УСТРОЙСТВО АНАЛИЗА КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ФУНКЦИЕЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Актуальность работы

В настоящее время как никогда остро перед нами стоят проблемы энергосбережения и повышения энергоэффективности, в связи с чем, все большее развитие получает тенденция по разработке и внедрению новых систем управления технологическими процессами, основанных на регулировании параметров, определяющих качество потребляемой электроэнергии [1 - 3]. Таким образом, до сих пор остается актуальной тема разработки и усовершенствования устройств, предназначенных для измерения большого числа параметров и показателей качества электроэнергии в режиме реального времени и с достаточной точностью. Стоит также отметить, что такие параметры, как гармонический состав напряжения и тока, а также уровень искажений, вносимый каждой из гармоник, определяются составом нагрузки, и, как следствие, по их изменению можно судить не только о том, какие потребители подключены к электросети, но и о том, насколько эффективно и безопасно их использование. На основании вышеизложенных фактов можно сделать вывод о необходимости разработки устройства и исследования возможностей комплексной оценки показателей качества потребляемой электроэнергии в режиме реального времени с функцией идентификации потребителей.

Основные проблемы и решения

Существуют различные подходы к решению приведенной задачи, и большинство предлагаемых вариантов основываются на решениях с применением микропроцессорной техники. Однако, рассматриваемые в вычислительные устройства выполняют одновременно и функцию измерения сигналов тока и напряжения, и вычисления прочих параметров энергопотребления, и обработки полученных значений, что вносит ощутимое запаздывание в системы управления, работу и регулирование в которых необходимо осуществлять в режиме реального времени. Кроме того, анализ гармонического состава в данном случае будет также осуществляться с временной задержкой, а его математический аппарат является довольно громоздким в программной реализации.

В связи с этим предлагается вариант разделения функций измерения и обработки параметров электросети. Основные вычислительные элементы разработанного устройства - интегральная микросхема трехфазного измерителя ADE7880 и цифровой сигнальный процессор TMS320F28069 ControlSTICK. Функциональная схема измерителя представлена на рис. 1.

Выбранные элементы имеют 32-битную архитектуру шины данных, что позволяет им осуществлять работу с числами с плавающей точной с максимальным быстродействием. Связь между измерителем и процессором осуществляется по последовательному SPI-интерфейсу на частоте 16,384 МГц. В список измеряемых параметров входят: формы тока и напряжения, действующие значения тока и напряжения, активная, реактивная, полная мощности, потребляемая энергия, коэффициенты мощности и частоты для трех фаз. ADE7880 имеет также встроенный вычислительный модуль, реализующий выделение одновременно действующих значений тока и напряжения, активной, реактивной и полной мощностей, коэффициента мощности, а также уровень искажений трех гармоник относительно выбранной базовой. Номер последней измеряемой гармоники определяется исключительно входными фильтрами низких частот. Встроенные в измеритель фильтры имеют частоту среза 2,8 кГц. Таким образом, при настройке измерительного комплекса на базовую частоту из полосы частот от 45 до 66 Гц, возможно выделение гармоник вплоть до 63. Период обновления номеров выявленных гармоник и величин отклонений, вносимых ими, составляет 125 мкс, что является более чем достаточным для анализа нагрузки в режиме реального времени.

Идентификация потребителей производится посредством анализа приведенных выше параметров потребляемой электроэнергии по ранее замеренным и сохраненным параметрам, характеризующим статические и динамические режимы работы нагрузки. По изменению данных параметров в новых режимах работы потребителей измерительное устройство предоставляет отчет об энергоэффективности выбранного режима и работы потребителя в целом.

Оценка точности проводимых измерений гармонического состава тока произведена для базовой частоты 55 Гц с периодом обновления данных в 125 мкс в 30 итераций. Ошибка измерения искажений действующего тока относительно базового (в процентах) для всего измеряемого гармонического ряда приведена на рис. 2.

Ошибка измерения искажения действующего тока при изменении масштабирования канала измерения токового сигнала проведена для 51 гармоники относительно базовой (55 Гц) с периодом обновления данных в 125 мкс в 1 итерацию. Сводный график этого анализа представлен на рис. 3.

Рис. 3. Ошибка измерения искажения действующего значения тока для 51 гармоники относительно базовой (55 Гц) в зависимости от масштабирования канала тока

Заключение

Из представленных характеристик разработанного устройства можно сделать вывод о применимости данного измерительного комплекса для задач, связанных с анализом и мониторингом параметров и показателей качества потребляемой электроэнергии. Преимуществом описанного устройства является быстродействие при расчете параметров электроэнергии, возможность работы в режиме реального времени, точность измерения гармонического состава и искажений, вносимых высшими гармониками. Дальнейшие исследования возможностей устройства дадут более полные показания по предмету идентификации потребителей в электросети и проверки энергоэффективности их режимов работы в статике и динамике.

Список литературы

1.        Мещеряков В. Н. Автоматическая система управления синхронным электроприводом черновой клети прокатного стана для режима работы с минимизацией потерь энергии / В. Н. Мещеряков, Д. В. Мигунов, О. В. Мещерякова // Вести высших учебных заведений Черноземья. – 2012. – №1. – С. 23-25.

2.        Мещеряков В. Н. Повышение эффективности поискового алгоритма для оптимизации энергосбережения за счет формирования магнитного потока АД / В. Н. Мещеряков, П. Н. Левин, Т. В. Синюкова // Приборы и системы, управление, контроль, диагностика. – 2014. – №6. – С. 25- 30

3.        Мещеряков В. Н., Байков Д. В. Энергосберегающий асинхронный электропривод на базе матричного преобразователя частоты // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. 2015. №2, [Т.2]. C.35-39. URL: http://electrical-engineering.ru/issues/2015/2015-2.pdf (дата обращения: 16.10.2016)