Рефераты - Афоризмы - Словари
Русские, белорусские и английские сочинения
Русские и белорусские изложения
 

Анализ видов измерителей электроэнергии

Работа из раздела: «Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника»

/

Введение

На сегодняшний день на предприятиях производственной сферы используются промышленные электросчетчики, в том числе электронные, многотарифные и многофункциональные. Данные счетчики обладают широкими возможностями и позволяют эффективно решать задачи измерения активной и реактивной электроэнергии и мощности, энергии потерь и ряда других параметров, влияющих на общий объем потребления и расхода электрический энергии в процессе производства. Важной функцией промышленных многотарифных электросчетчиков является организация учета электроэнергии по нескольким тарифам в зависимости от различных временных интервалов, что позволяет достичь существенной экономии. Электронные счетчики способны работать в составе автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии, позволяющих эффективно анализировать данные о потреблении энергии как на отдельных участках производства, так и на предприятии в целом и устранять причины повышенного расхода. Что касается многофункциональных электросчетчиков, то область их применения также широка. Помимо стандартных функций учета электроэнергии, они позволяют решать и ряд других задач, в частности измерение параметров электросети, учет сетевых и межсистемных перетоков. Такие счетчики также могут быть использованы в составе автоматизированных систем учета.

Применение цифровой базы делает возможным создание автоматизированной изолированной системы потребления, учёта, распределения энергии и платежей. В такой системе может быть, например, предусмотрена предварительная оплата электроэнергии. Пользователь, в этом случае, заранее оплачивает определённое количество энергии. Информация об оплате либо непосредственно поступает на счётчик по внешнему интерфейсу, либо может быть записана на специальную электронную карточку, индивидуальную для каждого пользователя. Карточка программируется в пункте оплаты, после чего записанная информация считывается СЭ с помощью встроенного картридера. Если лимит купленной энергии будет исчерпан, а новая оплата не внесена, счётчик отключает пользователя от энергосети. Таким образом в подобной системе исключается задолженность платежей за электроэнергию.

Цифровые СЭ могут выполняться в различных конструктивных исполнениях. Масса и объём цифровых СЭ значительно меньше электромеханических. Применение цифровых дисплеев позволяет значительно повысить удобство представления информации для пользователя.

Следует отметить, что стоимость СЭ на микроконтроллерном управлении в настоящее время несколько выше стоимости механических СЭ. Однако в перспективе следует ожидать значительного снижения цены первых.

Расчёт энергии, потребляемой за определённый промежуток времени любой нагрузкой, требует интегрирования текущих значений активных мощностей в течение всего времени измерения. В электромеханических СЭ это осуществляется механическим счётчиком. В цифровых СЭ необходимо реализовать постоянное суммирование вычисленной величины активной мощности за определённые промежутки времени.

В общем случае, значение потребленной энергии выражается формулой:

[1]

где S = UI - полная мощность потребления [ВА].

где p(t) - значение мгновенной мощности в момент времени t; Т - время измерения. При синусоидальных формах тока и напряжения в сети

[2]

где u(t) и i(t) - мгновенные значения, соответственно, напряжения и тока в сети; Um и 1щ - амплитудные значения напряжения и тока; U и I - действующие значения напряжения и тока (U = Um/ 2; I = 1т/ 2); >coj - угол сдвига фаз между током и напряжением. Интегрирование выражения (2) по периоду даёт значение активной потребляемой мощности:

[3]

где S = UI - полная мощность потребления [ВА].

Реактивная мощность в этом случае определяется следующим образом:

[4]

Для вычисления любых мощностей (Р, Q, S) в цифровых счётчиках необходимо измерять любые два значения из четырёх величин Р, Q, S, ср. Это принципиально невозможно реализовать в электромеханическом электросчетчика из-за их конструктивных особенностей.

1. Описание объекта измерений. Постановка задачи измерения

Даная ИИС будет разрабатываться для контроля расхода электроэнергии в промышленности в цеху так как электрическая энергия является товаром, который приобретают участники оптового рынка (энергосбытовые компании и крупные потребители-участники опта) у генерирующих компаний и потребители электрической энергии на розничном рынке у энергосбытовых компаний. Цена на электрическую энергию выражается в рублях и копейках за потребленный киловатт-час (коп/кВт·ч, руб./кВт·ч) либо в рублях за тысячу киловатт-часов (руб./тыс кВт·ч). Последнее выражение цены используется обычно на оптовом рынке.

