Monitorizarea calităţii energiei electrice reprezintă procesul de colectare,

analiză şi interpretare a datelor brute obţinute din măsurare în scopul obţinerii de

informaţii utile. Procesul de analiză şi interpretare iniţial a fost realizat manual, dar

progresele recente în domeniul procesării semnalelor au făcut posibilă proiectarea

şi implementarea sistemelor inteligente pentru a analiza în mod automat şi a

interpreta datele brute în informaţii utile, cu un minim de intervenţie umană.

Rezolvarea problemelor de calitate a energiei electrice depinde de obţinerea

de date semnificative într-un interval de timp util, de alegerea locului sau locurilor

optime de amplasare a echipamentelor de monitorizare a CEE. În scopul

dobândirii datelor utile şi relevante, ar trebui să fie utilizate instrumentele cele mai

potrivite pentru o anumită aplicaţie. Cele mai multe probleme de calitate a energiei

electrice care trec nerecunoscute sunt datorate utilizării necorespunzătoare a

instrumentelor pentru o anumită aplicaţie [32].

Este foarte important ca locaţiile de monitorizare să fie selectate cu atenţie pe

baza obiectivelor de monitorizare. Un alt aspect important este de a localiza

sisteme de monitorizare cât mai aproape de echipamentele afectate de variaţiile de

calitate a energiei electrice, pentru a vedea aceleaşi variaţii ca şi echipamentul

sensibil. Tendinţa actuală este de a folosi monitorizarea permanentă a calității

energiei electrice. Sistemele de monitorizare permanentă a calităţii energiei

electrice, cum ar fi sistemul ilustrat în fig. 1.2, utilizează echipamente care pot avea

capacitatea de a înregistra informaţii despre calitatea energiei electrice. Acesta este

un sistem de monitorizare a calității energiei electrice într-un post de transformare

şi la diferiţi consumatori conectaţi la acel post de transformare [26].

Figura 1.1 Sistem de monitorizare a CEE într-un post de transformare şi la diferiţi

consumatori conectaţi la acel post de transformare [26]

Unele instrumente utilizate în monitorizarea CEE pot trimite datele

înregistrate printr-o linie de telecomunicaţii într-o locaţie centrală de procesare

pentru analiză şi interpretare. O trăsătură comună în rândul acestor instrumente

este că ele nu au capacitatea de a analiza la nivel local, interpreta şi de a determina

ceea ce se întâmplă în sistemul energetic. Ele înregistrează pur şi simplu şi

transmit datele pentru postprocesare. Tendinţa actuală în monitorizarea CEE este

de a utiliza echipamente ce colectează datele, le transformă în informaţii utile, şi le

difuzează utilizatorilor [26].

Aşadar analiza datelor de CEE se poate face off-line şi on-line. Analiza off-

line, aşa cum o sugerează denumirea se face off-line la locaţia centrală de

procesare. Analiza on-line este efectuată cu instrumentul de monitorizare în sine,

pentru difuzarea de informaţii imediate. În ambele situaţii se utilizează software-uri

dedicate. Unul dintre avantajele principale în analiza on-line de date este că se pot

furniza mesaje instantanee pentru a înştiinţa utilizatorii de evenimentele de interes.

Utilizatorii pot apoi să acţioneze imediat la primirea notificărilor.

Există diferite tipuri de instrumente de monitorizare disponibile pe piaţă, dar,

uneori, caracteristicile lor nu sunt uşor de comparat. În scopul de a alege

instrumentul corect, în primul rând este necesar să se analizeze cerințele

monitorizării, tipul de perturbație ce va fi analizată, perioada de monitorizare,

precizia cerută. În funcție de aceste nevoi se va alege obiectiv instrumentul de

monitorizare.

Standard IEC 61000-4-30 are ca scop definirea unor metode de măsurare care

să facă o comparaţie a rezultatelor monitorizării, indiferent de instrumentul care

este utilizat. În acest standard sunt definite 3 clase de performanţă a măsurării.

Clasa A de performanţă – instrumentele din această clasă vor furniza aceleaşi

rezultate atunci când sunt conectate la aceleaşi semnale. Instrumentele din clasa A

trebuie să respecte cele mai înalte cerinţe de performanţă şi de acurateţe.

Clasa S de performanță - instrumentele din această clasă sunt utile pentru

anchetele statistice şi aplicaţii contractuale în cazul în care nu există dispute.

Cerinţele de acurateţe şi de performanţă pentru clasa S sunt mai puţin stricte decât

cele din clasa A.

Clasa B de performanţă - instrumentele din această clasă sunt utilizate în

anchetele statistice, rezolvări de probleme, furnizând informații utile dar nu cu

precizie ridicată [36].

Întrucât degradarea calității energiei electrice este datorată în primul rând de

perturbațiile (armonici, flicker, nesimetrii) introduse în rețeaua distribuitorului de

energie electrică de consumatori, monitoriza CEE se face cu precădere la

consumatorii și la distribuitorii de energie electrică. Dar şi sistemele transport pot

fi sursa perturbaţiilor sub formă de întreruperi, goluri de tensiune.

Așadar, monitorizarea CEE nu se face doar la consumatorul sau la

distribuitorul de energie electrică ci și la cel care transportă energia electrică, adică

pe partea de înaltă tensiune.

Compania Naţională de Transport a Energiei Electrice – Transelectrica,

operatorul de transport şi de sistem (OTS) din Romania are un rol cheie pe piaţa de

energie electrică din Romania fiind şi coordonatorul proiectului “Smart Grid” din

România ce are ca scop creşterea eficienţei energetice.

Termenul “reţea inteligentă” se referă la o modalitate de a conduce sistemul

energetic folosind tehnologii de comunicaţie, tehnologii de electronică de putere şi

tehnologii de stocare pentru a balansa producţia şi consumul la toate nivelele, de la

consumatorul final şi până la nivelele cele mai înalte de tensiune. Reţeaua electrică

inteligentă (Smart Grid) poate moderniza reţeaua actuală de electricitate.

