Transcript MONIT_ENERGIEI - Universitatea"Petru Maior"

SISTEME De MONITORIZARE
A ENERGIEI
Ágoston Katalin
Universitatea “Petru Maior” Tg.Mures
De unde apare necesitatea
introducerii unui sistem de
monitorizare a energiei?
•Reducerea consumurilor de energie
•Aplatizarea curbei de sarcină
•Decontarea pe baza consumurilor reale
a energiei consumate
•Prevenirea situaţiilor de depăşire accidentala
a consumurilor contractate pe intervalele
Elemente de implementare a
sistemului
•Sisteme de achiziţie a datelor
•Contori de energie electrică
•RTU –uri de monitorizare a consumurilor energetice
(unităţi de calcul în timp real)
•Concentratori de informaţie
•Staţii centrale de contorizare/monitorizare
•Software de optimizare/monitorizare consumuri
de energie
Sisteme De Achiziţii De Date
Fenomen: -tensiune
-curent
-putere (P, Q, S, D)
-factor de putere (cos )
-energie * electrică
* termică (măsurarea temperaturii)
Senzori: -traductor de tensiune
-traductor de curent
-traductor de temperatură
Prelucrarea semnalelor: -adaptare de nivel şi de impedanţă
-multiplexare
-efectuarea unor operaţii matematice
(calculul valorii efective, înmulţire, împărţire, extragere de
radical – cu circuite specializate integrate)
Elemente de execuţie: -contactor, comutator
- motoare, generatoare, condensatoare
-ventile
Procesare comenzi: -conversie digital-analog
-demultiplexare
-amplificare
-realizarea circuitelor de putere
Calculator,  P,  C: -leagă şi comandă toate elementele sistemului
de măsurare
-conţine generatorul de tact, ceas, baza de timp
-prelucrare numerică a semnalelor
-afişarea datelor, semnalelor de avertizare
-transmiterea şi/sau recepţionarea datelor
-trimiterea comenzilor
Senzori de Tensiune
Caracterizat prin: *puterea nominală secundară
*clasa de precizie
*supradimensionat pentru solicitări termice
*funcţionează în gol (Rv f. mare)
Divizoare de tensiune rezistive
Divizoare de tensiune inductive
Senzori de Curent
•căderea rezistivă de tensiune
•câmpul magnetic generat
1.
2.
3.
4.
Transformator de măsură de curent
Sesizare magnetică cu senzor Hall
Convertor curent-tensiune
Sesizare rezistivă
Transformator de curent
i1 N1  i2 N 2
•Supradimensionat pentru solicitări
termice şi de curent
•Funcţionează în scurtcircuit
•Nu are voie să funcţioneze în gol
•Fenomenul de saturaţie mai mic decât
în c.c.
Sesizare magnetică cu senzor Hall
Izolare galvanică
B
0 I
2d
Senzor magnetorezistenţă gigant – GMR
pentru cablaje imprimate
sensibil pentru câmpuri parazite
U out  U Hall
BI
 RH
g
Convertor curent-tensiune
pentru curenţi mici (pA)
Sesizare rezistivă
U
I
R
•Căderea de tensiune pe rezistenţa
•Puterea disipată P=I2·R
•Rezistenţa parazită serie
•Scurgeri de curent la R mari
•Autoâncălzire – neliniaritate
•Efecte dinamice – dependenţă de
frecvenţă
Senzori de Temperatură
Termorezistenţe
R  R0 1  T T  T0 
-T coeficient de variaţie a rezistivităţii mare
-R0 rezistenţa nominală mare
-liniaritate bună a caracteristicii
-stabilitate în timp şi la agenţi chimici
Pt100 şi Pt1000
•rezistivitate: 0,1mm2m.
•domeniu de temperatură -200C +850C
•etaloane de temperatură 0  600C
Pt100
R=100
la 0C
R=138,4
la 100C
R=0,384 T=1C
T0,00385C
Circuite de măsurare cu termorezisteţe
Metoda de punte (tip Wheatstone )
-echilibrat
-dezechilibrat: U  E  RT
2 
RT 
1 