Для обеспечения надежного функционирования оборудования связи, промышленной автоматики, вычислительной техники и бытовой электроники необходимо обеспечить качество электроэнергии, которое регламентируется межгосударственным стандартом[1]

В соответствии с ним показателями качества электроэнергии являются:

установившееся отклонение напряжения;

размах изменения напряжения; доза фликера;

коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;

коэффициент гармонической составляющей напряжения;

коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;

коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности;

отклонение частоты;

длительность провала напряжения;

импульсное напряжение;

коэффициент временного перенапряжения.

Значения грозовых импульсных напряжений с вероятностью 90% не превышают 10 кВ в воздушной сети напряжением 0,38 кВ и 6 кВ во внутренней проводке зданий и сооружений. Значение коммутационных импульсных напряжений может достигать 4,5 кВ.

При этом вероятность превышения указанного значения коммутационного импульсного напряжения составляет не более 5%, а значений грозовых импульсных напряжений - не более 10% для воздушных линий с металлическими и железобетонными опорами и 20% - для воздушных линий с деревянными опорами [1].

Ответственность за обеспечение допустимого уровня импульсных помех несет энергоснабжающая организация, однако, как видно из предыдущего абзаца, стандартом допускается превышение определенных в нем уровней импульсных напряжений.

Допустимые уровни импульсных перенапряжений в цепях питания оборудования. Для каждого провода электропитания или передачи информации и точкой нулевого потенциала («землей», корпусом, системой уравнивания потенциалов), а также для любой пары проводов существует импульс с определенной длительностью, уровнем и формой, который приведет к сбою в работе или к выходу из строя платы, блока или оборудования в целом. При разработке аппаратуры учитывают требования к стойкости к электромагнитным помехам. Например, в соответствии со стандартом [2], оборудование проводной связи, в зависимости от группы устойчивости к помехам, должно выдерживать воздействие импульсов с фронтом 1 и длительностью 50 мкс амплитудой:

в цепях электропитания по схеме «провод-земля» - до 2 кВ;

в цепях электропитания по схеме «провод-провод» - до 1 кВ.

Аналогичные стандарты существуют для вычислительной техники [3], персональных компьютеров [4], систем охранной сигнализации [5], лифтов и эскалаторов [6], других видов оборудования.

Защита от импульсных перенапряжений

Защита оборудования и инженерных систем от импульсных помех различного происхождения достигается экранированием внешних электромагнитных полей стенами зданий, установкой молниезащиты и другими способами, прежде всего подключением всех токоведущих частей оборудования, металлоконструкций, трубопроводов к системе уравнивания потенциалов (СУП). При этом жилы кабелей электропитания и связи, а также трубопроводы, находящиеся под напряжением катодной защиты, подключаются к СУП через устройства защиты от импульсных помех (УЗИП).

Для двух любых точек объекта существует значение разности потенциалов, превышение которого может привести к поражению людей, пожару, повреждению и сбоям в работе оборудования. Таким образом, при проектировании и эксплуатации объекта необходимо знать, каковы значения этих разностей потенциалов при конкретных воздействиях. Если они превышают определенные значения, необходимо предпринять меры до их уменьшения до допустимого уровня. Здесь мы говорим о кратковременном скачке разности потенциалов, возникшем, например, вследствие удара молнии.

Допускаемые стандартом [1] импульсные напряжения выше, чем уровень стойкости цепей питания технических средств, поэтому применение мер защиты от перенапряжений является обязательным условием надежной работы современной техники.

Специфика импульсных воздействий, непредсказуемость времени их возникновения, длительности и мощности значительно усложняет задачу определения эффективности системы уравнивания потенциалов и УЗИП при воздействии импульсных помех.

Кроме того, стоимость качественных УЗИП довольно высока, поэтому на практике, как правило, не выполняются в полном объеме требования стандарта IEC [7] и отечественного [8], разработанного на его базе.

Контроль качества электроэнергии

Контроль и анализ качества электроэнергии проводятся в соответствии с руководящим документом [9]. Для определения и регистрации уровня помех в системах электропитания могут применяться различные приборы. Например, такая функция существует в анализаторах качества электроэнергии. Применение таких анализаторов ограничено, прежде всего, их ценой. Невозможно установить несколько десятков таких приборов в различных точках. Тем более, невозможно установить их на длительное время.

Способ мониторинга импульсных помех

Предлагается [10] устанавливать датчики, которые фиксируют импульсную помеху с параметрами (амплитуда, длительность, энергия), превышающими определенный уровень, путем изменения своего состояния. Датчики могут быть установлены между проводами электропитающей установки, систем связи, корпусами оборудования, элементами системы уравнивания потенциалов, например, для контроля помех в ЭПУ: в ГРЩ и РЩ между проводами: L-PE, L-N, N-PE;

между проводами кабеля, питающего выпрямитель, и корпусом выпрямителя;

между шиной питания постоянным током и корпусом питаемого оборудования;

между шиной заземления и корпусами оборудования, металлоконструкциями и т.п.;

в розетке между проводами L-PEN.

