Radosław WIŚNIEWSKI ASTAT Sp. z o.o. ZASTOSOWANIE STACJONARNYCH ANALIZATORÓW PQI-D i PQI-DA DO MONITOROWANIA JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ W STACJACH ZASILAJĄCYCH Streszczenie: W artykule przedstawiono współczesne rozwiązanie problemu badania jakości energii elektrycznej w stacjach sieci elektroenergetycznych o dowolnym napięciu. Zastosowane analizatory PQI-D i PQI-DA są dedykowane do wykonywania pomiarów w zróżnicowanych warunkach eksploatacyjnych, z możliwością zaprogramowania uwzględniającego specyficzne uwarunkowania operatora pomiarów użytkownika systemu pomiarowego. System pomiarowy obejmujący kilkaset urządzeń pomiarowo-rozliczeniowych jest integrowany przez system teleinformatyczny zapewniający dostęp do informacji oferowany przez Internet i sieci telekomunikacyjne. 1. Charakterystyka analizatorów Firma ASTAT od kilku lat z powodzeniem oferuje kompleksową usługę dostawy i uruchomienia stacjonarnych analizatorów JEE firmy A-EBERLE. Przeszkolony u producenta serwis posiada pełną wiedzę i doświadczenie z zakresu montażu, parametryzacji i komunikacji. Gwarantuje to uzyskanie pełnego wsparcia technicznego ze strony firmy ASTAT dla użytkowników tych systemów. Analizatory PQI-D i PQI-DA są dedykowane do pomiarów w sieciach elektroenergetycznych niskiego napięcia średniego i wysokiego. Specyficzne funkcje analizatorów takie jak: zróżnicowany sposób montażu, szeroki zakres rodzajów komunikacji, możliwość ustawienia różnych typów raportów do każdego beneficjenta indywidualnie oraz możliwość konfiguracji pod indywidualne potrzeby Instrukcji Ruchowych Zakładów Energetycznych, predysponują ten analizator do pracy przy sprawdzaniu jakości energii elektrycznej elektrowni wiatrowych, stacji zasilających gdzie często występuje problem z komunikacją i dostępnością Internetu. W tych przypadkach komunikację realizujemy przez GPRS i kanały VPN. Oprogramowanie WinPQ umożliwia realizację projektów z zakresu Smart Gird integrując dane z analizatorów innych producentów np.: Dranetz, Unipower czy Qwave, dane z liczników energii elektrycznej oraz różnego rodzaju przetworników pomiarowych (natężenia światła, prędkości wiatru itp.). Podobny system, składający się z 240 analizatorów PQI-DA i 500 liczników energii elektrycznej został zainstalowany w EON ie. Całość systemu działa i komunikuje się poprzez moduły GPRS i kanały VPN. Oprócz tego prezentowany system spełnia wymagania komunikacji realizowane poprzez TCP/IP, GSM i E-LAN. Analizatory generują informacje o zdarzeniach w formacie COMTRADE, przetwarzają dane do standardu PQ-DIF oraz współpracują z nadrzędnymi systemami zarządzania danymi typu PQview, SCADA 60870-5-103, IEC 61870 czy DNP-3. Synchronizacja czasu jest realizowana poprzez zewnętrzny zegar GPS lub DCF 77. 74
Rys. 1. Zewnętrzna synchronizacja czasu: programowa (sta-cyjna), DCF 77, GPS Dzięki zastosowaniu w analizatorze 2 interfejsów komunikacyjnych E-LAN jeden zegar może synchronizować do 60 analizatorów równocześnie. Ten sam interfejs komunikacyjny umożliwia wpięcie się z komputerem w dowolnym punkcie całego systemu i podgląd wszystkich urządzeń w nim pracujących. Rodzaj montażu analizatorów jest uniwersalny i zapewnia pełen zakres dostępnych rozwiązań: rack 19, szyna TH 35, zatablicowy, naścienny. Praktycznie dowolna ilość wejść i wyjść cyfrowych, analogowych czy przekaźnikowych zapewnia pełną współpracę z systemem