Tehnologia de reţea inteligentă este un ansamblu de sisteme de control şi

management al reţelei, de senzori şi mijloace de comunicare şi informare, care

încorporează atât elemente tradiţionale, cât şi de ultimă generaţie [30] . Unul din

obiectivele reţelelor inteligente îl reprezintă creşterea calităţii energiei electrice. În

acest scop reţelele inteligente Smart Grid dedicate calităţii energiei electrice

trebuie să se bazeze pe folosirea echipamentelor de monitorizare on-line şi de

măsurare în clasa A.

OTS monitorizează permanent şi temporar parametrii de calitate a energiei

electrice cu instrumente dedicate. Sistemele de monitorizare permanentă sau

temporară sunt conectate la interfaţa dintre operatorul de transport şi de sistem şi

operatorul de distribuţie şi de sistem sau la interfaţa dintre operatorul de transport

şi de sistem şi consumatorii eligibili. Din 2010 se utilizează instrumente de

monitorizare a CEE portabile, de clasa A, instalate în punctele de monitorizare pe o

durată de minim 2 săptămâni [34]. De asemenea, comunicarea datelor se face prin

fibre optice. Pentru analiza parametrilor de CEE în reţeaua electrică de transport se

utilizează un software dedicat CEE. Acesta poate integra până la 300 de analizoare

de CEE şi oferă acces la diferiţi utilizatori finali cum ar fi Dispeceratul National

Central, operatorul de distribuţie, consumatorii eligibili prin browsere de internet.

Un astfel de exemplu este prezentat în figura 1.3.

Figura 1.2. Sistem integrat de monitorizare a calității energie electrice [34]

Cea mai mare parte a instrumentelor reale (inclusiv a celor de monitorizare a CEE)

se limitează la îndeplinirea următoarelor funcţii principale:

- culegerea datelor de măsură

- analiza lor

- afişarea rezultatelor

Aceste funcţii sunt implementate în instrument, astfel că odată stabilite nu

mai pot fi schimbate.

Apariția instrumentației virtuale este determinată de tendința actuală de

creștere a flexibilității instrumentației, materializată în obținerea unor arhitecturi

deschise care să conducă la dezvoltări ulterioare, necesare unui domeniu larg de

aplicații. Aceasta se manifestă atât la nivelul hardware-ului, cât și la nivelul

software-ului, fiind susținută și de beneficii economice (cost, rapiditate, ușurință în

utilizare) [29].

Configurația unui instrument virtual este ilustrată în figura următoare:

Figura 1.3 Configuraţia unui instrument virtual [40]

Un instrument virtual este un program de calculator în combinaţie cu un dispozitiv

de achiziţii de date care simulează funcţiile unui instrument real, oferind

performanţe comparabile cu acesta. În vederea comunicării cu procesul de

măsurare, calculatorul trebuie să fie dotat cu un dispozitiv hardware adiţional

pentru interfaţare. Principalul rol al acestui dispozitiv stă în transformarea mărimii

analogice de la intrare în cuvânt numeric. Semnalele digitizate sunt apoi supuse

prelucrării. Aici intră în funcţie programul de instrumentaţie virtuală, ce conduce şi

supervizează toate funcţiile instrumentului: achiziţia, prelucrarea, stocarea, afişarea

şi transmiterea la distanţă a informaţiei de măsură [28].

Liderul de piaţă în domeniul instrumentaţiei virtuale este firma National

Instruments Ltd., care pune la dispoziţia constructorilor de aplicaţii de sisteme de

măsură o gamă foarte largă de dispozitive hardware dedicate măsurărilor

distribuite, achiziţiei de date şi comunicaţiilor, precum şi de limbaje de programare

specializate pe instrumentaţia virtuală, cel mai cunoscut fiind limbajul LabVIEW.

În ultimii 30 de ani, National Instruments a revoluţionat modul în care

inginerii şi oamenii de ştiinţă din mediile industriale, guvernamentale şi academice

abordează domeniile achiziţiilor de date şi automatizării. Profitând de

calculatoarele personale şi tehnologiile comerciale, instrumentaţia virtuală sporeşte

productivitatea şi reduce costurile cu aplicaţiile de testare, control şi proiectare prin

utilizarea aplicaţiilor software uşor de integrat, precum NI LabVIEW şi

echipamente hardware modulare de achiziţie şi control pentru platformele PXI,

PCI, PCI Express, USB şi Ethernet. Cu ajutorul instrumentelor virtuale, inginerii

utilizează mediul de programare grafic pentru a crea soluţii definite de utilizatori,

care corespund cerinţelor specifice ale acestora – abordare mult diferită faţă de

cea a instrumentelor tradiţionale, cu funcţionalitatea fixă şi limitată. În plus,

instrumentaţia virtuală fructifică performanţele în permanentă evoluţie ale

calculatoarelor personale [39]

Instrumentaţia virtuală are atât avantaje cât şi dezavantaje. Dintre

principalele avantaje amintim:

nu necesită spaţiu fizic de depozitare;

poate fi cu elemente distribuite (se pot face măsurări în mai multe

locuri odată);

datele pot fi transmise la distanţă prin reţele de calculatoare, internet,

telefonie mobilă sau radio;

flexibilitate de configurare a instrumentelor (instrumentele virtuale pot

fi uşor transformate prin programare);

sunt reduse semnificativ costurile (o singură placă multifuncţională de

achiziţie de date împreună cu softul aferent poate înlocui o mulţime de

alte instrumente fizice dedicate);

precizie ridicată (prelucrarea numerică a semnalelor nu este afectată

de toleranţele componentelor, temperatură, zgomote).

Principalul dezavantaj constă în limitarea benzii de frecvenţă a semnalelor

măsurate datorită limitărilor impuse de lanţul de măsurare şi în principal de CAN.

Există digitizoare ce lucrează cu frecvenţe de până la 1000 Msamples/s, cu

conversie pe 8 biţi. Creşterea rezoluţiei convertoarelor şi deci a preciziei măsurării

se poate face în detrimentul vitezei, cu limitarea benzii de frecvenţă. Convertoarele

pe 21 biţi, ce lucrează cu frecvenţe de până la 100 MHz, au cele mai bune

performanţe la ora actuală [28].

