Monitor PQ pro měření kvality a kontinuity elektrické energie na předávacích místech

Monitor PQ pro měření kvality a kontinuity elektrické energie
na předávacích místech

doc. Ing. Ladislav Pospíchal, CSc.,
MEgA - Měřicí Energetické Aparáty, s. r. o.

1. Popis

Monitor PQ je multifunkční měřicí přístroj pro měření až čtyř napětí a čtyř proudů, činných i jalových výkonů a energií v třífázových čtyřvodičových i pětivodičových sítích nn i v sítích vn a vvn a pro dlouhodobý záznam jejich hodnot. Zaznamenává časový průběh efektivních hodnot uvedených veličin.

V souladu s normou ČSN EN 50160 a podle metod mezinárodního standardu IEC 61000-4-30 analyzuje všechny parametry kvality napětí U₁, U₂ a U₃. Z naměřených hodnot sledovaných proudů se zjišťují příčiny zhoršení kvality elektrické energie. Přístroj registruje události (poklesy, překročení napětí a přerušení napětí), přičemž zaznamenává nejen charakteristiky událostí na napětích stanovené normou, ale i průběhy tří napětí a proudů na počátku a na konci každé události, tzv. počáteční a koncový detail. Počáteční detail události zahrnuje i časový úsek, který události předchází, a koncový detail obsahuje i časový úsek, který po události následuje.

Na základě změřených průběhů proudů lze určit směr vzniku události i míhání (flicker). Jelikož je schopen měřit i malá napětí, je monitor PQ připraven ke sledování napětí mezi středním vodičem a zemí. Uvedeným přístrojem je možné měřit vyšší harmonické proudu středního vodiče. Variabilně lze čtvrtý proudový vstup s odpovídajícím senzorem použít i pro měření jiných fyzikálních veličin, např. teploty.

Monitor PQ je vybaven galvanicky odděleným synchronizačním vstupem (SYNC), změna jehož stavu může být také registrována jako událost. To umožňuje externí synchronizaci záznamu průběhů všech napětí i všech proudů a vzájemnou synchronizaci více monitorů PQ. Na výstupu tohoto přístroje je přepínací kontakt polarizovaného relé s programovatelným přiřazením významu signalizace.

Monitorem PQ může uživatel měřit vztah mezi kvalitou napětí a výkonem, popř. energií. Při překročení předem nastavených parametrů kvality napětí lze spínat externí dvoustavový elektroměr, nebo pro provozní účely inicializovat interní funkci měření „nekvalitní energie„.

Monitor PQ je k dispozici v těchto verzích:

• v přenosném provedení MEg 30 pro sítě nn, MEg 31 pro sítě vn, s ohebnými snímači proudu AMOS PQ (30 – 100 – 300 – 1 000 A) a měřicími klešťovými proudovými transformátory MT PQ (1 – 5 – 30 – 10 A),

• pro pevnou montáž MEg 32 pro sítě nn, MEg 33 pro sítě vn, s proudovými vstupy 5 A, 1 A nebo se speciálním proudovým vstupem pro transformátor MEgMT s děleným jádrem.

Především verze s proudovými vstupy 5 A nebo 1 A jsou vhodné pro přesná měření elektrických energií. Pro dodatečnou trvalou instalaci monitoru PQ do již provozovaných stanic lze s výhodou použít proudové transformátory s dělenými jádry MEg MT (vyrobené podle patentu č. 286255). Rovněž lze dodat monitory v pevné verzi s flexibilními snímači proudu AMOS.

Všechny typy monitorů PQ pro měření v sítích nn jsou napájeny z třífázové sítě z měřených napětí U₁, U₂ a U₃. Pro zamezení snížení přesnosti a věrohodnosti měřených parametrů kvality napětí se u monitorů verzí pro měření v sítích vn s různorodými měřicími transformátory napětí používá jednofázové externí napájení.

Každý monitor PQ je vybaven vnitřním záložním akumulátorem, který umožní jeho neomezený provoz po dobu až 5 min.

Základem všech verzí monitoru PQ je signálový procesor, kterým lze po výpočtu také registrovat a analyzovat sdružená napětí. Díky rozsáhlé nedestruktivní datové paměti je možná i jeho dlouhodobá (déle než jeden rok) autonomní činnost. Podstatnou výhodou zmiňovaného monitoru je paralelní a kontinuální činnost všech měřicích, vizualizačních i komunikačních funkcí. Vysokou přesnost a nezávislost na provozních podmínkách zaručuje kvalitní A/D převodník s minimalizovaným rozsahem analogových obvodů a výpočetní korekcí chyb celého měřicího řetězce.

Monitor PQ lze prostřednictvím komunikačních rozhraní použít i jako inteligentní periferní jednotku rozsáhlých systémů SCADA i energetických systémů průmyslových podniků a aglomerací.

