Nový analyzátor kvality elektřiny s nepřetržitým záznamem Elspec PURE Black Box

Se stoupající komplexností průmyslových systémů již dnes jsou některé části průmyslových podniků velmi citlivé na parazitní jevy na napájecí elektrické síti a náchylné tak ke kolapsu.

Nové výrobní systémy s vysokým stupně autonomie, které se v rámci Industry 4.0 připravují, budou ještě mnohem více využívat počítačové systémy zpracovávající obrovské množství dat získávaných z každého kroku výrobního procesu a zpětně je využívat k inteligentní optimalizaci výroby ve snaze minimalizovat účast člověka na vlastní výrobě i jejím řízení.Vzniknou tak velmi komplexní systémy obsahující jak obrovské množství automatizačních prvků, počítačových systémů, tak i výkonové elektroniky pohonů a dalších prvků provádějící vlastní elektrickou a mechanickou práci. 

Proto stále stoupá potřeba mít v závodě kvalitní elektřinu, která nebude ovlivňovat provoz technologie. Stoupají tím i nároky na sledování kvality elektrické energie a jejího vlivu na výrobní systémy. Většina pracovníků současných podniků se bohužel stále domnívá, že postačí spoléhat se na dodavatele elektřiny a jeho měření nebo sledovat kvalitu elektrické sítě jejich podniku podle limitů normy ČSN EN 50160. Nechávají si instalovat monitorovací zařízení všech možných renomovaných výrobců, kteří se předhánějí v tom, jak jejich přístroje a systémy dokonale vyhovují všem požadavkům této normy a přitom netuší, že tato norma je určena pro potřeby ověření kvality elektrické energie na straně dodavatele, 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 neposkytuje však téměř žádnou informaci o kvalitě na sekundární straně transformátoru, ze které jsou napájena veškerá zařízení v podniku.Investují tak nemalé prostředky a netuší, že vyhazují peníze z okna. Situaci pak podporují elektrotechnické firmy, které díky nekompetenci a nízké úrovni vzdělání svých pracovníků většinou také netuší, že instalují, které pro potřeby kvality elektřiny mnoho nepřináší. To je první špatná zpráva.Většina dnešních spotřebičů nejen v průmyslových závodech je nelineárních a zavádí do sítě harmonické složky. Stále přibývá řízených pohonů všech výkonů, výkonových regulátorů atd. i zdroje počítačových systémů, datových center, UPS atd. do elektrické sítě závodu zanášejí také velké množství rušení. Odběry moderních technologií jsou velmi dynamické a vytvářejí kolísání napětí, napěťové poklesy a překmity i impulzní špičky. Druhou špatnou zprávou je, že limity normy EN 50160, podle kterých většina dnešních energetiků v podnicích hodnotí kvalitu elektřiny v závodě, tedy na sekundární straně transformátoru je z hlediska „hlídaných“ parametrů sítě naprosto nedostatečná a většina rušivých jevů na síti, které ovlivňují provoz zařízení nepostihne. Navíc měření a vyhodnocování podle této normy postihuje pouze jevy napěťové a nezajímá se vůbec o to, jak vypadají proudy protékající síti, které, vzhledem k výše uvedenému, jsou poznamenány nelinearitami připojených zařízení.Třetí špatnou zprávou pro vyhodnocování kvality s využitím ČSN EN 50160 je postup, kterým jsou parametry sítě měřeny a vyhodnocovány příslušnými přístroji. To určuje norma EN 61000-4-30, která krom jiného určuje, že efektivní hodnota napětí je průměrována přes 10 period síťového kmitočtu.

Na obr. 1 je jako příklad znázorněn krátkodobý pokles napětí na hodnotu pod 100V, který se projeví skutečně na svorkách strojů v dané síti - zelená stopa, a  oranžový průběh ukazuje co naměří přístroj vyhodnocující dle normy EN 61000-4-30. Krom toho, že není zachycen skutečný tvar poklesu napětí i jeho velikost neodpovídá skutečné velikosti této události. Bohužel zařízení připojené k této síti je ovlivněno skutečným poklesem a ne virtuální hodnotou napětí, která byla vypočtena. Toto 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.

obr. 1

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.Důsledky nekvality elektrické energie jsou výpadky výroby, snižování životnosti zařízení, růst nákladů na údržbu, snížená kvalita výrobků i energetické ztráty. Vše tedy vede k finančním ztrátám. Jak vidno, kvalitní elektrická energie je stejně zásadním faktorem pro výrobu jako ostatní suroviny a i 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 většina podniků však zatím dívá jako na něco daného automaticky, nanejvýše se pokouší ji ověřovat, jak již bylo řečeno měřidly pracujícími dle ČSN EN 50160 v blahé naději, že má vše pod kontrolou. Pro představu o skutečném stavu kvality elektřiny je však třeba měřit, zaznamenávat a vyhodnocovat skutečný fyzický stav napětí a proudu.Pro tento účel by bylo možné použít metodu přímého digitálního záznamu průběhu napětí a proudů dostatečně vysokou vzorkovací rychlostí. Problémem však s množstvím dat. Pro dobrou přesnost měření bez ztráty detailů je třeba alespoň 1024 vzorků na jednu periodu 50 Hz. Při 8 vstupech získáme cca 800MB dat za jeden den záznamu. To, kromě obrovského množství dat pro jedno měřicí místo přináší i problém rychlého vyhledávání detailů v takovém záznamu.

obr. 2 Náhled mechanického provedení monitorů

Tento problém vyřešila firma Elspec v podobě speciálního bezeztrátového kompresního algoritmu PQZIP, který zajistí kompresní poměr 1000:1, při jehož použití je možné rok záznamu včetně časových značek a dalších údajů uložit do prostoru 8GB. Přístroje Elspec tedy nepřetržitě ukládají vše co se na sítí v daném místě děje, na rozdíl od všech ostatních řešení, kdy daný přístroj měří a pouze v případě překročení nastavených limitů událost uloží do paměti. Limity však nevyhodnocuje z fyzické velikosti například napětí, ale z předem přepočteného průměru přes 10 period jak je uvedeno na obr.1.  Na rozdíl od „klasické“ konstrukce monitorů tedy provádějí monitory Elspec měření všech napětí a proudů vzorkovací rychlostí až 1024 vzorků za periodu metodou perioda po periodě bez jakéhokoliv průměrování. Takto získaná data jsou nepřetržitě komprimována a ukládána do vnitřní paměti přístroje pro další zpracování. V současné době dodává Elspec řadu pevných monitorů Elspec BlackBox G44XX využívajících tuto technologii, kde se jednotlivé modely 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 patrno z obr. 2. Dále pak přenosné monitory řady G4500 s 10 vstupy (8 AC + 2 DC) obr 3.

obr. 3 

Všechny tyto přístroje jsou podporovány softwareovým balíkem PQSCADA Sapphyre (obr.4).

obr.4

Nově byl uveden na trh nový přenosný monitor - analyzátor kvality Elspec PureBB ( obr. 5).  
Jedná se o je pokročilý analyzátor kvality energie, stejně jako ostatní přístroje Elspec, pracující ve třídě A.  Jde o ruční přenosné snadno použitelné zařízení typu plug and play vycházející z konstrukce G 4500, které nepřetržitě zaznamenává 4 napětí a 4 proudy vysokou rychlostí 256 vzorků za sekundu, a díky integrované kompresní technologii PQZIP nabízí dobu záznamu více jak jeden rok. Všechny parametry kvality sítě jsou zaznamenávány bez jakéhokoliv předchozího nastavení jakýchkoliv rozhodovacích hodnot nebo konfigurace nahrávání. Díky tomuto řešení máme k dispozici jak „klasické“ výsledky zachycených událostí dle požadavků normy ČSN EN 50160, ale současně i průběžný záznam všech napětí a proudů za celé měřené období. Tím máme možnost ověřit kdykoli dodatečně kterýkoliv parametr sítě s přesností třídy A, bez nutnosti opakovat měření s výhodou skutečných fyzických hodnot. PureBB „umí“ ve spolupráci s programem PQScada Sapphire více jak 5 000 parametrů kvality elektrické energie, jako jsou RMS, THD, výkony, účiník, power faktor, nevyvážení i harmonické až do 128. , ale i inter-harmonické při rozlišení 5Hz a mnoho dalších volitelných parametrů. Zařízení je k dispozici ve 2 verzích: jednofázové a 3fázové. PureBB je navržen tak, aby detekoval jakoukoli událost, která se vyskytla v energetickém systému. Je schopen nepřetržitě zaznamenávat průběhy i tvaru vlny signálu. Ukládá souhrnné protokoly včetně počátečního a koncového času, trvání, závažnosti a velikosti události. Při provozu analyzátor PureBB využívá technologii super kondenzátoru umožňující kontinuální záznam i během krátkých přerušení dodávky elektřiny. Analyzátor je dodáván s podpůrným software PQSCADA Sapphire ve verzi Basic, která plně vyhoví vyhodnocování všech a 5 000 parametrů sítě na běžném PC. 

obr. 5

PQSCADA Sapphire v plné verzi je otevřená, plně programovatelná platforma navržená pro přizpůsobení a snadnou integraci i přístrojů „NE Elspec“. Díky otevřenosti a flexibilitě podporuje PQSCADA Sapphire mnoho úrovní přizpůsobení: od jednoduchých konfigurací koncových uživatelů až po styl XAML a plné kódování. Podporuje všechny záznamníky poruch, analyzátory kvality elektrické energie, přístroje pro měření spotřeby (elektroměry) nezávisle na jejich výrobci, ale i přístroje pro měření a záznam neelektrických veličin, jako je spotřeba vody, plynu atd. Sapphire umožňuje zobrazit všechny měřicí body na živé zeměpisné mapě s daty v reálném čase a obecné stavy (obr. 4). Elspec PureBB lze použít jako samostatný přenosný záznamník kvality nebo jako přenosné zařízení pro časově omezená měření v závodě a výsledná data snadno kombinovat s daty z trvalého monitoring vybudovaného na monitorech Elspec G44XX v programy Sapphire. Další podrobnost i možnost předvedení všech zařízení Elspec získáte u zástupce pro ČR a SR společnosti Blue Panther s.r.o. (www.blue-panther.cz)

Tento článek si také můžete přečíst v prosincovém čísle časopisu ELEKTRO zde na straně 32 a straně 33.