Aplicațiile instrumentației virtuale sunt multiple:

Proiectare

procesare de semnale și imagini

programarea sistemelor integrate (PC, PLC, microcontroler)

simulare și realizarea unui prototip

Control

control automat și sisteme dinamice

mecatronică și robotică

Măsurări

aparate de măsură pentru circuite electronice

instrumente de măsură și control diverse

Instrumentele virtuale, completate cu sisteme specializate, inteligente, de

achiziții de date, constituie o soluție riguroasă, versatilă, extensibilă, echilibrată din

punct de vedere al raportului hardware-software, de analiză a calității energiei în

rețelele electrice. Un astfel de sistem poate realiza cu precizie ridicată următoarele:

înregistrarea numerică, tabelară sau grafică a mărimilor măsurate;

analiza armonică a mărimilor măsurate;

calculul indicatorilor de calitate a energiei electrice conform normelor în

vigoare (standarde, recomandări, normative naționale sau internaționale);

compararea valorilor obținute cu valori limită admisibile și realizarea unei

semnalizări optice în cazul depășirilor acestora;

analiza statistică a indicatorilor de calitate în scopul estimării acestora cu o

probabilitate de 95%;

afișarea unor parametri electrici: energie electrică (activă, reactivă), putere

(activă, reactivă, aparentă, deformantă), factor de putere, curenți, tensiuni,

frecvență;

determinarea și înregistrarea nesimetriilor/dezechilibrelor de tensiune și

curent pentru sistemul trifazat;

sesizarea întreruperilor de scurtă și respectiv lungă durată;

sesizarea golurilor de tensiune;

măsurarea și înregistrarea supratensiunile temporare de frecvență industrială

şi a fenomenelor tranzitorii;

realizarea unor rapoarte la anumite intervale de timp a evenimentelor privind

abaterile de la calitatea energiei electrice;

transmiterea la distanță a datelor achiziționate și analizate.

Cercetări privind utilizarea instrumentaţiei virtuale în estimarea

indicatorilor regimului nesimetric

După cum se ştie, abaterile sistemelor de tensiuni şi curenţi de la simetria pe

fază reprezintă unul dintre aspectele de CEE deosebit de important. Consecinţele

regimului nesimetric sunt deosebit de grave. De exemplu, la maşinile electrice

rotative de tensiune alternativă trifazată, nesimetria tensiunilor de alimentare duce

la încălziri datorită pierderilor suplimentare. Încălzirea suplimentară este

determinată de curenţii de secvenţă negativă şi zero care parcurg înfăşurările

maşinilor. De asemenea, apar cupluri pulsatorii de frecvenţă ridicată şi, în

consecinţă, vibraţii, rezultând şi o reducere a randamentelor motoarelor.

Nesimetria curenţilor are ca principal efect nedorit producerea de pierderi

suplimentare atât în reţelele electrice de transport şi distribuţie cât şi în reţelele

industriale.

Aprecierea regimului nesimetric se poate face pe baza componentelor

simetrice, determinate cu teorema lui Stokvis-Fortesque. Cu ajutorul acestor

componente se calculează indicatorii de regim nesimetric (factorul de nesimetrie

negativă, factorul de nesimetrie zero, factorul total de nesimetrie, coeficientul de

succesiune inversă, coeficientul de succesiune omopolară). Normativul românesc

PE 143/2001 aliniat la normativele internaţionale, stabileşte necesitatea analizei

transformer station

low voltage network

consumers

Z1

Z2

Z3

Zl

Zl

Zl

Zn

U10

U20

U30

U1

U2

U3

U12

U23

U31

I1

I2

I3

In

statistice a nesimetriei de tensiune şi încadrarea în limita de 2% a factorului total

de nesimetrie în 95% din perioada de observare (în general o săptămână).

Plecând de la aceste considerente privind estimarea regimului nesimetric pe

baza indicatorilor de regim nesimetric am implementat două instrumente virtuale

ce permit calculul acestor indicatori atât pentru un consumator simulat cât şi pentru

un consumator real din judeţul Suceava.

În prima aplicaţie dezvoltată am simulat un consumator cu trei receptoare diferite

pe fiecare fază, alimentat de la o reţea de distribuţie de joasă tensiune ca în figura

2.1.

Instrumentul virtual conţine două părţi:

- fereastra panou (figura 2.2)

- fereastra diagramă (figura 2.3)

Datele de intrare în instrumentul virtual sunt:

- impedanţele liniilor şi conductorului neutru

- puterile active şi factorii de putere pentru fiecare receptor monofazat

Plecând de la acestea, instrumentul virtual calculează toţi parametrii necesari

calculului componentelor simetrice ale tensiunilor de alimentare la consumator şi

indicatorilor de regim nesimetric.

Figura 2.4 Schema reţelei electrice de distribuţie de joasă tensiune

Figura 2.5 Panoul frontal al instrumentului virtual în cazul consumatorului simulat

Pentru a observa dacă factorul total de nesimetrie depăşeşte valoarea standardizată,

am plasat pe panoul frontal un element de control prin care se setează valoarea

prevăzută de normativul PE143 (2%). Un semnal de avertizare optică apare atunci

când această valoare este depăşită. În cazul simulat s-a obţinut un factor total de

nesimetrie de 5,25 %, ceea ce a dus la semnalizarea depăşirii valorii standardizate.

Instrumentul virtual realizat este flexibil, de pe panoul frontal putând selecta

diverse valori atât pentru parametrii consumatorului cât şi pentru parametrii liniei.

În a doua aplicaţie am calculat cu ajutorul unui instrument virtual indicatorii

de regim nesimetric în cazul unui consumator real din judeţul Suceava. Am folosit

tensiunile de linie şi de fază înregistrate de un analizor de calitate a energiei

electrice VHR21. Acesta nu are ecran, se conectează cu calculatorul printr-o

interfaţă de tip RS232. Aparatul capturează rezultatele măsurării cu o periodicitate

de 20 ms. Durata unei perioade de măsurare este de 10 minute. Pentru o perioadă

de 10 minute se obţin 30000 de valori din care dispozitivul salvează valorile medii,

maxime şi minime ale parametrilor măsuraţi. Durata totală de înregistrare a fost de

o săptămână. Datele de intrare în instrumentul virtual sunt accesate din fişiere text

care se deschid automat când se rulează programul.