Необходимо иметь несколько типов датчиков, которые должны нормироваться воздействием определенной амплитуды перенапряжения на входе и длительности импульса. Эти величины должны соответствовать нормативам, применяемым для расчета устойчивости оборудования к электромагнитным помехам [2-6] или для испытания УЗИП [7-8]. Возможна привязка и к другим нормированным воздействиям.

Предположим, в месте подключения оборудования установлен датчик, фиксирующий воздействие перенапряжения с энергией 80% от допустимого воздействия на вход оборудования I класса стойкости по ГОСТ Р 50932-96. Если такой уровень зафиксирован (например, при ударе молнии), то даже если оборудование I класса стойкости не вышло из строя, необходимо предпринять меры для снижения уровня перенапряжения. В случае выхода оборудования из строя датчик поможет установить причину.

Энергия помехи, фиксируемой датчиком, должна быть меньше, чем энергия помехи, которая может привести к повреждению оборудования.

Для контроля уровня перенапряжений в ЭПУ датчики могут нормироваться как величиной импульсного тока, так и величиной приложенного импульсного напряжения.

Рассмотрим такой пример: при реконструкции объекта связи для защиты ЭПУ решено установить УЗИП, так как в мачту периодически попадает молния. Необходимо определить величину импульсного тока, на которую должны быть рассчитаны УЗИП, установленные на ГРЩ. Устанавливаем между фазными проводами и проводником PEN датчики, нормированные на импульсный ток формы 8/20 мкс и амплитуду 30 кА.

Датчики устанавливаются в начале грозового сезона и периодически контролируются.

В случае, если не зафиксировано прохождения такого тока через датчик, считаем, что достаточно установить УЗИП II класса.

Датчики могут устанавливаться во многих местах, находиться там продолжительное время или даже постоянно и с определенной периодичностью контролироваться. Контроль может осуществляться также после каких-либо событий: грозы, переключений и аварий высоковольтных ЛЭП; сбоев в работе и повреждений оборудования.

Датчики импульсных помех

Можно сформулировать следующие требования к датчикам импульсных помех (ДИП):

низкая цена;

удобство установки и контроля состояния;

возможность фиксации импульсной помехи с определенными характеристиками (амплитуда, длительность, энергия);

безопасность при эксплуатации;

отсутствие влияния на режим работы электропитающей установки или системы связи.

Предлагается использовать ДИП, который содержит:

элемент, контролирующий уровень напряжения (можно использовать варистор);

элемент гальванической развязки (конденсатор или трансформатор);

элемент контроля.

В качестве элемента контроля используется прибор разового действия (например, полупроводниковый прибор, p-n-переход которого пробивается при определенном воздействии). Нормирование воздействия производится подбором параметров элементов (варистора, трансформатора, резисторов, включенных последовательно или параллельно с элементом контроля). Кроме того, датчик может содержать элементы, обеспечивающие защиту от короткого замыкания. Конструктивно датчик может представлять собой небольшой корпус с проводами для подключения к точкам контроля и гнездом для подключения контрольного прибора (тестера).

Теоретические основы применения приборов разового действия уже разработаны [11]. Существуют близкие по назначению решения [12-13], которые не получили распространения в современной технике.

Методики проведения мониторинга и обработки результатов Разработка таких методик представляет более трудную задачу, чем разработка датчиков. Датчик не может дать информацию о помехах: времени возникновения, характеристиках. Он позволяет произвести лишь оценку превышения энергии одного или нескольких импульсов, значения, достаточного для ее фиксации контрольным элементом (например, пробоя ^ - «-перехода).

Однако таким же образом помехи действуют и на оборудование: выход его из строя происходит за счет воздействия энергии помех, причем как в контрольном элементе датчика, так и в элементах оборудования может происходить накопление изменений, которые со временем приводят к повреждению.

Очевидно, что для разработки методики необходимы как лабораторные испытания, так и применение математических методов. Основным же путем получения информации может быть только опыт.

Применение мониторинга импульсных помех

Впервые инженеры, занимающиеся проблемами ЭМС, могут получить доступный инструмент, позволяющий оценить уровень импульсных помех на объектах различного назначения и размеров. При этом мониторинг может проводиться в течение любого времени на этапах строительства, реконструкции и эксплуатации. Сначала метод может быть востребован специализированными предприятиями, работающими в области ЭМС и защиты от перенапряжений. Когда будет разработана методика обработки и использования результатов, которую быстро освоит любой квалифицированный инженер, мониторинг импульсных помех с помощью датчиков сможет применяться специалистами на местах самостоятельно.

