АНАЛИЗАТОР КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

ОБОРУДОВАНИЕ
АНАЛИЗАТОР КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Музыка М.М., Сковпень С.М., Черевко А.И., канд. техн. наук
СевмашВТУЗ, г. Северодвинск
У
щерб от воздействия электроэнергии низкого качества на современную вычислительную технику может существенно превосходить стоимость аппаратных
и программных средств выявления дестабилизирующих факторов и защиты от их воздействия. По оценкам
специалистов международного электротехнического
комитета (МЭК), до 80-90 % всех сбоев в работе компьютеров и электронной техники, выходов из строя элементов и узлов вызвано перенапряжениями и кратковременными импульсными помехами. Существенное
воздействие на работу контрольно-измерительной техники, устройств автоматики и связи, информационных
сетей оказывают также отклонения и провалы напряжения, несинусоидальность и несимметрия напряжения.
Указанные выше факторы носят случайный и
кратковременный характер, и в условиях отсутствия
аппаратных средств их обнаружения потребители и
пользователи даже не подозревают о наличии помех
в питающей сети.
Отечественной и зарубежной промышленностью
разработаны и выпускаются различные типы средств защиты от искажений напряжения: стабилизаторы, трансфильтры, сетевые кондиционеры, регуляторы напряжения, пассивные и активные фильтры высших гармоник.
Приобретать все эти устройства подряд, без разбора
экономически нецелесообразно. Необходимо знать, от
чего защищаться, то есть вначале нужно оценить параметры искажений в питающей сети с привязкой их по
времени суток и уже затем определять структуру системы защиты, состав и параметры ее элементов.
В настоящее время существует множество различных реализаций средств анализа качества электрической энергии (микропроцессорные счетчики с возможностью измерения качества электроэнергии «АльфаПлюс» фирмы «Метроника», многофункциональный
прибор для контроля и коммерческого учета показателей качества электроэнергии ППКЭ-1-50 и ППКЭ-2-50
производства Московского государственного открытого университета, информационно-измерительная система «Анализатор качества напряжения» производства
Московского энергетического института). Как правило,
эти устройства, кроме анализа качества электроэнергии, выполняют функции учета потребляемой активной
и реактивной мощности.
Авторами была разработана и изготовлена аналогичная указанным выше измерительная система «Анализатор качества напряжения» [1], не уступающая
аналогам по функциональным возможностям.
Аппаратная часть анализатора качества электроэнергии (АКЭ) представляет собой автономное устройство, которое соединяется с компьютером через
параллельный порт. Функциональная схема аппаратной части, представленная на рис. 1, состоит из блока
трансформаторов, обеспечивающих гальваническую
развязку системы и питающей сети и понижение значений напряжений и токов; многоканального аналогоцифрового преобразователя (АЦП); схемы сопряжения с ЭВМ и самой ЭВМ, обеспечивающей сбор,
предварительную и окончательную обработку информации, сохранение ее на диске и вывод для на экран
монитора или принтер.
Рис. 1. Функциональная схема измерительного
комплекса
Благодаря наличию в настоящее время СБИС, позволяющих оперировать не только с цифровыми данными, но и производить аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования, оказалось возможным объединить блок АЦП с блоком сопряжения в один модуль,
реализованный на базе двух микроконтроллеров фирмы Microchip PIC16C773, которые имеют встроенный
многоканальный АЦП, работающий по принципу мультиплексирования, и 16 линий портов ввода-вывода [2].
ЭВМ надежно управляет процессом сбора информации посредством подачи управляющего сигнала на
контроллеры, которые запускают аналого-цифровое
преобразование и выдают на линии портов ввода-вывода, соединенных с параллельным портом ЭВМ (интерфейс Centronics), результаты преобразования. Все
остальные операции с полученными данными производит ЭВМ.
27
3/2005
является безусловным, а запуск Akn_izm и Akn_wyw происходит в зависимости от
того, какой пункт меню был
выбран в Akn_menu. Кроме
того, в Akn_menu производится настройка системы
сбора данных и ввод пользовательской информации: названия организации (как
правило, той, в которой производятся измерения), текущих даты и времени, задание режима, в котором будут
производиться измерения
(однофазный или трехфазный), глубины фиксируемого
провала
в
процентах,
величины минимальной и
максимальной погрешностей определения значения
напряжения и коэффициента
Рис. 2. Принципиальная схема блока оцифровки и сопряжения с ЭВМ
несинусоидальности, а также
значения коэффициента несинусоидальности, при превышении которого происПринципиальная схема блока оцифровки и сопряходит сохранение формы текущей волны напряжения
жения (БОиС), разработанная на основе функциона жестком диске, и временного интервала, в течение
нальной, представлена на рис. 2 . На ней микросхема
которого допустимо сохранение очередной формы.