Figura 2.6 Fereastra diagramă a IV în cazul consumatorului simulat

Figura 2.7 Fragment din panoul frontal în cazul consumatorului real

Factorii de nesimetrie negativă, zero şi totală pentru fiecare citire efectuată în intervalul de urmărire de o săptămână se calculează automat în urma rulării programului. Factorul total de nesimetrie se poate compara cu valoarea standardizată. Acesta poate depăşi valoarea de 2% doar în 5% din perioada de urmărire, situaţie neîndeplinită pentru acel consumator.

Figura 2.8 Fragmente din fereastra diagramă în cazul consumatorului real

În figura 2.4 este ilustrat un fragment din panoul frontal, iar în figurile 2.5.a

şi b sunt ilustrate fragmente din fereastra diagramă în cazul consumatorului real.

Acest instrument virtual lucrează în modul de lucru „not live”, dar

rezultatele obţinute cu el pot fi utilizate în găsirea soluţiilor pentru limitarea

regimului nesimetric în reţelele electrice.

Cercetări privind monitorizarea unor indicatori de calitate a energiei electrice

într-un post de transformare și la un consumator din județul Suceava

Unele cercetări privind calitatea energiei electrice într-un post de

transformare și la un consumator din județul Suceava, le-am realizat prin montarea

unui analizor de calitate a energiei electrice VHR21 în fiecare punct de măsurare,

pentru un interval de timp de urmărire de o săptămână (figura 2.12.a și 2.12.b).

a) b)

Figura 2.9 Conectarea analizorului de CEE în postul de transformare și la un

consumator

Am setat analizorul de calitate conectat în postul de transformare să măsoare

următorii parametri timp de o săptămână:

valorile minime, medii și maxime ale tensiunii pe toate cele trei faze;

valorile minime, medii și maxime ale curentului pe toate cele trei faze și pe

conductorul neutru;

valorile minime, medii și maxime ale puterii active, reactive și aparente și

ale factorului de putere pe toate cele trei faze și pe conductorul neutru;

Intervalele de măsurare au fost de 10 minute, citirile făcându-se cu o

periodicitate de 20 ms.

Reamintesc că analizorul utilizat nu are interfață cu utilizatorul. Datele

înregistrate au fost descărcate pe calculator unde au fost prelucrate statistic. În

urma calculelor pe care le-am făcut am sintetizat câteva rezultate în tabelul 2.1.

privind golurile de tensiune din postul de transformare. Standardul SR EN 50160

[35] prevede că în condiţii normale de funcţionare pe durata fiecărui interval de

timp de o săptămână, 95% dintre valorile mediate pe 10 minute ale tensiunii de

alimentare trebuie să fie în domeniul UN ± 10%.

Tabelul 2.1 Golurile de tensiune în postul de transformare

tensiunea

de fază

durata

golurilor

[s]

durata

golurilor

[h]

durata golurilor

în procente din

timpul total de

măsurare [%]

UR < 90%

UN

1833,33 0,5092 0,3031

US < 90%

UN

1834,50 0,5095 0,3033

UT < 90%

UN

1839,32 0.5109 0,3041

timpul total

de

măsurare

604800 168

Însumând intervalele de timp în care apar aceste goluri de tensiune se obţine

o durată de timp de mai puţin de 5% din timpul total de măsurare. Se observă din

acest tabel că tensiunile pe fiecare fază au scăzut sub 90% din tensiunea nominală

într-un interval de 0,30% din totalul timpului de măsurare. Aşadar tensiunile la

plecarea din postul de transformare sunt în limitele prevăzute de SR EN 50160.

O analiză similară am făcut-o și la consumatorul din județul Suceava, la care

am montat analizorul de CEE. În tabelul 2.2 sunt sintetizate rezultatele privind

golurile de tensiune la consumator.

Tabelul 2.2 Golurile de tensiune la consumator

tensiunea

de fază

durata

golurilor

[s]

durata

golurilor

[h]

durata golurilor

în procente din

timpul total de

măsurare [%]

UR < 90%

UN

225.713,47 62,69 37,32

US < 90%

UN

220.151,10 61,15 36,40

UT < 90%

UN

229.884,64 63,85 38,01

timpul total

de

măsurare

604800 168

După cum se vede din tabel, în cazul respectivului consumator au rezultat

valori sub limitele admise ale tensiunilor pe cele trei faze pentru un timp cu mult

peste 5% din timpul de măsurare. Prin urmare sunt necesare lucrări de ridicare a

nivelului de tensiune ( prin mărirea secţiunii reţelei sau prin construirea unor

circuite separate pentru consumatorii trifazaţi ).

Analizorul de calitate montat la consumator a înregistrat şi valorile minime,

maxime şi medii pentru THDU (factorul total de distorsiune armonică în tensiune)

pe cele trei faze, la intervale de 10 minute, timp de o săptămână. Standardul SR EN

50160 prevede că în condiţii normale de funcţionare, pe durata oricărui interval de

timp dintr-o săptămână, 95% dintre valorile THD ale tensiunii de alimentare

(incluzând toate armonicele până la rangul 40, sau 25) trebuie să fie mai mică sau

egală cu 8%.

În urma calculului statistic pe care l-am realizat am constatat că pentru

consumatorul respectiv valoarea THDU depăşește valoarea standardizată în mai

puţin de 5% din timpul total de măsurare.

Sistem cRIO pentru analiza calității energiei electrice

cRIO este un sistem de mare performanță ce face parte din categoria de

sisteme numite CompactRIO, produse de firma National Instruments (figura 2.17).

Figura 2.10 Sistemul Compact RIO

1 2 3

Sitemele CompactRIO, fac parte din categoria controller-elor programabile pentru

automatizări PAC (Programmable Automation Controllers) având unele avantaje

cum ar fi:

sunt configurabile în funcție de gama de aplicație în care sunt utilizate, prin

modulele I/O alese, similar cu PLC-urile;

capabilitate software a procesoarelor PAC este similară cu a unui PC, dar

mai ridicată decât a unui PLC;

fiabilitate ridicată în funcționare a procesoarelor PAC este similară cu a unui

PLC, dar mai mare decât a unui PC (figura 2.18).

