Новый многофункциональный анализатор параметров систем электроснабжения ND45 производства lumel S. A.

Качество электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения

Качество электроэнергии для электрических сетей переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц регламентировано государственными стандартами: ГОСТ 32144-2013, ГОСТ 33073-2014, ГОСТ Р 54130-2010, ГОСТ 33073-2014, ГОСТ 13109-97, ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020 и другими нормативными документами.

Отклонение от этих стандартов может вызвать такие нежелательные явления, как, например:

• нарушение предельно допустимых значений потребляемой мощности, приводящее к выходу оборудования из строя;
• перегрев электродвигателей, вызывающий разрушение изоляции и возгорание;
• сбои и ложные срабатывания систем аварийной автоматики и устройств релейной защиты;
• сбои управляющей электроники жизненно важных объектов;
• некорректная работа электросчетчиков;
• выход из строя бытового оборудования.

Для оценки характеристик КЭ необходимо комплексное измерение параметров. Измеряемые величины, методика измерений и оценки КЭ подробно описаны в ГОСТ 30804.4.30-2013 (IEC 61000-4-30:2008). Это достаточно сложный процесс, для выполнения которого необходимо современное профессиональное оборудование, например цифровые вольтметры и амперметры переменного тока, токоизмерительные клещи, частотомеры, фликерметры, счетчики электрической энергии и другие аналогичные приборы.

Методы измерений, способы усреднения и порядок расчета показателей качества электроэнергии определены в стандарте IEC 61000-4-30-2017.

Базовые показатели качества электроэнергии для РФ регламентированы в стандарте ГОСТ 32144-2013.

С другой стороны, в последние годы появились приборы, сочетающиие функции перечисленного оборудования и разработанные специально для определения КЭ. Оптимальным вариантом оборудования, используемого для определения КЭ, с точки зрения соотношения цены и качества является новый универсальный анализатор систем электроснабжения с сохранением измеренных значений ND45 производства LUMEL S. A.

Использование универсального анализатора ND45 для оценки качества электроэнергии

В конце 2020 года фирма LUMEL S. A. сообщила о старте поставок нового многофункционального анализатора параметров систем электроснабжения ND45 (Power network analyzer/recorder ND45) [7]. Модель ND45 (рис. 1) пришла на смену анализатору ND40, поставки которого прекращены с 2021 года [8].

Рис. 1. Внешний вид анализатора ND45

Анализатор позволяет измерять среднеквадратичные значения тока и напряжения с учетом заданных коэффициентов трансформации измерительных трансформаторов. Также рассчитывается значение тока в нейтральном проводе и определяются гармоники по напряжению и току. С помощью этого анализатора определяются активная, реактивная и полная мощность, а также коэффициенты мощности. Значение каждой измеренной величины может быть передано в управляющую систему через интерфейс RS-485 и сохранено на SD-карте.

Из наиболее важных технических характеристик анализатора ND45, прежде всего, можно отметить следующие:

• полное соответствие международным и российским стандартам в области контроля качества электроэнергии;
• непрерывные мониторинговые измерения в реальном времени по классу А с усреднением для интервалов в 3 с;
• непрерывные экспертные измерения по классу S с усреднением для интервалов 10 мин и 2 ч;
• возможность использования как в 3-, так и в 4-проводных, 3-фазных, симметричных и несимметричных сетях;
• непрерывная запись измерений в реальном времени с фиксацией и маркировкой провалов, перенапряжений и пропадания напряжений;
• программируемые режимы записи событий;
• запись до 32 Гбайт данных на SD-карту памяти;
• отправка сообщения по электронной почте при возникновении сигнала тревоги;
• поддержка протоколов HTTP, TCP/IP, FTP-сервер, DHCP-клиент;
• возможность обмена информацией с внешним веб-сервером;
• встроенные интерфейсы RS-485, Modbus Slave, Ethernet 100, Base-T (Modbus), USB;
• цветной сенсорный экран LCD TFT 5,6″ 640×480 пикселей;
• степень защиты: IP65;
• синхронизация RTC-часов с сервером времени NTР;
• анализ гармоник тока и напряжения до 51-ой включительно по классу I (в соответствии с EN 61000-4-7);
• 4-квадрантное измерение электроэнергии;
• измерение фликера;
• измерения экстремумов U, I, P, Q, S;
• шесть аналоговых выходов 0/4–20 мА;
• импульсные входы для подключения до 6 внешних счетчиков;
• дополнительный диапазон измерений сетевого напряжения 3×69,3/120 В.

Последние семь из перечисленных характеристик ND45 являются новыми по сравнению со снятым с производства анализатором ND40.

В таблице 1 приведены технические характеристики основных параметров, измеряемых анализатором ND45.

Примечание. В таблице использованы следующие обозначения:

• Погрешность измерения по отношению к значению Udin согласно PN-EN-61000-4-30.
• Диапазон Ku = 1–4000 и Ki = 1–20000.
• Udin — значение, полученное из заявленного напряжения питания Uc = Un по коэффициенту трансформации согласно PN-EN-61000-4-30.
• Im, Um — измеренные значения токов и напряжений в соответствии с PN-EN-61000-4-7.
• Inom, Unom — номинальные токи и напряжения в соответствии с PN-EN-61000-4-7.
• In, Un — номинальные значения токов и напряжений согласно PN-EN-61000-4-30.

Анализатор ND45 имеет встроенный процессор, позволяющий обрабатывать, усреднять, группировать и сохранять в памяти результаты измерений, которые отмечены в таблице 1. На основе полученных экспериментальных данных встроенный процессор вычисляет теоретические характеристики переменного тока с использованием достаточно сложного математического аппарата, например преобразований Фурье, функций комплексной переменной и т. д. В таблице 2 перечислены параметры, которые могут быть получены с помощью анализатора ND45 дополнительно к измерениям, приведенным в таблице 1.

Примечание. В таблице символ ± означает потребляемое (положительное) и генерируемое (отрицательное) значения.
Приведенные параметры определяются для всех линий L1, L2, L3.

Сравнение данных таблиц позволяет говорить о том, что анализатор ND45 может быть использован для оценки коэффициента качества однофазных и трехфазных сетей общего пользования в полном соответствии с действующими российскими и международными документами. С помощью многофункционального анализатора ND45, совмещающего функции учета электроэнергии и измерения ее параметров, можно организовать непрерывный мониторинг сетей электроснабжения, гарантирующий получение точных и корректных оценок КЭ.

Перечисленные в стандарте ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020 параметры, необходимые для оценки эмиссии в указанной точке оценки, могут быть получены с помощью анализатора ND45. Это позволяет говорить о том, что анализатор ND45 может быть использован также для выявления и анализа сетевых наводок, обусловленных подключением к сети мощных установок с нелинейными нагрузками.

Функциональные возможности универсального анализатора параметров электрических сетей общего назначения ND45

Анализатор ND45 разработан для измерения, обработки и хранения на SD-карте параметров трехфазной, 3- или 4-проводной электрических сетей в симметричных или несимметричных системах.

Сигналы измеряемых линий электросетей можно подключать к анализатору ND45 по перечисленным ниже схемам:

• 3-проводная сеть; прямое измерение;
• 3-проводная сеть; полупрямое измерение;
• 3-проводная сеть; косвенное измерение с использованием двух трансформаторов тока и двух или трех трансформаторов напряжения;
• 4-проводная сеть; прямое измерение;
• 4-проводная сеть; полупрямое измерение;
• 4-проводная сеть; полупрямое измерение с использованием четырех трансформаторов тока;
• 4-проводная сеть; косвенное измерение с использованием трех трансформаторов тока и двух или трех трансформаторов напряжения;
• 4-проводная сеть; косвенное измерение с использованием четырех трансформаторов тока и двух или трех трансформаторов напряжения.

Подробные схемы подключения приведены в инструкции по эксплуатации ND45 [25]. В качестве примера на рис. 2 приведена схема подключения в случае полупрямого измерения параметров 4-проводной сети с использованием четырех трансформаторов тока.

Рис. 2. Схема подключения анализатора ND45 к силовым линиям в случае измерений параметров 4-проводной сети с использованием четырех трансформаторов тока

Разъем RJ-45 используется для подключения к сетям LAN или WAN. Интерфейс Ethernet позволяет использовать такие веб-сервисы, как веб-сервер, FTP-сервер, Modbus TCP/IP. Этот интерфейс контролируется двумя светодиодами: желтый светодиод загорается, когда ND45 правильно подключен к сети Ethernet, а зеленый диод Tx/Rx загорается при обмене информацией.

В анализаторе имеется последовательный интерфейс RS-485, с помощью которого осуществляется связь с внешним компьютером и с другими контроллерами, выполняющими функцию Master. Асинхронный, коммуникационный протокол Modbus, реализованный на последовательном порте, соответствует спецификации Modicon PI-MBUS-300 Rev G.

В настройках Modbus RTU определяется тип кадра передачи по RS-485, скорость передачи, ID-идентификатор устройства в сети Modbus, задержка ответа и вынужденная задержка времени отклика.

В окне конфигурации Modbus TCP имеется возможность корректировать ID-идентификатор устройства в сети Modbus TCP/IP, включение режима Modbus TCP/IP и порт TCP/IP Modbus. В режиме Modbus RTU реализованы функции «03, 04 — регистры чтения» (общее адресное пространство), а также функция «17 — идентификация устройства».

Анализатор имеет два интерфейса USB: для подключения к хосту (разъем USB) и для подключения внешнего устройства (разъем мини-USB-устройство).

Интерфейс USB-Host предназначен для обмена информацией между SD-картой и устройством, подключенным к USB-хосту.

Информация в анализаторе ND45 сохраняется на SD-карте емкостью 32 Гбайт. Все архивные файлы данных и журналы (но не более 20 Мбайт) первоначально записываются во внутреннюю память анализатора, а затем переносятся в виде файлов специального формата на SD-карту. В случае отключения электроэнергии гарантируется максимум 1 Мбайт данных, сохраненных во внутренней памяти. Доступ к SD-карте с уровня ND45 можно получить через веб-сервер, FTP-сервер или встроенный диспетчер файлов.

Релейные выходы, сконфигурированные как нормально разомкнутые (NO), сигнализируют о выходе выбранной величины из измерительного диапазона.

Программное обеспечение анализатора позволяет менять настройки для отдельных аварийных сигналов, включая источник и тип, а также те условия, при которых включаются сигналы тревоги. При этом на экране анализатора в соответствующем разделе появляется сообщение о характере возникнувшей аварии.

В анализаторе ND45 предусмотрены две группы из трех двоичных входов с общим заземлением, с частотой переключения до 4 Гц. Эти входы позволяют подключать до шести внешних импульсных счетчиков.

Двоичные входы BI1–BI6 управляются сигналами:

• 0 В: двоичный вход неактивен;
• 5–24 В: активный двоичный вход;
• 8–24 В: вход подсчета (высокий уровень).

Импульсные выходы могут также использоваться для проверки потребления 3-фазной активной и реактивной энергии.

Анализатор ND45 может быть использован в качестве профессионального счетчика расхода электроэнергии. Кроме того, что анализатор позволяет проводить измерения активной, реактивной и полной мощности, он поддерживает 4-квадрантные измерения электроэнергии и дифференцированные тарифы в разное время суток. Также существует возможность оценки потерь энергии в трансформаторах и в линиях.

Управление и программирование анализатора ND45 осуществляется с помощью сенсорного экрана. Основное меню содержит три группы элементов: навигационные, функциональные и информационные окна.

