ení inné energie statickými elektrom ry i rychlých zm nách mezi odb rem a dodávkou

Transkript

1 ení inné energie staticými eletromry i rychlých zmnách mezi odbrem a dodávou Jií Drápela Vysoé uení technicé v Brn aulta eletrotechniy a omunianích technologií Ústav eletroenergetiy

2 Úvod inná energie Pro bžné poteby nás zajímá vývoj prchozí energie v ase oddlen spotebovaná a dodaná v tífázovém systému pes jednotlivé fáze eny jsou nestacionární naptí a proudy snímány pevodníy neideálních parametr digitalizovány pevodníy onených parametr a procesovány metriou eletromru zprostedující záladní funcionalitu v intencích chtných a oeávaných výsled. Konstruce a metria eletrom v zásad odpovídá oeávaným vlastnostem parametrm vstupních pracovních a dalších ovlivujících signál V tomto ontextu jsou eletromry podrobovány i typovým zoušám a ovením Typové zoušy ale nezaruují funní vyzrálost a správnost mení i pi jiných než referenních testech. Problémem je zejména: Vhodnost relevantnost nterých typových test teré mají provit správnou funci a tedy technicy dobré ešení schopné zajistit spolehlivý výslede a vlastní funnost eletromru pi jiných obdobných v síti reálných podmínách Vývoj rušení typy úrovn atd. v sítích t N PR t T PR p t dt t N PR t T PR u t i t dt itom znaným problémem testování je mící schéma eletromru dy od vstupu pístroje je první sute použitelnou veliinou integrované vantu energie z impulsních výstup nebo z displeje 2

3 Staticé eletromry v podmínách ativních sítí rozptýlené zdroje se staticými mnii velé množství polovodiových mni ízení spoteby atd. vyazují odchylu od jejich oeávané funce tzn. mení a registrace energie inné a dalších v definované toleranci. Odchyly jsou výsledem odezvy onstruce a metriy eletrom na signály teré penos ené energie v onrétním míst doprovází. Zmené hodnoty prchozího výonu a tedy energie se pa v reálných podmínách mohou lišit více než o aceptovatelnou /pedpoládanou odchylu od one správných hodnot. itom všechny eletromry jsou dle platné legislativy stanovenými midly s platnou typovou zoušou a ovením. Prezentace je zamena na správnost záznamu inné energie do dodávového a odbrového registru za podmíne teré pedstavují náhodné nebo i periodicé pechody mezi odbrem a dodávou v místech teré realizují výrobu a souasn spotebu eletricé energie. Odbrná místa na hladin NN provozující zdroj: nejastji V typicy v režimu zeleného bonusu nebo tzv. mirozdroje pipojované na oznámení teré zavádí novela nergeticého záona S omezením na mení a registraci inné energie ve vazb na standardní onstruci a metriu eletrom. 2 N letromr zeleného bonusu letromr IR S HDO ~ Stída = PV panely SMPS ~ =... Úvod Zátže

4 Bloové principiální schéma jednofázového staticého eletromru Standardní onstruce a metria staticých eletrom ~ = PS T PROM CAS CT IN R B /2 R P C P OUT ' IN N IN R DH R B /2 RD R P C P R P C P A/D MPU Display uc Interface driver Display D IR_RX N OUT R P C P Y CK RD D D D IR_TX Napájecí zdroj: Transformátorový s usmovaem dnes obvyle apacitní s usmovaem výjime spínaný zdroj evodníy: evodní naptí: - odporový dli se vstupním odporem obvyle M; Pevodní proudu: - proudový transformátor s definovanou zátží - odporový boní - Hallv sníma Anti-aliasingové filtry: Shodné pro všechny vstupy; Pizpsobení frevenního rozsahu vstupních signál vzorovací frevenci A/D pevodníu; Obvyle filtry. ádu A/D pevodní: Digitalizace signál s pevnou vzorovací frevencí Výsledná vzorovací frevence v rozsahu obvyle od 6 do 64 Hz Mohou být použity i evodníy s ádov vyšší vzorovací frevencí a následným down-samplingem up jednota <- metria eletromru: Implementována metria eletromru; Mže být i jao proprietární H ešení integrující MCU s A/D a nterými prvy interface do jednoho obvodu Interface: Obsluha a provedení opticého a eletricého zušebního výstupu; Obsluha: nezávislé pamti displeje omunianího rozhranní 4

