SISTEME INFORMATICE PENTRU MONITORIZAREA CONSUMURILOR DE ENERGIE ELECTRICA2 ore de curs pe saptamana: Prof.dr.ing. Constantin Srmanu1 ora de aplicatii: Prof.dr.ing. Constantin SrmanuCurs sala E - 402;Proiect sala E -411Consultatii: sala E 207Modul de evaluare: Examen - ENotare:NFE = 0,4 NE + 0,3 NA + 0,3 NT+ BUnde: NE 5 ; NA 5 ; NT 5 B < 1B = npC /nC

Bibliografie selectivaL. Nita, C.Sarmasanu, C. Fosalau Sisteme informatice pentru gestionarea consumului de energie electrica, Casa de Editura Venus, 2003H. Albert, N. Golovanov- Monitorizarea calitii energiei electrice n reelele de distribuie, Energetica, nr.12/2002M. Iordache- Calitatea energiei electrice, Editura Tehnic, Bucureti, 1997H. Albert, C. Golovanov, I. Lungu- Unele aspecte privind calitatea energiei electrice furnizate, Producerea, transportul i distribuia energiei electrice i termice, nr.11-12/2000

Contoare electronice pentru msurarea energiei electriceContorul clasic de msurare a energiei electrice i care in prezent nc deine preponderenta in cadrul instrumentelor de msurare este contorul de inducie. Acest tip de contor cumuleaz o serie de caliti ce-l recomanda in msurarea consumurilor electrice mai ales la utilizatori casnici : robustee , fiabilitate ridicata , larg interval de msurare, exactitate in determinarea produsului tensiune-curent. Paralel cu dezvoltarea microelectronicii au aprut si contoare electronice bazate pe circuite integrate , dar preul de cost ridicat al acestora i fiabilitatea mai sczuta nu a permis nc nlocuirea totala a vechiului tip de contor de inducie.

Pentru a mbina avantajele contorului de inducie cu avantajele tehnicii numerice s-au dezvoltat contoare hibride ce pstreaz principiul de msurare prin inducie , dar informaia de msurare este convertita numeric pentru a fi compatibila cu sistemele de prelucrare numerice. Conversia analog/numerica a cantitii de energie consumate se realizeaz printr-un optocuplor ce determina numrul de rotaii ale discului contorului de inducie.

Implementarea contoarelor de msurare a energiei in tehnica integrata permite realizarea unor funcii complexe de msurare ce sunt dificil de realizat la un contor de inducie :posibilitate de programare, pe un an, a sezoanelor si tarifelor difereniateafiarea unui volum mai mare de informaii : valori maxime de putere, goluri de sarcina , energia consumata pe diverse perioade , etc .msurarea unui numr mai mare de parametri:defazajului ntre curbele de curent si de tensiune;calculul spectrului de putere ;coeficientul de distorsiune ;defazaje intre armonici, etc. msurarea in cele 4 cadrane a puterilor i energiilor active, reactive si aparente;posibilitatea realizrii unor funcii de autocontrol , autocalibrare , afiarea unui set de mrimi de control in cazul unor funcionri incorecte protecie mpotriva ncercrilor de frauda, funcie de alarma in caz de avarie posibilitate de programare din exterior prin intermediul unor interfee standard;posibilitatea comandrii unor relee funcie de valorile de energie sau putere consumate .

Aceste avantaje oferite la un pre ce scade de la un an la altul fac avantajoasa ideea nlocuirii contoarelor de inducie cu noile tipuri electronice. Tehnica integrrii circuitelor permite nglobarea intr-un singur circuit integral, microprocesor sau microcontroler a ntregii aparaturi de msurare i control a energiei electrice . Aceasta integrare conduce la soluii ieftine , fiabile si extrem de flexibile prin microprogramare. Aceasta flexibilitate permite dezvoltarea de algoritmi specifici pentru calculul diverselor mrimi ce caracterizeaz semnalele de msurare, algoritmi care sa minimizeze pentru fiecare parametru sursele de erori specifice .