zabezpieczeń na stacji GPZ lub gwarantuje wystawienie dowolnych sygnałów na listwę telemechaniki. Analizatory PQI-D posiadają 8 mierzących równolegle wejść analogowych (4 wejścia prądowe i i 4 wejścia napięciowe lub 2 4 = 8 napięciowych) o rozdzielczości 24-bity i rozdzielczości czasu 100 µs. Wszystkie mierzone wartości są obliczane z wartości chwilowych zgodnie z normą DIN EN-50160. Podstawy algorytmów obliczeń zawarte są w normie DIN EN 61000-4-30 (VDE 0847-4-30):2004-01 [7]. Analizatory PQI-D posiadają również kilka rodzajów rejestratorów zakłóceń. Informacje o poszczególnych przekroczeniach kryteriów normy DIN EN-50160, zapisywane w rejestratorze zdarzeń, zawierają informacje o typie przekroczenia, przekroczonej wartości progowej oraz rzeczywistej wartości przekroczonego parametru. W rejestratorze B wybrane wielkości mogą być zapisywane, jako uśrednione za 10 ms rzeczywiste wartości skuteczne (True RMS) i wyzwalane zdarzeniem. Czas trwania rejestracji, jak i położenie punktu wyzwolenia są swobodnie programowalne. Rejestrator A działa podobnie jak rejestrator, B jednak zapisuje bezpośrednie wartości chwilowe z mierzoną rozdzielczością czasu 100 µs. W ten sposób może zostać zarejestrowany odcisk palca takiego zaburzenia. Przykładowy przebieg zarejestrowanego zwarcia doziemnego jest przedstawiony na rysunku 2. Rejestrator C rejestruje natomiast 10-minutowe średnie zawartości poszczególnych wybranych harmonicznych od 2 do 50. Dzięki specjalnej funkcji (tak zwanej transmeter ) możliwe jest określenie, po której stronie transformatora zaburzenie zostało wywołane po stronie wysokiego, średniego czy niskiego napięcia. Funkcja ta opiera się na następującej regule: obniżenie napięcia po stronie wysokiego napięcia wywołu- Nr 152 75
je podobne zjawisko po stronie średniego napięcia i musi być to związane ze zmniejszeniem wartości prądu, świadczącym o obniżeniu poboru energii. Obniżenie to musi utrzymywać się na mniej więcej stałym poziomie resztkowym przez cały czas trwania zaburzenia. Dlatego też charakterystyczne zburzenia objawiają się po stronie pierwotnej transformatora z jednoczesną zmianą wartości napięć i prądów obie rosną bądź maleją jednocześnie, zależnie od typu zaburzenia. Zaburzenia pochodzące ze strony wtórnej transformatora są identyfikowane przez system, jeżeli obniżeniu napięcia towarzyszy wzrost prądu i odwrotnie. Dodatkowo sprawdza się kierunek przepływu mocy biernej. Rys. 2. Zwarcie doziemne przebieg wartości chwilowych całego, zapisanego przebiegu z rozdzielczością 100 µs 1.1. Koncepcja układu pomiarowego Współczesne realia obiektów przemysłowych, stacji zasilających i stacji GPZ oraz ich częste rozproszenie, zarówno obiektów, jak i zasobów systemowych oraz powszechność połączeń TCP/IP w ramach intranetowych sieci korporacyjnych narzuca samoistnie rozwiązania w filozofii klient/serwer. Uzupełnieniem możliwości komunikacyjnych są rozwiązania wykorzystujące połączenia modemowe komutowane, GSM oraz GPRS. Duży wpływ na funkcjonalność systemu i wiarygodność gromadzonych informacji ma zastosowanie zaawansowanych analizatorów jakości energii elektrycznej PQI-D oraz PQI-DA oraz spełniane przez nie standardów norm PN-IEC 61000-4-30, PN-IEC 61000-4-7 oraz PN-IEC 61000-4-15. Pozwala to na wiarygodną weryfikację parametrów dostarczanej energii elektrycznej zgodnie z wymogami normy PN-EN 50160 w klasie A. Możliwości sprzętowe tych urządzeń oraz łatwość dopasowania do potrzeb zapewniają dużą swobodę w przygotowaniu i uruchomieniu systemu. Konieczność udostępniania wyników pomiarów wielu użytkownikom z zachowaniem poufności danych, współpracę z innymi systemami narzuca konieczność stosowania standardów bazodanowych, a przy tym zachowanie optymalnych kosztów oprogramowania, narzuciła zastosowanie bazy MySQL. 76