5 Signálové schéma jednofázového staticého inného eletromru Standardní onstruce a metria staticých eletrom egend: Analog signal transfer Digital signal transfer Not mandatory Alternativelly r+ r- 8 7 > D t C 2 2 T IMP trig IMP 9b 9a IMP D t t u IMP t trig IMP n t n abs it A CT s f f A-A s f f 5 G B 7 N-bitf s A/D it in n t i n 9 H HP z H f/fs f/fs N Di H D z=z -N Di in n u n.i n C P/ p n 6 ut 2 VT s f f 4 A-A s f f 6 G 8 N-bitf s A/D un ut t u n H HP z H f/fs f/fs N Du 2 H D z=z -N Du un n 4 5 un n trig PR N PR = reset D 22 ~ = u CC t egend: 2 - Transducers 4 - A-A filters Amplification A/D converters 2 - Pulse gen. 2 - Pulse D 22 - Power source 9 - DC comp. removal 2 - Phase shift compensation - Inst. power calculation 4 - Synchronization bloc 5 - und. period counter 6 - Measuring window energy calc. Integrator 7 - Classifier 8 - Integrators/ registers 9a - Comparator 9b - Comparator 5

6 Popis standardní metriy inná energie mena postupnou integrací souinu fázov origovaných naptí a proudu v s frevencí periodou naptí synchronizovaném mícím on teré je celistvým násobem doby trvání periody síového mitotu. ící integraní ono je u staticých eletrom typicy 5-5 period záladní síové frevence tzn. pibližn ms až s V mícím on je v podstat men stední výon násobený dobou trvání mícího ona inná energie v -tém mícím on je potom r+ r- 8 7 > n N n / Nper CP / nn u n i n trig IMP 9b 9a IMP abs u n.i n C P/ 6 in p n 4 5 N PR un un n trig PR = reset 6

7 Popis standardní metriy inné energie zmené v jednotlivých mících onech jsou následn tízeny a umulovány v íslušných registrech odbru a dodávy U tífázových eletrom jsou energie zmené v mícím on v jednotlivých fází:. nejprve seteny a výslede je následn roztídn do ladného i záporného registru 2. nejprve roztídny na ladné a záporné a ty jsou následn seteny ladné zvláš záporné zvláš a uloženy do píslušného registru r r

8 Proces charaterizuje obráze uvažováno generování homogenní posloupnosti impuls Integraní ro pro porovnání integrované energie s prahovou hodnotou pro jeden impuls vzorovací perioda Ts blo 9b l-perioda T /2p celistvý násobe periody záladního mitotu - N.T per - totožný s dobou mícího ona T blo 9a Kladná a záporná energie integrovaná za mící interval T /2p nebo N.T per nebo T pro impulsní výstup mže být agregována a omparována separátn. evod pržného mení energie na impulsní výstup Impulsy odpovídající pržn agregované odebrané a dodané energii jsou generovány nezávisle spole na D výstup i oddlen na S výstupy trig IMP 6 C u n.i P/ n Proces generování impuls mže významn ovlivnit pedevším jejich homogenitu onrétní logia pevodu energie na frevenci a ízení perušení pro obsluhu jednotlivých proces 9b un in p n 9a abs IMP resettrig PR 8

9 evod pržného mení energie na impulsní výstup ílad: porovnání D a S impulsního výstupu jednoho eletromru pi referenních podmínách Doba mezi pulsy Doba mezi pulsy Stední inný výon TT s TT s PAVG as s as s as s D S 9

10 Odchyla inné energie mená staticými eletromry pi rychlých zmnách mezi odbrem a dodávou inná energie odebraná a dodaná je dána asovou integrací písn oddleného odbrového resp. dodávového výonu. Zmny mezi dodávou a odbrem mohou v dsledu disrétní onové integrace vést nižším registrovaným energiím než suteným Typicy na stává u odbratel s výrobou a souasnou spotebou dy výon pechází mezi dodávou a odbrem již realizovaným zámrni nevdom Ke zm tou výon dochází pi uritém stupni ontinuální výroby a pipojení zátže terá svým íonem pevyšuje atuální výrobu a znovu pi odpojení zátže. Jde tedy o stavy spojené s bžným zapínáním/vypínáním zátží s provozem zátží teré regulují výon pulzní modulací žehliy mirovlnné trouby topné spirály atd. Odchyly zmená a registrovaná energie od sutených hodnot jsou výsledem implementované metriy eletrom tj. zpsobu výpotu inného výonu resp. inné energie Dle N 547-: unce M implementované softwarov musí být jednozna identifiovatelné a jejich innost musí být doumentovaná výrobcem. Typicá odchyla registrované energie od sutené je až -% trig IMP u n.i n in r+ r- 9b un 8 un n p n 9a C P/ trig PR abs > N PR = IMP reset