Pentru msurarea energiei consumate, un contor trebuie sa ndeplineasc doua funcii obligatorii: msurarea puterii integrarea acestei mrimi in timp.n funcie de modul cum se realizeaz msurarea puterii, contoarele electronice se pot clasifica doua grupe :contoare electronice cu multiplicare analogic;contoare electronice cu multiplicare numerica;

Contorul electronic cu multiplicare analogic Contorul electronic cu multiplicare analogic realizeaz nmulirea ntre mrimile tensiune si curent necesara in calculul puterii prin intermediul unui circuit de multiplicare analogic. Mai nti, cele doua semnale sunt translatate in domeniul +5 V prin intermediul convertoarelor de intrare.Considernd mrimile de intrare (tensiunea i curentul) de variaie sinusoidala:u(t) = 1.41 U sin t (1) i(t) = 1.41 I sin (t - ) (2)Dup convertoarele de intrare se obin semnalele : U1(t) = KU U sin t (3) I1(t) = Ki I sin (t - ) (4)unde Ku , Ki sunt coeficienii de proporionalitate.

Schema bloc a unui astfel de contor este prezentata in figura de mai jos:

Multiplicatorul analogic furnizeaz la ieire o tensiune Um(t) proporional cu produsul valorilor instantanee ale mrimilor aplicate la intrarea sa :

Um(t) = KmU(t)I(t) = Km x Ku x Ki x u(t) x i(t) (5)

Km fiind constanta multiplicatorului

Introducnd relaiile (3) i (4) n expresia (5) i innd seama ca : sin - sin = (cos( - ) cos ( +)) / 2 se obine :Um(t) = K1 UI cos K1 UI cos(2 t + ) (6)unde s-a notat cu K1 produsul K1 = Km x Ku x Ki.Filtrul trece-jos mediaz semnalul pe o perioada nT aleasa multiplu al perioadei semnalelor iniiale :

Up(t) = K2 x cos = K2 x P(8)unde s-a notat cu P puterea activa. Relaia (8) evideniaz faptul ca tensiunea continua obinut la ieirea filtrului trece-jos este proporional cu puterea activ.

Acest semnal este convertit numeric de ctre CAN care, de obicei, este de tipul tensiune-frecventa . Frecventa impulsurilor de ieire este proporional cu tensiunea Up Fp = KCAN x Up = K3 x P (9)Frecvena impulsurilor este direct proporional cu puterea activa P, deci daca se msoar aceasta frecventa cu un frecvenmetru digital se obine un wattmetru .Numrtorul de impulsuri totalizeaz impulsurile furnizate de CAN n intervalul de msur T = T2 - T1 si suma este transmisa la afiaj :(10)

n relaia (10) Wa este energia electrica activa transmisa in intervalul T2 - Tl , iar factorul Kc reprezint constanta contorului.

Proprietati:

Precizia acestor tipuri de contoare este relativ sczuta , fiind limitata de precizia multiplicatorului analogic. Un alt dezavantaj l constituie faptul ca nu se furnizeaz nici un fel de informaie referitoare la curbele de curent i tensiune, nu poate msura energia reactiv sau defazajul.

Contorul electronic cu multiplicare numericContoarele electronice cu multiplicare numeric cu schema de principiu:

pot fi ntlnite n dou tipuri constructive:cu dou convertoare analog-numerice ( cate unul pe fiecare canal ) cu un singur CAN i multiplexor ConvertorIntraretensiuneConvertorIntrarecurent

CAN

CANmicroprocesorRegistreMemorieAfiareU(t)I(t)

Schemele bloc ale contorului cu multiplexare numerica:Convertor intraretensiuneConvertor intrarecurentCircuitEantionarememorareCircuitEantionarememorareCANCANmicroprocU(t)I(t)U(t)I(t)afisareSPTDSPTD

Prima varianta este mai economica din punct de vedere al convertoarelor analog/numerice, n schimb, utilizeaz un multiplexor in plus si circuitele de eantionare-memorare trebuie sa memoreze tensiunea de intrare un interval de timp mai mare. In practic sunt prezente in mod echilibrat ambele tipuri de contoare .Din punct de vedere functional contoarele electronice cu multiplicare numeric asigur mai nti conversia numeric a mrimilor de intrare (tensiune i curent) , efectueaz multiplicarea numerica a eantioanelor obinute i realizeaz integrala in timp a produsului folosind metode de prelucrare numeric. Prezint o precizie mai buna ntruct multiplicarea numeric este mai precis dect cea analogic i asigura in acelai timp accesul la mrimile de intrare pentru obinerea de informaii complexe de msurare (parametrii de calitate de exemplu) .