Stejně jako všechny dosud vyráběné měřicí přístroje MEg umožňuje i monitor PQ dálkovou parametrizaci měřicích funkcí, dálkové přeprogramování skladby těchto funkcí podle potřeby uživatele, popř. dálkové programování i postupně nově vyvíjených funkcí.

2. Princip měření a zpracování dat, organizace datové paměti

Základem měření čtyř napětí a čtyř proudů je jejich vzorkování frekvencí 5 120 Hz. V průběhu časového okna délky 200 ms se navzorkuje 1 024 hodnot s rozlišením 14 bitů. Z nich se po transformaci do frekvenční oblasti vypočítají harmonické složky s krokem 5 Hz. Velikost napětí U₁ až U₄, proudů I₁ až I₄ a „řídicích signálů“ (HDO – hromadné dálkové ovládání) se vypočítává z absolutních hodnot úplného spektra. Činné a jalové výkony jednotlivých složek, stejně jako nesymetrie, jsou počítány z komplexních složek spektra.

Údaje z kanálů U₁, U₂ a U₃ pro vyhodnocení událostí a míhání (flickeru) na napětích jsou zpracovávány v časové oblasti. Každých 10 ms se počítá kvadrát pravé efektivní hodnoty za dobu uplynulé periody. Z dat kanálu U1 se počítá frekvence.

Nedestruktivní datová paměť typu flash o kapacitě 2 MB (4 MB je option) je rozdělena do pěti kruhově organizovaných oblastí. První oblast je určena pro záznam času, efektivních hodnot měřených napětí, proudů a výkonů v komplexním tvaru. Do druhé oblasti se ukládají podrobné údaje o kvalitě napětí uplynulého týdne. Třetí oblast obsahuje unifikované údaje s přehledem událostí podle metodiky IEC 61000-4-30 a čtvrtá oblast podrobný záznam průběhů efektivních hodnot půlperiod napětí U₁, U₂, U₃, U₄ a proudů I₁, I₂, I₃, I₄. Pátá oblast dat zahrnuje komprimované týdenní údaje o kvalitě. Poměry rozsahů jednotlivých oblastí datové paměti lze podle potřeby uživatele navzájem měnit.

3. Měřicí funkce monitoru PQ

3.1 Funkce monitoru (časový záznamník)
Monitor s využitím těchto funkcí zaznamenává průměrné efektivní hodnoty ze všech period v průběhu zvoleného kroku. Podle zadání zaznamenává průměrné hodnoty až všech čtyř napětí, čtyř proudů a tří činných i jalových výkonů (U1, I1), (U1, I1), (U1, I1). Na základě těchto údajů se pomocí programového vybavení počítají skutečné účiníky i energie. Při instalaci vhodného senzoru lze místo proudu I4 zaznamenávat i jinou fyzikální veličinu, např. teplotu. Pro záznam s krokem 1 min postačí kapacita datové paměťi pro záznam údajů po dobu 30 dnů.

3.2 Funkce kvality napětí (monitor podle ČSN EN 50160)
Zde se zaznamenávají údaje naměřené během deseti minut:

• průměrné frekvence, f_max, f_min,
• počty hodnot frekvence, které překročily meze dané normou ČSN EN 50160,
• hodnoty nesymetrií napětí,
• průměrné, maximální a minimální efektivní hodnoty napětí U₁ až U₄, průměrné a maximální efektivní hodnoty proudů I₁ až I₄,
• průměrné hodnoty čtyř vybraných harmonických složek napětí U₁ až U₄ a proudů I₁ až I₄ v rozsahu 2. až 51. harmonické,
• průměrné hodnoty základní harmonické napětí U₁ až U₄ a proudů I₁ až I₄,
• hodnoty U_{max 95} a U_{min 95} napětí U₁ až U₃,
• hodnoty míhání P_st napětí U₁ až U₃,
• velikost napětí THD U₁ až U₃ ve vztahu k harmonickým i k meziharmonickým,
• velikosti signálů HDO na napětích U₁ až U₃,
• souhrnná doba poklesů, překročení a přerušení napětí U₁ až U₃,
• souhrnná doba poklesů, překročení a přerušení proudů THD,
• proudová nesymetrie.

Funkci kvality napětí lze použít i při jednofázovém nebo dvoufázovém měření. Zaznamenané údaje umožňují vyhodnotit kvalitu i se změněnými požadavky norem.

3.3 Funkce záznamu událostí (statistický voltmetr událostí)
Funkce záznamu událostí operuje nad veličinami U₁ až U₃ a I₁ až I₃. Každá nová událost je zanesena do přehledu událostí i do podrobného záznamu.

