česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 01. prosinec 2022

Chytrý elektroměr a pokroky v diagnostice prováděné přímo v terénu

DPS 3/2022 | Vývoj - články
Autor: Cosimo Carriero, Analog Devices

Po více než sto letech přenosu elektrické energie s minimálními technologickými změnami zažily distribuční sítě v poslední době zásadní proměnu.

Ve světě, kterému vévodí technický pokrok, se energetický sektor posunul tak, aby zahrnoval obnovitelné zdroje energie typu slunce a větru. Je proto zapotřebí řešit nové otázky související s toky energie v obou směrech, výpadky v její dodávce z obnovitelných zdrojů, distribucí a také rušením na přenosové trase, což může z pohledu stability sítě znamenat komplikace. Aby distributoři pro koncové odběratele zajistili kvalitní služby bez přerušení, zavádí chytrá měřidla umožňující provádět diagnostiku sítě v reálném čase a bezprostředně odhalovat potíže. Pro veřejné služby a stejně tak i koncové spotřebitele představuje zmíněná technologie spoustu výhod. V článku si z pohledu chytrých měřidel názorně ukážeme základní věci, včetně pokroku souvisejícího s diagnostikou přímo v terénu.

Obr. 1 (jpg)

Chytrý elektroměr

Nezbytnou součástí distribuční sítě se stává chytrý elektroměr. Vedle sledování spotřeby energie pak může sbírat i data související s kvalitou dodávky. Půjde třeba o měření jalové energie, celkového harmonického zkreslení, podílu harmonických složek, přítomnosti napěťových špiček a přechodových jevů nebo změny kmitočtu, zatímco tím pokaždé indikujeme stav dané sítě. Jak ale takový elektroměr pracuje?

Na obr. 1 vidíme blokový diagram s klíčovými prvky, a to jak pro jednofázový systém, tak i 3f měřidla. Základní elektrické vlastnosti zde přitom odvozujeme od měření napětí a proudu. Taková měření zpracuje speciální analogový front-end (AFE) a budou postoupena mikrokontroléru, který je dokáže buď zobrazit, nebo je také zpřístupní komunikačnímu bloku za účelem dalšího přenosu. Celou strukturu konečně doplňuje systém pro řízení napájení.

Snímače k měření napětí a proudu

Jednou z klíčových záležitostí se v případě elektroměrů stává měření proudu. Na rozdíl od měření napětí, které se může od jmenovité úrovně lišit jen minimálně, budeme v případě proudu počítat s opravdu širokým dynamickým rozsahem, od několika miliampér až po stovky ampér, a potřebujeme jej stanovit s nejvyšší možnou přesností napříč celým rozsahem. Zatímco se u měření napětí spoléháme na jednoduchý odporový dělič, a vzácněji i transformátor, senzory sloužící k odečítání proudu se již mohou lišit. Obvykle se potkáme s následujícími čtyřmi druhy snímačů: bočníkem, proudovým transformátorem (CT), Rogowského cívkou a Hallovým čidlem. Každý z nich má své výhody i nevýhody. Tak třeba bočník, široce používaný v měřidlech pro domácnosti, bude praktický a z ekonomického hlediska i výhodný. Jeho největší slabinou se však stává ohřev (Jouleovo teplo) omezující použití při vysokých odběrech.

Proudový transformátor naproti tomu potlačuje omezení bočníku v otázce maximálního proudu a ze své podstaty je navíc izolován, což představuje obrovskou výhodu. CT dostaneme ve formě toroidu, jehož primární vinutí je tvořeno vodičem, ve kterém teče měřený proud skrz prstenec. Sekundární vinutí je „namotáno“ na feromagnetickém materiálu, zatímco počet závitů zde definuje poměr transformátoru. Ve srovnání s bočníkem je CT dražší a zabere i více místa. Zásadní omezení proudového transformátoru však spočívá v jeho feromagnetickém jádru, které při saturaci závažně ovlivňuje činnost chytrého měřidla. Saturace může plynout z DC offsetu AC signálu, velké proudové špičky nebo vnějšího magnetického pole, třeba takového, jaké generuje permanentní magnet. Z důvodu tohoto omezení pak musí systémy stavějící na proudovém transformátoru počítat se stíněním nebo dalšími ochrannými mechanismy pro zamezení neoprávněné manipulace.