Figura 2.11 Procesoarele PAC [40]

Sistemul CompactRIO achiziționat pentru analiza calității energiei electrice este

compust din trei componenete principale:

1. Controlerul

Acesta a fost ales din gama celor cu performanțe ridicate (cRIO-9022) și

are următoarele caracteristici principale:

• este un controller embedded ce rulează LabVIEW Real-Time

pentru control, achiziție date și analiză;

• frecvență de lucru 533 MHz, memorie nevolatilă pentru stocare

date 2 GB și 256 MB DDR2 RAM;

• două porturi Ethernet - 10/100 and 10/100/1000;

• un port USB host Hi-Speed și un port RS-232.

2. Șasiul

Este echipamentul în care se montează modulele de intrări-ieșiri și

permite realizarea comunicației între aceste module și controller. În plus

acest șasiu oferă și un processor FPGA și are următoarele caracteristici

principale:

• conține 4-sloturi pentru modulele de intrări-ieșiri;

• include cel mai perfomant procesor FPGA de la National

Instruments;

3. Modulele de intrări-ieșiri

Au fost alese pentru aplicații cu precădere în domeniul analizei calității

energiei electrice:

• Modul pentru monitorizarea tensiunii (NI 9225):

tensiune nominală 300V (valoare efectivă);

frecvență maximă de eșantionare simultană/canal 50 kS/s;

rezoluția conversiei 24 biți (acuratețea maximă cu care se

măsoară tensiunea este de 0,034 V)

tensiunea de izolare între canale 600 V.

• Modul pentru monitorizarea curentului (NI 9227):

curent nominal 5 A (valoare efectivă), curent de vârf 14 A;

frecvență maximă de eșantionare simultană/canal 50 kS/s;

rezoluția conversiei 24 biți (acuratețea maximă cu care se

măsoară curentul este de 0.011 mA )

tensiunea de izolare între canale 250 V.

• Modul de intrări –ieșiri digitale (NI 9401):

8 canale de mare viteză (timp de întârziere 100 ns);

frecvența maximă pentru intrări digitale 9-30 MHz, iar pentru

ieșiri digitale 5-20 MHz;

nivel logic TTL (5 V).

Figura 2.12 Sistemul CompactRIO pentru analiza calității energiei electrice

Dintre avantajele utilizării acestui echipament pentru analiza calității

energiei putem sintetiza următoarele:

frecvență mare de eșantionare a semnalelor analogice (tensiune, curent);

rezoluție maximă de conversie a semnalelor analogice;

eșantionare simultană pentru semnalele analogice;

controller-ul poate funcționa embedded;

existența porturilor ethernet, fapt care permite montarea ehipamentului în

puncul de monitorizare și transmiterea datelor la distanță;

rulează LabVIEW Real-Time pentru control, achiziție date și analiză;

existența unui processor FPGA.

Echipamente utilizate în monitorizarea calităţii energiei electrice

Metodele de măsurare a indicatorilor de calitate a energiei electrice se pot

împărţi în: analogice, digitale şi hibride [34]. Metodele on-line sunt cele mai

utilizate. Realizarea practică a devenit posibilă odată cu apariţia analizoarelor

avansate, cu procesoare ce au implementată transformata Fourier rapidă TFR, sau a

unor aplicaţii specifice, complexe.

Metodele analogice de măsurare pot fi:

- indirecte, utilizând înregistratoare şi programe de calcul asociate

- directe, utilizând analizoare de semnal şi distorsiometre.

Instrumentele analogice de măsurare sunt utilizate de circa patru decenii. Ele

au la bază filtre “trece-bandă”, cu frecvenţa fixă sau variabilă. Ele sunt

caracterizate de o bandă îngustă de frecvenţă, de obicei până la a 15-a sau a 25-a

armonică, imposibilitatea măsurării fazei armonicii şi precizie de măsurare relativ

redusă (5 % - 10 %).

Problemele legate de consumatorii deformanţi nu sunt abordabile în mod

performant cu instrumente analogice şi, de aceea, s-au dezvoltat sisteme de

achiziţie şi prelucrare a datelor care realizează culegere de date, actualizare bază de

date, calcule conform unor strategii de conducere, supraveghere şi corectare on-

line a regimului.

În metodele numerice, curbele de variaţie în timp ale curentului şi ale

tensiunii sunt transformate în serii de semnale numerice, care sunt apoi prelucrate

în domeniul frecvenţă prin intermediul transformatelor Fourier [30].

Se evidenţiază următoarele operaţii:

- achiziţia datelor prin intermediul convertoarelor analogice caracteristice

mărimii de măsurat

- prelucrarea datelor (conversia analog/numerică şi FFT)

- analiza armonică şi/sau statistică a semnalelor

Comanda proceselor tehnologice industriale [62] necesită sisteme de calcul

cu timpi de reacţie de ordinul milisecundelor, pentru a putea să răspundă adecvat în

intervalele de timp cerute de proces, la starea acestuia, stare semnalizată de

exemplu, prin semnale de întrerupere. Acestea sunt sistemele cu funcţionare în

timp real (real time systems). Acestor sisteme li se cere în afară de viteză mare de

procesare, şi o mare siguranţă în funcţionare.

Sistemele de achiziţie, conversie şi analiză a datelor în timp real prezintă

următoarele avantaje [30]:

- flexibilitate şi adaptabilitate la o mare varietate de situaţii

- creşterea exactităţii măsurărilor

- timp de calcul foarte mic

- fiabilitate ridicată (număr redus de componente, posibilitate de autotestare

datorită programelor încorporate)

- miniaturizarea echipamentelor

- posibilitatea prelucrării complexe a datelor din proces

- posibilitatea supravegherii şi corectării on-line a regimului

5.1.2 Sisteme moderne utilizate în monitorizarea calităţii energiei electrice

Firme precum Chauvin-Arnoux, Analog Device, ELCONTROL, FLUKE,

Power Measurement, LEM NORMA, BASIC MEASUREMENT

INSTRUMENTS, ALLEN BRADLEY, cât şi ICPE - ECONOENERG S.A.

(Bucureşti), TELECOMM S.R.L., ICEMENERG Craiova ş.a., au realizat o serie

de echipamente performante care permit măsurarea puterii şi energiei atât în

sisteme monofazate cât şi trifazate, monitorizarea calităţii energiei electrice,

precum şi detectarea şi măsurarea regimului deformant.