Přehled událostí obsahuje – vedle parametrů unifikovaných normou – události, tj. dobu vzniku a ukončení události, s rozlišením na 10 ms, hodnoty maximálních odchylek napětí U₁ až U₃ od jmenovité hodnoty. Může zde být uchováno až 910 událostí.

Detailní záznam události zahrnuje průběhy efektivních hodnot počítaných vždy po 10 ms za uplynulých 20 ms pro napětí U₁ až U₃ a proudy I₁ až I₃. Celková doba záznamu počátečního detailu události je 0,6 s, z toho před vznikem události je zaznamenán interval o délce 0,2 s, celková doba záznamu závěrečného detailu události je 0,6 s, z toho po ukončení události je zaznamenán interval délky 0,2 s. Délku intervalů je možné programově měnit. Zde může být uloženo až 180 posledních událostí.

3.4 Funkce komprimace týdenních dat kvality napětí
Funkce je určena k dlouhodobé archivaci parametrů kvality napětí U₁ až U₃ podle ČSN EN 50160 zaznamenaných během týdne. Monitor PQ uchovává zmíněná data až za 60 týdnů.

3.5 Funkce osciloskopického měření
Funkce osciloskopického měření slouží pro kontrolu správného zapojení soupravy monitoru PQ, správné volby měřicích rozsahů a správné orientace snímačů proudu. K zobrazení průběhů napětí U₁ až U₄ a proudů I₁ až I₄ se používá notebook se sériovým rozhraním USB II. Záznam s dobou trvání dvou period (40 ms) je možné spouštět jednorázově nebo opakovaně.

4. Technické údaje

4.1 Měření napětí
Základní hodnoty napětí, které jsou měřeny monitory PQ, jsou uvedeny v tab. 1.

Tab. 1

Tab. 2

Přesnost měření napětí:

• ±0,1 % z údaje a ±0,1 % z U_n v rozmezí 0,8 U_n až 1,2 U_n,
• ±0,2 % z údaje a ±0,2 % z U_n mimo rozmezí 0,8 U_n až 1,2 U_n,
• rozlišovací schopnost: 0,1 % U_n nebo lepší,
• teplotní součinitel: lepší než 0,2 % z údaje/10 °C.

4.2 Měření proudů
Základní hodnoty měřených proudů jsou uvedeny v tab. 2.

Přesnost měření proudu při f = 50 Hz:

• 0,2 % z údaje a 0,2 % z I_n v rozsahu 0,1 I_n až 1,2 I_n,
• 0,5 % z údaje v rozsahu 1,2 I_n až 2 I_n,
• rozlišovací schopnost: 0,1 % I_n nebo lepší,
• teplotní součinitel: lepší než 0,2 %/10 °C,
• proudová přetížitelnost: pětinásobek In po dobu 1 s.

4.3 Měření frekvence

• jmenovitá hodnota f_n = 50 Hz,
• měřicí rozsah: 45 až 55 Hz,
• přesnost měření frekvence: lepší než 10 mHz v rozsahu 48 až 52 Hz,
• rozlišení: 1 mHz.

4.4 Měření účiníku

• měřicí rozsah: 0 až 1,0 ve všech čtyřech kvadrantech,
• přesnost měření: lepší než 0,5 % při jmenovitých hodnotách napětí a proudu.

4.5 Měření výkonu

• přesnost měření: 0,5 % P_n při 0,8 U_n až 1,2 U_n; 0,1 I_n až 1,2 I_n; f = 50 Hz,
• 1,0 % P_n mimo 0,8 U_n až 1,2 U_n; 0,1 I_n až 1,2 I_n.

4.6 Podmínky prostředí

• pracovní teplota: –20 °C až +60 °C,
• provoz ve vnitřních prostorách,
• relativní vlhkost: 20 až 90 %,
• pracovní poloha: libovolná,
• stupeň krytí: IP40,
• kategorie měření: IV (ČSN EN 61010-1),
• stupeň znečištění: 2.

4.7 Napájení
Monitor PQ pro sítě nn:

• napájení z kteréhokoliv měřicího vstupu U₁, U₂, U₃,
• rozsah napájecího napětí 100 až 480 V.

Monitor PQ pro sítě vn a vvn:

• externí jednofázové napájení,
• rozsah napájecího napětí 100 až 480 V.

Maximální příkon: 5 V·A

Záložní napájení vestavěným akumulátorem až po dobu pěti jednominutových intervalů.

4.8 Rozměry

• přenosný monitor PQ: 170 × 120 × 42 mm, flexibilní snímač proudů,
• monitor PQ pro pevnou montáž: 200 × 150 × 47 mm, uchycení na lištu DIN.

Jednotky monitorů jsou umístěny v celoizolovaných skříních ze samozhášivého plastu.