Měřící systém pro elektroenergetické aplikace založený na platformě LabVIEW

Hlavním cílem tohoto projektu je návrh a vytvoření univerzálního nízkonákladového systému pro široké použití v různých odvětvích elektroenergetiky. Výsledkem by měla být realizace zařízení schopného měřit relevantní proudy a napětí, které bude založené na relativně levném a dostupném hardwaru a univerzální softwarové platformě. Zařízení by mělo být dále integrovatelné do nadstavbového systému.

Navrhovaný systém není zamýšlen jako konkurence přesných a drahých jednoúčelových analyzátorů, ale má umožnit uživateli provádět různé měřící úlohy s nízkými náklady ale s dostatečnou přesností a spolehlivostí.

Většina úloh v elektroenergetice souvisí nějakým způsobem s měřením proudu a napětí. Uvažovaný univerzální systém by tedy měl využívat společný základní hardware, který bude pro jednotlivé specifické aplikace pouze řízen jiným způsobem pomocí konkrétního obslužného programu [1].

Modulární hardwarová a softwarová architektura založená na standardní počítačové platformě se jeví jako optimální řešení. Využití existujících komerčních průmyslových standardů jako například CANBUS nebo RS-482 a aplikace řízení z prostředí DASYLab nebo TestPoint by samozřejmě zcela vyhovělo zadání, ale zásadní nevýhoda tohoto řešení by spočívala v přísné závislosti na konkrétním specifickém hardwaru. Oproti tomu platforma LabVIEW umožňuje téměř neomezené použití univerzálního DAQ hardware různých výrobců a přitom nemá žádné specifické požadavky na použitou počítačovou platformu [1], [2].

Technické specifikace zvoleného DAQ zařízení

Za základ experimentálního měřícího systému byla zvolena univerzální měřící karta NI-PCI 6221 od společnosti National Instruments. Tento hardware spadá do nižší cenové třídy, ale přesto nabízí dostatečné možnosti pro široké spektrum aplikací od jednoduchých laboratorních úloh až po průmyslové měření a monitoring. Konfiguraci zařízení lze snadno provést pomocí dodaného DAQmx driveru [2].

Zvolené multifunkční zařízení disponuje 16 analogovými vstupními kanály, 2 analogovými výstupními kanály a 24 digitálními kanály, které jsou konfigurovatelné jako vstupní nebo výstupní se vzorovací frekvencí 250 kSs-1. Analogové kanály jsou vybaveny 16 bitovými AD převodníky. Napěťový rozsah je ±10 V. Univerzálnost zařízení dále zvyšují 2 integrované 32 bitové čítače/časovače, které ale v naší aplikaci nejsou využity stejně tak jako rozšiřující SCC nebo SCXI moduly [3].

Koncové rozhraní měřícího řetězce je řešeno jako 68 pinový konektorový blok CB-68LP, který umožňuje variabilní propojení s externí kabeláží [3].

Napěťový rozsah měřící karty neumožňuje přímé měření napětí v rozsahu vyžadovaném elektroenergetickými aplikacemi. Tento problém lze ale snadno vyřešit pomocí vazebného napěťového děliče nebo použitím měřicího transformátoru. Obdobně i měření proudů musí být provedena jako nepřímá nebo pomocí proudových snímačů.

Maximální analyzovatelná frekvence fmax v napěťovém nebo proudovém spektru se spočítá pomocí (1) ze známé vzorkovací frekvence měřící karty fs (250 kSs^-1) [4].

     (1)

Měření prováděná podle normy ČSN EN 610000-3-12 vyžadují analýzu do 50. harmonické. Splnění určitých specifických podmínek (např. Pmax < Psk/100 v sítích 110 kV) navíc dovoluje určitá zjednodušení (v tomto případě konkrétně analýzu pouze do 13. harmonické). Přestože frekvence fmax je podstatně vyšší než nejvyšší požadovaná frekvence, aliasing (2) musí být brán v potaz alespoň pro vyšší harmonické n [4].

