Monitoring kvality elektrické energie a jak na něj

Článek pro časopis Řízení a údržba průmyslového podniku, č. 6/2016 - autor Ing. Jaroslav Smetana.

Se stoupající komplexností průmyslových systémů jsou dnes některé části průmyslových podniků velmi citlivé na parazitní jevy na napájecí elektrické síti a náchylné tak ke kolapsu. Proto stoupá potřeba sledovat kvalitu elektrické energie a její vliv na výrobní proces.

Většina pracovníků současných podniků se domnívá, že postačí vědět, že jejich elektrická síť uvnitř podniku vyhovuje podmínkám normy EN 50160, a netuší, že tato norma je určena pro potřeby ověření kvality elektrické energie ve vztahu dodavatel–odběratel, tedy na straně odběrného místa, což je pro většinu podniků primární strana napájecího transformátoru.

Informace od distributora, že kvalita sítě na odběrném místě je vyhovující, však neposkytuje téměř žádnou zprávu o kvalitě na sekundární straně transformátoru, ze které jsou napájena veškerá zařízení v podniku. To je první špatná zpráva.

Kvalita napětí na sekundární straně může být – a ve většině případů i je – zásadně odlišná od kvality na primární straně. Je totiž ovlivňována odběry připojených zařízení. Většina dnešních spotřebičů nejen v průmyslových závodech je nelineární a zavádí do sítě harmonické složky. Stále přibývá řízených pohonů všech výkonů, výkonových regulátorů atd., ale například i zdroje počítačových systémů, datových center či UPS zanášejí do elektrické sítě závodu velké množství rušení. Odběry moderních technologií jsou velmi dynamické a vytvářejí kolísání napětí, napěťové poklesy a překmity i impulzní špičky. 

Na druhou stranu jsou současná zařízení na rušení a jevy na síti mnohem citlivější než zařízení předchozích generací. I když jsou konstruována a testována dle přísných norem pro EMC, vztahují se tyto testy přirozeně na jednotlivá zařízení, nikoli na komplex takovýchto zařízení připojených na elektrickou síť závodu.

Tedy elektrická síť současného výrobního závodu se spíše než jako klasický elektrický rozvod nízkého napětí chová jako výkonový elektronický obvod se všemi důsledky. 

Druhou špatnou zprávou je, že limity normy EN 50160, podle nichž většina dnešních energetiků hodnotí kvalitu elektřiny v závodě, jsou z hlediska „hlídaných“ parametrů sítě naprosto nedostatečné a většinu rušivých jevů na síti, které ovlivňují provoz zařízení, nepostihnou. Navíc měření a vyhodnocování podle této normy postihuje pouze jevy napěťové, nadto se tyto procesy vůbec nezajímají o to, jak vypadají proudy protékající sítí, které jsou vzhledem k výše uvedenému poznamenány nelinearitami připojených zařízení. 

Monitoring kvality elektrické energie a jak na něj obr1.jpg

 

Třetí špatnou zprávou pro vyhodnocování kvality s využitím EN 50160 je, že postup, kterým jsou parametry sítě měřeny a vyhodnocovány, určuje norma EN 61000-4-30, jež kromě jiného předepisuje, že efektivní hodnota napětí je průměrována přes 10 period síťového kmitočtu. Na obr. 1 je jako příklad znázorněn krátkodobý pokles napětí na hodnotu pod 100 V, který se projeví skutečně na svorkách strojů v dané síti (zelená stopa); oranžový průběh pak ukazuje, co naměří přístroj vyhodnocující dle normy EN 61000-4-30.

Kromě toho, že není zachycen skutečný tvar poklesu napětí, také jeho velikost neodpovídá skutečné velikosti této události. Bohužel zařízení připojené k této síti je ovlivněno skutečným poklesem, nikoli virtuální hodnotou napětí, která byla vypočtena. To je jen malý příklad toho, jak zavádějící informace mohou být získávány při používání přístrojů vyhodnocujících dle ČSN EN 50160 pro představu o vlivu sítě na výrobní zařízení.

Kvalita elektrické energie však není, jak již bylo naznačeno, jen o poklesech napětí, ale představuje řadu parametrů, které různým způsobem ovlivňují hladký provoz připojených zařízení, jejich životnost i efektivitu. 

Nekvalita elektrické energie se pak na zařízeních projevuje různě, např. oteplováním motorů, transformátorů a vedení, což vede ke zkracování jejich životnosti nebo k okamžité poruše či k náhodným výpadkům automatů, PLC a podobně, k nestabilitě provozu pohonů a akčních členů a k jejich náhodným poruchám, k poškozování elektroniky, k náhodným výpadkům počítačových systémů řízení výroby atd. 

Důsledky nekvality elektrické energie pak jsou výpadky výroby, snižování životnosti zařízení, růst nákladů na údržbu, snížená kvalita výrobků i energetické ztráty. Vše tedy vede k finančním ztrátám. 

