Stáhnout - ELCOM, as

MONITORING A ANALÝZA KVALITY ELEKTŘINY
Doc. Ing. Jan Žídek, CSc.
Kvalitativní stránka elektřiny dnes hraje čím dál významnější roli. Souvisí to jednak s liberalizací
trhu s elektrickou energii a jednak s možností vzniku velkých problémů či škod při nedodržení parametrů kvality elektřiny. V ideálním případě by uživatel elektřiny měl tento produkt dostávat
v podobě, v jaké je pro něj v elektrárně vyroben, tj. jako třífázovou souměrnou napěťovou soustavu
s konstantní amplitudou, konstantním kmitočtem a čistě sinusovým průběhem.
Čím dál více faktorů v elektrizační soustavě však působí proti tomuto ideálu. Objevují se různé
rušivé vlivy, které mohou mít za následek problémy v procesu přenosu a užití elektřiny – je to
zejména důsledek většího zastoupení spotřebičů s nesinusovým průběhem odebíraného proudu a
hrají zde roli i různé poruchové jevy.
Uživatel elektřiny na jedné a distributor elektřiny na druhé straně smluvního vztahu často potřebují
prostředky pro monitoring a analýzu těchto rušivých projevů. V zásadě se jedná o soustavu standardů definujících projevy rušení, metody jejich měření a přípustné limity rušivých jevů a dále o
přístroje umožňující korektní a opakovatelné měření vybraných elektrických veličin a umožňující
analýzu měřených dat s cílem průkazně rozhodnout, zda naměřené hodnoty jsou nebo nejsou
v dovolených mezích a dokumentovat tuto skutečnost protokolem z měření.
Souhrn těchto prostředků umožňuje monitorovat a analyzovat rušivé vlivy na rozhraní dodávky a
spotřeby elektřiny. Zatímco soustava standardů je záležitostí v podstatě jednotnou, danou harmonizací našich norem a norem mezinárodních, nástroje pro měření a následnou analýzu měřených
dat jsou k dispozici v široké škále provedení.
Výhodou je sdružení monitoringu všech rušivých vlivů vyskytujících se v síti do jednoho přístroje –
východiskem je měření časových průběhů napětí a proudů a jejich následné zpracování podle
standardů platných pro měření jednotlivých rušivých vlivů, z nichž základní pro tuto oblast jsou:
• harmonické a meziharmonické (v souladu s ČSN EN 61000-4-7)
• kolísání napětí – blikání (v souladu s ČSN EN 61000-4-15)
• kvalita elektřiny komplexně (v souladu s ČSN EN 50160)
Důležitou roli hraje nástroj následné prohlídky naměřených a vyhodnocených dat uložených
v průběhu měření. Rozsah funkcí a uživatelský komfort tohoto nástroje často definují užitnou hodnotu celého systému pro koncového uživatele. Tento nástroj je zpravidla oddělen od vlastního přístroje – je to aplikace běžící na personálním počítači v prostředí operačního systému tohoto počítače.
Na těchto základech byl vyvinut modulární systém identifikace, monitoringu a analýzy kvality elektřiny BK ELCOM, který byl v loňském roce oceněn na mezinárodním strojírenském veletrhu oceněn zlatou medailí jako nejlepší vystavovaný exponát. Bylo tak završeno takřka desetileté úsilí
věnované ve firmě Elcom, a.s. vlastnímu vývoji této třídy měřicích přístrojů. V posledních dvou
letech došlo ve vývoji tohoto systému k výraznému pokroku:
• narostla variabilita hardwarových platforem, na kterých může být analyzátor provozován – pro
použití v provozu se objevila nová koncepce s oddělením měřicí a zobrazovací části analyzátoru
• vzrostl počet přístrojů, které lze v analyzátoru současně provozovat v podobě implementovaných SW modulů
• objevila se možnost plnohodnotné dálkové správy analyzátoru
• změnila se filozofie následného zpracování naměřených dat – dává uživateli mnohem větší volnost, komfort a pohodlí při zpracování protokolů z měření
1
• systém BK ELCOM byl dopracován do podoby stavebnice, ze které lze sestavit i distribuovaný
stacionární systém monitoringu kvality elektřiny zastřešený databázovým serverem
• na bázi standardního prohlížeče www stránek byla umožněna prohlídka naměřených dat uložených na databázovém serveru
HARDWAROVÉ PODOBY ANALYZÁTORU BK ELCOM
Komplexní analyzátor sítí BK ELCOM je dnes nabízen v několika podobách, které pokrývají jak
aplikační oblast přenosných přístrojů, tak i možnost stacionárního nasazení těchto prostředků
v rámci distribuovaných systémů monitoringu a analýzy kvality elektřiny.