              (2)

Obr. 1 demonstruje uživatelské rozhraní vzorové aplikace vyvinuté v LabVIEW pro případ paralelního měření napětí a proudu 2 fotovoltaických panelů se současným záznamem dat.

Měření velkých hodnot AC/DC napětí a proudů

Symetrický napěťový rozsah analogových vstupních kanálů NI PCI-6221 umožňuje provádění jak DC tak i AC měření, ale maximální úroveň napětí značně limituje přímé zapojení pro elektroenergetické účely. Jednotlivé kanály mohou být podle potřeby provozovány s pevnou nebo plovoucí zemí [3].

Z uvedeného vyplývá, že měření vyšších napětí vyžaduje minimálně napěťový dělič znázorněný na obr. 2. Analogicky lze zapojit i měřicí transformátor, zejména v případech vyžadujících galvanické oddělení. Konfiguraci vstupních kanálů pomocí DAQ assistantu ukazuje obr. 2. Stejného efektu lze dosáhnout přímo ve vlastnostech NI PCI-6221 v blokovém diagramu programu.

Nepřímé měření proudu, které bylo zmíněno výše, nemůže být pro uvažované aplikace bezpečně použito. Místo toho je však možné snadno využít proudové senzory nebo kleště. Například snímače MN93A jsou navržené pro proudové rozsahy 5 A/100 A, zatímco MiniAMPFlex MA193 je použitelný až pro proudy do 1000 A. Je na snadě, že i geometrické dispozice měřeného systému mohou mít vliv na volbu konkrétního snímače [5].

Základní segment blokového diagramu v LabVIEW pro měření AC/DC měničů je prezentován na obr. 3. Dva kanály jsou na DC straně střídače schopné zpracovávat hodnoty napětí do 600 V a proudu do 5 A. Diagram pro měření do 400 V na AC straně, které využívá napěťový dělič nebo přístrojový transformátor a proudový snímač MiniAMPFlex MA193 je analogické a pro naše účely se liší pouze v nastavení DAQ assistantu. Protože měření střídačů vyžaduje izolované kanály, umožňuje NI PCI-6221 provádění celkem 8 paralelních dvoukanálových měření. To znamená, že 4 měniče mohou být monitorovány souběžně na AC a DC straně nebo 8 samostatných měničů buď na AC nebo na DC straně.

Tab. 1 Odchylky měření (napětí AC, DC)

Funkčnost popisovaného systému byla zkoušena v reálných podmínkách měřením stringů E1, E4 a E7, které jsou součástí 20 kW fotovoltaické elektrárny na střeše budovy FEL v Plzni.

Každý string se skládá z 24 panelů Isofoton I-150 a jednofázového střídače SP 2500-450. Zvolené stringy jsou připojeny na jednotlivé fáze L1, L2, L3 v rozvaděči RO 02.5. Tento FV systém je vybaven online měřením UDAS 1001E, které posloužilo pro získání referenčních hodnot. Ukázkové měření na AC straně je znázorněno na obr. 4, zatímco obr. 5 ukazuje výsledky měření na DC straně. Minimální, maximální a průměrná odchylka E těchto vzorových měření je pro přehled spočítána v tab. 1.

Průměrná odchylka oproti komerčnímu systému pro AC měření pomocí NI PCI-6221 vybavené 16 bit AD převodníkem se pohybuje kolem 0,65 %. Měření na DC straně vychází ještě poněkud přesněji s odchylkou kolem 0,55 %. Tato aplikace NI PCI-6221 může být použita například pro základní úkoly související s připojováním OZE do sítě. Povolená odchylka napětí činí 2 % pro sítě VN, respektive 3 % pro sítě NN. Zjištěná odchylka změřené hodnoty tedy nemůže podstatně ovlivnit výsledky měření [6].