Jak je vidno, kvalitní elektrická energie je pro výrobu stejně zásadním faktorem jako ostatní suroviny a stejně tak je třeba na ni pohlížet. Pro kontrolu kvality vstupních surovin, materiálů a komponentů má každý výrobní podnik běžně vybudovaný systém kontroly kvality.

Na elektřinu se však většina podniků zatím dívá jako na něco, co je dáno automaticky, nanejvýš se pokouší ji ověřovat měřidly pracujícími dle ČSN EN 50160 v blahé naději, že má vše pod kontrolou. Pokud dojde k nějaké události na elektrické síti podniku, automaticky se předpokládá, že problém byl způsoben distributorem elektřiny. Z dlouhodobých statistik však plyne, že pouze 10 až 15 % událostí na elektrické síti závodu, které způsobí problém ve výrobě, pochází z nadřazené sítě, tedy od distributora. Ostatních 85 až 90 % si způsobuje závod sám, a to vlastním provozem své technologie, tedy tím, jak se jednotlivé stroje a zařízení vzájemně ovlivňují. To je třetí špatná zpráva pro ty, kteří se domnívají, že se o kvalitu elektřiny nemusejí starat, protože to je přece problém dodavatele. 

Z výše uvedeného plyne, že z mnoha zásadních důvodů zajišťujících efektivní a spolehlivý provoz výroby je nezbytné mít průběžný přehled o kvalitě elektřiny v celém závodě.

Každá konstelace zařízení v různých závodech je jiným způsobem ovlivňována jevy na elektrické síti a sama tuto síť ovlivňuje různě, nelze tedy většinou nastavit jakékoli „prahové“ hodnoty, od kterých je „něco špatně“, tak jak je to v uvedené normě. Je třeba provádět trvalý monitoring a sledovat všechny parametry elektrické sítě, a to jak na vstupních bodech závodu, tak i ve vybraných uzlech, kde je připojena zásadní technologie.

Bez zavedení vhodného systému komplexního monitoringu kvality elektrické energie se závod vystavuje riziku „náhodných“ výpadků části výroby a dostává se do situace slepce bloudícího v lese, který oklepává každý strom s cílem najít cestu ven, v našem případě příčinu poruchy. Ještě krátká poznámka – v mnoha podnicích je dnes zaveden tak zvaný monitoring energie, s nímž je sledování kvality energie často zaměňováno. Bohužel přístroje a programy pro účel sledování spotřeby absolutně nezvládají funkce sledování kvality elektřiny.  

Pro potřeby monitoringu, který má sloužit k průběžnému sledování kvality elektřiny pro zjištění vlivu na výrobní zařízení, je metodikou např. sledování periody po periodě, čímž si lze vytvořit jasnou představu o velikosti měřených veličin. Dále je nutno provádět trvalý záznam všech potřebných veličin (tedy 4 napětí a 4 proudů) pro potřebu následné analýzy, která zajistí odhalení příčiny poruchy. Takovýto způsob, umožní ze zaznamenaných údajů o proudech a napětích dodatečně určit jakýkoli potřebný parametr, tedy i možnou příčinu potíží. Takto lze dojít k nápravě. 

Zde by bylo možno použít metodu přímého digitálního záznamu průběhu signálů jednotlivých fází – napětí a proudů dostatečně vysokou vzorkovací rychlostí. Problémem však je, že při vzorkování dostatečném pro dobrou přesnost měření bez ztráty detailů, tedy alespoň 1 024 vzorků na jednu periodu 50 Hz a pro 8 vstupů, získáme cca 800 MB dat za den záznamu. Kromě obrovského množství dat pro jedno měřicí místo přináší toto jednoduché řešení problém při rychlém vyhledávání. 

Tento problém vyřešila firma Elspec v podobě speciálního bezztrátového kompresního algoritmu PQZIP. Ten zajistí kompresní poměr 1 000 : 1, při jehož použití je možné uložit rok záznamu včetně časových značek a dalších údajů do prostoru 8 GB. Algoritmus je adaptivní, takže v případě, že vstupní veličiny jsou „klidné“, je potřeba datového prostoru minimální. Objeví-li se v síti například krátký přechodový děj, množství dat se zvětší, nicméně stále je vzorkováno plným počtem vzorků.

Na rozdíl od „klasické“ konstrukce monitorů pak provádějí monitory Elspec řady BlackBox G4400 měření všech napětí a proudů vzorkovací rychlostí až 1 024 vzorků za periodu metodou perioda po periodě bez jakéhokoli průměrování; takto získaná data jsou pak nepřetržitě komprimována a ukládána do vnitřní paměti přístroje pro další zpracování. Současně s tímto procesem je prováděno zpracování metodikou EN 61000-4-30 a vyhodnocení dle ČSN EN 50160. I tato data jsou ukládána společně s daty PQZIP. Výsledkem této konstrukce je, že máme k dispozici informace o fyzické velikosti jednotlivých napětí a proudů průběžně po celou dobu záznamu (tedy nepřetržitě) a současně disponujeme i informacemi vyhodnocenými dle normy. Navíc máme obě sady dat „on-line“. 