 2RT 0 
IEX -generator de curent constant
V -voltmetru sau circuit electronic (amplificator)
RL -rezistenţele firelor de legătură
Termocupluri
efectul termoelectric direct sau
efectul Seebeck
Proprietăţi:
•sensibilitate, stabilitate în timp
•nu prezintă tensiuni de offset
•domeniu de utilizare mare care
depinde de materialele uilizate
•tensiune de ieşire f. mică (V,mV)
•sensibilitatea scade la temp. mici
•temp. joncţiunii reci f. constant
•fire de legătură prea lungi produc
căderi suplimentare de tensiune
•teaca de protecţie scade sensib.
şi măreşte timpul de răspuns
•func. nu este infl. de factori externi
doar de zgomote termice interne
E  aT1  T2   bT1  T2   cT1  T2   ...
2
3
Utilizarea, construcţia termocuplurilor se face pe baza unor legi:
1 Legea circuitului omogen: într-un circuit omogen (conductoare de aceeaşi
natură) nu apare tensiune electromotoare, indiferent de diferenţa de temperatură
dintre diferite puncte. Acesta permite utilizarea unor conductoare de legătură
2 Legea metalelor intermediare: într-un circuit izoterm (T=ct.) nu se generează
tensiune termoelectromotoare indiferent de natura elementelor care formează
circuitul. Aceasta permite ca lipirea conductoarelor să se facă cu un alt material,
respectiv ca joncţiunea rece să fie formată şi din circuitul de măsurare, cu
condiţia ca elementele să fie la aceeaşi temperatură.
3. Legea metalelor succesive: tensiunea termoelectromotoare generată de un termocuplu format din conductoarele A şi B este egală cu diferenţa tensiunilor
termoelectromotoare generate de termocuplele formate din conductoarele A şi C
respectiv C şi B, cu condiţia ca diferenţa de temperatură a joncţiunilor să fie
aceeaşi. Pe baza acestei legi se face etalonarea termocuplurilor.
4. Legea temperaturilor intermediare: tensiunea termoelectromotoare obţinută pentru
diferenţa de temperatură T2 – T1 este egală cu suma tensiunilor termoelectromotoare obţinute pentru diferenţele de temperatură T2 – T3 şi T3 – T1 .
Aceasta permite realizarea corecţiilor la schimbarea temperaturilor de referinţă.
T2 – T1 =(T2 – T3)+(T3 – T1).
LEGAREA TERMOCUPLELOR ÎN CIRCUIT
Depinde de: *natura metalelor componente
*distanţa dintre punctul de măsurare circuitul de prelucrare
*modul de menţinere şi sesizarea temperaturii joncţiunii reci
1.Dacă aparatul se află la d2m şi T=ct. firele se prelungesc: din aceeaşi material,
sau din materiale de mare conductivitate
Termostatarea se face la: 0C apă-gheaţă
20C ulei
ET1T0   ET1Tm   ETmT0 
2.Dacă distanţa până la aparatul de măsură este mare se folosesc fire de extensie.
3.Utilizarea unui termocuplu identic
4. Utilizarea unei termorezistenţe sau a unui termistor
U 12  E 
RT  R4
RT  R2 R3  R4 
U T  U TC  U12  kT1  Ta   T0  Ta   k T1  T0 
CONTOARE STATICE
•Permit decontarea comercială a consumului
de energie electrică
•Asigură funcţiuni auxiliare de taxare, avertizare
a limitelor de consum prestabilite
•Permit teletransmisia datelor prin protocoale
standard: M-BUS, IEC870-5-102(STOM), DLMS,
•Prezintă clase de precizie bune, stabilitate ridicată,
o durată de viată garantată până la 20 de ani
CONTOARE STATICE
Procesor de semnal DSP (Digital Signal Procesor):
•convertoare A-D
•memorii RAM şi ROM
•soft minimal pentru prelucrarea seriilor de date, aplicarea transformatei Fourier
Avantaje: *modularitate
*posibilitate de autocalibrare
*flexibilitate, posibilităţi de dezvoltare
FACILITĂŢILE CONTOARELOR STATICE
HARD
•DSP destinat calculelor de P şi E
•programare din exterior
•interfeţe de măsurare în patru cadrane
•măsurare simultană a P,Q,S, WP,WQ,WS
•comenzi
•posibilităţi de extindere
SOFT
•programare a sezoanelor, tarifelor
•programarea constantelor
•afişare multiplă şi în buclă închisă a
diferitelor mărimi
•afişarea mărimilor de control
•protecţie împotriva efracţiei
FUNCŢIONAREA
CONTOARELOR STATICE
t
W   Pdt
2
t1
T
T
T
1
1
1
P   pt dt   u t it dt   2U ef sin t    2 I ef sin t   dt
T0
T0
T0
P  Uef I ef cos Uef I ef cos2t     
Q  Uef I ef sin 
S  U I *  P  jQ
În regim deformant – curent distorsionat – armonici de curent – putere deformantă

