[ предыдущая статья ] [ следующая статья ] [ содержание ] [ подшивка за 1998 год ] [ "" ] [ поиск ]

No 6(22), 18 июля 1998

НЕОБСЛУЖИВАЕМЫЙ МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ
КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ "ИНСПЕКТОР К"

Андронов В.А., Андронов К.В., Карасев Г.В., Павловский А.М., Шерпаева Е.И., Инженерно-маркетинговый центр "Лаборатории перспективных технологий"

Потребность в электрической энергии является одной из важнейших потребностей современного общества. Уровень потребления электроэнергии, как правило, характеризует состояние социальных и промышленных объектов любого масштаба - от жилого дома и небольшого предприятия до крупного населенного пункта или целой отрасли промышленности. Однако, чтобы отвечать имеющимся потребностям, электроэнергия должна быть качественной.

ЗАЧЕМ КОНТРОЛИРОВАТЬ КАЧЕСТВО?

Последнее десятилетие характеризуется интенсивным ростом доли ответственных электрических нагрузок в структуре электроснабжения любого объекта. Это прежде всего: высококачественное офисное оборудование - компьютеры, оргтехника, системы связи; медицинское и измерительное оборудование; торговое оборудование и оборудование предприятий питания; электрооборудование частных домов, коттеджей (в том числе в удаленных районах); и многие другие электрические нагрузки, для которых качество электроснабжения является критичным.

В то же время, характерным для развития электроэнергетики является широкое внедрение силового электрооборудования на тиристорно - транзисторной основе, ухудшающего качество электроэнергии в электрических сетях.

Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения регламентируются ГОСТ 13109-87. Этим стандартом определены показатели качества электроэнергии, их нормальные значения и допустимые пределы изменения. Выход показателей качества электроэнергии за пределы, определяемые ГОСТ 13109-87, приводит к нарушению работоспособности и отключению ответственных нагрузок, и, как следствие, к ощутимому материальному и моральному ущербу. Нерегулярность электроснабжения, недопустимое изменение его параметров представляют угрозу жизни, здоровью и имуществу бытовых потребителей электроэнергии. Отсутствие требуемого качества электроэнергии на электрических шинах промышленных предприятий ведет к непроизводительным потерям, повышению стоимости продукции и, в конечном счете, к издержкам, многократно превышающим стоимость потребляемой электроэнергии. Чтобы уменьшить эти издержки, предприятия инвестируют существенные денежные средства в системы резервного электроснабжения. В то же время, из-за отсутствия регулярной и точной информации о показателях качества получаемой электроэнергии предприятия не получают материального возмещения от электроснабжающей организации, несущей, в соответствии с действующим законодательством Российской Федерации, ответственность перед своими клиентами - потребителями электроэнергии за причиненный им ущерб.

Чтобы иметь возможность обосновывать свои претензии по качеству электроснабжения, а также принимать экономически обоснованные технические решения по его резервированию, необходимо знать "правду" о качестве электроснабжения. Единственный способ узнать эту "правду" - обеспечить постоянный контроль параметров поставляемой электрической энергии.

ЧЕМ КОНТРОЛИРОВАТЬ КАЧЕСТВО?

Контроль качества электроэнергии выполняется, как правило, специализированными техническими средствами, обеспечивающими измерение параметров электрической энергии, их обработку, хранение и представление в наиболее удобном для пользователей виде.

В соответствии с ГОСТ 13109-87, показателями качества электрической энергии являются отклонение частоты, отклонение напряжения, коэффициенты обратной и нулевой последовательностей напряжения, коэффициенты фазного и межфазного небаланса, коэффициент несинусоидальности кривой напряжения, время пребывания напряжений за заданными уровнями, пропадания и восстановления напряжения, характеристики импульсных напряжений и ряд других параметров.

