Изменения показателей качества ЭЭ. Конспект лекций по дисциплине Измерение показателей качества электрической энергии
 Скачать 1.09 Mb.
|
|
СИ ПКЭ О 2 4 М Р В А 1 Т П У 3 5 6 7 8 В хо дн ы е си гн ал ы В ы хо дн ы е си гн ал ы ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА С И П К Э 4 А 1 Т Вхо дны е си гна лы Вых одн ые с игн алы 2 В У Г Р 1У Г Р 2 У Г Р 3 35 Возможность измерения токов. Исходными сигналами для СИ ПКЭ являются фазные/междуфазные напряжения. Однако современный опыт показывает, что крайне желательно наряду с напряжениями также измерять и сопутствующие им фазные/междуфазные токи. Причин по крайней мере две: возможность выявления источников возникновения аномалий и - попутно - контроль за потребляемой мощностью (что также важно при анализе). Поэтому при детализации структурной схемы СИ ПКЭ необходимо также отражать элементы преобразования (измерения) токов (Рис.3). Рис.3. Структурная схема СИ ПКЭ с адаптером измеряемых токов. 5.4. Структурная схема измерительных каналов СИ ПКЭ Наиболее ответственная часть любого СИ и СИ ПКЭ, в частности, – измерительный канал. Так обычно принято называть группу структурных элементов, реализующую функции измерения. В нашем примере это А+В. Где А выполняет первичное преобразование входного аналогового сигнала в цифровой – осуществляет ввод первичного сигнала в цифровую среду. Элемент В осуществляет обработку оцифрованных значений с целью выделения информации – показателей качества электрической энергии. Измерительный канал обуславливает метрологические свойства СИ. При этом, элемент А его структуры «насыщает» в основном инструментальную составляющую погрешности, а элемент В – методическую. Обобщѐнная структурная схема адаптера входных сигналов дана на рисунке 4. Рис.4. Структурная схема измерительного канала: З-схемы защиты канала; Н-схема нормализации сигнала; Ф-фильтр низкой частоты; Д- дискретизатор входного сигнала; К-устройство квантования сигнала (АЦП) Дадим пояснения. СИ ПКЭ – средство не лабораторного применения. Контролируемые сигналы «не обязаны» укладываться в предполагаемый диапазон измерений. Контролируемые сигналы могут принимать аварийные значения и разрушать измерительные каналы, если не предусмотреть специальных схем защиты. Схема Н выполняет в общем случае две функции: -преобразует входную физическую величину (сигнал) в напряжение, т.е. в сигнал, доступный для последующих преобразований. Это функция реализуется в нашем случае при измерении фазных/междуфазных токов; -трансформирует диапазон входных сигналов и согласует его с возможностями последующих преобразователей. При измерении фазных/междуфазных напряжений диапазон должен быть сужен, а при измерении аналогичных токов – расширен. Схема Ф – типичная схема защиты информации от сопровождающего еѐ «мусора». Фильтр низкой частоты выделяет актуальный спектр сигнала. СИ ПКЭ О 2 4 М Р В А А 1-1 1-2 Т П У 3 5 6 7 8 Т ок и В ы хо дн ы е си гн ал ы Н ап ря ж ен и я Н 3 5 З 1 2 4 Д Ф К И з м е р и т е л ь н ы й к а н а л Вхо дно й си гнал Вых одн ой с игн ал (код ) С и н х р о н и з а ц и я 36 Схема Д – преобразует непрерывный сигнал в набор дискретных значений. Схема К – преобразует дискретизированный входной сигнал в код – квантует сигнал. Важное назначение имеет сигнал «синхронизация». Этот сигнал задаѐт моменты времени оцифровки (функция Д+К) измеряемых сигналов. В соответствии с требованиями последующей обработки (Фурье-преобразование) на периоде основной частоты сигнала должно укладываться целое число дискретизированных значений. Это можно реализовать двумя способами. Аппаратный способ. Устройство автоматической подстройки частоты дискретизации исследуемого сигнала (АПЧД). Хорошо известны и широко применяются, особенно в радиотехнике, специальные схемы (схемы АПЧ), которые следят за частотой исследуемого сигнала и вырабатывают высокочастотный цифровой сигнал (прямоугольные импульсы), с частотой, кратной частоте исходного сигнала. В нашем случае следить необходимо за всеми тремя фазными напряжениями, с тем, чтобы пропадание одного или двух напряжений не приводило бы к срыву синхронизации (рис.5). Такое структурное решение было рекомендовано в одном из документов международной электротехнической комиссии. Основные недостатки способа: относительно сложная реализация и высокая инерционность