Aceste sisteme moderne de măsurare se clasifică în două mari categorii:

- sisteme portabile

- sisteme fixe

5.1.2.1 Sistemele portabile

Sistemele portabile se pretează la aplicaţii de mică anvergură, dar cu efecte

critice şi imediate, operatorul deplasându-se în teren, “la puncte fierbinţi” şi

realizând o analiză la faţa locului, cu posibilitatea de memorare, transfer şi analiză

ulterioară a datelor pe calculator.

În urma unor studii de piaţă s-a constatat că pe moment, tendinţele actuale

în România se bazează mai mult pe adaptarea unor soluţii de tip portabil, deoarece

există foarte multe probleme stringente, cu rezolvare imediată.

Ultimele noutăţi în ceea ce privesc sistemele portabile de monitorizare a

calităţii energiei electrice au fost lansate de producători precum LEM NORMA

(Austria), CHAUVIN ARNOUX (Franţa), FLUKE, ELCONTROL (Italia), CPM

Inc. Leading Edge Technology. Acestea sunt ANALYST 3Q, MEMOBOX 300 de

la LEM NORMA, CA 8334 de la CHAUVIN ARNOUX, VIP SYSTEM 3 de la

ELCONTROL, ACE 2000 de la CPM Inc. Leading Edge Technology etc.

Aceste modele aduc câteva noutăţi importante faţă de dispozitivele

anterioare şi în plus, sunt cele mai economice soluţii care pot fi adoptate în acest

domeniu. Principalele aplicaţii la care se pretează acestea sunt:

- măsurarea şi înregistrarea parametrilor reţelelor electrice

- analiza calităţii energiei electrice conform SR EN 50160

a. b.

- localizarea perturbaţiilor pe liniile electrice

Din punt de vedere constructiv, ANALYST 3Q (figura 5.1) şi CA 8334

(figura 5.2) sunt dotate cu afişaje alfa-numerice şi grafice în timp ce MEMOBOX

300 (figura 5.3) este un înregistrator cu memorie extinsă, fără afişaj (numai cu

LED-uri de avertizare şi control), care se programează iniţial, după care se

descarcă pe calculator pentru analiză, prelucrare, export în alte aplicaţii, arhivare.

Avantajul primelor două este că operatorul poate identifica perturbaţiile

chiar la faţa locului, în timp ce la cel de-al treilea este necesară descărcarea datelor

memorate. În schimb la MEMOBOX 300 modul de analiză este mult mai complex,

iar software-ul aferent oferă mai multe facilităţi. De altfel, se poate opta pentru

conectarea permanentă a dispozitivului şi prin utilizarea unui laptop să se facă

periodic analiza on-line.

c. d.

e. f.

Figura 5.1 ANALYST 3Q [89]

g. h.

a. b.

c. d.

e. f. Figura 5.2 CA 8334 [86]

a. b.

c. d.

Figura 5.3 MEMOBOX 300 [89]e. f.

ANALYST 3Q şi CA 8334 au fost proiectate cu gândul la o operare foarte

uşoară. Funcţiile de măsură sunt accesate direct, cu ajutorul unui comutator

central, iar funcţiile adiţionale prin intermediul unor butoane, succesiunea

operaţiilor fiind interactivă. Display-ul de înaltă rezoluţie permite reprezentarea

grafică a mărimilor.

La cele două modele de la LEM NORMA funcţia “PQ” (Power Quality)

afişează o imagine grafică de ansamblu (la ANALYST 3Q – afişare directă pe

ecran) a parametrilor care definesc calitatea energiei electrice în acord cu

standardul EN 50160, aceştia fiind: valorile RMS ale tensiunii, evenimente

tranzitorii, armonici, flicker, dezechilibru între faze, frecvenţa. Valorile de

tensiune, curent şi frecvenţă pot fi afişate la acelaşi moment de timp, pe fiecare

fază, în mod tabelar (numeric) sau în forme de undă (grafic). Funcţia “W”

calculează puterile, sensul lor şi factorul de putere pentru fiecare fază şi le afişează

sub formă numerică sau grafică.

Detectarea şi înregistrarea evenimentelor tranzitorii (căderile, supracreşterile

şi întreruperile de tensiune) se realizează cu trigerare şi înregistrarea automată pe

valorile RMS pe o semiperioadă.

Flicker-ul este fenomenul de “pâlpâire” sesizat la obiectele de iluminat,

cauzele fiind anumite variaţii de tensiune. Conform standardului EN 50160, este

calculat nivelul flicker-ului instantaneu, nivelul flicker-ului pe termen scurt (10

minute – valoare medie) şi nivelul flicker-ului pe termen lung (două ore – valoare

medie). Afişarea este grafică.

Una din cele mai importante funcţii este cea de măsurare şi analiză a

armonicilor. Faptul că nivelurile acestora sunt afişate direct pe display la

ANALYST 3Q şi la CA 8334 este o facilitate importantă, deoarece este foarte utilă

la depistarea defectelor intermitente. La MEMOBOX 300 analiza este mai

detaliată.

O altă noutate adusă de ANALYST 3Q şi la CA 8334 este modul de analiză

al dezechilibrului fazelor. Astfel este afişată diagrama vectorială cu valoarea

tensiunii fiecărei faze şi unghiul dintre ele. MEMOBOX 300 dispune de un mod de

documentare a datelor superior, oferind posibilitatea, printre altele, de a exporta

informaţiile în alte aplicaţii soft (de exemplu, cele din MS Office), facilitate foarte

utilă la crearea de arhive şi baze de date, precum şi calcule complexe.

Spre deosebire de dispozitivele anterioare apărute pe piaţă, aceste noi

modele sunt dotate cu memorie de capacitate mult mai mare, astfel încât se pot

cumula suficiente date pentru a se depista eventualele disfuncţionalităţi. Toate cele

trei modele pot fi echipate cu traductoare de curent (cleşti) de diverse diametre (de

la cele mici pentru circuitele secundare, până la cele pentru bare).

Analizorul de energie şi armonici - VIP SYSTEM-3 [1] este o realizare a

firmei italiene ELCONTROL. Aparatul permite măsurarea parametrilor tensiuni,

curenţi, puteri, energii, factori de putere, factori de calitate, cu o bună precizie de

bază: 0,5 %. De asemenea, permite listarea datelor măsurate, precum şi prelucrarea

mai avansată a acestora pe un calculator personal.