V oblasti přenosných přístrojů k již známým podobám robustních přenosných personálních počítačů a kompaktního přístroje pro měření v terénu přibyla nová varianta – provedení s oddělenou měřicí a zobrazovací částí.
Toto nové a z hlediska designu velmi zdařilé řešení navrhli jeho tvůrci speciálně pro oblast měření
energetického rušení v terénu. Vyznačuje se několika vlastnostmi výrazně usnadňujícími práci
s analyzátorem. Následující obrázek ukazuje toto provedení analyzátoru BK ELCOM.
Obr. 1: Komplexní analyzátor sítí BK ELCOM v provedení PNA 600
Stejně jako u všech ostatních provedení, skrývá i tento přístroj plnohodnotný a výkonný personální
počítač. Rozměry základní jednotky se podařilo minimalizovat na hloubku cca 6 cm a formát 31 x
34 cm, což umožňuje snadný transport (k tomu přispívá i hmotnost cca 5 kg) a uzavření do rozvaděče během dlouhodobých měření. Měřicí jednotka má krytí IP 65, čehož bylo dosaženo utěsněním pracovního prostoru, speciálními konektory a vyváděním tepla z pracovního prostoru přes
tepelný výměník.
2
Hlavní novinkou je oddělení základní měřicí jednotky od periférie pro konfiguraci přístroje a vizualizaci výsledků měření. Tato periférie je opatřena třmenem, takže je možné si ji navléct na jednu
ruku, přičemž druhá zůstává volná pro ovládání prostřednictvím dotykové obrazovky nebo pro manipulaci s proudovými kleštěmi nebo přívody měřeného napětí – při těchto manipulacích lze pohodlně stát u rozváděče – propojovací kabel se základní jednotkou je dostatečně dlouhý. Výhodou je
i to, že po nakonfigurování analyzátoru lze periférii za chodu odpojit – stačí tedy jedna konfigurační
a vizualizační jednotka pro obsluhu více analyzátorů.
Z hlediska komunikačních rozhraní je toto provedení analyzátoru standardně vybaveno rozhraním
USB, Ethernet, a sériovým rozhraním RS-232 použitelným pro připojení komunikace s UPS nebo
modem. V napájecím zdroji měřicí jednotky analyzátoru je velká kapacita, která dovoluje překlenout výpadky napájení do 3 sekund.
Alternativou k popsanému provedení je provedení ENA 500 – i v tomto velmi robustním a mechanicky odolném přenosném přístroji se skrývá výkonný personální počítač, měřící karta a obvody
úpravy měřených signálů. Výhodou je zde větší počet měřicích kanálů – standardní čtveřice napěťových a osmice proudových vstupů umožňuje současný monitoring dvou proudových vývodů se
společným napěťovým systémem.
Obr. 2: Komplexní analyzátor sítí BK ELCOM v provedení ENA 500
Úlohu konfigurační a vizualizační jednotky zde plní standardní notebook, na kterém běží modul
dálkové správy analyzátoru umožňující konfigurovat, spouštět a zastavovat měření, prohlížet a
stahovat naměřená data a dokonce i upgradovat firmware měřicí části analyzátoru. Pro komunikaci
notebooku s měřicí částí analyzátoru lze využít propojení lokální počítačovou sítí, telekomunikační
linkou. Největší komfort přináší využití bezdrátové technologie WiFi, která umožňuje komunikaci
mezi notebookem a měřicí části analyzátoru na vzdálenost několika desítek metrů (není potřeba
během měření vstupovat znovu přímo do místa připojení měřicí části).
3
Pro účely stacionárního monitoringu v rámci distribuovaných monitorovacích systémů je k dispozici
provedení ENA 440. Toto provedení se hodí pro trvalou instalaci do rozvaděče.
Obr. 3: Komplexní analyzátor sítí BK ELCOM v provedení ENA 440
I v tomto provedení je jádrem analyzátoru personální počítač s měřicí kartou. Obvody úpravy signálu jsou řešeny jako externí jednotka pro montáž na DIN lištu. Analyzátor je i zde vybaven standardně všemi komunikačními rozhraními (RS 232, USB, VGA, Ethernet).
