МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРИБОР КОНТРОЛЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

Описание полезной модели.
Многофункциональный измерительный программируемый прибор контроля показателей качества электроэнергии (ПКЭ) электрической сети предназначен для измерения, расчета, хранения и возможной передачи в режиме on-line текущих данных низковольтных (220/380B) непосредственно и высоковольтных (3-110 кВ и выше) через измерительные трансформаторы однофазных и трехфазных трехпроводных (без нейтрального провода) или четырехпроводных (с нейтральным проводом) сетей. К этим данным относятся действующие значения токов и напряжений, активные и реактивные мощности, частота, мощности и сдвиги фаз напряжений и токов по гармоникам, а также ПКЭ, определенные ГОСТом 13109-97: различные показатели несимметрии и несинусоидальности напряжений и токов, провалы напряжений и др.
Область применения прибора - электроэнергетика. Прибор может использоваться при энергетическом обследовании предприятий производителей и потребителей электроэнергии, при технологическом контроле ПКЭ, при анализе потоков и межсистемных перетоков мощности в
энергосистемах, для комплексных систем мониторинга и управления электрическими сетями и в других случаях, связанных с измерениями в электросетях и анализом ПКЭ, в том числе при коммерческих взаимоотношениях поставщиков и потребителей электроэнергии.
Существующие приборы ПКЭ не в полной мере удовлетворяют зачастую противоречивым требованиям большого объема измерений, вычислений и хранения результатов, простой и надежной пересылки данных, возможности объединения однотипных приборов в локальные коммуникационные сети, обработки результатов в режиме on-line, малогабаритности и легкости, надежности, небольшой стоимости и др.
Прогресс в развитии таких приборов определяется постоянным совершенствованием микропроцессорной и компьютерной техники, а также программного обеспечения. Появившиеся впервые в начале 90-х годов 20 века приборы ПКЭ производили расчеты лишь сравнительно небольшого числа показателей, связанных только с измерением напряжения [1, 2]. Такой прибор представляет собой, по сути, микропроцессорную систему, основу которой составляет быстродействующий сигнальный процессор [2], предназначенный для вычисления и обработки данных с аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в реальном времени. Использование микроконтроллера позволило управлять выходными устройствами прибора: жидкокристаллическим индикатором, параллельным (LPT) и последовательным (RS-232) каналами передачи данных, энергонезависимой
памятью прибора. Через порт LPT возможно подключение дополнительной флэш-памяти и вести распечатку протоколов измерений.
Более поздние разработки приборов резко увеличили количество обрабатываемых данных за счет показателей, характеризующих токи и мощности, что связано с измерениями не только напряжений, но и токов [3].
Недостатками программируемых приборов с сигнальным процессором являются ограниченные коммуникационные возможности, недостаточный объем внешней памяти для хранения результатов (максимальное время непрерывной работы с сохранением всех данных 1-2 недели), невозможность анализа одним прибором нескольких линий одновременно и др.
Некоторые из недостатков устраняются выполнением прибора на базе персонального компьютера [4], но, в свою очередь, в этом случае добавляются новые: резко увеличиваются стоимость, вес, появляются проблемы с монтажом и эксплуатацией прибора и т.д.
Указанные недостатки устраняются, если программируемый прибор ПКЭ выполнить на базе малогабаритного дешевого промышленного компьютера, принципиально не имеющего дисплея и обладающего большими вычислительными и коммуникационными возможностями. На корпусе прибора дополнительно устанавливаются два или более четырехканальные входные разъема для напряжений и токов, кнопки управления и светодиоды индикации работы прибора, светодиоды индикации порядка чередования фаз измеряемой линии, а внутрь корпуса встраиваются платы многоканального
преобразования входных сигналов АЦП и преобразования уровня входных сигналов.
При этом необходимо соответствующее программное обеспечение.
