RO130938A0 - Metodă şi sistem inteligent pentru măsurarea şi monitorizarea on-line, în timp real, a energiei electrice produse/transportate/distribuite/furnizate/consumate şi a calităţii energiei electrice - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o metodă şi la un sistem inteligent pentru măsurarea şi monitorizarea on-line, în timp real, a parametrilor energiei electrice produse, transportate, distribuite, furnizate, consumate şi a parametrilor calităţii energiei electrice, pentru a permite utilizatorilor luarea unor decizii rapide şi eficiente. Metoda conform invenţiei constă în achiziţionarea formelor undelor de curent şi tensiune, în orice punct de măsură, de pe o fază sau de pe cele trei faze ale unei reţele electrice, prin eşantionări cu viteze diferite, presetate, stocarea acestora în memoria proprie a sistemului, măsurarea şi determinarea tuturor parametrilor ce caracterizează consumul de energie electrică, precum şi calitatea energiei electrice, identificarea automată a defecţiunilor caracterizate prin goluri de tensiune/creşteri de tensiune de frecvenţă industrială, întreruperi de tensiune, asigurându-se în acelaşi timp: transmiterea în timp real a datelor măsurate la un centru de management, comunicaţii bidirecţionale, securizate, cu centrul de management şi cu consumatorii finali, implementarea unui modul software cu rol de tarifare a energiei, detecţia, înregistrarea şi alarmarea privind tentativele de acces neautorizat. Sistemul conform invenţiei este alcătuit din nişte amplificatoare (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) de intrare, dintre care trei amplificatoare sunt pentru tensiunea de pe cele trei faze, alte trei amplificatoare sunt pentru curentul de pe cele trei faze, şi câte un amplificator este pentru curentul şi tensiunea de nul, un modul (9) de sincronizare achiziţie de date, format dintr-o buclă PLL, un modul de achiziţie de date format dintr-un etaj (10) ADC şi un controler (13) de achiziţie ce comandă etajul ADC cu semnalele primite de la bucla PLL, un modul de comunicaţie internă, un modul (16) de calcul, stocare rezultate, afişare şi transmitere externă, şi un modul (17) GPS pentru sincronizarea măsurătorilor.

Description

TITLUL INVENȚIEI: METODA SI SISTEM INTELIGENT PENTRU MASURAREA SI MONITORIZAREA ON-LINE, IN TIMP REAL, A ENERGIEI ELECTRICE PRODUSE / TRANSPORTATE / DISTRIBUITE / FURNIZATE / CONSUMATE SI A CĂLI TATII ENERGIEI ELECTRICE

DESCRIERE

Domeniul tehnic al invenției

Prezenta invenție se refera la o metoda si un sistem electronic inteligent, integrabil in rețelele inteligente de tip SMART GRID, capabil sa masoare parametrii energiei electrice produse / transportate / distribuite / furnizate / consumate si respectiv parametrii de calitate a energiei electrice in orice punct de măsurare in rețelele electrice care asigura fluxul energiei electrice de la producători la consumatorii finali, sa permită managementul datelor achiziționate si prelucrate, sa stocheze forme de unda, date măsurate si/sau prelucrate, sa emită rapoarte de măsurare, sa transmită date la distanta, sa comunice bidirecțional cu clientii.

Prezentarea problemei tehnice

Intr-un sistem de producere, transport sau distribuție a energiei electrice de curent alternativ, frecventa tensiunii sau a curentului este in general de 50 Hertz (Hz) sau 60 Hz, frecventa care este in mod convențional denumita frecventa fundamentala’ Multiplii întregi ai acestei frecvente fundamentale sunt denumiți frecvente armonice.