Schema funcţională simplificată a aparatului VIP SYSTEM-3 este

prezentată în figura 5.4 în care:

CCT, DT - convertor curent-tensiune şi divizor de tensiune

API, APU - amplificatoare de izolare programabile pentru separare

galvanică şi pentru schimbarea automată a gamelor

SH - circuite de eşantionare şi memorare

Figura 5.4 Schema funcţională simplificată a aparatului VIP SYSTEM-3

DT APU

SH

MUXA

CCT API

SH

CAN P

RS-232 PC

LCD

PA

TS

U1

U2

U3

I1

I2

I3

Tastatură

Imprimantă

Taste de uz general

Avans imprimantăTastatură

Ecran de afişare

CAN - convertoare A/N cu aproximaţii succesive

MUXA - multiplexor analogic pentru comutarea canalelor de curent şi

de tensiune

P - microprocesor rapid sau procesor de semnal

PA - panoul frontal (TS – tastatura, LCD – afişajul)

U1, U2, U3 - tensiunile pe cele trei faze

I’1, I’

2, I’3 - semnalele din cleştii ampermetrici (fig.5.6)

Panoul frontal (figura 5.5) cuprinde ecranul de afişare, tastatura de control şi

tastatura de uz general.

Ecranul de afişare cu cristale lichide este de tip grafic/alfanumeric şi

cuprinde 8 linii a câte 40 de caractere fiecare; primele 7 linii sunt dedicate

mesajelor de meniu şi valorilor măsurate, iar rândul 8 este destinat afişării

funcţiunilor celor 4 taste de uz general (marcate cu ).

SARCINĂ

PAL3L2L1NL3L2L1

R(1)

S(2)

T(3)

N(0)

K CAI1

I2

I3

I'1 I'2 I'3

Paginile afişabile pe ecran, pe care se pot afişa valorile celor 81 de mărimi

măsurabile, sunt în număr de 10:

- 1 - tensiune, curentul, cos şi puterea în sistem trifazat

- 3, 4 şi 5 - aceleaşi mărimi pe fiecare fază (R, S, T)

- 6, 7, şi 8 - puterile activă, reactivă şi aparentă pentru fiecare fază şi în

sistem trifazat (valori momentane, medii şi maxime)

- 9 - factorul de distorsiuni pe fiecare fază şi în sistem trifazat

- 10 - puterea activă şi reactivă consumate în sarcină, precum şi factorii de

putere şi de calitate, adică P şi Q, cos, şi tg

Conectarea analizorului VIP SYSTEM – 3 la reţeaua de c.a. de joasă

tensiune (230/400V) este prezentată în figura 5.6, unde:

CA cleşti ampermetrici de precizie (<0,5 %)

K cleme de tip “crocodil”

PA panoul frontal al aparatului

Se observă că aparatul este conectabil la reţea fără întreruperea acesteia,

ceea ce constituie un mare avantaj pentru măsurări de exploatare.

Figura 5.7 Conectarea VIP SYSTEM –3 la un calculator personal

În măsurări de medie tensiune (20 kV) intrările de tensiune ale aparatului (cu

cleme crocodil) se conectează la reţea, prin intermediul a două transformatoare de

tensiune de 20/0,1 kV (reţea cu 3 fire), iar intrările de curent prin două

transformatoare de curent.

Analizorul de energie VIP SYSTEM – 3 este dotat cu o interfaţă de

comunicaţie standardizată RS-232, pentru schimb de date cu o imprimantă externă

şi/sau un calculator gazdă, compatibil IBM-PC. Parametrii comunicaţiei sunt

programabili de utilizator. Schema de interfaţare cu calculatorul personal este

prezentată în figura 5.7.

Pentru transformarea lui VIP SYSTEM – 3 în analizor de armonici, se

utilizează un bloc special (BLACK BOX HARMONICS) care schimbă programele

Figura 5.8 Conectarea aparatului VIP SYSTEM – 3, ca analizor de armonici [1]

de lucru ale aparatului astfel încât acesta să fie capabil să realizeze o analiză

spectrală a semnalelor de tensiune şi de curent. De asemenea, se schimbă şi panoul

frontal al aparatului (prin montarea unei măşti suplimentare), deoarece tastele

capătă alte funcţiuni.

Schema de conectare a aparatului VIP SYSTEM – 3, ca analizor de

armonici, este prezentată în figura 5.8.

Metoda folosită are la bază utilizarea transformatei Fourier aplicată

pachetelor de eşantioane culese de blocul de intrare. Cu această ocazie, pentru

fiecare armonică (până la a 25-a) se măsoară următorii parametri: ordinul

(frecvenţa), amplitudinea şi factorul de putere aferent, iar afişarea se poate face sub

formă alfanumerică (cifre), grafice, histograme (bargraf), sau sub formă statică.

Rezultatele măsurărilor pot fi tipărite pe imprimanta încorporată, atât la comanda

aparatului cât şi automat, la intervale de timp prescrise prin program.

Performanţe la măsurarea armonicilor: Domeniul de frecvenţe prelucrat este

de 50…1500 Hz. Eroarea tolerată la măsurarea frecvenţei este de 0,5 % + 0,1 Hz,

iar la măsurarea amplitudinilor armonicelor (U şi I) este de 1 % ct + 0,6 % cs.

În concluzie VIP SYSTEM – 3 este un analizor de energie cu performanţe

bune la măsurarea parametrilor energetici în reţelele de joasă tensiune şi medie

tensiune, şi performanţe satisfăcătoare la măsurarea armonicilor. El permite şi

măsurări de supraveghere pe termen lung (ore, zile, săptămâni) prin măsurarea

parametrilor corespunzători, prelevaţi automat la intervale de timp (din 10 în 10

minute, din oră în oră, etc.) programabile de către operator. La acestea trebuie

adăugate uşurinţa de manevrare pentru operator, viteza de lucru sporită şi o mare

versatilitate (poate măsura până la 81 de mărimi); este adecvat pentru măsuri pe

teren.

5.1.2.2 Sistemele fixe

Sistemele fixe, de tip reţea, se pretează pentru aplicaţii complexe, care

presupun o monitorizare continuă, flux de date automat şi un protocol de tip client

– server.

