podstawy standaryzacji metod pomiarowych do wyznaczania wskaźników jakości energii elektrycznej z normy PN- EN 61000-4-30:2003 określono w pkt. 4 opisującym postanowienia ogólne, gdzie podano: klasy pomiarowe, organizację pomiarów, mierzone wielkości elektryczne, agregację pomiarów w przedziałach czasu, algorytm agregacji pomiarów, niepewność czasu zegarowego i koncepcję oznaczania. Zdefiniowano dwie klasy pomiarowe: Klasa pomiarowa A - jest stosowana w przypadku przeprowadzenia dokładnych pomiarów, a koniecznych przy realizacji celów kontraktowych, weryfikacji zgodności wyników z postanowieniami norm, rozstrzygnięcia zaistniałych sporów itp. W uzupełnieniu określa się wymaganie, Ŝe dowolne pomiary danego parametru przeprowadzone za pomocą dwóch róŝnych przyrządów spełniających wymagania klasy A i mierzących te same sygnały powinny dać zbieŝne wyniki mieszczące się w określonym przedziale niepewności. W celu zagwarantowania zbieŝności wyników, przyrząd klasy A wymaga, aby dla kaŝdego parametru charakterystyka pasmowa i częstotliwość próbkowania były wystarczające dla podanej niepewności pomiaru. Klasa pomiarowa B jest najczęściej stosowana przy wykonywaniu pomiarów statystycznych, w celu wykrywania przyczyn i eliminacji awarii oraz dla innych zastosowań nie wymagających dokładnych wyników. Dla kaŝdej klasy pomiarowej podano przedział zmienności wielkości wpływających na wynik, który powinien być uwzględniony, a uŝytkownicy przyrządu powinni wybrać tę klasę pomiarową, która w pełni uwzględni ich wymagania w odniesieniu do zastosowania. KaŜdy taki przyrząd pomiarowy moŝe mieć dwie klasy pomiarowe (A i B) dla róŝnych parametrów, a ponadto jego producent powinien określić wielkości mające wpływ na wynik pomiaru, które jeśli nie są podane mogą pogorszyć jego własności metrologiczne. Organizacja pomiarów zaproponowana w normie PN-EN 61000-4-30:2003 wg pkt. 4.2 pozwala ustalić, Ŝe mierzone wielkości elektryczne mogą być dostępne bezpośrednio, jak 2

jest to zwykle w systemach niskiego napięcia, lub teŝ mogą być dostępne poprzez przyłączone przetworniki pomiarowe. Przedstawiony na rys.1 tor pomiarowy przyrządu jest kompletny, jednakŝe w tej części normy nie rozwaŝa się uwzględniania przetworników pomiarowych i związanej z nimi niepewności pomiaru. Rys.1. Tor pomiarowy Mierzone wielkości elektryczne wg wymagań PN-EN 61000-4-30:2003 charakteryzują warunki przeprowadzania pomiarów w systemach zasilających jedno- lub wielofazowych, gdzie w zaleŝności od okoliczności, moŝe być wymagany pomiar napięć pomiędzy przewodami fazowymi a przewodem neutralnym (faza przewód neutralny) lub pomiędzy przewodami fazowymi (faza faza) lub pomiędzy przewodem neutralnym i ziemią. Nie jest celem normy narzucenie wyboru wielkości elektrycznych podlegających pomiarowi. Z wyjątkiem pomiaru asymetrii napięcia, który ze swej natury jest wielofazowy, opisane metody pomiarowe w normie dają niezaleŝne wyniki dla kaŝdego toru pomiarowego. Pomiary prądu mogą być wykonane w systemie zasilającym dla kaŝdego przewodu, łącznie z przewodem neutralnym i przewodem ochronno-neutralnym. Często korzystny jest pomiar prądu równocześnie z pomiarem napięcia i powiązanie pomiarów prądu w danym przewodzie z pomiarami napięcia pomiędzy tym przewodem i przewodem odniesienia, którym moŝe być przewód uziemiający lub przewód neutralny. Agregacja pomiarów w przedziałach czasu realizowana jest w taki sposób (zgodnie z PN-EN 61000-4-30:2003 pkt. 4.4), Ŝe podstawowym czasem pomiaru wartości parametrów (napięcia zasilającego, harmonicznych, interharmonicznych i asymetrii napięć) jaki przyjęto do obserwacji są przedziały czasu wyznaczone: dla 10-okresów systemu zasilającego o częstotliwości znamionowej 50 Hz lub dla 12-okresów systemu zasilającego o częstotliwości znamionowej 60 Hz. Klasa pomiarowa A - przyjęto następujące przedziały czasów agregacji: 1. 3 s (jako 150 okresów dla częstotliwości znamionowej 50 Hz lub jako 180 okresów dla częstotliwości znamionowej 60 Hz), 2. 10 min, 3. 2 h. Klasa pomiarowa B gdzie podano tylko, Ŝe metodę, liczbę i czasy przedziałów agregacji powinien wskazać producent. Algorytm agregacji pomiarów proponowany w PN-EN 61000-4-30:2003 pkt. 4.5 określa, Ŝe agregacje wyników pomiarów wyznacza się z wykorzystaniem pierwiastka kwadratowego z średniej arytmetycznej mierzonych wielkości wejściowych podniesionych do kwadratu. Inne normy Norma PN - EN 61000 4 7; zawiera wytyczne dla pomiarów harmonicznych (wyŝszych harmonicznych i interharmonicznych) w systemach zasilania i dla urządzeń przyłączanych do sieci Norma PN - EN 61000 4 11; zawiera wytyczne dla badań i pomiarów zapadów napięcia, krótkich przerw i i zmian napięcia dla urządzeń o prądzie zasilania nie przekraczającym 16 A Norma PN-EN 61000-4-14; zawiera wytyczne do badań odporności na wahania napięcia Norma PN-EN 61000-4 15; zawiera opis funkcjonalny i cechy konstrukcyjne przyrządu do pomiaru migotania światła 3