Разработка датчиков и методов их применения ведется НПО «Инженеры электросвязи». При условии финансирования и заинтересованности потребителей методика проведения мониторинга может быть подготовлена к коммерческому использованию в течение 2-3 лет.

Исходя из выше перечисленного в настоящее время установка измерителя электроэнергии возможно в любой безопасной точки цеха (т.е. в тех местах где он не будет подвергается механическим воздействием от производства). Так же в настоящее время создано очень качественное оборудование позволяющие практически не защищать измеритель электроэнергии (наводки помех станков и т.д.) так как датчики защищают на программном уровне.

2. Разработка структурной схемы ИИС

Электроизмерительные приборы чаще всего измеряют мгновенные значения либо электрических величин, либо неэлектрических, преобразованных в электрические. Все приборы делятся на аналоговые и цифровые. Первые обычно показывают значение измеряемой величины посредством стрелки, перемещающейся по шкале с делениями. Вторые снабжены цифровым дисплеем, который показывает измеренное значение величины в виде числа. Цифровые приборы в большинстве измерений более предпочтительны, так как они более точны, более удобны при снятии показаний и, в общем, более универсальны. Цифровые универсальные измерительные приборы («мультиметры») и цифровые вольтметры применяются для измерения со средней и высокой точностью сопротивления постоянному току, а также напряжения и силы переменного тока. Аналоговые приборы постепенно вытесняются цифровыми, хотя они еще находят применение там, где важна низкая стоимость и не нужна высокая точность. Для самых точных измерений сопротивления и полного сопротивления (импеданса) существуют измерительные мосты и другие специализированные измерители. Для регистрации хода изменения измеряемой величины во времени применяются регистрирующие приборы - ленточные самописцы и электронные осциллографы, аналоговые и цифровые.

Рис. 1. Блок-схема простейшего СЭ

Рис. 2. Блок-схема многотарифного СЭ

3. Выбор измерительного преобразователя

Сигналы, пропорциональные значениям напряжения и тока в сети, поступают через соответствующие датчики на входы микросхемы-преобразователя КР1095ПП1. С её выхода снимается частотный сигнал, поступающий на вход микроконтроллера MC68HC05KJ1. Микроконтроллер накапливает количество пришедших импульсов, преобразовывая его для получения значения энергии в Вт-ч. По мере накопления каждого Вт-ч, значение накопленной энергии выводится на дисплей и записывается во FLASH-память. Если происходит сбой, временное исчезновение напряжения сети, информация о накопленной энергии сохраняется во FLASH-памяти. После восстановления питающего напряжения эта информация считывается микроконтроллером, выводится на индикатор, и счёт продолжается с этой величины. Реализация такого алгоритма потребовала менее 1 Кбайт памяти микроконтроллера. Применённый в данной схеме микроконтроллер MC68HC05KJ1 выпускается в 16-выводном корпусе (DIP или SOIC), имеет 1,2 Кбайт ПЗУ и 64 байт ОЗУ. Его стоимость в исполнении OTP (One Time Programmable - однократно программируемый) меньше 1 $. Для хранения накопленного количества энергии при сбоях питания служит флэш-ПЗУ малого объёма 24С01 (128 байт памяти). В качестве дисплея используется простейший 6 - …8-разрядный 7-сегментный ЖКИ, управляемый контроллером К1820ВГ2. Учитывая стоимость этих компонентов, преобразователя КР1095ПП1, а также остальных компонентов счётчика (токового трансформатора, источника питания, печатной платы и так далее), получается, что стоимость такой системы (не считая корпуса) будет составлять не более 10 $.

В случае реализации многотарифного СЭ, устройство должно обеспечивать обмен информацией с внешними устройствами по последовательному интерфейсу. Он может использоваться для задания тарифов, инициальзации и коррекции таймера реального времени, получения информации о накопленных значениях энергии и так далее. Кроме того, интерфейс может обеспечивать подключение группы делокализованных в пространстве СЭ в сеть с возможностью доступа к каждому из них. Блок-схема такого устройства, реализованного на микроконтроллере фирмы Motorola MC68HC05L16, представлена на рис. 2.