11 Modelový pílad Modelový pípad reverzace výonu T C s T ON s P T s t s P P P t s t s t s P t s ící ono eletromru T M pípadn v násobcích doby trvání periody záladní harmonicé N M T M s t s Spínání periodicé doba trvání spínacího cylu T C pípadn N C Doba zapnutí pipnutí zátže ve spínacím cylu T ON N ON T ON T C Poátení posun mícího ona od spínacího T nergie odebraná ve spínacím cylu Tc nergie dodaná ve spínacím cylu G Tc

12 Modelový pílad ílady výpotu energie po mících onech asové prhy výon a energií v mících onech M P P P P t s t s t s t s nergie za interval t t 7 tj. za dobu 7.T M Registrované Sutené r s ref s Kladné Záporné P P t s t s t t T M = s 7 t s 2

13 edpolady Analýza provedena za zjednodušujících idealizovaných podmíne Rozbor modelového pípadu Reálná omezení onená vzorovací frevence regulaní ro spínae zátže apod. nejsou v prvním piblížení uvažována Výon zdroje P G onstantní íon zátže P v intervalu T ON onstantní Doba spínacího cylu T C a doba sepnutí T ON v ase nemnná Výsledem je relativní registrovaná energie v ladném a záporném registru vztažená e sutené odebrané i dodané eletricé energii r r e r ; er ref imitní pípady ref Vybalancovaná energie výroby a spoteby ve spínacím cylu G Tc ; P T P T ON G C Synchronní spínací a mící ono T = a TC 2 m T M mt C T M de m N e r e e r e r r

14 Numericé experimenty Vybrané závislosti v ezech Invariantní parametry Doba pozorování v pípad asynchronního spínacího a mícího ona T CM T T PN Relative registered energy e T C /T M T ON /T C / G T e+ e- C M T ON /T C =.5 T = / G = Switching cycle time vs. measuring window time T C /T - M T ON /T C =.5 T = / G = Relative registered energy e - Relative registered energy e e+ e Switching cycle time vs. measuring window time T /T - C M T ON /T C =.25 T = / G = e+ e Switching cycle time vs. measuring window time T /T - C M 4

15 Numericé experimenty Registered energy related to real energy e - Závislost relativní registrované energie na pom ru dély spínacího m ícího ona cylu TC/TM a na pom rné dob sepnutí ve spínacím cylu TON/TC pro bilanci energií v m ícím on /G= a T = Kladný registr rw+ Závislost relativní registrované energie na pom ru dély spínacího m ícího ona TC/TM a na bilanci energií v m ícím on /G pro TON/TC =.5 T = Switching duty cycle T /T - ON C -2 - Switching cycle time vs. measuring window time - T /T C Záporný registr rw- Registered energy related to real energy e - Registered energy related to real energy e - Kladný registr rw nergy ballance in switching cycle /G M - Switching cycle time vs. measuring window time - T /T C Switching cycle time vs. measuring window time - T /T C M 2 nergy ballance in switching cycle /G - M 5

16 Testování Testovací systém zjednodušené jednofázové schéma OMICRON CMC 256+ thernet +5V DI IS +5V DIn IS M... Mn thernet +5V DI... DIn Parametry test naptí: prh harmonicý frevence 5 Hz veliost referenní 2 Vrms - proud: prh harmonicý frevence 5 Hz synchronní s naptím veliost 5-2 Arms fázový posuv vi naptí odbr nebo 8 dodáva cylování: doba cylu promnlivá v sudých násobcích doby periody harmonicého proudu tj. T resp. ; stída cylu je C 2 p TPR p N N C 2 p T / T ON C 5 potom odbr fázový posuv proudu vi naptí je po dobu T C / 2 tzn. poet period N C / 2 ; obdobn pro dobu trvání fázového posuvu proudu vi naptí 8 ; zmna úhlu synchronizovaná s prchodem proudu nulou veliost proudu pi dodávce a odbru stejná -> Tc = G Tc - doba mení urená nezbytnou dobou pro dosažení nejistoty odetu z registru lepší než.5%; spínací a mící cylus nesynchronizovám T =? 6 PC USB =...

