PRIMENA VIRTUELNE INSTRUMENTACIJE U METROLOŠKOM ...R)AN_1955-2006... · vrednosti parametara napona ili struja na svom ulazu, određuje srednju vrednost i širinu intervala poverenja

PRIMENA VIRTUELNE INSTRUMENTACIJE U METROLOŠKOM OBEZBEĐENJU SISTEMA KONTROLE KVALITETA ELEKTRIČNE ENERGIJE

Milan Simić, Božidar Dimitrijević, Elektronski fakultet u Nišu

Sadržaj – U radu su prikazane mogućnosti i suštinske prednosti primene virtuelne instrumentacije za realizaciju savremenih merno-informacionih sistema koji se mogu koristiti u postupku metrološkog obezbeđenja propisanih standarda kvaliteta u elektrodistributivnim sistemima, a u cilju povećanja energetske efikasnosti. Podrazumeva se, kako monitoring i kontrola procesa proizvodnje i prenosa, tako i merenje parametara kvaliteta električne energije. Primenom softverskog paketa virtuelne instrumentacije LabVIEW, realizovana su i u radu predstavljena rešenja virtuelnih instrumenata, koja se mogu koristiti u postupku određivanja merne nesigurnosti parametara napona ili struja elektrodistributivne mreže. Takođe, prikazan je i sistem za obezbeđenje referentnih vrednosti parametara trofaznih napona i struja u granicama nesigurnosti merenih parametara kvaliteta, u skladu sa propisanim standardima. Opisani merni sistem baziran je na virtuelnom instrumentu u PC okruženju, sa 8-kanalnom D/A karticom NI 6713 i merno-akvizicionim modulom ED428. Poređenjem generisanih referentnih vrednosti sa merenim parametrima napona i struja, metodom iteracije u povratnoj sprezi ostvarena je automatska korekcija greške do potrebnog nivoa tačnosti.

1. UVOD

Nagli porast potreba za pouzdaniju kontrolu i merenje kvaliteta električne energije proteklih godina rezultat je, pre svega, ekspanzije različitih vrsta potrošača, koji u mreži mogu izazvati elektromagnetne smetnje, ili su podvrgnuti smetnjama iz drugih izvora. Sve veća primena industrijske elektronike i snažnih komutacionih komponenata degradira kvalitet isporučene električne energije. To doprinosi smanjenju energetske efikasnosti proizvodnje i potrošnje električne energije i neracionalnom korišćenju energetskih resursa, čiji se izvorni kapaciteti sve više iscrpljuiju. Degradacija kvaliteta isporučene energije nameće potrebu i obavezu proizvođačima električne energije da u svakom trenutku imaju detaljne informacije o kvalitetu svojih distributivnih mreža, i da konstantno vrše monitoring i kontrolu procesa proizvodnje i prenosa električne enrgije [1].

U deregulisanom elektroenergetskom sistemu, merenja parametara kvaliteta napona elektroenergetske mreže uglavnom su izvode, bilo po posebnim zahtevima, ili u ekcesnim uslovima rada. U takvim slučajevima, osim ako u toku merenja ne dođe do prekida u napajanju električnom energijom, praktično je nemoguće otkriti pravi uzrok nastalog problema. U takvim uslovima, merenja pojedinih parametara vrše se od slučaja do slučaja, uglavnom kada dođe do pojave smetnji izazvanih od strane potrošača ili zbog klimatskih i drugih uticaja, kao i u postupku rekonstrukcije i remonta pojedinih delova mreže Ovakvim pristupom u održavanju kvaliteta mreže ne postoje mogućnosti za preventivno obezbeđenje i zaštitu potrošača i kompletne mreže od eventualno mogućih neželjenih pojava i smetnji [2]. Nagli razvoj elektronike i mikroračunarske tehnologije, posebno

razvoj koncepta virtuelne instrumentacije, nudi izuzetne mogućnosti projektovanja visoko sofisticirane tehnike merenja i kontrole u elektrodistributivnoj mreži.

