Měření kvality elektřiny (PQ) v lokálních distribučních sítích (LDS)

Datum 16.03.2020

Stacionární měření kvality elektřiny dle mezinárodních norem bylo postupně nejdříve nasazováno na nejvyšších úrovních sítě, tedy mezi přenosovou a distribuční soustavou. Následně se postupnou evolucí rozšířilo toto měření i na úroveň distribuční soustavy, a nyní v některých pilotních případech již až na úroveň distribučních transformátorů. Díky stále komplexnějším výrobním technologiím v průmyslových podnicích tyto v současné době začínají instalovat měření kvality elektřiny i na vstupech do svých podniků.

Tato problematika se tím pádem také začíná týkat lokálních distribučních soustav, kdy obvykle vlastník LDS již není i koncovým uživatelem. LDS je vlastně vazební článek mezi velkým distributorem typu ČEZ/E.ON a koncovým odběratelem. Provozovatel LDS by tedy měl mít informaci o tom, jak kvalitní elektřinu odebírá od distribuční soustavy. Také by měl být v určité míře schopen garantovat kvalitu elektřiny svému odběrateli, ale i vědět zda odběratel nemá na kvalitu elektřiny negativní vliv svým odběrem.

V současné době prochází řada LDS modernizací, která zahrnuje měření kvality elektřiny třídy A na vstupech do LDS. Tento rozvoj je také podporován z dotačního programu OP PIK Smart Grids.

Jednotlivé kroky pro měření kvality elektřiny v LDS

Obecně lze celou problematiku rozdělit do následujících fází a funkčních částí:

• Projektová dokumentace (pro posouzení, realizační)
• Měřicí přístroje
• Kompletní dodávka a montáž měřicích přístrojů a uvedení do provozu
• Centrální systém – aplikace pro práci s naměřenými daty.

Měřicí platforma ENA-NXG

Nová měřicí platforma ENA-NXG firmy ELCOM je postavena na modulární architektuře, umožňující kombinaci CPU modulu, a až 6 vstupních modulů do jednoho měřicího přístroje. Vstupní moduly poskytují vstupní izolaci, filtraci a A/D převod a poskytují data na digitální sběrnici. CPU modul je vybaven nejprve FPGA polem přijímajícím a zpracovávajícím data z digitální sběrnice. Dále je CPU modul vybaven samotným RT kontrolérem, na kterém běží samotný měřicí firmware, ukládání dat a rozhraní.

Výsledná funkcionalita ENA-NXG je tedy přímo definována počtem a typem vstupních karet a samotným měřicím firmwarem, a umožňuje měřit více třífázových systémů napětí a proudu jedním přístrojem.

Velikou výhodou této měřicí platformy je možnost nepřímého měření proudů pomocí převodníků XX A/330mV. Přístroj může být sestaven z modulů umožňujících měření tohoto nízkého napětí a přepočtu na proud. V takovémto případě je možné jedním vstupním modulem měřit až 16 proudů. Nespornou výhodou takového měření je, že není potřeba vůbec vstupovat do proudových okruhů, což je někdy ve spojení s distribuční soustavou velmi problematické. Stačí použít například převodní měřicí transformátor 5A/330mV s dělitelným jádrem, a to nasadit na 5A výstup z MTP. Rozměr takovéhoto transformátoru je 50 mm x 28 mm, otvor má průměr 10 mm, takže instalace je velmi snadná. Existuje samozřejmě široká škála takovýchto převodníků pokrývající velký rozsah proudů a rozměrů vodiče.

Funkcionalita ENA-NXG

Firmware přístroje počítá parametry kvality elektřiny dle EN50160 a splňuje požadavky na vyhodnocení dle normy IEC 61000-4-30 Třídy A a dalších (61000-4-7, 61000-4-15).

Hlavní měřicí funkce jsou:

• U, I, P, Q, S, frekvence, THD U, THD I, účiník, energie – AP, AQ, AS, APin, APout, všechny veličiny po fázích i celkově
• Harmonické – U a I, do 50té harmonické, volitelně i harmonické výkonů
• Všechny veličiny jsou počítány z 200ms intervalu (10/12 period signálu) dle IEC 61000-4-30
• Kvalita napětí dle EN50160, IEC 61000-4-30 (U, frekvence, THD U, flicker, nesymetrie, harmonické)
• Napěťové události dle EN50160, IEC 61000-4-30 (přepětí, podpětí, přerušení)
• Osciloskopické záznamy – přístroj uloží osciloskopický záznam v případě splnění podmínky

» Záznam je spuštěn, když zvolené veličiny (U, I, P, Q, S, frekvence, PF, atd.) překročí nastavené limity

» Osciloskopický záznam je tvořen průběhy napětí a proudu s vzorkovací periodou 128/256 vzorků na periodu, délka záznamu je 20 period signálu (0.4 sekundy), variantně i déle

» Záznamy jsou pro snadnou integrovatelnost uloženy ve standardizovaném formátu, přístroj jich lokálně uloží několik set.

Data jsou poskytována dvěma způsoby:

» Okamžité hodnoty – pomocí standardního protokolu (MODBUS/TCP), obnovování každých 200ms, všechny výše uvedené veličiny

» Historická data – přístroj vyhodnocuje True RMS/průměrnou hodnotu všech výše uvedených veličin v nastaveném intervalu (například 1 minuta) a ukládá tyto data ve standardizovaném formátu (CSV soubory). Přístroj je schopen lokálně uchovávat tyto data minimálně 12 měsíců. Historická data také obsahují kvalitu napětí a události na napětí dle EN5016.

Montáž

Přístroje je možné dodat samostatně, ale i včetně rozvaděče s výzbrojí a 4G modemu pro vzdálenou komunikaci. Instalaci je také možné provést na klíč. Pokud je pro měření proudů použito nepřímé měření použitím výše uvedených proudových transformátorů, může být zařízení umístěno v malém nástěnném rozvaděči, i když měří více třífázových systémů.