В настоящее время известен целый ряд устройств, обеспечивающих контроль качества электрической энергии. К ним, в первую очередь, следует отнести специализированный переносной программируемый прибор "Qualimete" французской фирмы ЕDF, анализатор гармоник в электрической сети, разработанный канадской фирмой Ontario Hydro and Canadian Е1есtriса1 Association, анализатор качества электрической энергии американской фирмы Dranetz technologies, портативный анализатор электропотребления АК.4М фирмы НТЦ Энергоэффект, измерительно-вычислительный комплекс "Омск", разработанный Омским политехническим институтом, и информационно-измерительная система "Анализатор качества напряжения", разработанная в Московском энергетическом институте, и другие. Они, в большинстве своем, в качестве аппаратных средств используют персональные компьютеры, что вносит определенные ограничения в их измерительные возможности, позволяя выполнять измерения в каждый данный момент времени только одного показателя качества.

Одним из наиболее перспективных среди существующих сегодня инструментов для контроля качества электроэнергии является разработанный Инженерно-маркетинговым центром "Лаборатории перспективных технологий" необслуживаемый микропроцессорный комплекс "Инспектор К". Этот программно-аппаратный комплекс, выполненный на базе однокристальной микро-ЭВМ, обеспечивает в условиях нестабильности электроснабжения, его перерывов и отсутствия эксплуатационного персонала измерение, обработку, запоминание, длительное хранение статистической информации о показателях качества электроэнергии в сети, имеющей сложную конфигурацию. Характерной особенностью комплекса является возможность регистрации и обработки информации об импульсных напряжениях грозового и коммутационного характера.

Комплекс "Инспектор К" имеет ряд новых свойств, обуславливающих высокую эффективность его использования для контроля качества электроэнергии: комплексное измерение всех основных показателей качества электроэнергии; высокое быстродействие производимых измерений и расчетов; синхронную фиксацию измеряемого параметра по всем трем фазам; фиксацию импульсных напряжений и пропаданий напряжения; длительное накопление и хранение информации о показателях качества; сохранность накопленной информации даже при перерывах питания устройства; отсутствие необходимости обслуживания; возможность съема информации в любое удобное время без нарушения и остановки работы комплекса; удобство и наглядность отображения необходимой пользователю информации.

Наличие перечисленных свойств позволяет автоматизировать процесс контроля показателей качества электроэнергии и при необходимости передавать информацию на дальние расстояния.

СОСТАВ. Комплекс "Инспектор К" содержит: микроконтроллер с процессором, оперативной памятью и памятью программ, канал межпроцессорной связи, канал связи контроллера с датчиками дискретных сигналов о состоянии схемы контролируемого энергообъекта и канал связи с датчиками аналоговых сигналов сети ( напряжения, тока, мощности и других), узел фиксаций импульсных напряжений, узел входных преобразователей сигналов, узел коммутации каналов, аналого-цифровые преобразователи, узел ввода-вывода дискретных сигналов, коммутатор сигналов, узел ввода информации с клавиатуры и узел индикации, узел электрически программируемой постоянной памяти данных, узел календарного времени. Помимо перечисленного, в состав комплекса входит узел съемного постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) данных, используемый для перемещения ПЗУ с энергообъекта в центр обработки информации и отображения на ПЭВМ.

ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ. Предусмотрены следующие режимы работы комплекса: рабочие режимы, режимы передачи информации по каналу межпроцессорной связи, тестовые режимы, режимы программирования (копирования) содержимого различных микросхем памяти. Команда на запуск выбранного режима задается с клавиатуры.

Рабочих режимов четыре, из них один основной и три вспомогательных. Они отличаются объемом обработки информации и объемом индикации, а также временем цикла обработки. Любой рабочий режим функционирует по одному из двух возможных алгоритмов: алгоритм регистрации и расчета численных значений показателей качества либо алгоритм регистрации и расчета характеристик импульсных напряжений.

Базовый алгоритм реализует определение показателей качества электроэнергии. Регистрация и расчет характеристик импульсных напряжений начинается по сигналу прерывания при их возникновении.

