Информационно-измерительный комплекс для анализа параметров сети электроснабжения

УДК 621.31

Информационно-измерительный комплекс для анализа параметров сети электроснабжения

Н. В. Белов,

МИЭЭ, заведующий кафедрой электротехники и электроники,

кандидат технических наук, доцент

В. Е. Черёмухин,

МИЭЭ, старший научный сотрудник, доцент кафедры электротехники и электроники,

кандидат технических наук

Д. В. Жматов,

МИЭЭ, инженер, аспирант МГОУ им. В. С. Черномырдина

Разработан информационно-измерительный комплекс для анализа энергопотребления нелинейных нагрузок. При создании комплекса была использована среда графического программирования LabVIEW. Основу аппаратной части комплекса составляет устройство сбора данных компании National Instruments USB-6009. Приведены результаты сравнительного анализа энергопотребления нелинейных нагрузок (светотехническое оборудование и компьютерная техника).

Ключевые слова: учебное оборудование, показатели качества электроэнергии, нелинейные потребители, LabVIEW, виртуальный прибор.

Параметры питающей электрической сети должны соответствовать ГОСТ 13109-97 [1]. В связи с возрастанием числа потребителей, работающих в нелинейном и импульсном режимах (энергосберегающие лампы, импульсные блоки питания офисной и компьютерной техники, выпрямители промышленного назначения), параметры промышленной сети часто не соответствуют нормам. Низкое качество электрической энергии приводит к экономическому ущербу как у поставщиков, так и у потребителей энергии. Экономический ущерб, обусловленный недостаточным качеством электроэнергии, имеет две составляющие: электромагнитную и технологическую. Электромагнитная составляющая определяется в основном изменением потерь активной мощности и соответствующим изменением срока службы изоляции электрооборудования. Технологическая составляющая ущерба, в свою очередь, обусловливается влиянием качества электрической энергии на производительность технологических установок [2].

Для измерения показателей качества электрической энергии разработана достаточно большая номенклатура анализаторов качества электрической энергии как отечественного, так и зарубежного производства [3]. Однако приборы, разработанные для профессионального энергоаудита, не всегда отвечают целям и задачам обучения. При обучении специалистов-энергетиков необходимо сформировать чёткое представление о физической природе показателей качества и причинах их отклонения от установленных норм, проанализировать не только итоговое значение показателя качества, но и дополнительные параметры, влияющие на тот или иной показатель качества

электрической энергии. Немаловажное значение имеет возможность оперативного наглядного представления информации в зависимости от задач исследований.

В Московском институте энергобезопасности и энергосбережения разработан информационно-измерительный комплекс для решения учебно-исследовательских задач при проведении энергетического обследования электрических сетей.

Областью применения комплекса является исследование несинусоидальных и несимметричных режимов электрической сети 0,4 кВ, изучение влияния нелинейных нагрузок (энергосберегающих ламп, выпрямителей и т. д.) на показатели качества электрической энергии. При разработке комплекса была использована среда программирования LabVIEW компании National Instruments (NI) на основе метода графического программирования.

Весь процесс измерения и анализа параметров электрической сети можно разделить на три этапа: согласование и ввод напряжений и токов; обработка и вычисление параметров качества электрической энергии; отображение, сохранение и регистрация данных. Структурная схема комплекса представлена на рис. 1.

Аппаратная часть комплекса включает:

- устройство согласования;

- устройство сбора данных NI USB-6009;

- персональный компьютер с программным обеспечением.

Устройство согласования обеспечивает подключение токовых цепей с помощью клещей-адапте-

Рис. 1. Структурная схема аппаратно-программного комплекса

ров АТА-2504 с разъёмным магнитопроводом и датчиком на эффекте Холла. Клещи-адаптер позволяют выполнять бесконтактное измерение постоянного и переменного тока без разрыва цепи в диапазонах 4, 40, 200 А. Согласование уровней сетевого напряжения до уровня напряжений на аналоговых входах NI USB-6009 выполнено с помощью трансформаторов напряжения.