V místech, kde je potřeba sdružit monitoring kvality elektřiny z více míst, je možné nasadit analyzátor BK ELCOM v provedení ENA 400, které představuje standardní průmyslový počítač pro montáž
do 19“ rámu. V tomto provedení lze sdružit monitoring až pěti třífázových napěťových systémů do
jednoho analyzátoru. I zde jsou obvody úpravy signálu řešeny jako externí jednotka pro montáž na
DIN lištu.
Obr. 4: Komplexní analyzátor sítí BK ELCOM v provedení ENA 400
4
PŘÍSTROJE SDRUŽENÉ V SYSTÉMU BK ELCOM
Před deseti lety byl na půdě Katedry elektrických měření FEI VŠB TU v Ostravě ve spolupráci s firmou ELCOM, a.s. zahájen projekt vývoje komplexního analyzátoru sítě. Výstupy z tohoto projektu tvoří dnes nezastupitelnou složku trhu s analyzátory kvality elektřiny, a to nejen v rámci ČR. Je možné konstatovat, že původní koncepce analyzátoru, který je dnes součástí modulárního komplexního systému BK ELCOM i
v současné době odpovídá směru, kterým kráčí ve světě měřicí techniky řada renomovaných světových
výrobců.
Od samého počátku si kladl projekt komplexního analyzátoru kvality elektřiny za cíl plnohodnotné využití
možností virtuální instrumentace:
•
využití grafického vývojového prostředí LabVIEW pro jeho flexibilitu a schopnost průběžně se přizpůsobovat potřebám koncového uživatele
• vytvoření otevřeného rámce připraveného pro implementaci dalších a dalších SW modulů
• možnost implementace dalších aplikací do stejného operačního systému,ve kterém běží aplikace
tvořící firmware analyzátoru – tímto způsobem je možné využívat standardní SW např. pro zpracovávání protokolů z měření
• plnohodnotné využití komunikace pro dálkovou správu analyzátoru a sdílení naměřených dat
V současné době se neustále rozšiřuje sada přístrojů, ze kterých si uživatel může vybrat ty, které odpovídají
jeho potřebám:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
analyzátor harmonických a meziharmonických
monitor výkonů a energií
osciloskop
vektorskop
měřič blikání
monitor napětí podle normy ČSN EN 50160
transientní zapisovač
analyzátor signálu HDO
analyzátor symetrických složek sítě
analyzátor impedance sítě
monitor alarmů
monitor efektivní hodnoty napětí za půlperiodu
Z těchto přístrojů si lze zkombinovat analyzátor s takovými funkcemi, jaké koncový uživatel potřebuje aniž by
musel zasahovat do hardwarové podoby přístroje. Z hlediska SW implementace se jedná o paralelně běžící
procesy, z nichž základním procesem je sběr dat z měřicí karty. Nad těmito daty potom běží procesy jednotlivých implementovaných přístrojů, které naměřená data analyzují, vizualizují a archivují. Analyzátor je vybaven grafickými rozhraními k uživateli, které slouží k jednoduchému a intuitivnímu ovládání všech přístrojů
implementovaných do analyzátoru s plným komfortem.
K výhodám koncepce analyzátoru BK ELCOM patří velikost paměti pro archivaci měřených dat,
možnost připojování standardních periférií přímo k analyzátoru (tiskárna, zapisovací jednotka CD
ROM k archivaci výsledků měření, modem pro dálkovou správu analyzátoru, USB disk nebo USB
kabel pro snadný transport dat do jiného počítače).
Uživatel si může na analyzátor nainstalovat i běžný kancelářský software (např. MS Office) pro
zpracování výsledků měření do podoby protokolů. Z hlediska licenční politiky je měřicí část licenčně chráněna a spustitelná pouze na originální měřicí jednotce, ale část zpracování naměřených
dat je dodávána jako freeware a spustitelná i na více počítačích koncového uživatele. Systém je
modulární – uživatel si koupí pouze moduly přístrojů, které potřebuje, následný upgrade a rozšíření
o další přístroje jsou velmi jednoduché a zvládnutelné i na dálku.
Modul zpracování naměřených dat je automatickou součástí každého přístroje analyzátoru a jeho
nová filozofie bude popsána dále. Na vyžádání lze zájemcům poskytnout demoverzi analyzátoru,
která po instalaci na běžném PC umožní prohlídku všech přístrojů měřicí části analyzátoru a obsahuje i plnohodnotný modul zpracování naměřených dat.