Diferiți factorii de sistem si de mediu de producere / transport / distribuție, pot distorsiona frecventa fundamentala (exemplu distorsiunea armonica), pot provoca vârfuri, oscilații, sau căderi de tensiune, si pot cauza întreruperea transportului si distribuției energiei electrice pe arii întinse, sau probleme in funcționarea corecta a sistemului de transport sau distribuție a energiei electrice care ar putea afecta mult calitatea energiei primite de consumatorul industrial si/sau casnic.

Golurile de tensiune, creșterile de tensiune si întreruperile de tensiune sunt perturbării de scurta durata hi sistemele de curent alternativ. Golurile de tensiune sunt reduceri scurte in mărime a tensiunii cu o durata de la cateva milisecunde, la cateva secunde. Creșterile de tensiune sunt creșteri scurte in mărime (a tensiunii), cu o durata de la cateva milisecunde la cateva secunde. întreruperile de tensiune sunt c\- 2 Ο 1 5 - - 001054 t-05- 201¾ scăderi mai severe in mărime a tensiunii. Pragul pentru întreruperile de tensiune este de obicei mai mic de 10% din tensiunea nominala.

In fiecare an, fonduri importante sunt pierdute din cauza perturbatiilor.

• Golurile de tensiune pot sa scoata din funcțiune echipamente electrice care au nevoie de energie electrica pentru a funcționa in mod corespunzător, si pot produce defecte (de exemplu la calculatoare / PC-uri).

• Deși creșterile de tensiune apar mai frecvent decât golurile de tensiune, efectele creșterilor de tensiune de multe ori pot fi mai devastatoare decât in cazul golurilor de tensiune. De exemplu, creșterea de tensiune poate provoca străpungerea izolației unor componente ale surselor de alimentare, efectul putând fi gradual, cumulativ.

• întreruperile de tensiune sunt scăderi mai severe in mărime a tensiunii, care pot provoca scoateri din funcțiune sau deteriorarea echipamentelor, din cauza suprasolicitărilor la repunerea in funcțiune.

Un avantaj competitiv (pe care unele companii de transport sau de distribuție a energiei electrice il poate avea fata de concurenta) ar putea fi o calitate mai buna a energiei electrice furnizate către dienti in anumite perioade de timp. O societate poate promova faptul ca are mai puține creșteri de tensiune ajunse la clienti in timpul unei luni (creșteri care ar putea provoca potențiale deteriorări ale sistemelor informatice sau altele asemenea). O alta companie poate promova faptul ca in timpul unei luni, nivelul de tensiune livrat clientilor a fost in limitele prestabilite, pe perioade mai lungi de timp, deci mai puțin dăunător pentru dispozitivele electromagnetice, cum ar fi motoare sau relee.

Sistemele convenționale de măsurare a consumului de energie electrica, intrun anumit punct al rețelei, nu furnizează informații simultane atat in ceea ce privește parametrii de consum ai energiei electrice (ca de exemplu: curentul furnizat / absorbit, factorul de putere, puterea activa, puterea reactiva, puterea deformanta, energia activa, energia reactiva) si respectiv parametrii de calitate a energiei electrice, ca de exemplu: vafoarea efectiva a tensiunii, frecventa, întreruperile tranzitorii, întreruperile scurte si lungi, golurile de tensiune, creșterile temporare de tensiune de frecventa industriala (50 Hz sau 60 Hz) intre faze si pamant sau intre faze, fenomenul de fSrer, variațiile rapide si lente de tensiune, armonii interarmonicele, osciliatiile tranzitorii de tensiune, factorul de distorsiune armefi nesimetria sistemului trifazat de tensiuni, formele undelor de curent si de tensiune, etc.

Echipamentele inteligente de monitorizare on-line a calitatii energiei electrice trebuie sa permită măsurători precise, pentru aplicații contractuale, verificări ale conformității cu normele, clarificarea controverselor, monitorizarea on-line a parametrilor de consum si de calitate a energiei electrice, elaborarea de rapoarte privind parametrii masurati, stocarea datelor intr-o baza de date, comunicația bidirecționala cu utilizatorii.

