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
