Аннотация
В условиях постоянно растущего потребления электрической энергии важнейшей задачей является ее рациональное распределение и использование. Статья посвящена разработке устройства мониторинга нормируемых параметров качества электроэнергии в интеллектуальных распределительных сетях (smart grid). Представлена концепция устройства, позволяющего контролировать такие параметры как напряжение, форма сигнала, коэффициент гармоник с возможностью выявления отклонений от нормы и передачи результатов через инфокоммуникационные сети.
Ключевые направления исследования
Smart Grid
Интеллектуальные электрические сети
Качество ЭЭ
Мониторинг качества электроэнергии
ГОСТ 32144-2013
Нормирование показателей качества
Устройство мониторинга
Аппаратная реализация системы контроля
Основные положения и разработки
Концепция интеллектуальных сетей (Smart Grid):
Интеллектуальные электрические сети (smart grid) – электрические сети, в которых организован обмен информацией между участниками сети, начиная от генерирующих мощностей и до конечных устройств-потребителей электроэнергии, в режиме реального времени.
Ключевой принцип: В рамках концепции smart grid абсолютно все составляющие системы – крупные энергопроизводители (ГЭЦ, ГЭС, АЭС, а также любые локальные генерирующие мощности), электрораспределительные сети и конечные потребители связываются с использованием инфокоммуникационных технологий.
Smart Grid как часть IIoT
Интеграция с промышленным Интернетом вещей: Электроэнергетика на основе концепции сетей smart grid является частью промышленного Интернета вещей (Industrial Internet of Things, IIoT), предполагающего полную подключенность и автоматизацию управления промышленными процессами.
- Необходимость сквозного управления процессами
- Оптимизация производства, распределения и потребления
- Использование автоматических алгоритмов оптимизации
- Информационный обмен через цифровые коммуникационные сети
Основные цели Smart Grid
- Обеспечение практически непрерывного управляемого баланса между спросом и предложением электрической энергии
- Постоянный обмен информацией между элементами сети
- Оптимальная эксплуатация инфраструктуры электроэнергетической системы
- Применение в различных масштабах: от зданий и предприятий до домашних устройств
Нормирование качества электроэнергии:
Параметры качества электроэнергии регламентируются ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
Определение качества электроэнергии
Согласно ГОСТ 32144-2013: Качество электрической энергии – это степень соответствия характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупности нормированных показателей КЭ.
Область применения: Стандарт устанавливает показатели и нормы КЭ в точках передачи электрической энергии пользователям электрических сетей низкого, среднего и высокого напряжения систем электроснабжения общего назначения переменного тока частотой 50 Гц.
Основные показатели качества электроэнергии
Характеристики напряжения, подлежащие контролю:
Отклонение напряжения
Отклонение от номинального значения напряжения
Колебания напряжения
Изменения напряжения с определенной периодичностью
Отклонение частоты
Отклонение от стандартной частоты 50 Гц
Доза фликера
Мера восприятия колебаний освещенности
Коэффициент временного перенапряжения
Временные превышения напряжения
Провал напряжения
Временное снижение напряжения
Импульсное напряжение
Кратковременные всплески напряжения
Несинусоидальность
Искажение формы кривой напряжения
Важное требование ГОСТ: Потребитель электрической энергии должен обеспечить условия, при которых отклонения напряжения питания на выводах электроприемников не превышают установленных для них допустимых значений, при условии выполнения поставщиком электроэнергии требований стандарта к КЭ в точке передачи электрической энергии.
Разрабатываемое устройство мониторинга:
Устройство для мониторинга показателей КЭ представляет собой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на базе микроконтроллера ATmega328P-PU, связанного с распределительной электрической сетью через гальваническую развязку.
Структурная схема устройства мониторинга
Принцип работы: Гальваническая развязка (с использованием оптопары) позволяет получить сигнал, эквивалентный по форме сигналу напряжения электросети, для дальнейшей обработки микроконтроллером.
Микроконтроллер ATmega328P-PU
Основной процессорный модуль устройства
Сетевой интерфейс Ethernet
Передача данных через сеть с применением протокола MQTT
Функциональные задачи микроконтроллера
Измерение напряжения
Определение мгновенной амплитуды и действующего значения напряжения сети
Аналого-цифровое преобразование
Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму для обработки
Спектральный анализ
Получение частотных характеристик с помощью быстрого преобразования Фурье (FFT)
Контроль отклонений
Сравнение полученных характеристик с нормами и выявление критических отклонений
Формирование отчетов
Создание отчетов об обнаруженных отклонениях для передачи по сети
Протокол MQTT (Message Queue Telemetry Transport): Распространенный, открытый и не требовательный к ресурсам протокол обмена данными, применяемый для передачи данных в сетях с ограничениями по размеру кода и пропускной способности канала. Идеально подходит для устройств IoT и систем мониторинга.
Практическая значимость разработки:
Контроль соответствия ГОСТ
Обеспечение мониторинга параметров КЭ в соответствии с требованиями ГОСТ 32144-2013
Интеграция с Smart Grid
Возможность встраивания устройства в интеллектуальные сети энергоснабжения
Автоматизация контроля
Автоматический мониторинг и отчетность по качеству электроэнергии
Сетевое взаимодействие
Передача данных через стандартные сетевые интерфейсы с использованием протокола MQTT
Выводы и перспективы
Разработана концепция устройства мониторинга качества электроэнергии для интеллектуальных сетей, соответствующая требованиям ГОСТ 32144-2013
Предложенная архитектура на базе микроконтроллера ATmega328P-PU позволяет реализовать основные функции контроля параметров КЭ
Использование протокола MQTT обеспечивает эффективную передачу данных в сетях с ограниченной пропускной способностью
Устройство может быть интегрировано в системы smart grid для автоматизированного контроля качества электроэнергии