Analizatory jakości energii elektrycznej

Kontrola parametrów jakościowych pozwala na wprowadzenie optymalizacji zużycia energii i struktury technicznej poszczególnych instalacji i urządzeń odbiorczych, co wpływa na obniżenie kosztów działalności wielu zakładów przemysłowych kupujących energię do celów technologicznych. W miarę upływu lat produkcja w coraz większym stopniu opiera się na wykorzystywaniu skomplikowanych urządzeń, które wymagają stworzenia poprawnych warunków zasilania, a niestety anomalie pracy wywołane niestabilnym napięciem zasilającym powodują wymierne straty w dostępie do usług lub też w skrajnym przypadku uszkodzenie drogiego sprzętu. Mimo istnienia od wielu lat szeregu norm, które precyzyjnie określają parametry jakościowe, jakie powinna mieć energia elektryczna, jej jakość z roku na rok pogarsza się. Takie okoliczności coraz szerzej otwierają rynek dla analizatorów jakości energii elektrycznej i ich dostawców.

Zainteresowanie jakością energii elektrycznej w największym stopniu dotyczy zakładów energetycznych, w 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.

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

Skąd bierze się zła jakość?

Rys. 1. Struktura obrotów dostawców analizatorów jakości energii elektrycznej. Co trzecia firma ma sprzedaż roczną 100-500 tys. zł, a tylko co dwunasta przekracza kwotę 5 mln zł

Za problemy z jakością energii można próbować winić coraz większe jej znaczenie w gospodarce. W zasadzie wszystkie stacjonarne urządzenia przemysłowe i domowe są zasilane z sieci energetycznej, przez co ma ona dzisiaj znacznie bardziej rozbudowaną i różnorodną strukturę. Wiele nadziei pokłada się też w transporcie opartym na pojazdach elektrycznych, co sygnalizuje, że zapotrzebowanie na energię cały czas będzie szybko rosło, a do sieci dołączanych będzie coraz więcej urządzeń elektrycznych. W miarę jak rośnie liczba urządzeń, pogłębia się też ich wpływ na działanie sieci.

Co więcej, wiele z odbiorników energii ma dzisiaj charakter nieliniowy. Prostowniki diodowe z pojemnościowym układem filtrującym, jakie są częścią większości aplikacji małej i średniej mocy, regulatory fazowe, napędy silników, inwerterowe systemy spawalnicze i grzewcze, to tylko kilka wybranych przykładów popularnych aplikacji, które pobierają prąd z sieci nieliniowo, generują duże zaburzenia i w efekcie psują jakość energii.

W Polsce jeszcze nie są tak rozpowszechnione, ale za zachodnią granicą liczne elektrownie wiatrowe i farmy fotowoltaiczne stały się w krótkim czasie naturalnym składnikiem krajobrazu. Energia przez nie wytwarzana kierowana jest do sieci za pośrednictwem falowników elektronicznych i zaburza rozpływ prądu w zależności od chwilowych warunków wiatrowo-oświetleniowych, co także powoduje szereg problemów, które dekadę temu w zasadzie nie były znane.

Na koniec warto zauważyć, że sieć energetyczna nie jest też samotną wyspą ograniczoną do obszaru państwa, co powoduje, że czynników kształtujących i wpływających na parametry jest wiele, nierzadko niezależnych i trudnych do wykrycia.

Jakość energii łączy się z oszczędnościami

Rys. 2. Dla ponad połowy firm dystrybucyjnych i producentów analizatorów produkty te są niewielką od strony wartościowej pozycją w ofercie, przynosząc maksymalnie 10% obrotów. Jednocześnie nie ma firmy, której biznes oparty byłby tylko na analizatorach

Wystarczy spojrzeć na rachunki z ostatnich lat, aby przekonać się, że prąd jest coraz droższy. Na szczęście nie tak bardzo jak w Europie Zachodniej, ale ceny kilowatogodzin doszły już do takich progów, że oszczędzanie staje się koniecznością i to nie tylko w przemyśle. Aby rzetelnie móc ocenić, czy nowe urządzenie lub instalacja, jak na przykład system klimatyzacji, przyniesie oszczędności, kiedy koszt jego zakupu i instalacji się zwróci, koniecznie jest posiadanie pełnych danych na temat zużycia energii w różnych warunkach działania i okresach w roku. Do tego najlepiej użyć specjalistycznego miernika.

Wnikliwie przyglądanie się kosztom produkcji staje się dzisiaj normalne, bo uzyskiwane marże są coraz mniejsze. Producent, który chce lub musi być konkurencyjny na rynku światowym, musi dzisiaj precyzyjnie liczyć koszty działalności, zwłaszcza w sytuacji, gdy na rynku jest silna konkurencja ze strony firm azjatyckich. Na zmianę postrzegania kosztów ma też wpływ urynkowienie zakupów energii elektrycznej i możliwość zmiany dostawcy. W kolejnej zmianie świadomości rynku dotarło do nas, że prąd jest takim samym towarem jak inne i skoro walczy się o jakość wyrobów finalnych, pilnując procesu produkcji, surowców i komponentów składowych, to trzeba też dbać o jakość tego surowca.