Postęp w technice pomiarów parametrów JEE związany z zastosowaniem innowacyjnych technik przetwarzania sygnałów cyfrowych przyczynia się do rozwoju nowych rozwiązań konstrukcyjnych przyrządów pomiarowych. Szkic ich rozwoju w podziale na trzy arbitralne generacje, z uwzględnieniem perspektywy czasu, zamieszczone w tabeli. Tabela. Charakterystyka generacji przyrządów do pomiarów JEE Rodzaj generacji przyrządów pomiarowych I generacja II generacja Realizowane funkcje Pomiar podstawowych parametrów JEE Jw. oraz ocena zaburzeń elektromagnetycznych Rodzaj komunikacji Szeregowa Szeregowa, internet III generacja Jw. oraz rozpoznawanie Internet, przeglądarka przyszłych zmian internetowa W ostatnich latach, burzliwy rozwój technologii transmisji informacji powoduje zmiany w koncepcji rozwiązań monitorowania JEE w systemach sieciowych. NiezaleŜne pomiary JEE w pojedynczych miejscach sieci elektroenergetycznej za pomocą specjalistycznych przyrządów pomiarowych albo pomiary w ramach lokalnych systemów pomiarowych o niewielkiej skali (łącza RS 232 C, 485) są zastępowane pomiarami naleŝącymi do rozległych systemów monitorowania JEE z wykorzystaniem zdalnej transmisji danych (rys). Rys. System pomiarów parametrów JEE Te systemy będzie charakteryzować m. in. bardzo szybka komunikacja za pomocą sieci internetowej, analizy statystyczne mierzonych w sposób ciągły parametrów JEE, wizualizacja wyników pomiarów za pomocą przeglądarki internetowej, a w bliskiej przyszłości diagnostyka JEE. W tradycyjnej strukturze monitorowania JEE poszczególne analizatory lokalnie realizują gromadzenie, przetwarzanie, analizowanie i zapamiętywanie pomierzonych parametrów JEE. Ta rozbudowana forma pozyskiwania wyników pomiarów kształtuje wysoką cenę jednostkową analizatora i stanowi jedną z podstawowych barier w budowie rozległych systemów monitorowania. Rozwiązaniem, które zmniejsza koszty rozległego systemu monitorowania JEE jest system o strukturze rozległej. 4

W systemie o takiej strukturze przyrządy pomiarowe mają uproszczoną budowę, która zasadniczo ma zapewnić przetworzenie pomierzonych parametrów napięć i prądów w standardową postać cyfrową oraz ekspediowanie tej informacji do internetowej sieci szkieletowej połączonej z analizatorem centralnym. Dopiero na poziomie analizatora centralnego zachodzi gromadzenie, przetwarzanie, analizowanie oraz zapamiętywanie informacji dostarczanej w sposób ciągły z poszczególnych przyrządów pomiarowych. PrzybliŜoną charakterystykę zalet i wad obydwu systemów monitorowania prezentuje tabela. Tabela. Porównanie niektórych cech konwencjonalnego i perspektywicznego systemu monitorowania JEE Wyszczególnienie System konwencjonalny System perspektywiczny Cena przyrządu pomiarowego wysoka niska Koszt systemu duŝy mniejszy Zastosowanie systemu ograniczone róŝnorodne Modyfikacja systemu złoŝona łatwa Obsługa systemu złoŝona łatwa Modułowość i elastyczność słaba dobra Wizualizacja w czasie rzeczywistym powolna szybka i precyzyjna Ilość przekazywanych danych mała duŝa Przyrządy/ systemy pomiarowe Rodzaj Miernik (multimetr) Analizator/rejestrator System monitorowania (rozproszone, scentralizowane, jednozadaniowe, wielozadaniowe) Cechy pomiarów Chwilowe, o małej częstości próbkowania sygnałów, kontrolne Okresowe (wielodniowe), o znacznej / duŝej częstości próbkowania sygnałów, normatywne Ciągłe, w wielu miejscach, o duŝej / bardzo duŝej częstości próbkowania sygnałów, normatywne Podstawowy zakres pomiarów i komunikacji U, I, moce, niektóre parametry JEE; RS U, I, moce, parametry JEE (w tym wg EN 50 160), przebiegi parametrów, opis przekroczeń limitów, konfigurowane funkcje pomiarowe; RS 232C; RS 485; PowyŜszy zakres + wskaźniki dynamiczne+diagnostyka ; sieci teletechniczne 1 T 2 U sk = u dt T 0 5