Рис. 3. Панель управления анализатора ND45

На рис. 3 показана панель управления анализатора ND45. Цифрами обозначено:

1. Общие настройки анализатора: дата, время, настройки отображения и т. д.
2. Конфигурация измерительных входов: трансформаторы, диапазоны измерения, частоты, датчики температуры/сопротивления и т. д.
3. Настройки аварийных сигналов: определение источника, условия аварии, срабатывание реле, аварийные сообщения по электронной почте, информирование о событиях.
4. Настройки вида окон, создание пользовательских вариантов.
5. Настройка идентификации анализатора в сети Ethernet, настройка FTP-, WWW-, SMTP-серверов и электронной почты.
6. Настройки Modbus RTU, TCP/IP и других протоколов связи.
7. Настройка параметров и условий архивирования.
8. Безопасность, установка паролей и прав доступа.
9. Установка параметров провалов, прерываний, перенапряжений и выбросов.
10. Конфигурация параметров аналоговых выходов и реле.
11. Информация о модели анализатора и ПО.
12. Сохранение изменений конфигурации, экспорт настроек в файл.

С помощью виртуальной клавиатуры можно вводить строчные и прописные буквы, цифры, специальные символы. В окнах навигации — контролировать и менять параметры измерений и их визуализации. Например, информационное окно со всеми значениями Urms, измеряемыми в интервале 1 с, показано на рис. 4.

Рис. 4. Информационное окно с текущими значениями Urms, измеряемыми в интервале 1 с

На рис. 4 цифрами обозначены:

1. Пример правильного измеренного значения, который содержит все измерения компонентов, необходимые для агрегирования значений.
2. Тревога, связанная с отображаемым значением.
3. Значение было неправильно рассчитано. Измерение является неполным для агрегации.
4. Неверное значение или отсутствие значения.

С помощью сенсорного экрана можно задавать параметры измеряемых и вычисляемых величин, а также выводить полученные значения на экран в графическом виде. На рис. 5 показана векторная диаграмма, полученная по результатам измерений напряжений, токов и частоты (Urms, Irms, f).

Рис. 5. Векторная диаграмма, полученная по результатам измерений напряжений, токов и частоты (Urms, Irms, f)

На рис. 5 цифрами обозначены:

1. Сводная таблица значений, представленных на векторной диаграмме.
2. Главное окно, содержащее векторную диаграмму.
3. Измеряемый параметр, содержащий указание значения угла и метки с описанием.
4. Описание измеренного параметра с дополнительной информацией о фазе.
5. Значение измеряемого параметра в цифровой форме.
6. Блок, описывающий выбранный измеренный параметр.

Для удобства оператора при длительном мониторинге параметров сетей предусмотрен вывод текущей информации в аналоговом виде (рис. 6).

Рис. 6. Для удобства оператора при длительном мониторинге параметров сетей предусмотрен вывод текущей информации в аналоговом виде

На рис. 6 цифрами обозначены:

1. Время агрегирования представленного значения.
2. Дополнительная информация, описывающая фазу, связанную с представленным значением.
3. Описание представленного параметра.
4. Измеренное значение в цифровой форме.
5. Аналоговый индикатор, представляющий значение измеренного параметра.
6. Единица, описывающая измеренное значение.
7. Шкала аналогового дисплея для представленного измеренного значения.
8. Минимальное и максимальное значения.

В анализаторе ND45 предусмотрено несколько вариантов учета расхода электроэнергии. В одних вариантах рассчитываются значения потребленной электроэнергии по показаниям, измеренным непосредственно анализатором ND45. В других случаях используются данные, полученные от подключенных к импульсным входам анализатора ND45 внешних счетчиков электроэнергии.

В анализаторе ND45 предусмотрено проведение 4-квадрантных измерений. При этом определяются параметры, приведенные в таблице 3.

Активная мощность (Active power — P) измеряется в ваттах (Вт). Иногда эту величину также называют реальной мощностью (real power). Это мощность, которую фактически потребляют все электроприборы. Рассматривается два вида: активная потребляемая и активная генерируемая. В таблице 3 приведены названия различных типов энергии переменного тока. Энергия переменного тока определяется как произведение мощности на время — например, активная мощность измеряется кВт·ч.