1.2. Struktura systemu pomiarowego System WinPQ składa się z trzech głównych elementów: Sprzętu pomiarowego, w skład którego wchodzą analizatory jakości energii: -PQI-D modułowy analizator do tworzenia zarówno wielokanałowych rejestratorów przebiegu zaburzeń, jak i pojedynczych punktów pomiarowych; -PQI-DA analizator na szynę DIN jako pojedynczy punkt pomiarowy oraz system wielopunktowy. Narzędzia bazodanowego MySQL do obsługi baz danych. Oprogramowania systemowego WinPQ zapewniającego pełną funkcjonalność systemu w zakresie gromadzenia i analizy danych pomiarowych oraz raportowania. 2. Przyrządy pomiarowe PQI-D i PQI-DA Wszystkie typy analizatorów spełniają wymagania normy PN-EN 61000-4-30 w klasie A potwierdzonej w akredytowanym laboratorium PSL. Różnią się jedynie zastosowanymi rozwiązaniami mechanicznymi i możliwościami komunikacyjnymi. Rys. 3. PQI-DA wersja do instalacji na szynie TS 35 Do najważniejszych cech metrologicznych należą: przetwornik 24 bit A/C, próbkowanie 10,24 khz/kanał: dokładność pomiaru U jest lepsza niż 0,1%, dokładność pomiaru I jest lepsza niż 0,1% dla zakresu 2 I n, dokładność pomiaru I jest lepsza niż 0,5% (przy przeciążalności 20 I n ), napięcia, prądy, moce, energie jedno- i trójfazowe (łącznie ok. 3000 parametrów), 50 harmonicznych, interharmoniczne, flicker Pls i Pst, cykl pomiarowy: 20 ms, 200 ms, 3 s, 10 min, 15 min, 2 h, 100 µ s oscyloskop, rejestrator zaburzeń 10 ms, rejestracja zdarzeń RMS, pamięć buforowa danych: 48 MB i 1,64 MB, zasilanie: 88-264 V AC/DC, opcjonalnie 12 72 DC. Nr 152 77
Rys. 4. PQI-D wersja do montażu w kasecie rack 19 Ciekawym rozwiązaniem jest wersja PQSys wyposażona w komputer przemysłowy, oprogramowanie Windows XP, wgrane oprogramowanie WinPQ, pamięć 16 GB oraz zasilacz sieciowy. Zapewnia to pełną funkcjonalność systemu w miejscu zainstalowania. Istotne cechy i główne funkcje środowiska programistycznego WinPQ można scharakteryzować następująco: programowanie analizatorów PQI-D i PQI-DA, parametryzacja urządzeń pomiarowych, ustalanie wartości wielkości mierzonych wyzwalających alarm, definiowanie parametrów mierzonych wielkości dla celów detekcji zdarzeń, redakcja i wysłanie informacji o zdarzeniu pod wskazany numer i/albo adres e-mail, redakcja raportów. Rys. 5. Kaseta rack 19 3U o szerokości modułowej 84 TE symbol B92 Analizatory są wyposażone standardowo w dwa niezależne łącza komunikacyjne magistrali wewnętrznej E-LAN, które pozwalają na bardzo prostą rozbudowę łączności do 255 sztuk między elementami systemu takimi jak: analizatory, regulatory napięcia, regulatory cewki Petersena, przekaźniki ziemnozwarciowe. 78