Выберем электронный счетчик электроэнергии на микроконтроллере серии MSP430FE42x Микроконтроллеры семейства MSP430FE42x со встроенным сигнальным процессором ESP430CE1 для однофазного счетчика электроэнергии со встроенным аналоговым входным терминалом и температурным датчиком были разработаны специально для использования в устройствах измерения потребляемой мощности. ESP430CE1 выполняет большинство действий по измерению потребления электроэнергии автоматически, не используя ресурсы вычислительного ядра. Это позволяет сохранить ресурсы вычислительного ядра для использования их в других задачах, например для осуществления связи с другими устройствами. ESP430CE1 может работать с различными токовыми датчиками. В качестве токового датчика он может использовать без дополнительных внешних компонентов шунт, токовые трансформаторы (СТ), включая трансформаторы со связью по постоянному току и большим фазовым сдвигом, или катушки индуктивности. Все параметры могут быть настроены программно, а калибровочные константы могут быть сохранены во Flash памяти микроконтроллера MSP430 и переданы ESP430CE1 при инициации системы.

Рис. 3. Блок-схема подключения к двухпроводной однофазной сети

Рис. 4. Блок-схема подключения к двухпроводной однофазной сети, позволяющее обнаруживать несанкционированное подключение

Рис. 5. Блок-схема ANSI электросчетчика, использующегося в трехпроводных однофазных сетях

3.1 Подключение входов датчиков напряжения

Печатная плата оснащена делителем напряжения, рассчитанным на работу в сетях со среднеквадратическим значением напряжения 230 В. Также она содержит схему защиты, рассчитанную на это напряжение.

Емкостной источник питания способен обеспечивать ток потребления до 4 мА. Необходимо обеспечить, чтобы ток потребления не превысил это допустимое значение. Для этого в демонстрационной схеме был использован светодиод с низким током свечения.

3.2 Подключение входов датчиков тока

На печатной плате имеется место для монтажа SMD резистора, используемого в качестве нагрузки для токового трансформатора, но этот резистор не установлен в поставляемой плате. Замечание: нагрузочный резистор для СТ не установлен, но при подключении СТ его необходимо установить, иначе MSP430 будет поврежден.

3.3 Сглаживающий фильтр

В качестве сглаживающего фильтра рекомендуется использовать резистор номиналом 1 кОм, подключенный последовательно ко входу АЦП, и конденсатор номиналом 33 нФ, подключенный между входом преобразователя и землей. Для исключения влияния синфазных помех рекомендуется использовать сглаживающие фильтры в обоих каналах токового преобразователя.

3.4 Неиспользуемые каналы АЦП

Неиспользуемые каналы АЦП не должны быть ни к чему подключены.

3.5 Расчет констант для измерителя ESP430CE1

Измерителю необходимы константы, соответствующие примененным трансформаторам и / или шунтам. В данном разделе показан расчет констант для измерителя ESP430CE1.

Коэффициент преобразования по напряжению

Коэффициент преобразования по напряжению, в соответствии с которым пересчитывается реальное входное напряжение во входное напряжение модуля ESP430CE1 рассчитывается по приведенным ниже формулам:

V (inp.max) = VoltageGain x V (Line, Nom.) x sqrt(2) x R2 /(R1 + R2) [5]

kV1 = Voltage (Line, nominal) x 2 x sqrt(2) / (215 x (1 - (Vref - V (inp.max) x 2)/Vref)) [6]

Коэффициент преобразования по току для шунта

Шунт - устройство, которое позволяет электрическому току протекать в обход какого-либо участка схемы, обычно представляет собой низкоомный резистор, катушку или проводник.

Коэффициент преобразования по току для шунта, в соответствии с которым пересчитывается реальный входной ток в ток модуля ESP430CE1 рассчитывается по приведенным ниже формулам:

V (I, inp.max) = CurrentGain x Imax x R(Shunt) x sqrt(2) [7]

kI1 = Current (Line, nominal) x 2 x sqrt(2) / (215 x (1 - (Vref - V (I, inp.max) x 2)/Vref)) [8]

Коэффициент преобразования по току для трансформатора тока

Коэффициент преобразования по току для трансформатора тока, в соответствии с которым пересчитывается реальный входной ток в ток модуля ESP430CE1 рассчитывается по приведенным ниже формулам:

V (I, inp.max) = CurrentGain x Imax / CTRatio x R(Burden) x sqrt(2) [9]

kI1 = Current (Line, nominal) x 2 x sqrt(2) / (215 x (1 - (Vref - V (I, inp.max) x 2)/Vref)) [10]

Уровень прерывания по мощности

Уровень прерывания по мощности ESP430CE1 рассчитывается по следующей формуле:

InterruptLevel = Pulses/kWh x (1000 / 3600) x fADC / (kV1 x kI1 x 4096) [11]

Pulses/kWh определяет сколько прерываний на каждый кВт*ч будет сформировано.