Przykład parametrów napięcia zapamiętywanych przez analizator jakości energii elektrycznej Zakres danych zapamiętywanych Forma zapamiętywania Statystyki przez analizator Historyczne EN50160 obliczenia EN50160 zapamiętywanie zdarzeń Długoterminowa rejestracja Narastające zapamiętywanie - ustawienia uŝytkownika 1h, 1 dzień, 1 tydzień, 1 rok Histogramy Parametry napięcia Jednostka Rozpatrywane fazy Wartość skuteczna V L1, L2, L3 Kolejność 0 V dla 3 faz - - Kolejność 1 V dla 3 faz - - Kolejność 2 V dla 3 faz - - Częstotliwość Hz L1, L2, L3 & śred. Harmoniczne (do 50) % U n L1, L2, L3 Interharmoniczne (do 49) % U n L1, L2, L3 - - - THD % U n L1, L2, L3 6

Przerwy N n L1, L2, L3 - - Zapady N n L1, L2, L3 - - - Przepięcia N n L1, L2, L3 - - - Asymetria N n dla 3 faz - Flikier krotkoterminowy (10 min) P st L1, L2, L3 - - Flikier długoterminowy (2 h) P lt L1, L2, L3 - Sygnały napięciowe (3) V L1, L2, L3 - - Warunki pomiarów parametrów jakości energii elektrycznej Warunki pomiarów parametrów elektrycznych zasadniczo zaleŝą od czynników technicznych, charakteryzujących miejsca ich wykonywania w układach elektrycznych obiektu oraz celu ich realizacji. Podstawowe czynniki techniczne kształtujące warunki pomiarów to : rodzaj prądu elektrycznego (stały, przemienny), typ systemów przewodów czynnych w układach elektrycznych (jednofazowe, wielofazowe, dwu - wieloprzewodowe), napięcie znamionowe; wartości skuteczne prądów maksymalnych i minimalnych w układach elektrycznych; w układach zasilających CT z reguły płyną prądy wymagające korzystania z przekładników albo sond prądowych, rodzaj i poziom zaburzeń w układach elektrycznych, czynniki środowiskowe (warunki klimatyczne). Ustalenie faktycznej wartości parametrów jest moŝliwe, gdy układ pomiarowy spełnia wymagania warunków pomiaru, prawidłowo mierzy parametry, zapewnia ciągłość pomiaru, jest odporny na negatywne oddziaływania otoczenia, jest łatwy w obsłudze i odczycie. Przekładniki pomiarowe i zasady ich doboru WaŜnym elementem układu pomiarowego w pomiarach co najmniej półpośrednich są przekładniki pomiarowe napięciowe i prądowe. Przekładniki (przetworniki, sondy) są stosowane w celu zwiększenia zakresu pomiarowego urządzeń pomiarowych. Przekładniki prądowe zapewniają separację galwaniczną obwodów z mierzonym prądem od układu pomiarowego. Ze względu na obecność magnetowodu przekładniki prądowe moŝna ogólnie podzielić na : 1) transformatory pomiarowe rdzeniowe, 2) przekładniki bezrdzeniowe. Do pierwszej grupy zalicza się m. in. przekładniki cęgowe, przekładniki hallotronowe. Do drugiej grupy zalicza się przekładniki Rogowskiego (przekładniki elastyczne). Sygnał wyjściowy przekładnika prądowego niskonapięciowy lub niskoprądowy jest wprost proporcjonalny do mierzonego prądu. Przetworniki Znaczącym źródłem błędów w pomiarach JEE (szczególnie harmonicznych) są przetworniki (transduktory) prądu i napięcia. Przetwornik prądu musi mieć płaską charakterystykę w funkcji częstotliwości w zakresie 50 do 2 500 Hz. JeŜeli są mierzone subharmoniczne (h<1), wtedy przetwornik prądu powinien być dostosowany do pomiaru niskich częstotliwości oraz składnika dc. Te same wymagania dotyczą przetworników napięciowych. Transformatory prądu Większym źródłem błędu powodowanego przez transformatory prądu, to generacja prądów magnesowania. Prąd magnesowania jest niesinusoidalny i zawiera harmoniczne, które są 7