Предлагаемый многофункциональный прибор показателей качества электроэнергии электрической сети, предназначенный для измерения, расчета, хранения и возможной передачи в режиме on-line текущих данных низко и высоковольтных однофазных и трехфазных сетей, использует промышленный компьютер, содержащий процессор класса Pentium III или выше, оперативную память, жесткий диск для накопления данных, сетевую карту (Ethernet), по меньшей мере, один порт USB, один последовательный порт RS-232 и один последовательный порт RS-482 или RS-485, источник питания, и в этот компьютер встраиваются многоканальная плата АЦП, преобразующая аналоговый сигнал в цифровую форму, и плата поканального преобразования входных сигналов к уровню АЦП, уменьшающая поступающие входные напряжения и токи прибора до входных значений АЦП, а на корпусе прибора устанавливаются по меньшей мере два разъема для вводов напряжений и токов, светодиоды для индикации наличия напряжения и порядка чередования фаз измеряемой линии, одна или более кнопок управления и светодиоды индикации работы прибора, и при этом для расчета показателей качества используется соответствующее программное обеспечение.
В этом приборе каждый из поканальных преобразователей платы преобразования входных сигналов к уровню АЦП представляет собой, например, резисторный делитель напряжения.
Если на корпусе прибора установлены три дополнительные разъема для вводов, два служат для прямого ввода трех фазных или междуфазных напряжений 220/380 В и/или трансформаторного ввода (через измерительные трансформаторы напряжения) трех фазных или междуфазных напряжений сети 3-110 кВ, а третий - для сигналов, вводимых от внешних датчиков (например, от измерительных трансформаторов тока), - линейных токов и тока нейтрали.
В описываемом приборе возможно одновременное подключение разъемов для вводов напряжений к различным линиям, например к разным трансформаторам, и при этом обеспечивается одновременный расчет их показателей.
Для каждого из разъемов для вводов напряжений установлена группа из трех светодиодов индикации наличия напряжения и порядка чередования фаз линии, равномерно светящихся при нормальном подключении и мигающих, если перепутаны фазы, а при отсутствии фазы соответствующий ей светодиод не горит.
Возможно подключение внешнего компьютера, например ноутбука, для пересылки ему данных прибора в режиме on-line.
Этот прибор с помощью сетевой карты может работать в составе локальной сети из нескольких подобных приборов, обеспечивая создание измерительной системы качества электрической энергии.
У рассматриваемого прибора предусмотрено считывание информации на флэш-диски с помощью порта USB в автоматическом режиме.
Работа прибора начинается после подключения питания и датчиков напряжения и тока в измеряемую линию. Входные аналоговые величины непрерывно подаются на преобразователи входных сигналов, а от последних - в соответствующие каналы АЦП. С выхода последнего цифровые сигналы поступают к процессору, который производит необходимые вычисления и запоминает результаты на жестком диске.
При подключении на порты USB флэш-дисков накопленные на жестком диске ПКЭ скачиваются на них заранее обусловленным способом за определенный период, например, автоматически по умолчанию за последнюю неделю измерений.
При работе с внешним компьютером (например ноутбуком) через упомянутые порты по подключаемым стандартным кабелям данные из прибора пересылаются туда, и ПКЭ в режиме on-line могут выводиться на экран компьютера для анализа и визуализации.
При работе прибора светодиодами происходит постоянная индикация порядка чередования фаз измерительной сети.
Предложенное устройство реализуется в виде анализатора показателей качества электропитания ППКЭ-3-50 [7].
Типовыми входными сигналами для этого прибора являются:
- напряжения (фазные/межфазные) с действующим номинальным напряжением Uном=220/380B в диапазоне (0,8-1,2) Uном;
- напряжения вторичные (фазные/межфазные) от измерительных трансформаторов для сетей 3-110 кВ с действующим номинальным напряжением Uном=57,7/100В в диапазоне (0,8-1,2) Uном;
- сигналы от бесконтактных датчиков тока типа «токовые клещи» с номинальным током Iном=1000A в диапазоне (0,01-1,2) Iном;
- сигналы от измерительных трансформаторов тока или других источников с действующим значением Iном=1А или 5А в диапазоне (0,01-1,2) Iном, подаваемые на входные зажимы прибора через токовые клещи.