Największe wymagania w zakresie jakości energii mają procesy ciągłe, gdzie każda anomalia może przekładać się na produkcję, ale problemy sprawiają także procesy dyskretne. Niestety liczba urządzeń, które wymagają dobrej jakości energii, stale się powiększa. Ich producenci zakładają słusznie, że na wejściu będzie 230 lub 400 VAC bo tak mówią normy, a dodatkowo nie bardzo mają możliwość poprawy jakości energii lub obrony przed złą jakością wewnątrz urządzeń.

Im większa moc pobierana z sieci, tym niestety znaczenie jakości jest większe. Przy niewielkiej mocy koszt zapewnienia zasilania gwarantowanego nie jest jeszcze wysoki i na rynku jest wiele typów zasilaczy bezprzerwowych, ale powyżej jednego kilowata zasilanie gwarantowane robi się już poważnym i drogim zagadnieniem, które musi mieć wyraźne uzasadnienie do zastosowania. Stąd jedynym sensownym wyjściem i per saldo najtańszym jest kontrolowanie jakości energii i wymaganie jej zapewnienia od dostawcy.

Na koniec należy wspomnieć o tym, że jakość energii byłaby bardzo abstrakcyjnym i nieostrym pojęciem, gdyby nie była opisana w normach, a obowiązki dostawców energii nie miałyby oparcia w ustawach prawa energetycznego i nie byłyby kontrolowane przez urzędy takie jak URE. Wprawdzie z egzekwowaniem prawa nie jest najlepiej, ale wszyscy liczą, że z czasem się to zmieni.

Jakie negatywne zjawiska psują biznes?

Rys. 3. Wzrosty i spadki obrotów w ostatnich trzech latach zanotowane przez dostawców analizatorów jakości energii elektrycznej. Bezsprzecznie sytuacja na rynku powoli się poprawia

Analizatory jakości energii to przyrządy pomiarowe relatywnie drogie, stąd rozwój rynku tych urządzeń wyraźnie hamowany jest przez ciężkie czasy i wiążący się z nimi brak funduszy. Firmy chcą oszczędzać energię, modernizować park maszynowy, ale na wszystkie inwestycje nie starcza im funduszy. Analizator zalicza się do takiej kategorii sprzętu, który uznaje się za potrzebny i wartościowy, ale niestety często także przegrywający z innymi, jeśli chodzi o pilność zakupu. Dlatego nierzadko zakupy przesuwane są na bliżej nieokreślone później.

Wysoka cena analizatorów też nie ułatwia rozwoju rynku, zwłaszcza w warunkach krajowych, gdzie mamy najwięcej przedsiębiorstw małych i średnich. Im większa firma i skala działania, tym wysoki koszt analizatora łatwiej zamortyzować oszczędnościami lub korzyściami. Duże przedsiębiorstwa częściej kupują też zaawansowany sprzęt o rozbudowanych możliwościach pomiarowych, ten z "górnej półki" i pochodzący od najbardziej renomowanych producentów. Mniejsze firmy zwykle szukają zakupów ekonomicznych, a więc mierników dalekowschodnich, systemów o podstawowej funkcjonalności oraz kombajnów pomiarowych, gdzie w ramach jednego miernika dostępnych jest wiele funkcji pomiarowych, a ideałem jest posiadanie wszystkiego w jednej obudowie.

Wiele osób postrzega analizatory jako urządzenia służące jedynie do celów jakościowych a nie diagnostycznych, co jest niestety złe. Możliwości wykrywania anomalii, losowych usterek, wyprzedzanie problemów to także ważne zagadnienia, które można rozwiązywać za pomocą tej aparatury i zdaniem specjalistów są one słabo wykorzystywane. Mimo że oprogramowanie zarządzające pracą analizatora jest zwykle bardzo rozbudowane i większość pomiarów i badań wykonywana jest w zasadzie automatycznie, mniej typowe zastosowania wymagają niestety od obsługujących osób sporo wiedzy w zakresie metrologii i działania badanych urządzeń. Coś, co wykracza poza funkcję "auto", nierzadko jest pomijane jako zbyt skomplikowane.

Słaba świadomość możliwości kryjących się w analizatorach, brak czasu na to, aby przemyśleć i zaprojektować badania, aż wreszcie konieczność analizy dużej ilości danych przy niewielkim wsparciu gotowego oprogramowania, to istotne przeszkody dla szerszego upowszechnienie się analizatorów na rynku od strony diagnostycznej. Potwierdzeniem takiej tezy może być fakt, że klienci zwracają uwagę na to, aby analizator i oprogramowanie były przystosowane do polskich realiów, jak zgodność z polskimi przepisami, polski interfejs obsługi, serwis i pomoc techniczna na miejscu.