Savremeni sistemi kontrole kvaliteta iziskuju projektovanje i realizaciju merno-informacionih sistema za kontinualno praćenje i metrološko obezbeđenje kvaliteta električne energije u različitim tačkama celokupne elektroenergetske mreže. Projektno-razvojnim aplikacijama multifunkcionalnih uređaja i softvera virtuelne instrumentacije sa distribuiranom inteligencijom omogućava se kontinuirano merenje, obrada i prenos mernih podataka standardizovanih parametara kvaliteta električne energije. Računarski merno-informacioni sistemi omogućavaju komunikaciju između distribuiranih baza podataka i centralnog informacionog sistema, preko internet mreže, ili GPRS uređaja GSM mreže [3].

Virtuelna instrumentacija kao softverski alat za projektovanje višefunkcionalnih mernih instrumenata, koristi standardni PC računar, hardverske komponente za akviziciju i digitalnu konverziju signala, kao i aplikativno-razvojne softverske pakete koji omogućavaju prikupljanje i obradu merno-informacionih podataka u sistemima kontrole i nadzora [4]. Na ovaj način je funkcionalno sintetizovano više različitih tipova instrumenata u jedan zajednički merno-informacioni i komunikacioni sistem – personalni računar. Ovakvim sistemom u kontroli kvaliteta električne energije obezbeđuje se proizvođačima i potrošačima čitav niz značajnih podataka, kao što su: nivo kvaliteta električne energije, sa detekcijom vrste i nivoa poremećaja koji se javljaju u mreži, izveštaj o kvalitetu, detaljnija vremenska zavisnost smetnji, odnosno poremećaja u radu mreže, na osnovu koje se može identifikovati njihov uzrok, podaci koji omogućavaju planirano održavanje sistema, na osnovu čega se pojedine smetnje mogu predvideti i preduprediti, i dr [2].

Definisanje, merenje, monitoring i kontrola pokazatelja kvaliteta električne energije, posebno u procesu deregulisanih elektroenergetskih sistema, kao što je slučaj kod nas, predstavlja imperativ za obezbeđenje optimalnog nivoa energetske efikasnosti [5]. Merno-informacioni sistem za ove namene obuhvata aplikaciju savremenih mernih metoda i uređaja za funkcionalno obezbeđenje sistema i izračunavanje zadatih korelacionih i drugih statističkih parametara mernih podataka. Funkcionalnu osnovu rešenja obezbeđuje softverska aplikacija virtuelne instrumentacije kao što je LabVIEW [6]. Merno-informacioni sistem je koncipiran za rad na principu distribuirane inteligencije sa centralizovanim računarom u distributivnom centru i stacionarnim ili mobilnim adresibilnim mernim stanicama na razuđenim lokacijama elektrodistributivne mreže, koji su međusobno povezani preko internet i/ili GSM mrežne komunikacije. Prikupljani i obrađeni merni i kontrolni podaci u mreži hronološki se memorišu u odgovarajućim lokalnim i centralizovanim bazama podataka, koje opslužuju rad celog sistema, i dostupne su svim relevantnim korisnicima u mreži.

Zbornik radova 50. Konferencije za ETRAN, Beograd, 6-8. juna 2006, tom III Proc. 50th ETRAN Conference, Belgrade, June 6-8, 2006, Vol. III

373

2. METROLOŠKO OBEZBEĐENJE SISTEMA ZA KONTROLU KVALITETA ELEKTRIČNE ENERGIJE

Monitoring, odnosno hronološko praćenje procesa prenosa i potrošnje električne energije je potrebno da bi se registrovala svaka eventualna nepoželjna pojava na određenoj lokaciji elektrodistributivne mreže. Cilj monitoringa je da se utvrdi nekompatibilnosti između izvora električne energije i potrošača., ili da se iskoristi za kvalitativnu procenu električnog okruženja na određenoj lokaciji, a u cilju poboljšanja osnovnih parametara kvaliteta električne energije. Konačno, monitoring se može koristiti i za predviđanje budućeg ponašanja instalirane opreme u mernoj stanici. Metrološko obezbeđenje podrazumeva izbor merne opreme, metod prikupljanja podataka, izbor mogućnosti snimanja raznih događaja u vremenu, tehniku analize podataka i slično, zavisno od konkretnog cilja, odnosno od parametara koji se kontrolišu. Taj cilj može biti jednostavan ako je u pitanju provera stacionarne naponske regulacije, ali i složen ako je potrebna analiza harmonijskih komponenti napona i struja u mreži [3]. Principska blok šema procesa metrološkog obezbeđenja sofisticiranog rešenja sistema kontrole kvaliteta električne energije prikazana je na slici 1.