D  S 2  P2  Q2

STRUCTURA CONTOARELOR STATICE
Cu multiplicare analogică


Um t   km Uef I ef cos Uef I ef cos2t     
nT
nT
1
1
U 0  kF
U m t dt  k F
km pt dt  K F P


nT 0
nT 0
Structura contoarelor statice cu multiplicare analogică
Convertorul A/D este de tipul tensiune-frecvenţă 
f x  kCADU 0  kCAD K F P  kc P
Numărătorul totalizează impulsurile transmise într-un interval de timp
t2
t2
t1
t1
N   f x dt   kc Pdt  kcW
Multiplicatorul: - cu efect de Hall
- cu transconductanţă
- cu modulare durată-amplitudine
- circuite integrate specializate
Circuite de multiplicare 1
Circuite de multiplicare cu efect Hall
U m t   U Hall
BI
 RH
 kmu t it 
g
B  ki it   ki 2 I ef sin t   
I  ku u t   ku 2U ef sin t   
Circuite de multiplicare 2
Circuite de multiplicare durată-amplitudine
T

1
1
U m   U a dt   U a dt  U a
T 0
T 0
U a  i t 
  u t 
Circuite de multiplicare 3
Multiplicator analogic cu circuit integrat specializat
Structura contoarelor statice cu multiplicare numerică 1
Structura contoarelor statice cu multiplicare numerică 2
Winst t    p t dt  t   u ti i ti 
t – interval de eşantionare
N – numărul de eşantioane
N 1
N 1
4
2
 2i
  2i
 2
 4i

Winst t  
UI  sin
   sin

UIN cos 
UI  cos
   
k i 0  k
k i 0
  k
 k
 k

Contoarele ALPHA
TIPURI: *A1D - energie activă şi putere activă maximă
*A1T - energie activă şi putere activă maximă cu multitarifare
*A1R - A1T + energia reactivă şi Q maximă
*A1K - A1T + energie aparentă şi S maximă
Plăci suplimentare - mărimi suplimentare de măsurare
- funcţii complexe
- contorizare în patru cadrane
- înregistrarea curbei de sarcină
- diagramă fazorială
Opţiuni: - plăci cu relee (pt. cuplare, decuplare, avertizare, furnizare impulsuri)
- interfaţă pentru citire sau reprogramare de la distanţă
AFIŞAJ
•Afişarea mărimilor măsurate – 6 cifre
•Indentificatori numerici ai cantităţilor afişate – 3 cifre
•Indicatori Alpha
•Indicatori ai modului de operare: - normal
- alternat
- test - contorului fără modific. datelor
•Indicatori de prezenţă tensiune pe faze
•Indicatori de impulsuri pentru sensul energiei
•Indicatori de sfârşit de interval de integrare a puterii
Autodiagnosticare – rutină internă de diagnoză
– generează coduri de eroare şi de atenţionare
Citirea, programarea contorului prin soft - EMFPLUS
Cuplor optic + portul serial RS232
•Nr. de identificare a contorului
•Constantele
•Data citirii
•Nr. căderilor de tensiune şi durata ultimei
•Toate datele măsurate pe zone de tarifare
•Date din citirile anterioare
•Sensul indicatorilor Alpha şi a identificatorilor numerici
•Date programate: divizarea zonelor de tarifare, a sezoanelor,
modul de memorare, modul de apariţie a datelor la citire
Legarea contorului
m=3 faze, n=2 elemente
Ptot  P1  P2  U12 I1 cos1   U32 I 3 cos3 
Q  3 P2  P1 
Q
tg 
P
t2
W   Ptot dt
t1
t2
Wr   Qdt
t1
Legarea contorului
m=4 faze, n=3 elemente
P  U10 I1 cos1   U 20 I 2 cos2   U30 I 3 cos3 