DD1 производит оцифровку и передачу на LPT порт
Программа Akn_izm отвечает за взаимодействие
компьютера оцифрованных данных по напряжениям
между компьютером и БОиС АКЭ, производит сбор
трех фаз, а микросхема DD2 производит оцифровку и
информации, ее обработку и сохранение в соответстпередачу на LPT порт компьютера оцифрованных данвующем виде на диске. При этом, в зависимости от
ных по токам трех фаз. Анализатор может работать в
того, какой пункт меню выбран: «Измерение» или
двух режимах: однофазном и трехфазном. Переклю«Имитация», происходит сбор информации через пачение режимов осуществляется программно. Также
раллельный порт с БОиС АКЭ или имитация работы
существует возможность отказаться от сбора инфорприбора соответственно. Кроме этого, программа
мации по напряжению или по току.
Структурная схема программного комплекса предлагаемого анализатора качества
электроэнергии представлена
на рис. 3. Программный комплекс АКЭ предназначен для
приема, обработки в соответствии с введенными входными
данными и вывода на экран
или печать полученных результатов. Он состоит из четырех
отдельных программ: Akn.exe,
Akn_menu.exe, Akn_izm.exe и
Akn_wyw.exe, взаимосвязь между которыми представлена на
структурной схеме.
Программа Akn является
базовой, в ней происходит начальная установка значений
параметров и из нее производится вызов других программ:
Akn_menu, Akn_izm и Akn_wyw.
Рис. 3. Структурная схема программного комплекса
При этом запуск Akn_menu
28
ОБОРУДОВАНИЕ
Akn_izm производит вывод на экран текущих значений
параметров качества исследуемой питающей сети:
отклонение напряжения, несинусоидальность, коэффициент дозы (с периодом 1 с), количество провалов
за текущую минуту по трем или одной фазам (в зависимости от режима измерения), а также коэффициенты несимметрии и неуравновешенности. Вывод информации может осуществляться в различных видах
по желанию пользователя (в виде таблиц или в виде
гистограмм).
Программа Akn_wyw производит обработку сохраненной на диске информации, результаты которой сохраняет в файлах. Для обеспечения непрерывной работы АКЭ в течение суток необходимо наличие на жестком диске ЭВМ не менее 3 Мбайт свободного пространства. Кроме того, Akn_wyw позволяет вывести на
экран графики отклонения напряжения, провалов напряжения, коэффициента дозы, коэффициента несинусоидальности, коэффициентов несимметрии и неуравновешенности за период измерения, а также форм
кривых напряжения или тока в моменты времени, когда
несинусоидальность превысила заданную при настройке системы.
Параметры качества электроэнергии контролируются практически непрерывно, но из-за возможного недостаточного быстродействия ЭВМ не исключена потеря
некоторого количества информации. Однако перерывы
в измерениях не превышают сотых долей секунды (то
есть потерянная информация 10 % означает, что 9 периодов измеряются, 1 — нет). Стоит отметить, что при тактовой частоте процессора 100 Мгц и выше при работе
в DOS (без загрузки ОС Windows) потери информации
исчезающе малы (десятые доли процента).
Взаимодействие с адаптером и обработка полученной информации осуществляются в программе
Akn_izm. Каждые 312 мкс программа посылает на вывод STB# параллельного порта импульс, разрешающий начало преобразования. Когда преобразование
завершено, микроконтроллеры устанавливают логическую единицу на выводах RB3, которая сообщает
ЭВМ о готовности к передаче информации. Управление передачей осуществляется ЭВМ с использованием линий параллельного порта INIT# (разрешение передачи) и SELECT# (выбор микросхемы).
По завершении приема измеренных значений 64
точек по каждому каналу производится обработка информации, которая включает алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ), расчет действующих значений напряжений и токов, расчет мощностей, расчет
значений параметров качества электроэнергии, усреднение данных за период усреднения (в данной реализации — 1 мин.) и сохранение их на жестком диске
ЭВМ. В случае превышения в питающей сети установленного значения коэффициента гармоник производится сохранение значений всех 64 точек обработанного интервала для последующего отображения в виде
решетчатой функции на экране ЭВМ или бумажном носителе с целью документирования процесса. Алгоритм
подпрограммы обработки представлен на рис. 4.
Рис. 4. Блок-схема алгоритма обработки данных
за период сетевого напряжения
Для получения амплитудного спектра в АКЭ используется алгоритм БПФ по смешанному основанию
— базовое основание 2 и базовое основание 16. При
этом в качестве базового 16 -точечного БПФ использован алгоритм, полученный с помощью алгоритма
Рейдера [3], включающего в себя 24 операции умножения (из них 8 — тривиальные) и 74 сложения.
Таким образом, предлагаемый анализатор обладает качествами, характеризующими его по отношению к аналогам с более выгодной стороны: он позволяет производить измерение всех основных, а также
дополнительных показателей качества электрической энергии, включая коммерческие расчеты, отпадает необходимость в разборке корпуса ПК, а процессы, происходящие внутри АКЭ, не влияют на стабильную работу ПК.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сковпень С.М., Скороходов А.В., Музыка М.М.,
Серов С.Ю., Черевко А.И. Анализатор качества напряжения. — Сб. Проблемы корабельной электротехники,
автоматики и электроники. — Северодвинск, 2002.
2. Техническое описание и инструкция по программированию микроконтроллеров PIC семейства
16С7ХХ фирмы Microchip.
3. Нуссбаумер Г. Быстрое преобразование Фурье и
алгоритмы вычисления сверток. — М.: Радио и связь,
1985.
29