Měření kvality energie

Měření emisí jednotlivých složek spektra, respektive vyšších frekvencí než je základní frekvence patří mezi základní úlohy z elektromagnetické kompatibility. Detekce vyšších harmonických je nejčastější případ. Nejvyšší dovolený proud IvVN a IvNN pro jednotlivé harmonické v sítích VN (3) a sítích NN (4) se spočítá ze zkratového výkonu v daném místě Skv a základního proudu jednotlivých harmonických iv definovaných v tab. 2 [6].

Tab. 2 Základní proud jednotlivých harmonických i_v

     (3)

  (4)

Vypočítané hodnoty Iv_VN respektive IvNN definují kritéria pro jednotlivé složky měřeného proudu. Reálné hodnoty vyšších harmonických se získají z navzorkovaného průběhu pomocí spektrální analýzy (5) [6].

(5)

Amplitudové spektrum D_n (6) a fázové spektrum ?n (7) se spočítá z fourierových koeficientů a0, an a bn [6].

    (6)

      (7)

Obr. 6 ilustruje stěžejní část blokového diagramu kódu v LabVIEW použitého pro měření kvality energie. Dva zapojené kanály slouží pro analýzu spektra proudu a napětí. Propojovací prvky a nastavení v DAQ assistantu umožňují připojení do sítí 400 V a měření proudů do 15 A. Změna pro sítě s vyšším napětím se provede jiným měřicím transformátorem a pro větší výkony se nastavení v DAQ assistantu upraví pro senzory MA193A. Konfigurace NI PCI-6221 dovoluje 8 paralelních dvoukanálových měření s izolovanou zemí, takže mohou být paralelně monitorována 2 trojfázová zařízení.

Představovaný systém prošel testy v reálných podmínkách. Jako v předešlém případě posloužily jednofázové střídače SP 2500-450 nainstalované na 20 kW fotovoltaické elektrárně na budově FEL v Plzni. Současně připojený analyzátor kvality energie Chauvin Arnoux CA8335 umožnil ověření přesnosti vyvíjeného systému.

Tab. 3 Odchylky měření (spektrum napětí a proudu)

Odchylky napěťového spektra vzorového měření jsou zobrazeny na obr. 7 a odchylky proudového spektra tohoto měření znázorňuje obr. 8. Příklad zjištěných odchylek E měřeného spektra napětí a proudu do 10. harmonické je shrnut v tab. 3. Hodnoty minimální, maximální a průměrné odchylky demonstrují výslednou přesnost popisovaného systému v celém spektru.

Měření fotovoltaických systémů

NI PCI-6221 nedisponuje pouze analogovými vstupními kanály, ale také 24 digitálními vstupními/výstupními kanály. Ty mohou sloužit například pro rychlé spínání [3].

Tato konfigurace umožňuje v našem případě připojení 24 různých hodnot zátěže, která se využije při automatizovaném měření VA charakteristiky fotovoltaických panelů. Protože výstupní digitální kanály jsou TTL kompatibilní, není možné použít normální spínací relé. Místo toho je však možné použít například běžně dostupná dvoukanálová relé DC 5V RS232 Serial Control.

Původní myšlenka vycházela z předpokladu, že každý kanál bude využitý pro připojení jedné hodnoty zátěže předem vypočítané pro konkrétní panel. První kanál (D0) nepřipíná žádnou zátěž a slouží pro měření proudu na krátko Isc. Kanály D1 – D22 připojují postupně se zvětšující zátěž a umožňují proměření kolena VA charakteristiky. Poslední kanál (D23) se připojí jako rozpojený a využije se pro získání poslední hodnoty charakteristiky – napětí na prázdno VOC. Celkem 24 různých hodnot zátěže postačí pro získání VA charakteristiky s dostatečnou přesností. Obr. 9 představuje základní uspořádání blokového schématu přepínače zátěže.

Popsané zapojení posloužilo pouze pro testovací účely. Mnohem flexibilnější myšlenka je použití vybrané rostoucí posloupnosti velikosti zátěže, kdy první kanál představuje hodnotu 1R, další 2R, následující 4R, 8R atd. První a poslední kanál je zapojený jako v předchozím případě.Výhoda tohoto uspořádání je 222 kombinací hodnot neboli velikostí zátěže.