Z pewnością badanie jakości energii jest dzisiaj prostsze, bo są normy i gotowe procedury pomiarowe. Nawet jeśli normy są niejednoznaczne i skomplikowane, to zwykle jest to problem dostawcy oprogramowania do analizatora, a nie klienta, który zapłaci tylko za produkt, który da mu jasną odpowiedź. Niemniej z punktu widzenia rozwoju rynku jest to z pewnością ograniczenie.

Nowości w analizatorach

Rys. 4. Ocena stopnia konkurencji na rynku, tendencji w koniunkturze oraz tego, co działo się przez pierwsze 6 miesięcy 2014 roku

Od strony sprzętowej analizator jakości energii jest systemem pomiarowym zdolnym do jednoczesnej akwizycji napięć i prądów pomiarowych płynących w sieci energetycznej. Napięcia dla poszczególnych faz badane są za pomocą wielu przetworników A/C, pomiar prądów realizowany jest z wykorzystaniem cęgów prądowych lub cewek Rogowskiego. Zwykle do miernika można podłączyć różne sondy prądowe, co pozwala realizować pomiary w szerokim zakresie. W zależności od wersji i zaawansowania pomiarowego zmienia się liczba kanałów pomiarowych. Dla napięć są to minimum trzy kanały dla każdej z faz i trzy kanały dla prądu, ale często obwodów pomiarowych jest więcej, nawet po 6-8 kanałów napięciowych i tyle samo prądowych, co daje możliwość badania sieci o innych złożonych topologiach, pomiarów w przewodzie PE itp.

Akwizycja danych realizowana jest przez zarządzający miernikiem komputer, który odczytuje i zapamiętuje chwilowe wartości oraz dokonuje obróbki surowych danych do postaci użytecznej. Taki system ma charakter uniwersalny i w dużej mierze niezmienny. Różnice między poszczególnymi produktami w warstwie pomiarowej dotyczą liczby kanałów pomiarowych, konstrukcji obwodów kondycjonowania danych zapewniających możliwość używania różnych sond prądowych i zabezpieczeń, a po stronie przetworników A/C mierniki różnią się zakresem szybkości próbkowania i rozdzielczości.

Sygnały cyfrowe na wyjściu przetworników są zapamiętywane i przetwarzanie przez oprogramowanie analizatora. Gdy układ przetwarzania jest wydajny, możliwe jest zapewnienie obróbki danych w czasie rzeczywistym, a więc jednocześnie z pomiarami, gdy nie, zwykle przez pewien czas miernik mierzy, a potem dopiero przetwarza zebrane dane. Wszystkie parametry sieci, czyli napięcia, prądy, moce, współczynnik mocy, zużyta energia lub harmoniczne, plus tzw. niesymetria, zaburzenia chwilowe i wiele podobnych są wyliczane przez miernik z zapamiętanych danych podstawowych.

Oznacza to, że większość innowacji związanych z analizatorami kryje się w oprogramowaniu, ale platforma sprzętowa też musi być odpowiednio wydajna. Wysokorozdzielcze przetworniki A/C i szybkie próbkowanie są jedyną metodą na to, aby przyrząd skutecznie wykrywał losowe i drobne anomalie, zaś rozbudowane oprogramowanie odpowiada za komfort pracy, czytelną wizualizację danych, wykrywanie usterek i kontrolę zgodności z normami.

Tabela 1. Przegląd ofert dostawców analizatorów jakości energii zasilającej

Producenci dość szybko rozbudowali możliwości oprogramowania do granic praktycznej użyteczności. Wystarczy zerknąć do dokumentacji czołowych produktów, by przekonać się, że trudno wymyślić jeszcze jakiś nowy parametr, którego analizatory by nie podawały. Stąd wiele innowacji wiąże się dzisiaj z szybkością rejestracji i możliwością obróbki danych w czasie rzeczywistym, możliwością długotrwałej pracy i podobnymi udogodnieniami.

Zmiany w parametrach i ofertach w ostatnim okresie były dość duże, ale zdaniem pytanych specjalistów wiele nowinek niekoniecznie musi mieć znaczenie dla odbiorców, bo oferta rynku wyprzedza dzisiaj wyraźnie potrzeby i wymagania użytkowników takiej aparatury. Nowe rozwiązania na rynku pozwalają ponadto na tworzenie rozbudowanych systemów monitoringu parametrów energii, z możliwością zdalnego odczytu i analizy danych. Na rynku pojawiają się również rozwiązania proste, kompaktowe i łatwe w instalacji na obiekcie, których celem jest budowa nieskomplikowanych systemów kontroli parametrów energii elektrycznej.