17 Výsledy mení Výsledy mení na eletromrech T ON /T C =.5 Tc = G Tc Registered energy related to real energy e rw+ lmi2 2 Switching cycle in periods of system fundamental N - C Registered energy related to real energy e rw+ lms2 2 Switching cycle in periods of system fundamental N - C Registered energy related to real energy e rw+ lms 2 Switching cycle in periods of system fundamental N - C Registered energy related to real energy e rw+ rw- lms4 2 Switching cycle in periods of system fundamental N - C Registered energy related to real energy e rw+ rw- lms6 2 Switching cycle in periods of system fundamental N - C Registered energy related to real energy e rw+ rw- lms9 2 Switching cycle in periods of system fundamental N - C 7

18 Výsledy mení Výsledy mení na eletromrech T ON /T C =.5 Tc = G Tc Registered energy related to real energy e - Registered energy related to real energy e lmi2 rw+ lms rw+ lms2 rw+ lms rw+ lms4 rw+ 2 Switching cycle in periods of system fundamental N - C lms5 rw+ lms6 rw+ lms7 rw+ lms8 rw+ lms9 rw+ 2 Switching cycle in periods of system fundamental N - C Registered energy h Neshoda registr s D lms8 rw+ + rw- lms8 D lms7 rw+ + rw- lms7 D 2 Switching cycle in periods of system fundamental N - C 8

19 Porovnání mení s výsledy modelu standardní metriy staticých eletrom Výsledy mení T ON /T C =.5 Tc = G Tc Registered energy related to real energy e -.8 e+ lms2.6 lms lms4.4 lms5 lms6.2 lms7 lms8 lms9-2 Switching cycle time vs. measuring window time T /T - C M Je zejmé že poud bude spínací cylus zátže pi vybalancovaní spotebované a vyrobené energie ve spínacím cylu G ratší nebo maximáln roven dob mícího ona Tc eletromru TC T M bude veliost registrované energie výrazn nižší než energie sute prošlá. Ideáln bude nulová dyž TC TM / m de m N Uvedeného fatu vlastností metriy eletrom využívá i systém ízení vlastní spoteby regulátory s obchodními názvy: attrouter GreenBonO atd. 9

20 Regulátory spoteby v systémech s V provozovaných v režimu zeleného bonusu Typicé zapojení a vybavení regulátoru letromr zeleného bonusu ~ 2 N letromr IR S HDO evodní proudu Sníma puls Stída = PV panely Neízená zátž ~ = SMPS ízená zátž Sníma puls PI & A Stya R DI MCU A + - SSR ZCS M ~ R Regulátor mA/-V SSR PhReg R Regulátory standardn podporují a obsahují triaový silový výstup releový silový výstup a signálový pulzn modulovaný výstup pi ízení SSR Solid State Relay 2

21 Regulátory spoteby v systémech s V provozovaných v režimu zeleného bonusu Komerní ešení GreenBonO - YORIX Ncontrol Power Balancer - Ncontrol ATTrouter - ATTprojet BMS NUMBO nergy TX-S - TX CTRONIC UDM6 CARO GAVAZZI NIKA 2

22 unce regulátoru Regulátory spoteby v systémech s V provozovaných v režimu zeleného bonusu Cílem regulátoru je vyvážit spotebu instalace s výrobou provozovanou v režimu zeleného bonusu pro optimalizaci penžních to Proces je realizován prostednictvím ízené zátže terá je regulována podle poteby ta aby byla nastolena energeticá výonová rovnováha mezi celovým odbrem a výrobou inné eletricé energie ízený odbr tvoí zátže jejichž závislé nasazování nemá vliv na omfort využití vtšinou se jedná o spotebie s aumulaní schopností jao eletricý ohev TUV eletricé aumulaní vytápní limatizace atd. Souasné regulaní systémy s ohledem na jednoduchost dostupnost MC ad. využívají pulsního ízení píonu zátží nioliv plynulé ízení ja je asto uvádno tzv. stídání stavu zapnuto a vypnuto itom je využíváno slabiny eletrom teré v souasné dob používají mící ono T=s esnji 5 period síového mitotu ve terém mí prrný inný výon Spínací cylus zátže Tc pro dosažení nulových nebo minimálních registrovaných inných energií dodaných i odebraných musí být tedy maximáln roven mící period eletromru T nebo ratší pesnji m násobn ratší de m je celé ladné íslo Za zjednodušujících pedpolad lze tedy pro potebný as zapnutí Ton zátže s píonem P v period Tc i výonu V P G napsat T ON P T C P G T m M P G T ON T m M P P G 22