Sl.1. Metrološko obezbeđenje sistema kontrole kvaliteta električne enrgije

Parametri koji se mere, analiziraju i prikazuju definisani su delimično normama i standardima nacionalnog, a u najvećoj meri međunarodnog značaja [7]. U ovim propisima date su prihvatljive granične vrednosti i tolerancije različitih fenomena koji mogu da se pojave u mreži, kao i intervali merenja i posmatranja njihovog ponašanja. U skladu sa navedenim dokumentima, navode se sledeći odabrani parametri: spore promene napona, varijacija mrežne frekvencije, prenaponi i padovi napona (≤1min), kratki prekidi (≤3min), neočekivani dugi prekidi (>3min), privremeni prenaponi (faza-uzemljenje), prelazni prenaponi (faza-uzemljenje), naponsko-fazna nesimetrija i prisustvo harmonijskih napona (ukupno harmonijsko izobličenje-THD)

Navedeni parametri kao neželjene pojave u mreži nastaju zbog varijacija tokom normalnog rada sistema napajanja izazvanih promenom karakteristika opterećenja, zbog raznih poremećaja koji se javljaju u pogonu, na koje se može uticati preduzimanjem odgovarajućih mera u samom pogonu gde se koristi električna energija. Ako se tokom postupka analize kritičnih parametara kvaliteta električne energije, registruju neželjeni efekti, odmah se generiše signal, u vidu alarma, kao potvrda da je došlo do narušavanja kvaliteta signala, koji se prenosi elektrodistributivnom mrežom. Prema blok šemi sa slike ključne komponente za obezbeđenje adekvatne merne

nesigurnosti jesu u bloku senzora kontrolisanih parametara i referentne veličine u bloku metrološkog obezbeđenja. Merno-upreavljačke funkcije prikazanog sistema bazirane su na softveru virtuelne instrumentacije, sa kojim se vrši obrada i prikaz rezultata merenja, i obezbeđuje redosled izvršavanja pojedinih opreracija u skladu sa zadatim algoritmom. Korelacijom relevantnih mernih podataka vrši se procena prirode uzroka i vremenskog trenutka pojave neželjenih smetnji u mreži, i utvrđuje se procena verovatnoće mogućih predvidivih smetnji u cilju preduzimanja adekvatnih mera za zaštitu i/ili održavanje kvaliteta mreže i sredstava potrošača.

3. VIRTUELNA INSTRUMENTACIJA U SISTEMIMA KONTROLE KVALITETA ELEKTRIČNE ENERGIJE

Koncept virtuelne instrumentacije predstavlja suštinski prelaz sa tradicionalnih hardverski upravljanih mernih uređaja, na moderne softverski vođene merno-informacione sisteme. Programi za virtuelnu instrumentaciju dozvoljavaju korisniku da realizuje uređaj koji će najbolje odgovarati njegovim zahtevima, odnosno specifičnoj primeni. Pri tome treba uzeti u obzir da funkcije uređaja definiše upravo korisnik, i da se virtuelni instrument odlikuje softverskim rešenjem koje minimizira troškove razvoja i održavanja, a koje karakteriše niska cena za razliku od klasičnih tipova instrumenata [4]. Danas se na tržištu nude različiti specijalizovani programski paketi, koji se mogu koristiti za projektovanje i razvoj sistema virtuelne instrumentacije. Kombinacijom tih softverkih alata sa pratećim hardverom moguće je realizovati različite tipove vurtuelnih instrumenata Dodatni hardver se sa personalnim računarom najčešće povezuje preko akvizicionih kartica koje se smeštaju u slotove računara sa PCI, ISA, ili drugim tipovima magistrala.