Analizoare spectrale de tip Fourier se bazează pe calculul componentelor

spectrale cu ajutorul transformatei Fourier rapide (TFR) şi s-au impus definitiv mai

ales după apariţia procesoarelor de semnal specializate pe algoritmul TFR,

algoritm cunoscut şi sub denumirea FFT (Fast Fourier Transform). Acest tip de

analizoare au denumiri de catalog ca : “FFT Spectrum Analyzer”, “Digital

Spectrum Analyzer”, “Fourier Analyzer” [1].

Schema de principiu a unui analizor Fourier este prezentată în figura 5.9.a

Analizorul cere la intrare eşantionarea (E/B) şi convertirea (CAN) numerică a

semnalului de analizat, U(t), condiţionat în prealabil în blocul DT/A (divizor de

tensiune/amplificator).

Figura 5.9 Schema de principiu a unui analizor Fourier [1]

Din semnalul numerizat se calculează spectrul de putere (sau de

amplitudine) al lui U(t) cu ajutorul unui procesor de semnal. Durata de procesare

este de aproximativ 1 s, ceea ce permite ca semnalul să fie analizat în timp real,

fără o memorare prealabilă (în scop de staţionare), deoarece durata de prelevare a

porţiunii de semnal pentru analiză este de ordinul ms (tipic 50 ms).

Rezoluţia (în frecvenţă) este dependentă de capacitatea procesorului de

semnal utilizat, fiind de 0, 4 % (256 linii verticale) în cazul unui P pe 8 biţi şi

atinge 0,025 % (4096 linii verticale) în cazul unui P pe 12 biţi, ceea ce indică o

analiză fină.

7700 ION este un aparat de măsură, înregistrare şi semnalizare [100] realizat

de firma POWER MEASUREMENT. Echipamentul asigură facilităţi sporite de

monitorizare, analiză şi control a calităţii energiei electrice, având o structură

modulară şi un design deschis pentru crearea unor noi funcţii utilizator şi adaptarea

practic la orice aplicaţie specifică.

Aparatul 7700 ION se conectează (figura 5.10) la circuitele de măsură ale

reductoarelor de curent şi tensiune din fiecare celulă şi îndeplineşte următoarele

funcţii:

De măsurare:

- valori instantanee ale tensiunilor de linie şi de fază, precum şi valorile medii

ale acestora

- valori instantanee şi medii ale curenţilor pe fiecare fază şi pe conductorul

neutru

- putere activă, reactivă, aparentă pe fiecare fază şi în total

- energie activă, reactivă trifazată şi monofazată: import, export, totală

- energie aparentă trifazată: totală ( import-export )

- factor de putere trifazat şi pe fiecare fază

- frecvenţa

- minime, maxime şi medii pentru fiecare parametru măsurat

- etc.

Aparatul poate prelucra până la 42 de intrări / ieşiri digitale şi analogice.

De înregistrare a datelor şi evenimentelor: 20 jurnale programabile, fiecare

jurnal înregistrând date pe 16 canale, ultimele 500 de evenimente împreună cu

data şi ora la care au avut loc

De analiză a calităţii energiei electrice: primele 64 de armonici conţinute de

tensiuni şi curenţi, coeficientul total de distorsiune – THD, factorul K.

Afişarea formelor curbelor, a rezultatelor analizei regimului deformant şi a

parametrilor menţionaţi anterior este efectuată prin intermediul unui terminal grafic

Figura 5.10 ION 7700 [100]

modular cu cristale lichide cu contrast ajustabil, care dispune de 24 pagini

optimizabile de către utilizator.

7700 ION poate fi integrat în reţele de echipamente pentru monitorizarea

energiei electrice, funcţionând cu o varietate mare de protocoale. Legătura dintre

echipament şi un calculator personal poate fi de tip RS-485, utilizând modem-uri

conectate pe linii telefonice închiriate sau dedicate, utilizând fibră optică şi/sau

legături radio.

Analizorul TRINET [30] este un echipament complex, produs de firma

TELECOMM S.R.L. şi este destinat măsurătorilor în reţele electrice trifazate.

Echipamentul este organizat în jurul unui microprocesor (figura 5.12) şi măsoară

mărimile energetice trifazate pe baza eşantionării numerice a mărimilor de intrare

u(t) şi i(t), urmate de calcule matematice de precizie, folosind definiţiile clasice ale

indicatorilor de calitate.

Echipamentul TRINET este prevăzut cu 4 intrări de curent electric, respectiv

de tensiune electrică cu borne polarizate, pentru fazele A, B, C şi N, intrările fiind

izolate faţă de proces cu circuite LEM.

Tastatura tip miniatură cu 12 taste permite selectarea diferitelor mărimi sau

comenzi. Echipamentul permite o analiză statistică a rezultatelor măsurătorilor.

Pentru obţinerea unor informaţii detaliate privind caracteristicile regimului

energetic măsurat pe o linie electrică trifazată, echipamentul TRINET, cuplat cu un

calculator compatibil PC-IBM, beneficiază de un software specializat, fiind

posibile următoarele funcţii:

- achiziţia datelor din proces, prin comenzi transmise echipamentului TRINET

prin intermediul unei interfeţe seriale

- analiza spectrală a tensiunilor şi curenţilor achiziţionaţi pe cele 3(4) faze

simultan (A, B, C, şi N), cu afişarea armonicilor de rang 1...25

- calculul puterilor aparente, active şi reactive pe fiecare fază şi total trifazat

- calculul puterii deformante

- factorul de distorsiune, reziduul deformant şi nivelul armonicilor raportat la

fundamentală, atât pentru tensiuni, cât şi pentru curenţi

- componentele simetrice ale sistemului trifazat de tensiuni şi de curenţi,

pentru armonicile de rang 1..7

- parametrii regimului nesimetric

- graficele mărimilor măsurate şi influenţa diferitelor armonici asupra formei

curbelor

- salvarea sau încărcarea datelor măsurate, însoţite de timpul aferent şi de

mesaje de identificare

- hard-copy ecran şi tipărirea la imprimantă a rezultatelor

- urmărirea automată a unei linii electrice trifazate, cu salvarea pe suport de

memorie externă la intervale programabile a tuturor mărimilor importante

Analizorul TRINET se încadrează în clasa de exactitate 0.5.