Particulariti la msurarea lui P i W pe cale numericMrimile P (putere) i W (energie) se obin prin tehnic de calcul numeric, care poate fi realizat cu diverse multiplicatoare numerice, cum sunt cele de tip MAC (multiplicator - acumulator) sau direct cu procesor de semnal. Tensiunea U i curentul I care intr n expresia puterii sunt mai nti eantionate cu o rat convenabil (100 500 eantioane/perioad), dup care eantioanele respective sunt numerizate (CAN), iar n final sunt introduse n blocul de calcul numeric. Pe baza eantioanelor numerizate se calculeaz valorile efective ale lui U i I precum i puterea P ca mrimi primare, iar celelalte mrimi (Q,S, cos ) se determin pe baza lui U, I i P.

Valorile efective ale lui U i I se calculeaz cu relaiile :

n care n este numrul de eantioane pe o perioad T, uK i iK sunt nlimile eantioanelor respective, iar a i b sunt factori de scar.

Puterea activ P se calculeaz cu relaia:

n care c este factorul de scar.Puterea aparent S se determin cu relaia S = U Icos cu relaia cos = P/UIPuterea reactiv se determin astfel Q = (S2-P2)1/2n fine, pe baza lui P si Q calculate cu se poate determina i energia activa (W) sau reactiva (Wa) consumat de un receptor ntr-un interval de timp

Wattmetre si contoare numerice pentru monofazat Schema de principiu a unui wattmetru numeric monofazat PLLPAFIAREIUN1= prop. PN2= prop. W

Se observ c baza de timp (ceasul) microprocesorului este sincronizat pe frecvena reelei cu ajutorul unui circuit PLL, sincronizare utilizat i la comanda celor dou circuite de baz : eantionare (SH) i conversie analog numeric (CAN).Calculul puterii P si a energiei W este efectuat de ctre microprocesor (P) dup relaia iar ecuaia de funcionare a wattmetrului respectiv contorului este de forma:N1 = m1 x P, unde : N1 numrul afiat; m1 - sensibilitatea wattmetrului.N2 = m2 x P, unde : N2 numrul afiat; m2 sensibilitatea contorului.

Schema tehnologic a wattmetrului/contorului numeric este prezentat n figura de mai jos, unde CCT/AI (convertor curent tensiune/amplificator) i DT/AU (devizor de tensiune/amplificator) sunt condiionoare de semnal, iar celelalte notaii au semnificaia de mai nainte.

Erori specifice:Erorile la calculul lui U, I , P, W, Wa provin aici, din faptul c acestea sunt calculate pe baza semnalelor recompuse din eantioane numerizate. Aceste erori pot fi aduse la un nivel suficient de redus dac rata de eantionare la blocurile S/H este suficient de ridicat (minim 100 200 eantioane/perioada T a lui U i I) i dac rezoluia CAN este suficient de bun (de ex. 12 bii). Cu aceste precauii, erorile de prelucrare numeric (eantionare, conversie) pot fi aduse sub 0,05% la msurarea lui U i I i sub 0,1% la msurarea lui P, W, Wa Un exemplu de astfel de instrument este wattmetrul numeric monofazat de tip CA 8210 la firmei Chauvin Arnoux (Frana) care permite msurarea urmtoarelor mrimi: U, I, P, S, Q, cos , f. Ca performane, enumerm: Un = 600V; In = 1000 A (prin clete ampermetric), f = 30 1000 Hz i o precizie de 0,8% la msurarea lui U i I i de 0,5% la msurarea lui f.