23 unce regulátoru poraování Regulátory spoteby v systémech s V provozovaných v režimu zeleného bonusu Pro úely tato rychlého spínání se používají polovodiové spínae triay interní nebo SSR Solid State Relay externí. Pro omezení harmonicých a rušení se využívá spínání v prchodu naptí nulou ZCS Zero Cross Switching a s ohledem na funci je regulace omezena na celé periody. itom minimální interval zapnutí Ton je perioda Soutové proudy odbru a dodávy v jednotlivých fázích jsou zjednodušen vyhodnoceny pro aždou fázi regulaními leny založenými na PI regulátoru dy zadaná hodnota proudu je nulová hodnota Regulátor v pípad tou výonu do sít zane výon integrovat a zvyšuje stídu Ton/Tc dobu zapnutí Ton v regulaním cylu Tc pulzn modulovaného PM signálu terý ídí silové SSR. Poud nastane rovnována mezi odbrem a dodávou regulaní odchyla je nulová a stída zstává onstantní Jestliže stída dosáhne % a je dodává výon do sít je se zpoždním sepnut releový výstup pipínající další dlouhodobjší zátž Poté opt spoteba pevyšuje dodávu odbr výrobu a regulátor zane snižovat stídu spínání SSR. Poud stída signálu lesne na nulovou hodnotu i dyž je stále realizován odbr ze sít jsou se zpoždním odepínána postupn relé s pazenými zátžemi V mezní situaci dy je nižší stída a doba zapnutí je práv jedna perioda dochází v zájmu optimální bilance výon prodlužování doby cylu Tc 2

24 unce regulátoru poraování ídící algoritmus regulátoru je optimalizován na použitý eletromr Regulátory spoteby v systémech s V provozovaných v režimu zeleného bonusu Jestliže je použit eletromr vyhodnocující innou energii do registr: - soutem parciálních energií z jednotlivých fází: je použit zjednodušený algoritmus nerozlišující pazení výroby a spoteby do jednotlivých fází - separátním soutem ladných a záporných energií z jednotlivých fází oznaení eletromru trojúhelníem: musí být použit algoritmus ízení po fázích. Pro úely analýzy interference pulsn ízených zátží s metriou eletromru byl vytvoen a je dostupný S 24

25 Závry Popisovaný dj v žádném pípad nevede e ztrát energie Standardní metria eletromru nedoáže správn registrovat sute prošlou energii v dodávovém resp. odbrovém registru poud se v prhu mící periody mní smr tou výon pes eletromr. Jestliže je etnost zmn strmých pechod z odbru na dodávu vysoá mohou být registrované hodnoty energie výrazn nižší vždy nižší než v aždém ze sm sute prošlé. Poud budeme uvažovat odchylu v registrované energii 2% pa bude chyba odchyla zpsobená uvedeným jevem vetší než 2% dyž bude spínací cylus ratší než 5-ti násobe doby mícího ona pi T=s je to Tc=5 s v pípad vybalancovaných energií v Tc Dané vlastnosti eletrom využívají regulátory pro optimalizaci spoteby využívané typicy v instalacích s výrobnou provozovanou v režimu zeleného bonusu letromry tedy nemí správn nicmén saldo energie je nulové Sí je v podstat využívána pro rátodobou aumulaci energie cylus do s Avša toem energie v napájecí síti vzniají ztráty na jejichž rytí se ale pvodce nepodílí jeliož se podíl odvozuje od registrované energie. Dopad na chybu mení standardní metriy se mže výrazn omezit zrácením integraního intervalu limitn na jednu periodu 2 ms interval pro tídní energie do registr nicmén nelze popisovanou závislost zcela eliminovat poud se v záladu nezmní systém definice ení inného výonu/ inné energie. 25

26 uji za pozornost Dotazy? Kontat: Jií Drápela Vysoé uení technicé v Brn aulta eletrotechniy a omunianích technologií Ústav eletroenergetiy Technicá 82/2 66 Brno tel: drapela@feec.vutbr.cz drapela@ieee.org 26