в режимах провалов-перенапряжений контролируе-мой сети. Необходимо иметь в виду к тому же, что такой способ формирования сигнала синхронизации сопряжен с появлением дополнительной погрешности инструментального характера и требует дополнительного изучения и учѐта в метрологических расчѐтах. Рис.5. Аппаратный вариант синхронизации работы измерительного канала. Ф1-полосовой фильтр; АПЧ-схема автоматической подстройки частоты. Аппаратно-программный способ. В этом случае алгоритм измерения реализуется в два этапа: на первом этапе в течение двух-четырех периодов основной частоты измеряется собственно текущее значение частоты. На втором этапе частота предполагается неизменной, и частота дискретизации рассчитывается и формируется, исходя из измеренного значения. Погрешность, вносимая этим способом, имеет наряду с инструментальной составляющей (генерация синхросигналов), также и методическую (предположение краткосрочной неизменности основной частоты). Надѐжная оценка методической составляющей возможна путѐм математического моделирования свойств сетей питания или при проведении масштабных физических исследований этих сетей. 5.5. Структура питания Организация питания для СИ ПКЭ требует отдельного серьѐзного рассмотрения. Недооценка проблемы может привести к ненадѐжной работе изделия или существенного снижения его потребительских свойств. Рассмотрим проблему в постановочном виде. Н 3 7 5 З 1 2 6 4 Д Ф К И зм ер и т ельн ы й к а на л Вхо дно й с игн ал Вы ход ной си гна л (к од) С и н х р он и за ц и я Ф 1 3 А П Ч 37 5.5.1. Варианты питания Существует четыре варианта питания: от аккумулятора, источника измеряемого сигнала, отдельной сети (постоянного или переменного тока) и комбинированное. Ориентация на аккумулятор приводит к жестким требованиям к потреблению. В противном случае аккумулятор будет большим и тяжелым, либо время непрерывной работы будет существенно снижено. Кроме того, далеко не все аккумуляторы хорошо работают при экстремальных температурах, требуют «внимательного» к ним отношения, в ряде задач будет необходимо строго контролировать их энергоѐмкость. Аккумуляторы часто дороги. Питание от измеряемого сигнала имеет казалось бы преимущество, однако и в этом случае могут возникать проблемы. Источник питания должен быть трѐхфазным, с таким расчѐтом, что пропадание одной или двух из фаз не приведѐт, в общем случае, к нарушениям в работе СИ ПКЭ. Если источники сигналов – измерительные трансформаторы, то отбор мощности от них существенно ограничен. Использование специального сетевого питания – редкий случай и реализуем в большей степени для стационарных изделий, решающих задачи мониторинга. Лекция 12. Программируемые устройства. Регистраторы аномальных состояний сети Аномальные явления в сетях возникают эпизодически, и выявить их можно с помощью регистраторов, способных работать в течение длительных периодов времени без присмотра пользователей. Данные устройства должны обладать невысокой ценой, необходимыми метрологическими характеристиками, способностью работать от автономных источников, возможностью эксплуатации в жестких условиях окружающей среды и др. В России в настоящее время действует стандарт [1], который дает формализованное описание т.н. показателей качества электрической энергии (ПКЭ): терминология, алгоритмы выделения из массивов оцифрованных данных, алгоритмы статистической обработки. Он же устанавливает и требования к точности измерений этих ПКЭ. Опыт создания систем измерений (СИ) ПКЭ, удовлетворяющих в полной мере требованиям, показывает, что изделия получаются принципиально дорогими и малодоступными для широкого круга потенциальных потребителей. Мы пошли по другому пути. В качестве модели для применения разрабатываемых нами СИ ПКЭ была выбрана деятельность специалистов-аудиторов, выполняющих работы по т.н. энерготехнологическому аудиту энергетического и электротехнического оборудования предприятий различного назначения. Условия проведения такого рода аудитов достаточно жесткие, длительность их проведения – большая при множестве объектов контроля. Применение современных дорогостоящих СИ часто избыточно, в ряде случаев – малоэффективно, затратно и имеет ограничения, например, по температурному диапазону применения. Было решено существенно упростить как структурную схему (рис. 1), так и ее реализацию в создаваемых СИ ПКЭ. 38 Рис. 1. Обобщѐнная структурная схема современных цифровых СИ 1) Т.