Centrála PQ měření ENA-SCADA

Data naměřená přístrojem je samozřejmě nutné následně zpracovávat a vyhodnocovat, primárně dle požadavků norem na kvalitu elektřiny EN50160. Pro tyto účely máme připraven centrální software pro práci s analyzátory kvality elektřiny ENA-SCADA. ENA-SCADA je centrální systém pro práci s analyzátory kvality elektřiny různých výrobců.

ENA-SCADA umožňuje sběr on-line i historických hodnot z analyzátorů kvality elektřiny, prezentaci těchto hodnot v různých typech pohledů, prezentaci a analýzu uložených offline hodnot, dohledový systém – kontrola stavu všech komponent systému, automatický reporting a odesílání výsledků, automatické statistické vyhodnocení dat a podobně. Obsahuje také rozhraní do dalších centrálních systémů.

Základními funkcemi systému ENA-SCADA jsou:

• Stahování okamžitých a historických dat z PQ analyzátorů – primárním stavebním kamenem systému je komunikace specifickými protokoly a formáty s daným typem zařízení. Tyto protokoly a funkce jsou různé pro různé modely analyzátorů kvality elektřiny
• Ukládání do SQL databáze (MS SQL, ORACLE) – veškerá historická data, protokoly, záznamy dohledového systému atd. jsou uložena v SQL databázi. Data nejsou žádným způsobem šifrována, jsou tedy dostupná i jiným uživatelům s dostatečnými uživatelskými právy
• Zobrazování online (okamžitých) hodnot – systém zobrazuje okamžité hodnoty v řadě různých vizualizací
• Zobrazování offline (historických) hodnot – systém zobrazuje okamžité hodnoty v řadě různých vizualizací, analýz a reportů
• Virtuální elektroměry (sumy/rozdíly řady zařízení) – nad samotnými měřicími body lze vytvořit ještě tzv. virtuální elektroměry, kdy je takový virtuální elektroměr tvořen sadou kladných a sadou záporných měřicích bodů a výsledkem je suma energií z daných měřicích bodů
• Automaticky generované reporty – systém je schopen automaticky generovat protokoly událostí, automatické výsledky EN50160 a podobně ve formátu PDF
• Rozesílání zpráv – email, sms – systém dokáže automaticky odesílat informace v případě určité situace, včetně přiložení reportu je-li dostupný. Odeslání lze spustit od samotné události na přístroji (událost na napětí, uložení transientu atd.) anebo od dohledového systému
• Plnohodnotné on-premise řešení nebo i cloudové řešení formou pronájmu/služby – systém může běžet samostatně na serveru zákazníka, anebo jej lze používat i ve verzi běžící takzvaně v cloudu, kdy je postaráno o veškerou funkčnost výrobcem aplikace.

Mezi nejdůležitější výsledek měření kvality elektřiny patří statistické vyhodnocení dle EN50160. Za každý týden či měsíc je dostupný report kvality, a pokud nejsou požadavky na kvalitu splněny, může uživatel dále analyzovat všechna data.

Systém ENA-SCADA může běžet také tzv. v cloudu. V případě, že má uživatel nasazeno jen několik málo přístrojů/monitorovaných systémů, bylo by neekonomické pořizovat si vlastní centrální systém, server(y), databázi atd. V tomto případě lze přístroje doplnit o 4G modem a data posílat do centrálního sys-tému ve formě placené služby.

Nasazení měření kvality elektřiny s podporou dotačních programů

V současné době je možné projekt měření kvality elektřiny realizovat i s podporou dotačních programů, například OP PIK Smart Grids. V tom případě je nutné splňovat následující:

• Zpracování kompletní projektové dokumentace ve stupni nutném pro přiložení k žá­dosti o dotace dle vyh. 499/2006 Sb ve znění novely č. 62/2013 Sb. tedy minimálně ve stupni dokumentace pro stavební povolení zpracované autorizovanou osobou
• Splňující podmínky výzvy C – potřebnost a relevance projektu bod 2

» Zvýšení počtu bodů měření alespoň minutových hodnot elektrických veličin v distribuční síti s dálkovým přenosem těchto hodnot do dispečerského řídicího systému

» Zvýšení počtu měřících míst s měřením kvality elektrické energie s dosažením alespoň jednoho místa na každé TDS s vyhodnocováním hodnot v minimálním rozsahu úrovně napětí ve stanovených mezích a přerušení s dobou trvání alespoň 1 sekunda a současně ne delší než 3 minuty o

» Implementace nových funkcí zpracování údajů, alarmů a událostí z implementovaného inteligentního měření

» Nutné je kombinovat nasazení analyzátorů tedy zvýšení počtu měřících míst s rekonstrukcí VN zařízení, kobky/rozvaděče se zvýšením počtu spínacích prvků a zvýšením spolehlivosti

» Zpracování podrobného oceněného výkazu výměr dle katalogů a aktuální cenové úrovně ÚRS.

Závěr

Primárním úkolem měření kvality elektřiny je výsledné statistické vyhodnocení kvality. Nad rámec těchto informací celý sys-tém poskytuje desítky dalších veličin, průběhů, přechodových dějů, zobrazení atd. Umožňuje tak v případě problému snadněji dohledat zdroj nekvality, rušení atd. Při použití nepřímého měření proudu lze také celý měřicí systém jednodušeji nasadit (není potřeba rozpojovat proudové okruhy).

Společnost ELCOM, a.s. je schopna pomoci již při přípravě projektové dokumentace, a následně jsme schopni celý systém dodat na klíč včetně cloudového řešení pro práci s výsledky.