3.6 Емкостной источник питания

На рисунке 6 показан емкостной источник питания, формирующий одно напряжение Vcc = +3 В. Если его выходного тока недостаточно, то можно использовать выходной буфер на базе NPN транзистора.

Уравнения для разработки приведенных ниже источников питания приводятся в разделе 3.8.3.2 «Емкостной источник питания» примера применения SLAA024. В данной главе описываются другие источники питания и уравнения для их расчета.

Рис. 6. Емкостной источник питания

3.7 Детектор обнаружения отключения / включения линейного напряжения

Так как детектор падения напряжения ESP430CE1 объединен со счетчиком циклов линейного напряжения, то при пропадании линейного напряжения он не работает. Для обнаружения этого можно отслеживать нахождение VRMS в течение определенного интервала времени ниже заданного порога или использовать внешнюю цепь для детектирования отключения линейного питания. При использовании внешней цепи для снижения потребления можно отключать модуль ESP430CE1.

Рис. 7. Детектирование наличия линейного напряжения

Заземление

Правильная трассировка печатной платы очень важна для систем, использующих АЦП с высоким разрешением. Ниже приведены основные рекомендации по трассировке плат.

1. Использование, по возможности, отдельных шин аналоговой и цифровой «земли».

2. Максимально толстые дорожки от источника питания до выводов DVSS, AVSS, DVCC, и AVCC.

3. Установка конденсатора в точке схождения всех линий аналоговой «земли». Установка конденсатора в точке схождения всех цифровых «земель».

4. Конденсатор Cb следует расположить в точке схождения всех шин питания. Это необходимо для обеспечения низкого полного сопротивлению этого конденсатора.

5. AVSS и DVSS терминалы должны быть внешне соединены вместе.

6. AVCC и DVCC терминалы должны быть внешне соединены вместе.

7. Источник питания и накопительный конденсатор Cb должны быть расположен максимально близко друг к другу. Между выводами, подключенным к шинам аналогового и цифрового питания, должны быть установлены конденсаторы Ca и Cb.

8. Для развязки шин аналогового и цифрового питания необходимо использовать катушку индуктивности L. Также можно использовать и резистор, но при использовании катушки индуктивности обеспечивается лучшая фильтрация высоких частот.

9. Если по периметру печатной платы проходит дорожка, то она должна быть подключена к заземляющей шине платы.

Рис. 8. Заземление аналого-цифрового преобразователя

Рис. 9. Блок - схема демонстрационной программы

4. Калибровка измерителя

Калибровка электронного счетчика электроэнергии на базе микроконтроллера семейства MSP430 при помощи обычной калибровочной аппаратуры, используемой для калибровки обычных электросчетчиков, возможна, но неэффективна. Вычислительная мощность MSP430 позволяет делать это другими методами, которые приведены ниже.

Основная калибровка может быть инициализирована при помощи команды с0, переданной через UART. Для выполнения этой команды необходимо в файле parameter.h определить входные значения следующих параметров:

- calVoltage

- calCurrent

- calPhi

- calCosPhi

- calFreq

Калибровка фазового сдвига между током и напряжением должна быть выполнена с точностью 0.5 градуса, так как ошибка фазового сдвига, возникающая в датчиках, превышает это значение, поэтому более высокая точность не может быть достигнута.

Для калибровки счетчика электроэнергии необходимо разделить тракты измерения тока и напряжения. Это позволяет выполнить калибровку с малыми потерями энергии и определить величины напряжения, тока и фазового сдвига. На рисунке 13 показана схема включения электросчетчика при калибровке.

Рис. 13. Электронный счетчик электроэнергии на MSP430 с внешними терминалами

Калибровка при непрерывном измерении

Нормальный рабочий режим ESP430CE1 устанавливается путем посылки вычислительным ядром команды SetMode. Величина измеренной мощности, записанная после каждого измерения в регистр ActEnSPer1 (и в регистр ActEnSPer2 для систем с двумя датчиками), преобразуется вычислительным ядром в сигнал с постоянной частотой, пропорциональный измеренной мощности. Для формирования сигнала с постоянной частотой может быть использован модуль таймера Timer_A.

При калибровке выполняются следующие действия:

Вычислительное ядро устанавливает в нулевом контрольном регистре ESP430CE1 флаги Curr_I1, Curr_I2, соответствующие режиму измерения.

Регистры параметров инициализируются для измерения мощности в нагрузке. Выполняется это при помощи команды SET_PARAM.