к. изделие должно осуществлять контроль ПКЭ в течение долгого времени, и присутствие пользователя при этом необязательно, то из структуры были исключены развитые средства взаимодействия с оператором (полноценные дисплей и клавиатура), которые ограничивают температурную область применения, усложняют, удорожают СИ, приводят в ряде случаев к существенному возрастанию тока потребления. В изделии сохранены только простые служебные органы взаимодействия (отдельные светодиоды и кнопки). Что касается полноценного отображения получаемой измерительной информации, то мы его выполняем позднее – в компьютере. Для этого актуальная информация в проектируемом изделии регистрируется в извлекаемой flash-карте, и проектируемое изделие становится, таким образом, регистратором. 2) Исключается интерфейсный адаптер. 3) Поскольку в последнее время появились недорогие современные микроконтроллеры на ARM-ядре Cortex-M3 со следующими актуальными для нас особенностями: оптимизированное потребление, большой объем внутренней памяти, высокая производительность, встроенный 12-разрядный АЦП, развитые коммуникационные возможности – стало возможным реализовать АЦП, процессор и устройство управления (рис. 1) в виде одной микросхемы. Однако требования [1] выполняются в такой структуре далеко не в полной мере: погрешности измерений старших гармоник исследуемых сигналов могут быть в два раза больше требуемых по стандарту; может не соблюдаться ограничение на время преобразования. При этом основной алгоритм выделения ПКЭ из массива оцифрованных значений остается. Главное реализуемое преимущество таких регистраторов – их относительно низкая цена и стимулируемая этим фактом широкая востребованность. Структурная схема реализованного регистратора представлена на рис. 2. 39 Рис. 2. Структурная схема реализованного регистратора значений фазных напряжений Виды регистрации Обработка данных в компьютере позволяет снизить требования к микроконтроллеру регистратора, задача которого в этом случае сводится к непрерывной оцифровке входных сигналов и трансляции получаемых кодов в карту памяти. Такая «бездумная» регистрация потребует карт большого объема и существенного времени на обработку массивов уже в компьютере. Этот режим регистрации назовем непрерывным. С целью экономии энергии применяемых батарей и расширения длительности сеансов регистрации, регистратор может обрабатывать данные в программируемые заранее моменты времени. Регистрация при этом может осуществляться либо равномерно во времени, либо выборочно. Этот режим регистрации назовем зондовым. Другой вид регистрации, который «экономит» память flash-карты, но требует больших энергетических затрат, назовем сторожевым. В этом режиме контроллер производит непрерывное преобразование поступающих данных, анализирует результаты преобразования и регистрирует только аномальные их значения. Заметим, что потребляемая от источника питания энергия может быть оптимизирована в случае, если использовать эффективный алгоритм выявления аномалий, не требующий высокой тактовой частоты микроконтроллера. Защита реализована стандартным способом: на входе измерительного канала устанавливается варистор с плавким предохранителем, а на входе фильтра нижних частот – защитные диоды. Нормализатор входных сигналов выполнен в виде пассивного делителя (R1, R2) с источником смещения Eсм в половину диапазона преобразования встроенного однополярного АЦП. Некоторую проблему составляет выбор резистора R1. Этот резистор обеспечивает входное сопротивление регистратора (1000 кОм) и принимает на себя практически все входное напряжение, которое с учетом общепринятого запаса для подобных изделий принято рассчитывать как 2,5х220 В = 550 В. Требуемая номинальная или прецизионная мощность, таким образом, не превысит 100 мВт. Точность выбираемого номинала не обязана быть выше ±1%, т.к. мультипликативная погрешность может быть скомпенсирована путем калибровки. Расчетное значение для температурного коэффициента для указанного выше температурного диапазона – 25 ppm/°C. Важным требованием к выбираемому R1 для малогабаритного регистратора является минимизация его размеров. После долгих поисков было принято решение использовать в качестве R1 два последовательно включенных резистора типа MELF 0207-560 кОм компании Vishay. Дополнительным полезным свойством этих резисторов является «терпимость» к высоковольтным импульсным напряжениям перегрузки. 