Q  ImS  S
 
 S  ImU

I 
P  Re S1  S 2  S3  Re U10 I1*  U 20 I 2*  U 30 I 3*
1
2
3
*
*
I

U
I
10 1
20 2  U 30
*
3
Prin 3 transformatoare de curent şi direct pe tensiune
Transmitere la distanţă
Contoarele tip ZxD
Interfete integrate
ZMD310CR/AR
ZFD4xxCR/AR
ZMD4xxCR/AR
Module interschimbabile
ZMD310CT/AT
ZFD4xxCT/AT
ZMD4xxCT/AT
Date tehnice ale contorilor familiei
ZxD4YY
Domeniul de tensiuni si curenti
ZFD405...
ZFD410...
ZMD405...
ZMD410...
5 (120)A
5//1A
5 (10)A
1 (2)A
2 (4)A
3x400V
3x220V
3x100V
3x230/400V
3x127/220V
ZMD310...
Domeniul de
tensiuni
3x58/100V

(Numai Seria 2 )
Posibilitati de comunicare
ZMD405CR44.0257.xx
Interfete integrate
(Meter-Type R)
ZMD405CT44.0257.xx
Module interschimbabile
(Meter-Type T)
GSM Module
PSTN Module *
RS485 Interface
RS232 Interface
CS Interface
M-Bus
G1
G2
G3
G4
G5
M1
M2
M4
D2
B1
B2
B4
A1
A2
A4
A5
* /V22b, V34b
c1
c2
c3
2 Pulse Inputs S0
Structura interna a contorului
Reset
Calendar Clock
Time Switch
Ut
I1
I2
I3
U1
U2
U3
N
Control
Inputs
A/D Calibration
A/D
Microprocessor
Signal
Utilization
Tariff
Control
Power supply
Memory
Load-Profile
LCD-Display
Optical
Interface
Interface
Board
Signal
processing
Measurement
System
Voltage
Supervision
Data
for
Billing
Display
Keys
Output
Contacts
Extension
Board
Inputs
Outputs
RCR
Add. PS
Test
Diodes
Communication
Unit with
Impulse-Inputs
Principiul de procesare
A/D
Converter
Ix
Analogue
Input
Signals
Ux
Digital
Filter
Calibration i
i
u, i: calibrated instantaneous values
for voltage and current
A/D
Converter
Digital
Filter
Calibra- u
tion u
i2
u2
p  ui
p  u*  i
p:
q:
u*:
tn:
instantaneous active power
instantaneous reactive power
voltage displaced by 90°
zero passage time
tn
Formation of mean values per second
Digital
Values
Ix
Ux
Px
Qx
u
 u-i
fn
RTU-uri pentru controlul sistemului şi
monitorizarea consumurilor
Sistemul SIMEAS P:
Utilizat pentru consumatori echilibrati
/dezechilibrati
Protocoale m-bus sau Profibus-DP
In configuratia standard dispune de 2
relee pentru iesirea in impulsuri/
respectiv pentru semnalizarea depasirii
limitelor setate
Tensiunea rms /faza
Curentul rms / faza
Puterea activa/ reactiva / aparenta
precum si factorul d eputere / faza,
precum si cel global
Factorul de distorsiuni: THD
Structura unui sistem de măsurare
şi monitorizare
Alimentare sectie
Trad
Trad
…
Alimentare sectie
Trad
Trad
Trad
…
Trad
Trad
Trad
…
Trad
RS485
RTU comenzi
manual / automat
RTU comenzi
manual / automat
RS485
RTU
PSE
Contor Contor Contor
Contor
Zona decontare cu ELECTRICA
Aplicatie energetica
Siemens PSE
(PC cu Win2000)