WATMMETRE I CONTOARE NUMERICE PENTRU TRIFAZAT Wattmetrele i contoarele electronice trifazate pot fi cu multiplicator static cu P, iar ca form de prezentare sunt contoare (de tablou sau de laborator) ce au i funcionalitate de wattmetru, cu afiare pe un afiaj comun (tip LCD).Contoare trifazate cu multiplicatoare electroniceSe construiesc att n varianta de laborator (serie mic) ct i n cea de tablou (serie mare) i sunt utilizabile fr modificri n configuraii cu 4 sau 3 fire. Contoare trifazate de laboratorAcestea sunt la baz contoare cu 3 echipaje (multiplicatoare), pot funciona n configuraie cu 4 fire, ct i n cea cu 3 fire i pot msura putere i energie activ, precum i putere i energie reactiv, adic sunt mai versatile dect contoarele electromecanice. Ca trstur de baz au precizie foarte bun (clasa 0,1) i servesc la etalonarea i verificarea contoarelor electromecanice, motiv pentru care se mai numesc i contoare etalon. Precizia nalt a acestor contoare se datoreaz multiplicatorului folosit (MAD).

Schema de principiu a unui astfel de contor este prezentat mai jos:

M1, M2, M3 sunt multiplicatoare de tip MAD, un sumator de tensiuni, iar CTF un convertor tensiune frecven.Se observ c intrrile de curent i de tensiune la cele trei multiplicatoare se face prin transformatoare de msur (exist i variante mai recente n care transformatoarele respective sunt nlocuite cu amplificatoare de izolaie). Aparatul are i funcionalitate de wattmetru ca i contorul electronic monofazat, iar afiajul este comun.Modul de lucru : conexiunea cu 3 fire pentru receptoare n stea sau n triunghi, poate fi selectata de ctre operator (taste) prin blocul de comand (BC). Aparatul dispune i de semnalizare a sensului de circulaie a energiei spre receptor sau invers ( - sau +), ns din motive de claritate circuitul respectiv a fost omis din schem. n fine, alimentarea aparatului se poate face de la reea (BA) sau de la baterii.

Avantaje

Principalele avantaje ale acestui contor sunt :precizie nalt (clasa 0,5 sau 0,1)rspuns corect i n nesinusoidal.rspuns corect i n regim dezechilibratinsensibilitate la vibraii i la poziiiversatilitate mare (poate msura P, Q, W, Wa n toate configuraiile de baz din trifazat, precum i n monofazat)consum propriu foarte redus, ceea ce permite alimentarea mixt (reea i baterie).

Contoare electronice trifazate de tablou Aceste contoare au aproape aceeai schem ca i cele de laborator, cu deosebirea c multiplicatoarele sunt cu transconductan variabil (mai simple i mai ieftine dect cele de tip MAD) i au o precizie mai redus (clasa1).Parametrii de calitate sunt aproape aceeai ca i la contoarele de laborator, cu excepia preciziei care este mai sczut: clasa 0,5 (mai rar 0,2) i clasa 1 (CEI 1036), din motive legate de optimizarea raportului performane/cost.Ca arhitectur (exterioar i gabarit) sunt asemntoare cu cele trifazate de inducie i pstreaz aceeai numerotare la plcua de borne.Exemplu de realizareContorul electronic trifazat de tablou SPECTRA A12E al firmei Schlumberger permite msurarea energiei active i reactive n ambele sensuri (+, - ), puterilor P, Q i S, a factorului de putere, precum i a energiei electrice vndute. Mai permite i monitorizarea prin Master sau PC , interfata RS 232 ieire pentru conectare la un modem telefonic pentru integrare ntr-un sistem automat si ieire serial pentru magistrala de date care permite afiarea datelor msurate direct pe PC ul consumatorului. Precizie : cl. 0,5 sau cl. 1 la msurarea energiei active i clasa 1 la msurarea energiei reactive.

Contorul de tablou A 12 E poate lucra i n regim de monitorizare tip master slave, n asociere cu un aparat de telemsur numit telemsurtor, aparat de tablou ca i A 12 E. Exemplu: telemsurtorul METS MD 12 Schlumberger Aparatul este un telemsurtor multitarifar programabil, fiind i jurnal de date. Este utilizat la colectarea, prelucrarea, afiarea i transmiterea datelor de facturare de la 4 12 contoare. Datele de la contoare sunt recepionate sub form de impulsuri de frecven proporional cu energia (0,1 Wh/impuls, de ex.), emise de ctre contoare.Aparatul acesta se utilizeaz n staii de distribuie precum i la marii consumatori alimentai din mai multe puncte. De asemenea el poate urmri, simultan, att energia importat ct i cea exportat. n afar de telemsurare, METS MD 12 permite i arhivarea datelor msurate ntr-o memorie nevolatil i deci pstrarea acestora i n cazul defectrii aparatului. n fine, datele pot fi citite pe afiajul aparatului sau la distan pe un calculator IBM PC cuplat prin modem i fir telefonic.