Tím dochází ke snížení počtu potřebných kanálů a tudíž se otevírá možnost paralelního měření několika FV panelů. Paralelní analýza 4 panelů dovoluje použití 6 kanálů na panel (Isc, UOC, 1R, 2R, 4R, 8R), což znamená 16 různých hodnot zátěže. Paralelní měření 3 panelů využívá 8 kanálů na panel (Isc, UOC, 1R, 2R, 4R, 8R, 16R, 32R) a tudíž 64 rozdílných hodnot zátěže. Samotný sběr dat je analogický k zapojení na obr. 3. Programová struktura Flat sequence je využita pro předdefinované ovládání jednotlivých digitálních kanálů. Stěžejní část blokového diagramu spínací sekvence v LabVIEW je znázorněna na obr. 10.

Všechny uvedené varianty spínání zátěže byly porovnány v reálných podmínkách. Vybraný monokrystalický Si panel Solartec STR 36-13 posloužil pro srovnání 24 kanálového zapojení, 6 kanálové a 8 kanálové varianty oproti referenčním hodnotám získaným pomocí komerčního analyzátoru HT Solar IV-400. Obr. 11 porovnává jednotlivé VA charakteristiky.

Tab. 4 Odchylky měření (VA charakteristiky)

Odchylky E ve vybraných bodech měřené VA charakteristiky pro všechny 3 varianty jsou shrnuty v tab. 4. Velikosti minimální, maximální a průměrné odchylky podávají komplexní přehled ohledně přesnosti demonstrovaného systému. Je evidentní, že jak původní 24 kanálový systém, tak 8 i 6 kanálová varianta poskytují dobré výsledky a tudíž kvalifikují NI PCI-6221 pro tuto aplikaci.

Záverečné shrnutí

Prezentované tabulky a ukázková měření demonstrují možnosti měřicí karty NI PCI 6221 pro použití v elektroenergetice. Toto zařízení může být využito jak pro měření AC/DC napětí i proudů, tak na spektrální analýzu pro získání složek napěťového a proudového spektra.

Systém profituje z univerzální architektury umožňující nejenom sběr dat, ale i ovládání externích komponent. Relativně nízká pořizovací cena je rovněž podstatnou výhodou. PCI architektura zajišťuje dobrou kompatibilitu a snadnou implementaci do komplexnějšího systému.

Počet analogových vstupních kanálů a digitálních výstupních kanálů pouze omezuje použitelnost pro nižší počet paralelně prováděných měření. Náhrada zvolené měřicí karty lépe vybavenou variantou řeší tento problém, ale za cenu podstatného zvýšení pořizovacích nákladů. Například NI PCI 6289 nabízí 32 analogových 18 bitových kanálů a 48 digitálních výstupních kanálů, ale za třikrát vyšší cenu. Stejně tak použití platformy CompactRio neúměrně navyšuje pořizovací náklady.

Reference

[1] Golkar, M., A., Electric power quality: types and measurements, Proceedings of the DRPT, Hong Kong, 2004.

[2] Spanik, P., Hargas, L., Hrianka, M., Kozehuba, I., Application of Virtual Instrumentation LabVIEW for Power Electronic System Analysis, Power Electronics and Motion Control Conference, Portoroz, 2009.

[3] Device specification NI 6221, National Instruments, 2015.

[4] Tarasiuk, T., Pilat, A., Impact of sampling frequency on accuracy of unbalance factor measurement by DFT, Instrumentation and Measurement Technology Conference, Pisa, 2015.

[5] C.A.8335 Qualistar Plus, Blue Panter, Praha, 2012. [6] IEC 61000-3-12:2011 Electromagnetic compatibility (EMC) – Limits for harmonic currents produced by equipment connected to public low-voltage systems with input current >16 A and ? 75 A per phase.

Podpořeno v rámci projektu SGS-2018-023.

Milan Bělík

Katedra elektroenergetiky a ekologie
Západočeská univerzita v Plzni