5
DÁLKOVÁ SPRÁVA ANALYZÁTORU
Stejně jako u jiných měřicích přístrojů, lze i u analyzátorů kvality elektřiny při existenci komunikačního rozhraní uvažovat o dálkové správě přístroje (konfiguraci přístroje pro měření a vyčítání naměřených dat). Dálková správa analyzátoru s těmito funkcemi umožňuje buď automatizovat proces
měření s vyloučením lidského faktoru jako potenciálního zdroje chyb, nebo převést správu analyzátoru do vzdáleného místa. To umožňuje z jednoho centra prostřednictvím telefonní linky nebo
počítačové sítě spravovat všechna místa, na kterých jsou analyzátory kvality elektřiny nasazeny.
Vzniká tak možnost vytvářet distribuované systémy monitoringu a analýzy kvality elektřiny.
Obr. 5: Grafické rozhraní pro dálkovou správu analyzátoru BK ELCOM
ZPRACOVÁNÍ NAMĚŘENÝCH DAT
Obecným trendem v oblasti zpracování naměřených dat je zvyšování flexibility. Komplexní analyzátor sítí v modulárním systému BK ELCOM umožňuje v nové verzi firmware 2.x vyhodnocování
naměřených dat, aniž by byl uživatel vázán SW modulem, v němž data vznikla a analyzátorem,
který data naměřil.
V duchu hierarchie uspořádání naměřených dat dostává na počátku analýzy uživatel k dispozici
stromovou strukturu všech dat, která se nacházejí v daném archívu naměřených dat. V této hierarchii si uživatel může vybrat až dvě měření, u nichž chce analyzovat a srovnávat naměřená data.
Vyhodnocovaná data mohou být i z různých míst měření.
6
V zásadě existuje několik základních pohledů na naměřená data:
•
pohled v časové oblasti – časový průběh libovolné veličiny
•
pohled ve frekvenční oblasti – spektrum libovolné veličiny
•
pohled statistický – histogram libovolné naměřené veličin
•
pohled speciální – pro některé SW moduly (ČSN EN 50 160, monitor HDO …)
Obr. 6: Grafické rozhraní pro výběr naměřených dat pro analýzu v analyzátoru BK ELCOM
Uživatel si má možnost vybrat jeden z výše uvedených pohledů nad vybraným měřením. Standardně má k dispozici dva grafy do protokolu, do nichž lze vybrat libovolnou měřenou veličinu.
Grafy jsou vybaveny kurzory a lze v nich využívat lupy. V některých protokolech lze využít limitů
definovaných standardy.
Zpracování naměřených dat do podoby protokolu lze provádět přímo na analyzátoru, nebo po přenesení naměřených dat do stolního personálního počítače lze využít obvykle kvalitnějších periférií
této sestavy (větší displej, standardní klávesnice, připojení do sítě, kvalitní tiskárny).
7
Výstup v podobě protokolu lze poslat na tiskárnu, do obrázku pro implementaci do protokolu vytvářeného např. ve Wordu, nebo do html souboru pro publikování na Internetu. Modul zpracování naměřených dat takto umožňuje pohodlnou a rychlou tvorbu standardní podoby protokolů.
Obr. 7: Zobrazení časového průběhu naměřené veličiny v analyzátoru BK ELCOM
K nejnovějším trendům patří unifikace ukládání naměřených dat do souborů se standardizovaným
formátem PQDIF. Tato možnost otevírá cestu ke sdílení dat získaných v oblasti měření kvality
elektřiny různými přístroji podporujícími tento mezinárodně standardizovaný formát. Systém BK
ELCOM je vybaven konvertorem umožňujícím off-line transformaci naměřených dat do tohoto formátu.
8
Obr. 8: Zobrazení časového průběhu naměřené veličiny v analyzátoru BK ELCOM
9
Implementací popsaných nových vlastností se modul zpracování naměřených dat z analyzátorů
BK ELCOM řadí plnohodnotně do řady produktů poskytovaných pro zpracování naměřených dat
renomovanými dodavateli měřicích přístrojů pro oblast monitoringu a analýzy kvality elektřiny.
Řada vylepšení poskytovaných uživatelům analyzátorů BK ELCOM pro pohodlné a rychlé zpracování naměřených dat vznikla jako výsledek zpětné vazby – tvůrci tohoto systému bedlivě naslouchají potřebám koncových uživatelů a průběžně tyto potřeby naplňují v nových verzích softwaru.
Nástrojem zpětné vazby k uživatelům je technická podpora průběžně poskytována firmou ELCOM
buď na zavolání, nebo pomocí modulu Intranetu, který slouží pro oznamování přání či nalezených
nedostatků. Rychlost odezvy na nedostatky, pomoc při řešení problémů uživatelů a plnohodnotná
podpora v českém jazyce je další výhodou, kterou dnes systém BK ELCOM poskytuje.