Pro praktické použití při monitorování kvality elektrické energie jsou přístroje koncepčně řešeny, tj. pro „on-line“ měření a zobrazení naměřených údajů jak energetických (U, I, P, Q, S, Cos(Φ) + všechny energie), tak i kvalitativních, jako jsou poklesy napětí, harmonické, flicker atd.  Výpočty pro zobrazení v reálném čase provádí samostatný procesor.

 

Komunikace přístroje s okolím probíhá přes rozhraní Ethernet. Pro snadné připojení a nastavení je přístroj vybaven webovým serverem a je tak přístupný v případě připojení na síť LAN pro on-line měření z jakéhokoli prohlížeče a z jakéhokoli místa.

Druhý samostatný procesor provádí kompresi naměřených dat a jejich ukládání do vnitřní paměti přístroje. Uložená data z paměti přístroje jsou pak předávána k archivaci a k další možné „off-line“ analýze do softwarového balíku PQSCADA.

V současné době dodává společnost Elspec řadu pevných monitorů Elspec BlackBox G44XX využívajících tuto technologii, kde se jednotlivé modely uvedené řady liší velikostí paměti pro ukládání dat (G4410 – paměť na 5–7 dnů, G4420 na měsíc a G4430 na 1 rok záznamu). Mechanické provedení všech modelů je stejné a je patrné z obr. 2

Řešení komplexního monitoringu kvality elektrické energie pak může vypadat například tak, jak je naznačeno na obr. 3.

Monitoring kvality elektrické energie a jak na něj obr3.jpg

 

Na vhodných místech závodu jsou umístěny jednotlivé monitory G44XX připojení k závodní síti LAN. Po síti LAN jsou data automaticky předávána na server s instalovaným systémem PQSCADA. 

Monitory Elspec řady G44XX spolu se softwarovým balíkem PQSCADA Sapphire (obr. 4) přinášejí univerzální a snadno modifikovatelné řešení pro vybudování monitorovacího systému kvality elektrické energie, jenž zajišťuje dostatečné možnosti jak pro současné průmyslové podniky, tak i pro podniky budoucí. 

Monitoring kvality elektrické energie a jak na něj obr4.jpg

 

Lze dohlížet a monitorovat vybrané distribuční uzly závodu, kterými mohou být například hlavní přívod(y) do závodu na straně VN, hlavní transformátor a podružné transformátory, rozváděče pro vybrané části provozu apod. Všechny analyzátory mohou být trvale připojeny do místní počítačové sítě LAN kabelem nebo bezdrátově pomocí modulu pro bezdrátový přenos Wi-Fi. 

K monitorům i k datům na serveru je pak přímý přístup z kteréhokoli místa v závodě pro příslušné pracovníky energetiky, údržby či managementu, a to buď on-line pro okamžitou kontrolu stavu v měřeném bodě, nebo s využitím modulu PQSCADA Investigator pro provádění off-line analýz. Systém je schopen provádět i automatický reporting široké škály parametrů sítě dle potřeb jednotlivých částí podniku.

V případě potřeby lze umožnit přístup do systému SCADA i externím pracovníkům, například pro externí audit kvality elektřiny.

Pomocí PQSCADA Sapphire je možné zobrazovat a vyhodnocovat data uložená v databázi a členěná po jednotlivých měřicích místech a uzlech (obr. 3) ve zvoleném časovém intervalu a volit jakoukoli kombinaci veličin, která nás zajímá, jak je naznačeno na obr. 5.

Monitoring kvality elektrické energie a jak na něj obr5.jpg

Díky konstrukci PQSCADA Sapphire je možné přijímat a zpracovávat data z přístrojů jakéhokoli výrobce, které komunikují po síti LAN nebo alespoň po MODBUSu. Ostatní je otázkou nastavení systému. Lze tak zahrnout stávající monitory spotřeby elektrické energie, ale i přístroje pro měření spotřeby plynu, vody, tlakového vzduch, tepla atd.

Všechna takto získaná data lze ukládat, zobrazovat, analyzovat a reportovat, včetně možnosti vytvářet účetní sestavy v jednotlivých uzlech, porovnávat jednotlivá místa atd.

Systém PQSCADA Sapphire se tak může stát i monitorem všech médií.

 

Odkaz na elektronickou verzi článku v časopisu řízení a údržba najdete zde.

Článek vyšel i v čísle 04/16 časopisu ElektroPrůmysl.