Snímače vystavěné na Hallově jevu se pyšní skvělou kmitočtovou odezvou a změří i velké proudy. Výhody však bývají vykoupené vysokým teplotním driftem, který si k dosažení požadované přesnosti žádá kalibraci systému v několika bodech.

Podobně jako u proudového transformátoru či Hallova snímače bude i Rogowského cívka z principu izolovaná. Rogowského cívka je indukčností vzájemně svázaná s vodičem, kterým protéká měřený proud. K magnetickému spojení dochází přes vzduchové jádro, takže zde nehrozí obvyklé potíže se saturací jako u feromagnetických materiálů. Charakteristickou vlastností Rogowského cívky bude signál generovaný snímačem, který je úměrný derivaci proudu, takže budeme za účelem rekonstrukce původního signálu potřebovat integrační člen.

Abychom dosáhli širokého dynamického rozsahu a vysoké linearity, stejně jako schopnosti změřit skutečně vysoké odběry vyžaduje snímání proudu s přispěním Rogowského cívky použití stabilního integrátoru. Ale nejen to, Rogowského cívka je obzvlášť náchylná na vnější pole, což zase koncovému uživateli umožňuje manipulovat s měřeným výkonem.

Nová generace chytrých měřidel a technologie mSure®

Chytré měřidlo musí svou funkci vykonávat přesně a po relativně dlouhou dobu, která může překročit i deset let. S vhodným návrhem a stabilitou polovodičových součástek udržíme vysokou míru přesnosti po mnoho roků. Vlastnosti senzorů však mohou natrvalo změnit okolní události typu bleskové činnosti, proudových špiček nebo přechodných napětí. Bez vyspělého diagnostického systému lze takové dopady jen stěží zaznamenat, pokud vůbec. Technologie mSure® pro diagnostiku nových měřidel, vyvinutá společností Analog Devices, umožňuje prověřit stav měřicího řetězce v reálném čase a ochránit senzor s ohledem na vlivy okolí. Technologie mSure® je vůči působení okolního prostředí odolná a prostřednictvím diagnostiky umí odhalit i manipulace.

Princip činnosti technologie mSure® zachycuje obr. 2. Standardní měřidlo pracuje v otevřené smyčce bez zpětnovazební trasy. Proudy a napětí jsou konvertovány s využitím senzorů, pak zde máme blok zajišťující zpracování, který nám vnáší zisk, a konečně vše zavádíme do analogově-číslicového převodníku, takže v digitální oblasti rovnou obdržíme data. K celkové chybě zde přispívá každá ze zmiňovaných součástí, takže vstupuje do hry koncová kalibrace sloužící ke kompenzaci počáteční odchylky a zajištění, že měřidlo setrvá v rámci požadavků na konkrétní třídu přesnosti.

Obr. 2 (jpg)