Реактивная энергия EnQ измеряется в реактивных вольт-амперах/час (вар·ч — Varh). Эта энергия накапливается в емкостях и называется «реактивная потребляемая емкостная (EnQ+⊣⊢)». Также она накапливается в индуктивностях — «реактивная индуктивная потребляемая (EnQ+⌇)». Затем реактивная энергия частично возвращается к источнику в конце цикла переменного тока, через емкости — «реактивная генерируемая емкостная (EnQ–⊣⊢)» и через индуктивности — «реактивная индуктивная генерируемая (EnQ–⌇)».

Полная мощность S (Apparent power) измеряется в вольт-амперах (В·А) и определяется как произведение действующих значений напряжения и тока — Urms × Irms. Если записать полную мощность в векторном виде S = P + φQ, где реактивная мощность Q, в единицах реактивные вольт-амперы (V·Ar), откладывается по оси ординат, а реальная мощность P в ваттах откладывается по оси абсцисс, то в графическом виде получим диаграмму с четырьмя квадрантами (рис. 7) [26].

Рис. 7. Графическая интерпретация полной мощности в векторном виде (S = P + φQ)

Диаграмма на рис. 7 показывает соотношение между фазовым углом φ, полной, активной и реактивной мощностью и соответствующей энергией. Фазовый угол φ между напряжением Urms и током Irms считается положительным в математическом смысле (против часовой стрелки).

Как видно на рис. 7, в первом квадранте оба типа мощности P и Q (а значит, и энергии EnP и EnQ) имеют положительное значение и потребляются пользователем — в соответствии с терминологией стандарта IEC 62053 [26].

В первом квадранте используется термин Import P, Q, то есть наблюдается импорт активной и реактивной мощности.

Во втором квадранте реактивная мощность положительная, а активная — отрицательная (Export P). Математически это означает, что мгновенная мощность отрицательна, когда направления напряжения и тока в двухполюснике противоположны и энергия возвращается из двухполюсника источнику переменного синусоидального тока. Физически активная мощность не может быть отрицательной. Однако ситуацию можно представить таким образам, как будто вы подключили к своей домашней сети генератор переменного тока, который мощнее вашей сети.

В третьем квадранте реактивная и активная мощности имеют отрицательное значение. В четвертом квадранте реактивная мощность отрицательна, а активная положительна. Это условие Import P энергии.

Четырехквадрантные измерения позволяют получить векторную характеристику активной и реактивной мощности с учетом потребленной и генерируемой энергии. Таким образом, можно оценить истинное значение той части электроэнергии, которая действительно перешла к потребителю.

Анализатор ND45 поддерживает работу с веб-сервером, доступ к которому осуществляется в браузере путем ввода IP-адреса, назначенного конкретной версии анализатора.

Веб-сервер позволяет проводить следующие удаленные операции с анализатором ND45:

• включение/выключение и перезагрузка анализатора;
• конфигурирование процесса измерений и визуализация данных;
• контроль аварийных ситуаций;
• просмотр и редактирование файлов с данными измерений;
• контроль системной информации;
• обновление программного обеспечения.

Для переключения на FTP-сервер нужно в окне браузера ввести IP-адрес анализатора и использовать параметры доступа к FTP в окне Ethernet. В настройках Ethernet можно включать (или отключать) DHCP. При этом будут автоматически получены параметры IP-интерфейса Ethernet от внешних DHCP-серверов.

Аварийные сообщения могут быть отправлены на указанные адреса по сети Ethernet. Для этого на вкладке Ethernet configuration в разделе e-mail нужно выбрать имя сервера исходящей почты, порт сервера исходящей почты (465), безопасность подключения (SSL/TTS), имя пользователя, пароль для доступа к системе, сервер исходящей почты, адреса электронной почты получателей.

В разделе «Безопасность» предусмотрен выбор пользователя Admin, User 1, User 2,… User 7 и редактирование данных. Для каждого пользователя назначается собственный пароль и индивидуальные права доступа к отдельным разделам меню.

Анализатор ND45 содержит данные в 16- и 32-разрядных регистрах. В 16-битных регистрах нумерация битов идет от младшего до старшего (b0–b15). В 32-разрядных регистрах содержатся байты: B4 B3 B2 B1. Все указанные адреса являются физическими адресами.