Устройство сбора данных NI USB-6009 имеет 8-канальный 14-битный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с максимальной частотой дискретизации 48 кГц и входным напряжением ±10 В. Мультиплексор осуществляет последовательное подключение каждого из каналов к АЦП.

Программное обеспечение (ПО) комплекса формируется из драйвера устройства системы сбора данных NI USB-6009 (Data Acquisition - DAQ), а также прикладных программ в виде виртуальных приборов (ВП), созданных в программной среде LabVIEW [4].

Основными функциональными характеристиками комплекса являются:

- измерение значения действующих напряжений и силы переменного тока в одно- и трёхфазной сети;

- измерение частоты основной гармоники сетевого напряжения;

- измерение и отображение гармонических составляющих напряжений и токов в интервале до 50-й гармоники;

- определение коэффициента нелинейных искажений напряжения и тока;

- измерение угла сдвига фаз между напряжением и током в каждой фазе. Построение векторных диаграмм;

- определение несимметрии напряжений по нулевой и обратной последовательности. Построение векторных диаграмм прямой, обратной и нулевой последовательностей;

- измерение активной, реактивной и полной мощности в одно- и трёхфазной сети;

- измерение потреблённой активной, реактивной и полной электроэнергии в одно- и трёхфазной сети;

- регистрация с заданным периодом выбранных параметров и сохранение их в электронные таблицы MS Excel.

Ниже приведены некоторые экранные формы регистрируемых параметров однофазной и трёхфазной сети. На рис. 2 представлена зарегистрированная форма напряжения и тока при подключении компактных люминесцентных ламп (вверху) и люминесцентных ламп с дроссельным пускорегулирующим аппаратом (внизу). Одновременно на экранной форме представляются спектральный состав гармоник напряжения и тока, действующее значение напряжения и тока, частота основной гармоники напряжения, активная, реактивная, полная мощность и коэффициент мощности. Нелинейные искажения определяются коэффициентом нелинейных искажений тока и напряжения, а также коэффициентом n-й гармонической составляющей.

Рис. 2. Экранные формы при регистрации основных параметров однофазной сети

нагрузки и показания счетчика активной, реактивной и полной электрической энергии.

Программное обеспечение комплекса позволяет организовать регистрацию параметров и экспорт данных в MS Excel для составления отчета. На рис. 4 показан экспорт данных из таблицы регистрируемых параметров в MS Excel для дальнейшей обработки результатов.

Для трехфазной сети все параметры регистрируются для каждой фазы и дополнительно определяются симметричные составляющие напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей (рис. 5).

Рис. 3. Экранные формы при анализе фазовьа сдвигов и счётчика энергии

На рис. 3 представлены примеры экранных форм при анализе угла сдвига фаз между первой (основной) гармоникой напряжения и тока компактной люминесцентной лампы и люминесцентных ламп с дроссельным пускорегулирующим аппаратом. Здесь же отображаются энергетические характеристики

Рис. 5. Симметричные составляющие напряжения в трёхфазной сети

С использованием разработанного стенда выполнено энергетическое обследование некоторых нелинейных потребителей офисного оборудования. Так, установлено, что у компактных люминесцентных ламп и большинства потребителей с импульсным блоком питания, первая гармоника тока опережает по фазе напряжение, что соответствует ёмкостному характеру нагрузки (векторная диаграмма рис. 3). Этот вывод важен при принятии решения по установке конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности.

Сравнительный анализ степени искажения синусоидальности напряжения и тока оценивается коэффициентом суммарных гармонических искажений, определяемым отношением действующего значения высших гармонических составляющих напряжения (тока) к действующему значению напряжения (тока) основной (1-й) гармоники:

К, =

№

(21+t/(„+• + £/„ о

и„

100,

Для более детального анализа используется также коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения (тока), равной отношению действующего значения п-й гармонической составляющей к действующему значению напряжения (тока) основной (1-й) гармоники:

Рис. 4. Регистрация и экспорт данных в MS Excel

%

' //л 3

Номер гармоники

Число ламп

Рис. 7. Коэффициенты п-й гармонической составляющей тока офисных потребителей

Большинство нагрузок офисного оборудования имеют импульсные блоки питания, которые являются также источниками гармоник тока. На рис. 7 приведены коэффициенты гармонических составляющих тока следующих потребителей:

- люминесцентный светильник с дроссельным пускорегулирующим аппаратом;

- компактные люминесцентные лампы;

- ж/к монитор;

- системный блок;

- ноутбук.

Из рисунка видно, что большинство потребителей современного офисного оборудования имеют значительный состав гармоник тока. На рис. 8 приведены коэффициенты нелинейных искажений некоторых офисных потребителей.

Рис. 6. Коэффициенты п-й гармонической составляющей тока компактных люминесцентных ламп

Из рис. 6 видно, что коэффициенты п-й гармонической составляющей нечётных гармоник тока (3, 5, 7, 9, 11) компактных люминесцентных ламп практически не зависят от производителя и числа включённых ламп. Коэффициент 3-й гармонической составляющей тока соответствует уровню 70-75 %

Рис. 8. Коэффициент нелинейньвс искажений тока офисньвс потребителей, %

Из диаграммы видно, что наибольший коэффициент нелинейных искажений имеют ноутбук и стационарный компьютер. Меньший - лампа накаливания и люминесцентный светильник с дроссельным пускорегулирующим аппаратом. Выполненные исследования касались, в основном, изучения влияния нелинейных нагрузок на искажение синусоидальности тока в сети, а ГОСТ 13109-97 определяет показатели качества напряжения сети. Подключение нелинейной нагрузки в виде группы компактных люминесцентных ламп к источнику большой мощности (осветительная сеть) практически не оказывает влияния на изменение показателей качества напряжения. Для исследования влияния нелинейной нагрузки на искажение синусоидальности напряжения нагрузка в виде компактных люминесцентных ламп подключалась через трансформатор 220/220 В мощностью 0,16 кВА. Начиная с 20 %-ной нагрузки трансформатора наблюдается увеличение процентного состава третьей гармоники напряжения. При 30 %-ной нагрузке трансформатора компактными люминесцентными лампами коэффициент третьей гармонической составляющей превысил 5 % - пороговое значение, определяемое ГОСТ 13109-97.

Таким образом, при создании учебно-исследовательского стенда решены следующие задачи:

- обеспечение наглядности и доступности получения информации для изучения режима работы сети электроснабжения и выполнения исследований;

- относительно низкая стоимость стенда и возможность реализации в условиях образовательных учреждений для решения научно-исследовательских и учебных задач;

- гибкая возможность доработки и изменения программного обеспечения стенда для вновь возникающих задач исследования, реализации различных алгоритмов обработки сигналов и представления информации.

Литература

1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Госстандарт России, 1997.

2. Аванесов В. М., Садков Е. В. Анализ структуры потерь электрической энергии в электроустановках при отклонении напряжения от оптимального значения // Энергобезопасность в документах и фактах. - 2005. -№ 4. - С. 19-21.

3. Справочник по приборам для диагностики и ремонта электротехнического оборудования и кабельных линий. 2011/1. ООО «Электронприбор». - 112 с.

4. Суранов А. Я. LabVIEW 7: Справочник по функциям. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 512 с.

Information-measuring system for the analysis of parameters the electricity network

N. V. Belov,

MIEE, Head of the Department of Electrical engineering and electronics, Ph.D., associate professor

V. E. Cheremukhin,

MIEE, senior researcher, associate professor of the Department of Electrical engineering and electronics, Ph.D.

D. V. Zhmatov,

MIEE, engineer, post-graduate student of MSOU

An information-measuring system for the analysis of power nonlinear loads was developed. The complex is based on LabVIEW graphic programming method. The basis of complex hardware is data acquisition unit of National Instruments USB-6009. The results of comparative analysis of the power nonlinear loads (lighting equipment and computer equipment) are given.

Keywords: educational equipment, power quality, nonlinear consumers, LabVIEW, a virtual appliance.