DISTRIBUOVANÝ SYSTÉM MONITORINGU KVALITY ELEKTŘINY
Modulární systém BK ELCOM dnes obsahuje:
•
různé hardwarové podoby vlastního analyzátoru (přenosný počítač, kompaktní přenosný přístroj, zodolněný přístoj s krytím IP 65 a externím displejem, přístroj k zabudování do 19“ rámu)
•
sadu SW modulů pro zkombinování funkcí analyzátoru (firmware je jednotný pro všechny HW
platformy)
•
modul dálkové správy analyzátoru včetně možnosti dálkově spustit postprocessing nad naměřenými daty
•
modul replikace lokální databáze naměřených dat na centrální datový server
•
modul publikování naměřených dat z centrálního datového serveru vytváří podle vzdálených
požadavků dynamicky www stránky s protokolem z měření – k prohlídce dat z tohoto serveru
v dosahu Internetu nebo telefonní linky lze využít standardního prohlížeče www stránek bez
nutnosti instalovat speciální software
Pomocí těchto částí lze vybudovat stacionární distribuovaný systém monitoringu a analýzy kvalitativních parametrů elektřiny ve význačných místech rozvodné soustavy s centrálním uložením naměřených dat.
V roce 2001 byl tento systém vyhodnocen jako nejlepší aplikace v rámci celosvětové konference
National Instruments v kategorii Maintenance/Field Test [L1].
V roce 2003 byl takovýto distribuovaný systém monitoringu kvalitativních parametrů elektřiny vybudován v Západočeské energetice. Zajímavostí je při tomto nasazení spojení jeho funkcí
s měřením okamžité polohy fázorů napětí pro potřeby dispečerů.
Více informací o struktuře a funkcích distribuovaného systému monitoringu kvality elektřiny BK
ELCOM lze získat na Internetu na adrese: http://www.elcom.cz/dvi/produkty/bk-elcom/index.php.
Následující obrázek ukazuje blokovou strukturu distribuovaného systému monitoringu kvality elektřiny BK ELCOM. Data měřená na jednotlivých rozvodnách jsou replikována do centrálního datového úložiště. Zde je provozován databázový server pro archivaci těchto dat a prostředek pro publikování těchto dat v rozsahu intranetu.
Pro prohlídku naměřených dat uložených na centrálním databázovém serveru může uživatel použít
standardní prohlížeč www stránek, jak bude popsáno v následující části příspěvku.
10
Datové úložiště
Obr. 9: Bloková struktura distribuovaného systému monitoringu kvality elektřiny BK ELCOM
11
PROHLÍDKA A ANALÝZA NAMĚŘENÝCH DAT V DOSAHU INTERNETU
Data replikovaná z jednotlivých míst měření na centrální datový server jsou ukládána do SQL databáze a publikována standardními technologiemi do sítě Internetu. Toto řešení umožňuje uživateli
z libovolného počítače pomocí standardního prohlížeče www stránek prohlížet naměřená data. Na
centrálním datovém serveru jsou dynamicky generovány www stránky s požadovanou podobou
protokolu z měření. Uživatel si nemusí v místě prohlídky dat instalovat žádný dodatečný SW, má-li
k dispozici standardní prohlížeč www stránek (MS Internet Explorer).
Obr. 10: Ukázka výstupů ze standardního prohlížeče www stránek při prohlídce naměřených dat
ZÁVĚR
Široká škála provedení, ve kterých je dnes analyzátor BK ELCOM nabízen uživatelům umožňuje
každému výběr podle zamyšleného nasazení ať už jako přenosného přístroje nebo stacionárně
instalovaného analyzátoru. Funkčnost všech provedení z hlediska firmware je identická a představuje modulární systém, v němž má uživatel možnost výběru těch SW modulů, které potřebuje pro
aktuální nasazení.
12
Použitá technologie virtuální instrumentace umožňuje využívat analyzátor i jako platformu pro provozování jiných SW produktů, např. kancelářského software pro tvorbu nestandardních protokolů.
Modul dálkové správy analyzátoru umožňuje plnohodnotnou správu analyzátoru i ze vzdálených
míst. V distribuovaných systémech monitoringu kvality elektřiny zastřešených centrálním datovým
serverem je možno k prohlídce naměřených dat a tvorbě protokolů využít běžného prohlížeče
webových stránek.
Více informací o systému BK ELCOM lze nalézt na www stránkách firmy Elcom, a.s.
(www.elcom.cz/dvi).
13