Прибор для мониторинга качества электроэнергии с использованием технологий LabVIEWПрибор для мониторинга качества электроэнергии с использованием технологий LabVIEW О.С. Вершинин, А.Н. Воропаев, М.Р. Марданов, В.В. Шаров
Источник: Казанский государственный энергетический университет:avo@e-mail.ru
Введение Недопустимые воздействия напряжения сетей электропитания на современную электронную аппаратуру имеют различный характер: высоковольтные импульсы длительностью в десятки наносекунд, десятки микросекунд, выбросы и провалы напряжения питания длительностью до десятков миллисекунд, превышения и снижения напряжения длительностью от сотен миллисекунд до нескольких секунд. Как следствие - сбои в функционировании электронной аппаратуры, выход её из строя, потеря дорогой информации — всё это типичные отрицательные последствия от воздействия некачественного электропитания. В то же время, все больше электронной микропроцессорной техники применяется в ответственных с точки зрения безопасности людей сферах деятельности. Для бесперебойного питания аппаратуры связи (как проводной, так и беспроводной) в настоящее время применяются устройства бесперебойного электропитания (ИБЭП), содержащие в своей конструкции аккумуляторные элементы и обеспечивающие поддержание работы подключенной к ним аппаратуры при неблагоприятных воздействиях электрической сети. При производстве, ИБЭП требуют проведения множества настроек и регулировок, для которых требуется большое количество измерительных приборов. В тоже время, от качества регулировок зависит качество электроэнергии, выдаваемой источником. Использование для этих целей обыкновенных аналоговых приборов само по себе дорого. Однако если использовать один универсальный прибор, то это намного уменьшило бы и стоимость измерительного комплекса и занимаемую им полезную площадь на рабочем столе инженера. Постановка задачи. Для осуществления мониторинга показателей качества электроэнергии необходимо разработать измерительный прибор, позволяющий контролировать параметры электрических величин источников бесперебойного электропитания с точностью не менее 0,1%. При решении задачи требуется обеспечить отображение заданных технических характеристик. К измеряемым величинам относятся: входные и выходные токи и напряжения источника бесперебойного электропитания, нормируемые ТУ. Требуется обеспечить мощность не менее 0,1%. К расчетным величинам относятся: активные и реактивные мощности источника бесперебойного электропитания; коэффициент мощности; псофометрические характеристики источника бесперебойного электропитания. Кроме того, необходимо обеспечить: полностью автоматическую работу прибора и запись измеренных величин в архив для последующей обработки, анализа и использования в целях мониторинга; полную мобильность измерительного прибора; минимальную стоимость технического решения. Для осуществления мониторинга качества электроэнергии были проведены исследования, которые стали основой разработки многофункционального измерительного прибора. 2. Результаты работы В процессе решения задачи был проведен анализ различных схемотехнических устройств, осуществляющих операции по использованию разнообразных методов сбора и обработки сигналов: на базе дискретных специализированных приборов; специализированные микропроцессорные приборы; приборы по технологии, использующие в своей основе виртуальные инструменты. Исходя из требований технического задания (ТЗ) [1], был сделан выбор в пользу технологии виртуальных измерительных инструментов, что позволило не только выполнить все требования ТЗ, но и заложить фундамент для будущих усовершенствований и разработок на созданной технической базе. Применение персонального компьютера (ПК) в качестве основного функционального блока измерительной системы закладывает основу достаточно низкой стоимости разрабатываемых виртуальных приборов, эффективно функционирующих в реальном масштабе времени. При этом на экране монитора для пользователя виртуальный прибор выглядит как реальный физический прибор с сохранением всех атрибутов - панелей, ручек управления и различных индикаторов. В этом случае аппаратные средства полностью реализуются на съемной плате АЦП, которая подключается к системной шине и управляется компьютером. Использование встраиваемой платы АЦП обеспечивает максимально возможное быстродействие, поскольку она устанавливается непосредственно в свободный слот расширения ПК и адресуется как стандартное устройство ввода/вывода. Программная часть прибора выполнена на языке G, встроенного в среду графического программирования LabVIEW фирмы National Instruments. Техническая и экономическая целесообразность применения вычислительных методов измерения обусловлена возможностями одновременного решения задач сбора, обработки, передачи и хранения (архивирования) данных при малых затратах на аппаратные средства. При этом возможен длительный, непрерывный режим работы в реальном времени с сохранением информации по всем требуемым характеристикам. Новизна и высокий научно-технический уровень разработки обусловлены использованием современных компьютерных технологий контроля и измерения. Основными техническими решениями в ходе создания измерительного виртуального прибора являются: - оригинальная схема преобразования измеряемого сигнала для ввода в ПК; - оригинальный драйвер для работы с платой АЦП; - оригинальные алгоритмы работы различных функциональных блоков, входящих в состав разработанного виртуального прибора. Дополнительные возможности анализа полученных данных. К возможностям прибора, кроме технических характеристик, заданных в техническом задании, был добавлен ряд графическо-аналитических функций (виртуальных приборов), с помощью которых упрощается задача отслеживания зависимостей одних параметров от других. Были реализованы функции построения графиков зависимости: коэффициента мощности от входных значений тока и напряжения, потребляемой мощности от частоты входного напряжения. Возможности виртуального прибора в плане аналитического анализа полученных данных ограничиваются только программным кодом, поэтому они всегда могут быть улучшены и добавлены новые функции, в настоящее время как раз ведется такая работа. Дополнительно возможные области применения прибора. Кроме основного назначения прибора, изложенного в ТЗ, прибор может также применяться при решении других задач. 