40 Низкочастотная фильтрация входных сигналов осуществляется в два этапа: с помощью двухполюсного аналогового фильтра, а затем – посредством цифрового фильтра, реализуемого программно в микроконтроллере (см. далее). Использование цифрового фильтра позволило снизить метрологические требования к пассивным компонентам аналогового фильтра. Точность выбранных номиналов резисторов не обязана превышать ±1%, а конденсаторов ±5%. Актуальные требования к используемым в ФНЧ операционным усилителям: рабочая полоса частот 0…1 МГц; скорость нарастания больше 500 мВ/мкс; малый входной ток; способность работать от однополярного напряжения; потребление меньше 100 мкА/канал. Как вариант был выбран двухканальный усилитель AD8542. Основной алгоритм работы регистратора Временная диаграмма, поясняющая работу регистратора в состоянии «Регистрация данных», представлена на рис. 5. Регистрация данных выполняется регулярно с периодом Tр, равным двум секундам. Значение этого периода обеспечивается часами реального времени (RTC), встроенными в микроконтроллер (МК). Рис. 3. Временная диаграммы регистратора в состоянии «Регистрация данных» Сначала выполняется сбор данных в течение 200 мс. При этом системная частота микроконтроллера устанавливается на максимум (72 МГц). На данном интервале необходимо одновременно преобразовывать в код мгновенные напряжения по четырем каналам. Встроенный в микроконтроллер АЦП1 строго реализовать это действие не позволяет. Однако благодаря широкому спектру режимов работы и запуска АЦП1 можно «практически точно» реализовать отмеченное действие. В данном случае используется прерывистый режим функционирования АЦП1, который компания- производитель МК назвала Discontinuous mode [3]. Этот режим, иллюстрируемый рис. 6, используется для последовательного преобразования в код напряжений ограниченной (до восьми) группы каналов АЦП1. Эта группа является частью последовательности каналов преобразования, заданной в регистре специальных функций микроконтроллера ADC_SQR1. Как видно из рис. 6, после очередного запуска группа регулярных преобразований выполняется без задержек. Число каналов в группе и их последовательность программируется. В данном случае числа совпадают и равны четырем. Запуск группы осуществляется с помощью сигнала TIM3_TRGO таймера TIM3. При выбранной тактовой частоте АЦП1 (9 МГц) длительность цикла преобразования Tц составляет примерно 1,55 мкс. Рис. 4. Последовательность преобразования каналов 41 Поскольку верхняя частота спектра не превышает 2,3 кГц, то можно считать, что выборки по разным каналам производятся практически одновременно. Первые три канала служат для получения цифровых отсчетов фазных напряжений. Четвертый канал позволяет измерить специально введенное смещение в первых трех каналах, чтобы обеспечить униполярное напряжение на входе АЦП1. Код этого смещения при формировании записи вычитается из цифровых отсчетов фазных напряжений. Для устранения наложения спектров применена двухступенчатая фильтрация. Сначала входной сигнал каждого из трех каналов проходит через аналоговый фильтр Баттерворта третьего порядка, схема которого представлена на рис. 7. Рис. 5. Электрическая принципиальная схема аналогового фильтра Для развязки динамического входа АЦП1 и выхода операционного усилителя фильтра служит фильтр первого порядка (R4-C7) с небольшой постоянной времени. С целью ослабления влияния отклонения параметров элементов фильтра от номинальных значений частота среза фильтра Баттерворта выбрана примерно 5 кГц. Однако в этом случае не обеспечивается достаточное подавление в полосе заграждения фильтра. Поэтому применена вторая ступень фильтрации в цифровой форме с избыточной частотой дискретизации на входе фильтра и децимацией на выходе. Был выбран трехкаскадный CIC-фильтр с децимацией из-за его простой реализации [4]. Структурная схема этого фильтра представлена на рис. 8, где I – цифровой интегратор; R – операция децимации (прореживание отсчетов с коэффициентом R); С – гребенчатый фильтр, представляющий в данном случае цифровой дифференциатор первого порядка. Рис. 6. Структурная схема трехкаскадного CIC-фильтра |