Rys. 6. PQSys wersja w komputerem przemysłowy w obudowie rack 19 2.1. Baza danych MySQL W zestawie instalacyjnym zawarta jest instalacja i licencja na serwer bazy danych MySQL jako główne narzędzie do gromadzenia, przechowywania, archiwizacji i udostępniania wszystkich danych pomiarowych. Do dyspozycji są również narzędzia do importowania danych w systemach Microsoft ODBC. Proponowane rozwiązanie bazodanowe pozwala na obsługę do 8000 analizatorów. Jednak możliwości rzeczywiste zależą od zastosowanego sprzętu komputerowego. 2.2. Funkcjonalność systemu Głównym celem funkcjonalnym Systemu WinPQ było odciążenie użytkowników od systematycznego przeglądania i analizowania rejestrowanych danych. Po odpowiednim skonfigurowaniu systemu otrzymujemy następujące, najważniejsze możliwości funkcjonalne, przedstawione w grupach kompleksowo charakteryzujących możliwości systemu. W zakresie pomiarów i rejestracji: synchronizacja czasu analizatorów w oparciu o DCF-77 bądź automatyczna GPS, automatyczne analizowanie i rejestrowanie zdarzeń przekroczeń parametrów, w tym normy PN-EN 50160, PN-EN 610000-2-2, oraz według zadanych limitów, automatyczne rejestrowanie oscylogramów napięć i prądów na skutek przekroczeń przy rozdzielczości czasowej 100 µs, automatyczne rejestrowanie 20 ms wartości średnich RMS ze skokiem 10 ms, możliwość wzajemnego sprzętowego synchronizowania rejestratorów oscylograficznych i dokonywania pomiarów wartości (RMS) wybranych parametrów w odstępach 10 ms. Nr 152 79
W zakresie komunikacji: automatyczne przenoszenie danych z pamięci buforowej analizatorów do bazy danych (w sieci Intranet), automatyczne czasowe łączenie z analizatorami przy zastosowaniu łączności modemowej, automatyczne pobieranie koniecznych danych ONLINE, automatyczna obsługa transmisji po sieci E-LAN wszystkie analizatory są widoczne przez dowolny z nich, co zwiększa niezawodność połączeń komunikacyjnych. W zakresie analizy danych: opracowywanie raportów według przygotowanych szablonów, zgodnie z PN-EN 50160, własnych, diagnostycznych itp. graficznych przyspieszających ocenę stanu, opracowywanie konfigurowalnych wykresów czasowych zmienności poszczególnych parametrów, automatyczne przygotowywanie raportów okresowych: za dzień, tydzień, miesiąc, rok do postaci pliku pdf, automatyczne opracowywanie raportów na okoliczność przekroczeń poszczególnych parametrów, filtracja i sortowanie tabel zdarzeń, możliwość obliczania własnych sygnałów przez formuły matematyczne na sygnałach już istniejących, możliwość dynamicznego wyznaczania widma FFT z fragmentów oscylogramów. W zakresie powiadamiania: automatyczne wysyłanie raportów jako załączników e-mail, automatyczne drukowanie raportów na wyznaczonych drukarkach sieciowych, automatyczne umieszczanie raportów w wyznaczonych folderach sieciowych. W zakresie konfiguracji i nastaw: możliwość zdalnego konfigurowania parametrów progowych analizy jakości w przypadku zastosowań diagnostycznych, możliwość zdalnego wyboru ilości parametrów do rejestracji i podgląd zapełnienia pamięci, możliwość zdalnego konfigurowania parametrów sprzętu pomiarowego. 3. Podsumowanie Zaprezentowany system pracuje z powodzeniem na terenie całej Polski na największych farmach wiatrowych PGE Potasznia, Wroniki, Piecki, czy stacjach zasilających Zakładów Energetycznych EnergiaPro, Enea, PGE, ENERGA oraz zakładów przemysłowych: Kronospan Szczecinek czy KGHM. 4. Bibliografia 1 A-Eberle, Analizatory jakości energii, regulatory napięcia do transformatorów mocy. Astat Kalejdoskop. Energetyka nr 2011/2. 2. http://www.astat.com.pl/kalejdoskop-online. 3. Protokoły z pomiarów rozruchowych w stacjach SN materiały własne. Artykuł jest przedrukiem referatu wygłoszonego przez Autora na XIV Sympozjum Oddziału Poznańskiego SEP w dniu 23 listopada 2011 r. w Poznaniu. 80