Основной рабочий режим характеризуется минимальным временем обработки и минимальным объемом отображаемой на индикаторах информации. Время цикла обработки в этом режиме составляет 2 сек. Процесс обработки начинается с анализа силовой схемы: определяется, какие выключатели включены, а какие отключены. Информацией для этого анализа служат входные дискретные сигналы от блок-контактов выключателей, которые поступают в контроллер через узел дискретного ввода. По результатам анализа схемы определяется, какие датчики аналоговых сигналов следует опрашивать. Аналоговые сигналы поступают от датчиков через коммутатор каналов, управляемый программно, и через управляемые программно аналого-цифровые преобразователи (АЦП). За один цикл обработки производится измерение 512 мгновенных значений измеряемого параметра каждой фазы с дискретностью 100 мкс. Всего за один цикл обрабатывается три фазы одной секции шин, причем, фиксация измеряемых значений всех трех фаз осуществляется одновременно, что является несомненным достоинством устройства, позволяющим повысить точность расчета показателей качества электроэнергии. Если в результате анализа состояния электрической схемы выясняется, что необходимо контролировать напряжения нескольких секций шин, в следующем цикле начинается обработка следующей секции и так далее. Затем процесс повторяется, начиная с первой секции.

В процессе обработки определяется частота сигнала по каждой фазе и рассчитываются действующие значения напряжений. Затем по известным формулам, определенным ГОСТ 13109-87, рассчитываются все показатели качества электроэнергии. При этом в основном режиме работы устройства коэффициент несинусоидальности рассчитывается не в каждом цикле, а один раз в 20 мин, причем в этом же цикле определяются уточненные значения коэффициентов обратной и нулевой последовательности, а также коэффициентов небаланса. Время этого цикла, в сравнении с основным рабочим циклом, удлиняется на 5 сек. за счет проведения гармонического анализа. Для фиксации коэффициента несинусоидальности в каждом цикле обработки предусмотрен рабочий режим, который имеет время цикла 7 сек.

Особое место занимает режим фиксации импульсных напряжений, который обеспечивается специально разработанными техническими и программными средствами. Программа фиксации импульсного напряжения начинает работать по сигналу аппаратного прерывания программы, функционирующей в любом из перечисленных режимов. Сигнал прерывания вырабатывается блоком импульсных напряжений при превышении заданной установки по напряжению. Максимальная величина измеряемого импульсного напряжения ограничена 4-х кратным уровнем номинального значения. Фиксируемая длительность импульсного напряжения находится в пределах 0,1 - 10 мс. Результаты фиксации импульсных напряжений отображаются в табличной форме с указанием календарного времени события (дата, часы, минуты). В такой же форме отображаются события, связанные с пропаданиями и восстановлениями напряжения.

В перечисленных рабочих режимах для минимизации времени цикла обработки, индикация осуществляется в минимальном объеме, позволяющем визуально установить нормальную работу устройства. Каждому показателю качества электроэнергии соответствует своя гистограмма. Частота появления того или иного показателя в соответствующем разряде фиксируется в десятиразрядной гистограмме этого показателя. Информация, накопленная в гистограммах, содержится в ОЗУ и периодически (каждый час) копируется во внутреннюю флэш-память, обладающую свойством сохранения информации даже при пропадании питания контроллера. Во внешнюю флэш-память информация переписывается по команде с клавиатуры.

ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ. При необходимости комплекс "Инспектор К" может быть использован в качестве измерительного прибора. В этом случае на индикаторах можно наблюдать значения 15 показателей качества. На основании метрологической аттестации комплекса установлено, что максимальная ошибка измерительного тракта частоты составляет 0,07% (0,033Гц) , а максимальная ошибка измерительного тракта напряжения составляет 0,4%. Кроме того, определение кратностей импульсных напряжений производится с точностью до десятых долей кратности, определение длительностей импульсных напряжений производится с точностью до 0,1 мс.