Contoare trifazate cu procesor de semnal Se pot construi n dou variante : contoare de tablou contoare de teren (analizoare de energie)Avantaje:Sunt mult mai versatile (i mai uor integrabile ntr-un sistem condus de PC) dect contoarele trifazate cu multiplicatoare statice.Datorit microprocesorului, pot monitoriza i ali parametri care permit o exploatare mai raional a reelelor trifazate precum i obinerea de date utile la proiectarea unor reele noi.

Parametrii suplimentari ce pot fi obinui de la un contor cu P sunt:Tensiunea echivalent (UE) a sistemului trifazat simetric

unde U12, U23, U31 reprezint tensiunea dintre fazele cu indicii respectivi. 2. Curentul echivalent (IE) al sistemului trifazat simetric :

n care SE= S1 + S2 + S3 reprezint puterea aparent echivalent a reelei trifazate.

3. Factorul de putere echivalent:

4. puteri active medii pe faz:

5. puteri reactive medii:

6. puterea activ medie a reelei trifazate:

7. puterea reactiv medie a reelei trifazate:

Contoare numerice trifazate de tablou Schema de principiu a unui asemenea contor este urmatoarea:

Contoarele numerice trifazate (ca i cele monofazate) au la baz un procesor de semnal (P) de 12 sau 16 bii ntr-o schem similara cu deosebirea c aici intervin 3 intrri de curent i 3 de tensiune, n schem MUX este un amplificator analogic, iar celelalte notaii au semnificaia corespunztoare wattmetrului numeric monofazat.Procesorul de semnal (P) calculeaz mrimile primare U, I, P cu relaiile cunoscute precum i mrimile calculabile pe baza acestora : S, cos , Q, etc. Ecuaia de funcionare ca wattmetru este de forma :N = m x Piar la contor : N = m x Wn afar de calculul mrimilor de putere i energie , procesorul P asigur i comenzile blocurilor componente ale aparatului (schimbarea automat a gamelor, schimbarea paginilor de afiare, comenzile convertoarelor), gestioneaz calendarul i tarifele multiple, precum i legturile cu exteriorul.Exemplu de contor de tablou cu P Contorul 3710 ACM al firmei canadiene Power Measurements, ce permite: efectuarea tuturor msurtorilor standard n trifazat; captarea formei curbei tensiunilor i curenilor de pe faze n vederea analizrii: (distorsiuni, analiz armonic) ulterioare a acestora pe un PC. De asemenea, dispune de interfa de comunicaii (RS 232 / RS 485), precum i de o ieire de semnal unificat: 0.20 mA.

Contoare de teren cu P Au la baz o schem similar contorului electronic trifazat la care se adaug unele funcionaliti suplimentare pentru prelucrarea pe termen lung, precum i pentru analiza armonic a curentului i tensiunii. n plus, fiind aparate de teren, sunt prevzute cu cleme i cleti ampermetrici, pentru a putea efectua msurri cu reeaua trifazat n funciune. n titulatura de catalog, astfel de aparate se mai numesc analizoare de energie. Practic, toate marile firme productoare de aparate de msur pentru electroenergetic au scos i cte cel puin un model de analizor de energie.Exemplu de realizare. Analizorul de energie PROWAT 3 CHAUVIN ARNOUX (FRANA)

Acest aparat :este n ntregime programabil, are afiaj LCD pe pagin;permite msurarea valorilor momentane (U, I, P, Q, W, Wr), permite msurarea valorilor medii ale (U, I, P, Q, W, Wr), permite i memorarea datelor msurate,permite nregistrarea unor funcii, n special curbe de sarcin pe un nregistrator extern sau pe un PC (ieire RS 232). dispune de patru ieiri de semnal unificat (420 mA).