Jedan od trenutno najaktuelnijih zadataka u sistemima metrološkog obezbedjenja, nezavisno od oblasti primene, jeste pouzdana procena merne nesigurnosti. U skaldu sa Uputstvom NIST-a, definisana su dva tipa merne nesigurnosti: tip A–komponente merne nesigurnosti procenjene statističkim metodama, i tip B–komponente merne nesigurnosti procenjene drugim metodama [8]. Primenom razvojne aplikacije softverskog paketa virtuelne instrumentacije LabVIEW u okviru Metrološke laboratorije Elektronskog fakulteta u Nišu realizovan je virtuelni instrument koji može na osnovu ulaznih podataka u vidu rezultata višestruko ponovljenih merenja parametara napona, ili struja, u pojedinim tačkama električne mreže, da pored srednje vrednosti proračunava komponente tipa A i tipa B nesigurnosti rezultata merenja. Na slici 2. prikazan je blok dijagram ovog tipa virtuelnog instrumenta.

Sl.2. Blok dijagram virtuelnog instrumenta koji računa mernu nesigurnost

374

U predloženom rešenju statističkim metodama određuje se merna nesigurnost tipa A, dok se merna nesigurnost tipa B unosi kao podatak dobijen najčešće na osnovu specifikacije ili uputstva proizvođača, ili na osnovu drugih relevantnih podataka o iskorišćenom mernom uređaju. U neposrednoj vezi sa određivanjem merne nesigurnosti rezultata merenja jeste i procena granica inrtervala poverenja prave vrednosti merene veličine. To je širina intervala u kome se sa zadatom verovatnoćom sigurno nalazi prava vrednost merene veličine. Blok dijagram virtuelnog instrumenta koji na osnovu merenih vrednosti parametara napona ili struja na svom ulazu, određuje srednju vrednost i širinu intervala poverenja prave vrednosti merenog parametra, prikazan je na slici 3.

Sl.3. Blok dijagram virtuelnog instrumenta za procenu intervala poverenja prave vrednosti rezultata merenja

Automatizcija u postupcima metrološkog obebeđenja zasnovana na primeni računara i softvera virtuelne instrumentacije štedi vreme potrebno za obradu i prezentaciju rezultata, uz obezbeđenje pouzdanosti obavljenih merenja i nivoa kvaliteta, koji je propisan odgovarajućim standardima. Međutim, ovo višestruko ponavljanje mernih postupaka u dobroj meri povećava vreme merenja, odnosno smanjuje brzinu merne procedure, što u nekim slučajevima predstavlja ozbiljno ograničenje. U konkretnom slučaju nešto bolje rešenje bila bi korekcija greške merenih parametara napona i struja postupkom iteracije u povratnoj sprezi. Princip iteracione metode zasniva se na višestruko ponovljenoj korekciji greške izlaznog rezultata merenja u odnosu na predhodno dobijeni rezultat, što rezultira sukcesivnim približavanjem najtačnijoj vrednosti.

Virtuelni instrument realizovan pod razvojnim okruženjem LabVIEW, koji će ovde biti predstavljen, u kombinaciji sa akvizicionom D/A karticom, generiše referentne vrednosti trofaznih napona i struja, u granicama nesigurnosti merenih parametara kvaliteta, u skladu sa propisanim standardima. Talasni oblici generisanih referentnih signala odgovaraju idealnim sinusoidama, fazno pomerenim za 2π /3. Hardver realizovanog instrumenta sastoji se iz personalnog računara i 8-kanalne D/A kartice PCI NI 6713 [9]. Aktiviranjem tastera koji je na front panelu instrumenta označen kao ''slanje na karticu'', svih šest kanala, tri naponska i tri strujna, automatski se šalje na izlaze D/A kartice. Front panel ovog virtuelnog instrumenta, koji prikazuje generisane talasne oblike referentnih napona i struja, prikazan je na slici 4.

Višekanalna mikroračunarska D/A kartica NI 6713 za računarsko generisanje referentnih napona i struja obezbeđuje osam digitalno/analognih izlaznih kanala, sa rezolucijom od 12 bitova i tačnošću postavljanja od 0.5LSB, dok je postavljanje dc napona analognih mernih kanala u granicama od ±10V, što u potpunosti ispunjava zahteve i tehničke

karakteristike programabilnog generatora trofaznih napona i struja, u skladu sa postavljenim zahtevima sistema. Kartica vrši kružno generisanje napona za sve kanale na bazi unapred učitanih vrednosti odmeraka, koji se čuvaju u internom baferu. Talasni oblici napona i struja su digitalno sintetizovani sa po 1000 tačaka po periodi. Kartica poseduje bafer od 8kb uzoraka i ima mogućnost duplog baferovanja. uzoraka za generisanje signala, pa je moguće vršiti izmenu uzoraka u toku rada, bez prekida u generisanju signala.

Sl.4. Front panel virtuelnog instrumenta koji generiše referentne trofazne napone i struje

Cilj realizovanog instrumenta je da se potrebne vrednosti napona i struja generišu preciznom DAQ karticom sa više izlaza, sa tim da se realno generisane vrednosti vode na pojačavače, zatim se mere i na kraju se vrši korekcija istih u povratnoj sprezi. Na osnovu izmerenih vrednosti napona i faza takav sistem neprekidno, u realnom vremenu, vrši proračun novih vrednosti koje D/A kartica generiše. Dodatni hardver potreban za realizaciju prototipa ovog sistema uključuje akvizicionu A/D karticu ED428 sa pratećim interfejsom, parove naponskih pojačavača (tri napoonska i tri strujna), delitelj napona, strujne transformatore i merne šantove (150A/60mV) [10]. Na sledećoj slici prikazana je vremenska zavisnost odstupanja efektivnih vrednosti napona generisanih takvim virtuelnim sistemom, realizovanim pod razvojnim okruženjem LabVIEW, koja jasno pokazuje efekat smanjenja greške korekcijom u povratnoj sprezi

Sl.5. Grafik korekcije greške efektivnih vrednosti generisanih napona

Kao što se vidi sa prethodnog grafika, greška efektivnih vrednosti generisanih napona praktično se svodi na nulu,

375

odnosno na zanemarljivo malu vrednost. Opisani virtuelni instrument obezbeđuje vrlo stabilno generisanje trofaznih vrednosti napona i struja, koje predstavljaju referencu za merenje parametara signala u elektrodistributivnim mrežama, prilikom postupaka kontrole kvaliteta električne enrgije. Eksperimentalni rezultati merenja korigovanih efektivnih vrednosti napona koji potvrđuju prethodne zaključke, kao i vrednosti odgovarajućih grešaka u osamnaest proizvoljno odabranih uzastopnih iteracija, dati su u sledećoj tabeli:

Tabela 1. Eksperimentalni rezultati merenja korigovanih efektivnih vrednosti napona

Red. br. merenja

Nomin. efek. vrednosti

napona (V)

Merene efek. vrednosti

napona (V)

Greška merenja

(V) 1. 220,00 226.43 -6.43 2. 220,00 226.96 -6.96 3. 220,00 227.09 -7.09 4. 220,00 218.97 1,03 5. 220,00 216.80 3,20 6. 220,00 218.24 1,76 7. 220,00 220.44 -0,44 8. 220,00 220.33 -0,33 9 220,00 220.45 -0,45

10. 220,00 219.88 0,12 11. 220,00 219.95 0,05 12. 220,00 219.96 0,04 13. 220,00 220.02 -0,02 14. 220,00 220.00 0,00 15. 220,00 220.01 -0,01 16. 220,00 220.00 0,00 17. 220,00 219.99 0,01 18. 220,00 220.00 0,00

4. ZAKLJUČAK

Merno-informacioni sistem koji omogućava kontinuirano merenje, obradu i prenos mernih podataka standardizovanih parametara kvaliteta električne energije, koncipiran je za rad na principu distribuirane inteligencije sa centralizovanim računarom u distributivnom centru i stacionarnim ili mobilnim adresibilnim mernim stanicama na razuđenim lokacijama elektrodistributivne mreže, koji su međusobno povezani preko internet i/ili GSM mrežne komunikacije. Funkcionalnu osnovu rešenja obezbeđuje aplikacija softvera virtuelne instrumentacije LabVIEW. Vezano za probleme metrološkog obezbedjenja sistema kontrole kvaliteta koji se tiču izračunavanja merne nesigurnosti parametara napona ili struja elektrodistributivne mreže, u radu su prikazana rešenja virtuelnih instrumenata za izračunavanje merne nesigurnosti, odnosno za procenu intervala poverenja merenih.parametara. Na bazi virtuelnog instrumenta realizovanog u PC okruženju, u kombinaciji sa 8-kanalnom D/A karticom NI 6713 i merno-akvizicionim modulom ED428, formiran je merni sistem, koji poređenjem generisanih referentnih vrednosti sa merenim parametrima napona i struja, iteracijom u povratnoj sprezi automatski koriguje grešku do potrebnog nivoa tačnosti. Na ovaj način obezbeđeno je vrlo stabilno generisanje referentnih vrednosti trofaznih napona i struja, koje predstavljaju referencu za merenje parametara kvaliteta signala u elektrodistributivnim mrežama.

LITERATURA [1] Christopher J. Melhorn, Mark F. McGranaghan,

”Interpretation and Analysis of Power Quality Measurements”, Electrotek Concepts, Inc., Tennessee.

[2] Power quality measurement - more important than ever, LEM NORMA GmbH, Austria (www.lem.com).

[3] Building an Electrical Power Quality, Consumption, and Distribution Monitoring System with Virtual Instrumentation, National Instruments Corp., USA (www.ni.com).

[4] Viktor Smiesko - Karol Kovac, ”Virtual Instrumentation and Distributed Measurement Systems”, Journal of Electrical Engineering, vol. 55, no. 1-2, 2004, 50-56.

[5] Međunarodno regionalno savetovanje o elektrodistribu- tivnim mrežama, Herceg Novi, 5-8 oktobar 2004. (www.jukocired.org.yu).

[6] LabVIEW User Manual, National Instruments Corp., USA, 2000.

[7] Standard BS EN 50160:2000 Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems, Reo, UK (www.reo.co.uk).

[8] Guidelines for Evaluating and Expressing the Uncertainty of NIST Measurement Results, NIST Technical Note 1297, 1994 Edition.

[9] DAQ 6711/6713/6715 User Manual, Analog Voltage Output Device for PCI/PXI/CompactPCI/PCMIA/1394 Bus Computers, National Corporation, USA, 2003.

[10] Dimitrijević B., Živanović D., Ranđelović I, ”Metrološko obezbeđenje industrijske baždarnice brojila električne energije primenom virtuelne instrumentacije”, XLIX Konferencija za ETRAN, Budva, 2005.

Abstract – This paper describes possibilities and essential assets of using virtual instrumentation for development of modern measurement and information systems, which can be used as a part of quality standard metrological support procedures in power distribution systems, in order to improve energy efficiency. This means both the monitoring and control of the energy production and distribution, and the electrical power quality measurement. Two different types of virtual instruments developed by using a high-level virtual instrumentation software tool LabVIEW, that can be used for measurement uncertainty and confidence interval evaluation during a measurement of voltage and current parameters in power distribution systems, are presented in this paper. Measurement system based on virtual instrument, that is shown finally, provides parameters of three phase voltage and current reference values, defined by electrical power quality standards, by means of 8 channels D/A card NI 6713 and data acquisition module ED428, comparing generated and measured values of voltage and current parameters, and automatically correcting generated values in the feedback loop, until the desired accuracy level is achieved.

VIRTUAL INSTRUMENTATION APPLIED TO METROLOGICAL SUPPORT OF ELECTRICAL

POWER QUALITY CONTROL SYSTEMS

Milan Simić, Božidar Dimitrijević

376