1.Прибор позволяет решать вопросы метрологической экспертизы качества электроэнергии, получаемой потребителями различных категорий. 2. Прибор позволяет вести учет количества потребляемой / генерируемой электроэнергии при однофазном и трехфазном включении. 3. Оборудование Аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Одним из основных этапов построения измерительного прибора явился этап обоснования и выбора технических параметров АЦП, определяющего точность прибора. Для обеспечения совместимости всех функциональных узлов прибора была выбрана серийно выпускаемая плата сбора данных L-1450, имеющая 14 битный АЦП и максимальную частоту дискретизации 400 кГц, позволяющая на практике перекрывать весь диапазон частот для псофометрических измерений. Выбор данной платы, имеющей 16 дифференциальных каналов ввода, позволяет одновременно вести учет всех измеряемых параметров. Устройство связи с объектом. Измерительные цепи платы на практике требуют защиты по входу, поэтому возникла необходимость применить барьер нормализации и защиты. С помощью него удалось решить ряд возникших проблем, а именно: обеспечить полную гальваническую развязку измеряемого сигнала, нормализацию, фильтрацию и защиту измерительных цепей платы АЦП от скачков напряжения и промышленных помех. Решение задачи с наибольшей эффективностью обеспечили модули сопряжения фирмы Dataforth, исходя из требуемого частотного диапазона и точности преобразования ±0,05%. Выбор первичных преобразователей. В качестве датчиков тока были выбраны высокоточные шунты - ±0,05% падение напряжения, на которых через модули сопряжения и нормализации передавалось в АЦП и пересчитывалось в программе в величину протекающего тока. Для измерения входного и выходного напряжения служит пара модулей сопряжения и нормализации с входным значением напряжения 40В. Соответственно, были применены резистивные делители, выполненные на прецизионных резисторах с малым ТКС. Строгое соблюдение псофометрических характеристик выходного сигнала источников бесперебойного электропитания требует ГОСТ 5237—69. Для измерения таких малых величин был самостоятельно разработан модуль усилителя – нормализатора, который выполняет функции выделения переменной составляющей сигнала из выходного напряжения ИБЭП, а также обеспечивает усиление сигнала с заданной точностью до необходимой для работы АЦП, то есть электрическую совместимость блоков прибора. Основой модуля является прецизионный операционный усилитель(ОУ) OP 413 фирмы Analog Devices, включенный по схеме измерительного усилителя на трех ОУ. Для переключения диапазонов измерения предусмотрено «мягкое» переключение коэффициентов усиления. Буферный каскад, включенный в качестве повторителя, создает дополнительную защиту от возможных входных импульсов для платы АЦП. Пользовательский интерфейс прибора. Интерфейс с оператором выполнен в виде виртуального прибора на экране монитора, управляемого с помощью клавиатуры ПК и манипулятора «мышь». Отображение информации происходит в удобном и привычном для оператора виде. Отдельные виртуальные приборы на экране ПК скомпонованы по группам и назначению. Вызов специальных функций, таких как: запись архива, просмотр архивных данных, аналитические диаграммы производится из меню, расположенном на первой странице виртуального прибора. 4. Преимущества технологий National Instruments В ходе работы были проанализированы традиционные и новые методы измерения, из которых был выбран самый экономичный из известных на сегодняшний день методов – метод с использованием виртуальных приборов на базе технологии National Instruments. Была разработана структурная схема прибора, произведен выбор используемых для построения узлов, разработка и изготовление специальных узлов, написание оригинального драйвера для платы АЦП и программного кода виртуального прибора в среде разработки LabVIEW. Произведена настройка и калибровка прибора. Примененная технология виртуальных приборов National Instruments для разработки прибора для мониторинга показателей качества электроэнергии для источников бесперебойного электропитания, является наиболее перспективным направлением развития измерительной техники. При точности, не уступающей традиционным приборам, она имеет целый ряд преимуществ в виде специальных возможностей по архивированию данных, аналитическому анализу полученных данных, удобству представления данных на мониторе ПК, полной мобильности, компактности измерительного комплекса, и, что немаловажно, в несколько раз меньшей стоимостью законченного решения. В настоящее время прибор создан и проводятся эксплуатационные испытания на базе ООО «Источник», специализирующегося на производстве источников бесперебойного электропитания для промышленности. Литература 1. ГОСТ 5237-83 Аппаратура электросвязи. Напряжения питания и методы измерений. -Москва: Издательство стандартов, 1988. –8 с. 2. Ф.П. Жарков, В. В. Каратаев, В. Ф. Никифоров, В.С. Панов Использование виртуальных инструментов LabView. — М.: Солон – Р, Радио и связь, Горячая линия – Телеком, 1999 – 268с.