Jakmile standardní měřidlo v terénu jednou nainstalujeme, jediný způsob, jak otestovat jeho přesnost, spočívá ve fyzickém odebrání a převozu do laboratoře. Jako méně komplikovaná alternativa se pak jeví ověření vlastností nějaké výrobní várky, což ale rovněž stojí peníze. Na rozdíl od běžného měřidla bude proto systém vybavený technologií mSure® umožňovat ověření přesnosti v reálném čase přímo na místě, a to prostřednictvím komplexnějšího systému pracujícího v uzavřené smyčce, jak to opět plyne z obr. 2. Systém se v uzavřené smyčce rozrůstá o blok reference generující stabilní a vysoce přesný signál, který se zavádí do snímače. Signál nyní prochází celým měřicím řetězcem a je zachycen blokem pro detekci. Celý signálový řetězec tak bude monitorován v reálném čase, zachycuje jakékoli odchylky (např. chybu zesílení, drift apod.) a umožňuje nepřetržitou kalibraci s ohledem na jejich vyloučení. Jedna z největších výhod technologie mSure® kromě toho spočívá v odhalení podvodů. Vzhledem k tomu, že většina neoprávněných manipulací zahrnuje změnu zesílení měřicího řetězce, může mSure® takový obrat bezprostředně zaznamenat, což ovšem systém v otevřené smyčce nedokáže.

 

Technologie mSure® není nijak rušivá a lze ji aktivovat, zatímco je měřidlo v činnosti. Pro zajištění přesného odečítání hodnot bude poté příslušný blok detekovat a odečítat podíl vnesený technologií mSure® při měření výsledné energie. Přesnost měřidla tudíž závisí na přesnosti referenčního bloku. Reference má z povahy věci vyšší přesnost než snímač použitý v systému.

Autokalibrační funkci lze vyvolat kdykoli. Kalibrační data budou tvořena zesílením řetězců pro měření proudu a napětí. Technologie mSure® pak umí taková data vytěžit s velkou přesností, aniž se musíme uchýlit k jinak nákladné kalibraci. Samokalibrace začíná po připojení měřidla ke zdroji napětí. Přítomnost zátěže není povinná.

Jakmile máme chytré měřidlo vybavené technologií mSure® a nainstalované v terénu, lze jeho přesnost kontrolovat buď neustále, nebo v předem stanovených intervalech. Vykáže-li měřidlo drift, je možné opravit kalibrační data, takže energii znovu přesně odečítáme. Vládní nařízení pro standardní měřidla zatím neumožňují změnu kalibračních dat přímo v terénu. S technologií mSure® bude technická infrastruktura každopádně schopná okamžitě zasáhnout v místě, kde je to zapotřebí, a v případě rozsáhlejších zákroků může mít i přesný odhad rozdílu v energiích.

Integrované obvody pro měření energií s technologií mSure® od společnosti Analog Devices nesou označení ADE9153B [1] a také ADE9322B [2]. U nové generace chytrých měřidel pomůžou s monitorováním senzoru a také vlastní kalibrací.

Obr. 3 (jpg)

Energy Analytics Studio

Nabídka mSure® zahrnuje též i studio EAS (Energy Analytics Studio). Jedná se o cloudovou analytickou službu s podporou technologie mSure® pro ověření stavu každého měřidla, tzv. „health monitoring“, a tudíž i ochranu souvisejících tržeb. Software mSure® Manager, který běží na systémovém mikrokontroléru, reportuje data související s parametry měřidla. Četnost hlášení si může stanovit operátor. mSure® Manager umožňuje zkontrolovat stav jediného měřidla, všech měřidel spadajících do určité zeměpisné oblasti (např. tam, kde se nezvykle měnilo počasí) nebo také každého měřidla odpovídajícího konkrétní výrobní sérii.

Závěr

Inovativní technologie mSure® podporuje diagnostiku elektroměrů přímo v terénu a v reálném čase. Ve spojení s Energy Analytics Studio dokáže monitorovat stav měřidla a vyloučit přitom potřebu zásahů, pokud jde o momentální poruchu, resp. zabránit i podvodům. Výsledkem jsou ekonomické úspory napříč technickou infrastrukturou z titulu omezení ztrát na základě optimálního řízení měřidel, zatímco ještě v průměru prodlužujeme jejich servisní intervaly.

Odkazy:

[1] Obvody ADE9153B, https://www.analog.com/en/products/ade9153b.html

[2] Obvody ADE9322B, https://www.analog.com/en/products/ade9322b.html

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik