Analizatory jakości energii elektrycznej - polscy producenci i dystrybutorzy

Współczesna energetyka jest dziedziną, która w coraz większym stopniu poddaje się elektronizacji. Szczególnie w ostatnich latach proces ten nabiera tempa, dlatego za naturalne można uznać nie tylko oparcie wielu zadań związanych z przesyłaniem i konwersją energii za pomocą układów elektronicznych, ale również rosnące zainteresowanie inżynierów elektroników tą dziedziną.

Zespół charakterystyk i parametrów napięcia zasilającego nazywamy jakością energii elektrycznej. Większość z nich została sprecyzowana w odpowiednich normach, głównie w EN50160 i IEC61000. Aby można było ocenić jakość, czyli innymi słowy sprawdzić zgodność parametrów z normami, konieczne było zbudowanie specjalistycznych wieloparametrowych rejestratorów, zdolnych do jednoczesnego mierzenia wielu wielkości i zapamiętywania wyników w ciągu stosunkowo długich okresów, od dnia do nawet roku.

Wynika to z losowej natury wielu zjawisk wpływających na jakość, jak też statystycznego charakteru opisu niektórych parametrów związanych z definicjami, mówiącymi na przykład, że średnia 10-sekundowa częstotliwość napięcia sieci powinna wynosić 50Hz±1% przez 95% tygodnia. Powoduje to, że przeprowadzenie analizy wymaga rejestracji stosunkowo dużej ilości danych pomiarowych oraz zdolności do analizy sygnałów w czasie rzeczywistym.

Kontrola parametrów jakościowych pozwala na prowadzenie optymalizacji zużycia energii, jak i struktury technicznej poszczególnych instalacji i urządzeń odbiorczych, co wpływa na obniżenie kosztów działalności wielu zakładów przemysłowych kupujących energię do celów technologicznych.

Klientami zaopatrującymi się w analizatory są głównie więksi odbiorcy energii elektrycznej, czyli na przykład zakłady przemysłowe, firmy telekomunikacyjne i informatyczne, świat nauki lub też wojsko. Wykorzystuje się je także w mniej popularnych rozwiązaniach jak np. na okrętach, ale niewątpliwie najwięcej zastosowań dla analizatorów tworzy przemysł.

W miarę upływu lat produkcja w coraz większym stopniu opiera się na wykorzystywaniu skomplikowanych urządzeń, które wymagają stworzenia poprawnych warunków zasilania. To samo jest ze sprzętem telekomunikacyjnym, którego anomalie pracy wywołane niestabilnym napięciem zasilającym mogą powodować wymierne straty w dostępie do usług lub też w skrajnym przypadku uszkodzenie drogiego sprzętu.

Wystarczy wziąć pod uwagę ogromną liczbę stacji bazowych telefonii komórkowej, z których każda jest zasilana w innych warunkach, aby przekonać się o konieczności kontroli jakości energii elektrycznej z punktu widzenia sprawności działania sieci telekomunikacyjnej postrzeganej jako całość.

Zainteresowanie jakością energii elektrycznej w największym stopniu dotyczy zakładów energetycznych, dla których zła jakość powoduje degradację infrastruktury przesyłowej, zwiększa straty związane z transportem energii i wreszcie naraża na szereg niepotrzebnych konfliktów z dużymi klientami cierpiącymi z powodu złej jakości.

Dystrybucja energii elektrycznej przypomina system naczyń połączonych, w których jeden odbiorca „psuje” jakość energii na przykład wprowadzając do niej zbyt dużą liczbę harmonicznych, a drugi z tego powodu odnosi straty. Taka sytuacja jest potencjalnym źródłem wielu konfliktów, dlatego na razie analizami jakości energii zajmują się przede wszystkim duzi odbiorcy, których pozycja pozwala na skuteczny wpływać na warunki dostaw.

Z czasem należy oczekiwać, że zagadnienia te staną się istotne również dla mniejszych odbiorców. Póki co analiza jakości energii wciąż jest rynkową nowością, ale w miarę upływu lat dostępność badań i znaczenie tego zagadnienia z pewnością będzie rosło.

Funkcje pomiarowe i możliwości

Rys. 1. Wyniki redakcyjnej ankiety na temat zanotowanej przez dostawców zmiany zainteresowania klientów analizatorami jakości energii elektrycznej w ostatnim roku.

Najbardziej interesującą możliwością pomiarową analizatorów są funkcje związane z wykrywaniem zdarzeń losowych i anomalii, wartości chwilowych prądów rozruchowych lub też chwilowego zapotrzebowania na moc zasilania, a więc takich zjawisk, które nie są możliwe do zbadania za pomocą mierników tradycyjnych.

Pojawiające się nieregularnie przepięcia lub zaniki napięcia sieci, chwilowe wzrosty i zapady mogą mieć duży wpływ na zasilane urządzenia, dlatego wszystkie analizatory dysponują rozbudowanymi mechanizmami wykrywania takich zdarzeń, alarmowania o ich wystąpieniu oraz rejestrowania i zapamiętywania charakterystycznych wartości parametrów opisujących je w pamięci przyrządu.

Wiele przyrządów dysponuje też możliwością pracy zdalnej. W takim przypadku miernik podłączany jest w badanym punkcie sieci dowolnie oddalonym od operatora a komunikacja i wymiana danych odbywa się za pośrednictwem modemu (telefonicznego lub komórkowego) lub przez sieć lokalną. Taka wersja nei zawiera wtedy wbudowanego wyświetlacza i przypomina „czarną skrzynkę”.

Coraz częściej w oprogramowanie przyrządu zawiera wbudowany serwer http, co pozwala po podłączeniu do sieci mieć dostęp do funkcji analizatora z pozycji przeglądarki internetowej. W innym przypadku wyposaża się miernik w zewnętrzną pamięć w postaci kart Flash o dużej pojemności, co pozwala rejestrować zdarzenia przez długi okres, na przykład rok. Ceny kart pamięci są obecnie tak niskie, że wyposażenie analizatora w 1-4GB pamięci nie jest już dzisiaj żadnym problemem.

Kolejną ważną i unikalną dla analizatorów grupę badań tworzą analizy harmonicznych napięcia sieci. Harmoniczne przebiegu podstawowego o częstotliwości 50Hz pojawiają się na skutek nieliniowego poboru prądu przez odbiorniki. Sztandarowym przykładem takiego obciążenia są zasilacze impulsowe wyposażone w prostownik szczytowy z kondensatorem filtrującym, jak również zasilacze dla lamp oświetleniowych, po części również falowniki w napędach.

Harmoniczne napięcia sieciowego i związane z nimi odkształcenie przebiegów prądowych w sieci energetycznej są sporym problemem, z którym się walczy. Analizatory ułatwiają to zadanie nie tylko dostarczając pomiaru całkowitego współczynnika zawartości harmonicznych THD, ale także analizując sieć w wybranym zakresie.

W większości przypadków ważne jest to, co dzieje się na początku, z pierwszymi kilkunastoma wielokrotnościami częstotliwości sieci, gdyż one niosą największą energię, ale aparatura dostępna na rynku mierzy także energię wybranych harmonicznych ze środka zakresu maksymalnego. Wizualizacja dotyczącą harmonicznych przedstawiana jest w formie wykresu słupkowego.

Pozostałe pomiary realizowane przez większość mierników to obliczanie zapotrzebowania na moc, jakie wylicza się na podstawie analizy zgromadzonych wartości chwilowych, pomiar zużycia energii, współczynnika asymetrii dla poszczególnych faz napięcia sieci, a nawet wyliczanie parametrów układu kompensacji mocy biernej.

Należy podkreślić, że większość analizatorów dostępnych na rynku dysponuje rozbudowanymi możliwościami pomiarowymi, co wynika z tego, że jest to zasługa wbudowanego oprogramowania.

Na przestrzeni lat producenci aparatury pomiarowej doskonalili swoje przyrządy dostosowując je do potrzeb rynku. Prawdziwym wyzwaniem, wiążącym się czasami z koniecznością szybkiego wyprodukowania nowych przyrządów, było wprowadzenie w życie normy IEC 61000-4-30, która dokonała podziału przyrządów na dwie klasy: A i B.

Przyrządy w klasie A muszą mierzyć wszystkie parametry z określoną dokładnością i według określonego algorytmu, co ma zapewnić wiarygodność otrzymanych wyników niezależnie od użytego przyrządu. Przeprowadzone wcześniej eksperymenty pokazały, że przyrządy różnych producentów mierząc jednocześnie te same sygnały, dawały bardzo rozbieżne rezultaty. Mimo, że o pytanie o klasę przyrządu jest jednym z podstawowych pytań, to i tak większość z lepszych konstrukcji wykonana jest w klasie A.

Oprogramowanie zewnętrzne

Do wielu analizatorów producenci dostarczają oprogramowanie zewnętrzne pracujące na komputerze PC, pozwalające na pobranie danych zgromadzonych w pamięci przyrządu, a następnie dokonanie analizy, stworzenie wykresów itp. Oprócz wygody, jaką daje praca na komputerze stacjonarnym oraz łatwości analizy dużych ilości danych liczy się tutaj bardziej możliwość tworzenia dokumentacji.

Zaobserwowane na ekranie zjawiska, anomalie muszą zostać przetworzone w formalny zapis będący dokumentem, co producenci rozwiązują wbudowując w przyrząd drukarkę lub częściej dodając funkcje tworzenia raportów, protokołów i zestawień do oprogramowania. Możliwość generacji standardowych protokołów w znormalizowanym formacie jest oczywiście najbardziej poszukiwana, gdyż takich pomiarów, jakie umożliwiają analizatory, nie wykonuje się przecież zwykle dla własnej wiadomości.

Podobnie jak w przypadku wielu innych segmentów aparatury pomiarowej wiele mierników dostępnych na rynku uzupełnianych jest o funkcje pomiarowe wychodzące poza standard wynikający z celu pomiarowego związanego z pomiarami jakości energii. Multimetr, oscyloskop, rejestrator, pomiar kolejności faz lub współczynnika mocy, czy też specjalizowane cęgi do pomiarów napięcia stałego lub prądów upływności czynią z analizatora jakości energii elektrycznej uniwersalny i wszechstronny przyrząd pomiarowy do zastosowań w energetyce. Takie dodatki nie kosztują wiele producenta, ale z pewnością stanowią element wpływający na decyzję o zakupie.