zawarte w prądzie mierzonym. Gdy prąd harmonicznych jest tego samego rzędu co prąd magnesowania, wtedy pojawia się duŝy błąd kąta fazowego i mierzone wartości harmonicznych mogą być obciąŝone duŝym błędem. Przy pomiarze harmonicznych jest wskazane stosowanie transformatorów prądu, których harmoniczne prądu magnesującego spełniają warunek I mh 5 % I h. Strona wtórna transformatora prądu jest obciąŝona impedancję wejściową analizatora powiększoną o impedancję przewodów łączących analizator z wyjściem przetwornika. ObciąŜenie to powinno zawierać się w zakresie 25 % do 120 % obciąŝenia znamionowego transformatora prądu. Do pomiarów dokładnych nie powinno stosować się transformatorów cęgowych powszechnego wykonania. Prąd magnesowania tych transformatorów jest zazwyczaj duŝy. Utlenianie, zanieczyszczenia i nacięcia na powierzchniach stykających się cęg są przyczyną wzrostu prądu magnesowania. Co więcej, wiele dostępnych na rynku transformatorów cęgowych są czułe na błądzące pola magnetyczne wytwarzane przez sąsiednie przewody z prądem. Cewka Rogowskiego Ten rodzaj przetworników prądu, który jest dobrze znany jako transformator prądu z rdzeniem powietrznym nazywany jest cewką Rogowskiego. To jest cewka toroidalna o sztywnym lub elastycznym niemetalicznym rdzeniu. Prąd sinusoidalny i = indukuje w cewce napięcie sin( hω t + θ ) 2 I h h vm = 2 Mω hi h sin( hω t + θ h + 90 ) gdzie M jest indukcją wzajemną między przetwornikiem i obwodem, w którym płynie mierzony prąd odkształcony. Analizator o duŝej impedancji wejściowej ( 10 MΩ) moŝe mierzyć wartości MωhI h. System jest kalibrowany dla 50 Hz ze znanym prądem I K, który daje odczyt V K. Wartość prądu harmonicznych jest określona z zaleŝności Vh I h = I K hvk Ta metoda jest dogodna dla duŝych prądów harmonicznych. Dla mniejszych prądów, jest potrzebna duŝa wartość M. 8

Współczesne cewki współpracują z precyzyjnymi integratorami, które rekonstruują sygnał pierwotny. Geometria cewki, metoda osłony, długość i charakterystyki kabli koncentrycznych łączących cewkę z integratorem i integratora z analizatorem i specjalnie zbudowany integrator mają wpływ na dokładność pomiaru. Dokładność mierzonej wartości skutecznej moŝna uzyskiwać dla szerokiego zakresu częstotliwości. Kąt fazowy moŝe być jednak mierzony ze znacznym błędem. Przetworniki z efektem Halla Przetworniki nowej generacji uŝywające czujników Halla są obecnie reklamowane do pomiarów z błędem ± 1 %. Takie przekształtniki mogą mierzyć DC i subharmoniczne prądy jak równieŝ składniki w zakresie khz. Nieindukcyjne boczniki rezystancyjne Zapewniają najbardziej dokładny pomiar, jeŝeli impedancja bocznika jest odpowiednio zbudowana i kalibrowana. Impedancja bocznika musi być zawarta w Z s. Ta metoda jest konwencjonalnie zastosowana w laboratoriach w sytuacji gdy źródło zasilania i analizator mogą być rozdzielone wspólnym punktem przyłączenia. Zasady doboru przekładników elastycznych 1. Określenie czy jest mierzone AC lub DC (kategoria AC/DC mierzy obydwie wielkości) 2. Jaki prąd maksymalny będzie mierzony, i jaki prąd minimalny będzie mierzony? NaleŜy sprawdzić, czy dokładność dla prądu minimalnego jest właściwa, lub naleŝy wybrać przekładnik o mniejszym prądzie. 3. Jaka średnica przewodnika będzie obejmowana sondą. 4. Jaki typ wyjścia przekładnika jest potrzebny (ma, mv, AC, DC). NaleŜy skontrolować max impedancję przyrządu dla zapewnienia, Ŝe przekładnik spełni jego wymagania. Pozostałe potrzebne informacje to : - jakie jest napięcie pracy przekładnika? Większość moŝe być zastosowana dla 600 V. - jaki rodzaj wyjścia przekładnika jest zastosowany : gniazdka, przewody lub BNC, - jaki rząd harmonicznych będzie mierzony lub jakie moce (specyfikacja częstotliwości i odchylenia kąta). 9