После получения команды mSet_Mode ESP430CE1 переходит в режим измерения электроэнергии.

Первый результат измерения, находящийся ActEnSPer1 (и ActEnSPer2 в системах с двумя датчиками), не используется, так как неизвестна точка начала.

Следующие результаты измерений, находящиеся в ActEnSPer1 (и ActEnSPer2 в системах с двумя датчиками) являются правильными и используются для вычислений.

Флаг St_ZCld в нулевом регистре состояния указывает, что при следующей доступной выборке (флаг St_NEVal установлен), новые результаты измерения за прошлый период доступны в регистрах ActEnSPer1 и ActEnSPer2.

Вычислительное ядро сбрасывает флаг St_NEVal при помощи команды mCLR_EVENT и выполняет считывание данных (см. описание алгоритма считывания ниже).

Если необходимо, например, для вычисления результата за больший период, последние четыре пункта повторяются.

Вышеупомянутые шаги повторяются и во второй калибровочной точке.

Калибровка обоих датчиков должна быть выполнена независимо. При калибровке одного датчика измерителя ток через второй датчик должен быть нулевым. И наоборот.

Калибровка производится за один основной период (или за nper основных периодов) при двух токах нагрузки I1HI и I1LO. Номинальная вычисленная мощность для двух точек калибровки:

nHIcalc = Cz1 x I1HI x V1 x cos?1 x (nper / fmains) x (fADC / 4096) [шаги2] [13]

nLOcalc = Cz1 x I1LO x V1 x cos?1 x (nper / fmains) x (fADC / 4096) [шаги2] [14]

Результирующие значения для наклона и смещения:

Наклон: GainCorr1 = ((nHIcalc - nLOcalc) / (nHImeas - nLOmeas)) x 214 [15]

Смещение: Poffset = (((nHImeas x nLOcalc) - (nLOmes - nHIcalc)) / (nHImeas - nLOmeas)) x (fmains / nper) x (4096 / fADC), [16]

где fmains - основная частота в Гц;

fADC - частота дискретизации АЦП в Гц (обычно 4096 Гц);

nper - количество основных периодов, использованных при калибровке;

nHIclac - вычисленная мощность в точке калибровки с высоким током в шагах в квадрате;

nHImaes - измеренная мощность в точке калибровки с высоким током в шагах в квадрате;

nLOclac - вычисленная мощность в точке калибровки с низким током в шагах в квадрате;

nLOmaes - измеренная мощность в точке калибровки с низким током в шагах в квадрате;

Пример калибровки

Для схемы, показанной на рисунке 13, калибровка производится при следующих условиях:

V1 = 230 В, I1HI= 20 A, I1LO = 1 A, cos?1 = 1, nper = 1, fADC = 2048 Гц, fmains = 50 Гц.

Тогда

nHIcalc = Cz1 x I1HI x V1 x cos?1 x (nper / fmains) x (fADC / 4096) = 29,322.80806 x 20 х 230 х 1 х (1 / 50) х (2048 / 4096) = 1,348,849.171 = 14,94F1h [шагов2]

nLOcalc = Cz1 x I1LO x V1 x cos?1 x (nper / fmains) x (fADC / 4096) = 29,322.80806 x 1 х 230 х 1 х (1 / 50) х (2048 / 4096) = 67,422.458 = 1,0772h [шагов2]

Результат измерения в обеих точках:

n1Himeas = 14,6040h (ошибка -1% по сравнению с n1Hicalc = 14,94F1h)

n1Lomeas = 1,0CB7h (ошибка +2% по сравнению с n1Localc = 1,0772h)

GainCorr1 = ((nHIcalc - nLOcalc) / (nHImeas - nLOmeas)) x 214 = ((14,94F1h - 1,0772h) / (14,6040h - 1,0CB7h)) x 214 = 40С0h

Poffset = (((nHImeas x nLOcalc) - (nLOmes - nHIcalc)) / (nHImeas - nLOmeas)) x (fmeins / nper) x (4096 / fADC) = (((14,6040h x 1,0772h) - (1,0CB7h - 14,94F1h)) / (14,6040h - 1,0CB7h)) x (50 / 1) x (4096 / 2048) = -215,489 = FFFC, B63Fh

Если точки калибровки исправить с учетом наклона и смещения, тогда:

ncorr = (nmeas x GainCorr1)) x 2-14 + (Poffset1) x (nper / fmains) x (fADC / 4096) nHIcorr = 14,6040h x 40C0h x 2-14 +FFFC, B63Fh x ((1 x 2048) / (50 x 4096)) = 1,348,890 = 14,951Ah nLOcorr = 1,0CB7h x 40C0h x 2-14 +FFFC, B63Fh x ((1 x 2048) / (50 x 4096)) = 67,441 = 1,0771h

Результирующая ошибка при обеих коррекциях равняется +3.1 Е-5, т.е. 31 ppm.