Прибор удовлетворяет требованиям технических условий ТУ 4222-002-18791019-05: температура окружающей среды 0 - +50 град. С, относительная влажность воздуха 30-95%. При частоте питающей сети 50/60 Гц и напряжении питания от 100В до 240В потребляемая мощность не превышает 300 Вт. Масса прибора не более 4 кг.
Прибор выполнен на базе промышленного компьютера IPC-644 [5], содержащего процессор класса Pentium III, оперативную память (ОЗУ), жесткий диск (HDD), сетевую карту (Ethernet), таймер, два порта USB и по одному последовательному порту RS - 232(для кабеля до 2 м) и RS-482 или RS-485 (для кабеля до 1, 2 км), внутреннюю шину данных (кросс-плата), источник питания. К нему добавлены встроенные двенадцатиразрядная шестнадцатиканальная плата АЦП ЛА-2м5РСI [6] и плата поканального
преобразования входных сигналов к уровню АЦП. На корпусе прибора дополнительно размещены разъемы для вводов напряжений и токов, светодиоды индикации наличия напряжения и порядка чередования фаз сети, кнопка управления и светодиоды индикации работы прибора.
Каждый из поканальных преобразователей входных сигналов для АЦП использует резисторный делитель напряжения, позволяя понизить уровень входного переменного напряжения с 450В до 10В.
На корпусе прибора имеются три разъема: два - для двух групп из трех фазных (межфазных) напряжений 220/380В (прямой вход) и 57,7/100В (трансформаторный вход) и один - для группы из четырех входов для трех линейных токов и тока нейтрали от датчиков.
Наличие двух групп входов напряжений позволяет одновременно производить одним прибором измерения и расчеты показателей для двух различных линий, например двух трансформаторов на одной подстанции.
В приборе реализована функция индикации наличия напряжения и порядка чередования фаз для каждого из подаваемых напряжений с помощью установленных на корпусе групп светодиодов.
В качестве энергонезависимой памяти для хранения массива данных используется жесткий диск емкостью 80 Гб или более, что достаточно для непрерывной работы прибора более двух лет.
Для расчета показателей качества используется программное обеспечение, работающее под управлением Windows ХР.
Прибор может работать автономно в режиме накопления данных на жестком диске или совместно с внешним компьютером или ноутбуком, осуществляющим управление прибором и контроль за его работой через интерфейсы обмена. Подключение прибора к компьютеру осуществляется при помощи стандартного кабеля RS-232 или RS-485 через соответствующие разъемы или стандартного кабеля Ethernet.
Совместная работа прибора с внешним компьютером расширяет возможности прибора. При помощи программного обеспечения на экране компьютера можно наблюдать в режиме on-line графики изменения по всем измеряемым параметрам за установленный интервал измерения, хранить их в базе данных, получать статистику и кривые распределения, формировать протоколы результатов измерения, сопоставлять их с нормативными значениями, выводить на печать результаты.
Прибор оснащен сетевой картой и может работать в составе локальной сети.
Имеющиеся у прибора порты USB дают возможность считывать информацию на компактные флэш-диски в автоматическом режиме при подключении диска к прибору.
Список литературы
1. Птицын О.В., Кузнецов И.Ю. Устройство для контроля качества электроэнергии, патент RU 2024877 С1, опубл. в БИ №23, 1994.
2. Показатели качества электроэнергии. Приборы и программные средства контроля. М., изд. МГОУ, 1996.
3. Ресурс UF2. Руководство по эксплуатации. ЭТ.422252.007РЭ. Пенза, НПП «Энерготехника», 2006.
4. IWK-8-500. Руководство по эксплуатации, Омск, «ENETECH», 2003.
5. IPC-644 User's Manual. Напеч. в Тайване, май 1999.
6. ЛА-2м5РСI. Универсальная плата аналого-цифрового преобразования для IBM PC/AT на шину PCI. Руководство пользователя. М., ЗАО «Руднев-Шиляев», 2001.
7. Анализатор параметров электрической сети ППКЭ-3-50. Руководство по эксплуатации. М., ООО «НПФ» Солис-С», 2006. Также www.ppke.ru.