ХРАНЕНИЕ И ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ. Накопленная в комплексе за контролируемый период (до года) информация может быть непосредственно передана в ПЭВМ по каналу связи или скопирована на транспортабельный энергонезависимый носитель, что позволяет, по желанию пользователя, вести обработку в специализированном центре на ПЭВМ. Для передачи информации в персональную ЭВМ (на отображение) предусмотрено два режима работы: передача из ОЗУ, и из внешней флэш-памяти. Передача файла объемом 32 кбайт (объем ОЗУ и объем ПЗУ) по каналу межпроцессорной связи типа КЗ-232 длится около 3 мин. Передача и прием информации осуществляются под управлением специальной программы, функционирующей в персональном компьютере. Отображение переданной информации производится с помощью программы (отображения), также работающей в персональном компьютере. Наличие канала межпроцессорной связи позволяет, в принципе, передавать накопленную информацию на дальние расстояния в центр обработки или диспетчерский пункт при установке модемов.

Для резервирования функции хранения накопленной информации предусмотрено три режима программирования микросхем памяти:  копирование содержимого ОЗУ во внешнюю флэш-память,  копирование содержимого внешней флэш-памяти в ОЗУ,  копирование содержимого ОЗУ сначала во внутреннюю, а затем во внешнюю флэш-память.

Контроль успешности записи при программировании осуществляется с помощью индикации. Отличительной чертой разработанного микропроцессорного комплекса является возможность использования его на удаленных и необслуживаемых энергообъектах в многофункциональном режиме с длительным накоплением и хранением информации.

Для отображения накопленной и переданной в персональный компьютер информации о показателях качества электроэнергии служит программа отображения на экране монитора гистограмм и таблиц для интересующих показателей качества электроэнергии на выбранной секции шин. Программа позволяет загрузить нужный для анализа файлу выбрать по списку интересующую гистограмму показателя для определенного состояния схемы объекта, переместить ее в одно из вспомогательных шести окон, позволяющих провести пофазное сравнение гистограмм, а также просмотреть таблицы импульсных напряжений и пропаданий напряжения. Для документирования в системе отображения предусмотрен режим печати с заданием подзаголовков и комментариев.

КОНТРОЛЬ РАБОТОСПОСОБНОСТИ. Для контроля работоспособности устройства служат четыре тестовых режима. Из них два - для контроля аппаратных средств и два для проверки достоверности производимых расчетов. Аппаратные средства контролируются с помощью теста аналого-цифровых преобразователей и теста оперативного запоминающего устройства. Достоверность расчетов проверяется с использованием трех смоделированных математически периодических сигналов треугольной формы частоты 50 Гц, сдвинутых последовательно относительно друг друга на 120 эл. град. Эти сигналы заменяют входные аналоговые сигналы, а рассчитанные по модельным сигналам показатели качества заранее известны. Рассчитанные в устройстве по модельным сигналам значения показателей качества выводятся на индикацию, как в двух последних рабочих режимах.

Необслуживаемый микропроцессорный комплекс контроля качества электроэнергии "Инспектор К" имеет широкую область применения. Он предназначен для использования на подстанциях промышленных предприятий, на предприятиях, использующих аппаратуру, чувствительную к качеству электроэнергии и на других предприятиях- потребителях электроэнергии. Стремление к точной калькуляции издержек, к соизмерению ущербов и ответственности за них в современной деловой практике делает показатели качества электроэнергии факторами, важными для очень многих предприятий. Оплачивая электроэнергию по односторонне принимаемым тарифам и в большинстве случаев не имея возможности выбирать поставщика электроэнергии, потребитель вправе потребовать ее качества. Однако, покупая продукт, мы всегда хотим знать, за что мы платим. Необслуживаемый комплекс контроля качества электроэнергии "Инспектор К" позволяет каждому потребителю узнать самому и предоставить своему поставщику электроэнергии исчерпывающую информацию о ее качестве.


[ предыдущая статья ] [ следующая статья ] [ содержание ] [ подшивка ] [ поиск ]
ъМДЕЙЯ ЖХРХПНБЮМХЪ