Калибровка при помощи ПК

На рисунке 14 показан один из возможных вариантов установки для калибровки электронных счетчиков электроэнергии. Электросчетчики подключены к последовательному порту ПК через последовательный порт USART0, работающий в режиме UART или SPI. Все необходимые для калибровки вычисления выполняются ПК, а MSP430 каждого электросчетчика только запоминает полученные корректировочные величины во встроенной памяти данных или внешней EEPROM памяти.

ПК управляет калибровочной установкой, состоящим из генератора напряжения, генератора тока и фазовращателя, через коммуникационный интерфейс. ПК считывает результаты умножения напряжения и тока, вычисленные встроенными АЦП (или количество импульсов Ws на выходе каждого электросчетчика) и сравнивает это значение со значением, полученным эталонным электросчетчиком, который является частью калибровочной аппаратуры. ПК вычисляет ошибку электросчетчика в одной (например, при номинальном токе) или двух (например, при максимальном и номинальном токе потребления) точках калибровки. По результатам этих ошибок вычисляются индивидуальные корректировочные коэффициенты для наклона и угла смещения и передаются в конкретный электросчетчик, в котором микроконтроллер MSP430 сохраняет эти значения.

Рис. 14. Калибровка электронных электросчетчиков при помощи ПК

Самокалибровка

Другой метод калибровки использует способность MSP430 выполнять сложные вычисления. Основное преимущество этого метода калибровки - это простота: Для передачи данных при этом методе не требуется никаких проводных соединений (см. рисунок 15). Уравнения исправления ошибок, используемые измерителем во время теста, такие же, как и приведенные в приведенном выше разделе «Калибровка при непрерывном измерении».

Измерители, которые будут калиброваться, переводятся в режим калибровки при помощи скрытого переключателя, UART, ключа, входного импульса и т.д.

ПК включает калибровочную аппаратуру, которая отдает определенное количество энергии, измеряемое при помощи эталонного измерителя, калибруемым электросчетчикам.

Электросчетчики измеряют выданное количество энергии и вычисляют значение электропотребления WEM1 для 100% номинального тока Inom.

После этого калибровочная аппаратура отключается (I = 0, U = 0). Это позволяет при необходимости вычислить и измерить смещение самого АЦП.

ПК включает калибровочную аппаратуру, которая снова отдает электросчетчикам определенное количество электроэнергии (например 5% Inom, 100% Vnom, cosQ=1). После этого аппаратура снова отключается (i = 0, U = 0).

Счетчики снова измеряют электроэнергию и вычисляют значение WEM0 для 5% номинального тока Inom.

По двум значениям WEM1 и WEM0, найденным для 100% и 5% номинального тока Inom, электросчетчики вычисляют индивидуальные величины смещения и наклона.

После калибровки можно провести простой визуальный тест:

- для обнуления индикаторов электросчетчики сбрасываются - калибровочная аппаратура выдает точно определенное количество энергии (при различных значениях тока, напряжения и cosQ) - Визуально проверяется, чтобы на всех электросчетчиках отображалось одинаковая величина измеренного значения потребленной энергии - По показаниям ЖКИ можно определить, что рассчитанные коэффициент наклона и смещения выходят за допустимые пределы.

Пример: если провести калибровку при следующих параметра:

10 000 Ws (100% Inom, 100% Vnom, cosQ = 1)

5 000 Ws (100% Inom, 100% Vnom, cosQ = 0.5)

калибруемые электросчетчики должны показать значение Ws, равное 15 900 ± допустимая точность. Если вычисленное значение выходит за допустимые пределы, то электросчетчик признается не прошедшим калибровку.

Рис. 15. Самокалибровка электросчетчиков

электроэнергия оборудование преобразователь измерительный

Точность

Допускаемые классы точности счетчиков и измерительных трансформаторов, а также допустимые уровни потерь напряжения в линиях связи при учете электроэнергии

Заключение

В данной работе были рассмотрены и изучены: виды измерителей электроэнергии в промышленности.

Было разработано устройство измерения электроэнергии. Это устройство предназначено фиксирования расхода электроэнергии а так же хранение в памяти устройства информации накопленной энергии. Так же в этом устройстве присутствует калибровка значений измерений в зависимости от выбранного датчика и условий измерения.

ref.by 2006—2019
contextus@mail.ru