In ultimii ani, se acorda o atenție din ce in ce mai crescută rețelelor inteligente tip SMART GRID. O rețea inteligenta SMART GRID de transport si distribuție a energiei electrice asigura imbunatatirea eficientei prin interacțiuni intre furnizori si consumatori, prin combinarea tehnologiei de telecomunicații cu procesele de producție, transport, distribuție si consumul de energie electrica.

Intr-o rețea inteligenta de tip SMART GRID, furnizorul de energie determina consumul de energie estimat a fi livrat consumatorilor, in timp real, pentru a se asigura ca poate furniza întreaga energie necesara acestora, iar consumatorii pot determina consumul de energie propriu si taxele aferente către furnizorul de energie, tot in timp real, pentru a determina profilul optim de consum al energiei electrice astfel încât prețul plătit pentru aceasta sa fie cat mai mic. Aceasta necesita un schimb ușor si rapid de informații, prin intermediul unei rețele de comunicații, intre furnizorul de energie si utilizator.

Prin implementarea unor sisteme de tip SMART-GRID care cuprind sisteme electronice inteligente de monitorizare pentru monitorizarea on-line , in timp real, a consumului si a calitatii energiei electrice, poate creste mult eficienta energetica, pot fi reduse mult costurile pe lanțul de producere - transport - distribuție - consum al energiei electrice.

Prezentarea stadiului tehnicii

Se cunoaște din brevetul US 20150019148 A1 (15.01.2015) „Intelligent electronic device with enhanced power quality monitoring and communication capabilities' un aparat care poate efectua analiza calitatii energiei electrice prin captarea formei undei de tensiune, masurarea semnalelor de tensiunie si curent alternativ, detecția variațiilor tranzitorii de tensiune, poate detecta, monitoriza, raporta, cuantifica si comunica informații privind cererea de energie si r

energia in sistemul energetic pe care-l masoara.

_Λ-2015·- 00405f f* • Inconvenientul principal al acestei soluții este acela ca performantele aparatului, in ceea ce privește achiziția, prelucrarea cu precizie si stocarea datelor achiziționate, este afectata de viteza unica de eșantionare a aparatului presetata la 256 eșantioane pe o perioada a semnalului sinusoidal.

Se cunoaște din brevetul US20120029715 A1 (02.02.2012) „Method and apparatus for a demand management monitoring systenf o metoda si un aparat destinat in special măsurării valorii RMS a tensiunii (pe o faza sau pe trei faze) si opțional a curentilor, folosind un dispozitiv de măsurare de la distanta (RTU) care conține un microprocesor pentru calculul valorilor RMS. Datele măsurate sunt transmise wireless la un server destinat stocării datelor privind valorile RMS ale tensiunii. Achiziția se face cu viteza relativ mare de eșantionare, reducerea numărului.punctelor pentru ridicarea unui grafic facandu-se in server.

• Inconvenientul principal al invenției consta in acela ca se refera doar la un singur parametru al energiei electrice si anume valoarea RMS a tensiunii. Aparatul nu masoara toate mărimile care definesc calitatea energiei electrice (de exemplu flickerul, etc.).

• Un alt incovenient este acela ca transmisia datelor de la aparatul de măsura la serverul de stocare se face numai wireless, modalitate nesigura si ușor de bruiat.

• De asemenea invenția nu acopera cerințele privind consumul si calitatea energiei electrice, respectiv cele privind achiziția formelor de unda termen lung (funcția de logger).

Se cunoaște din brevetul US 8121801 B2 (21.02.2012) „System and method for mutti-rate concunent waveform capture and storage for power quatity meterincf o metoda si un sistem destinat măsurării calitatii energiei electrice, in special, pentru detectarea si măsurarea caracteristicilor golurilor, creșterilor si întreruperilor din sistemele electrice de curent alternativ.

• Inconvenientele principale ale invenției constau in aceea ca: nu se asigura măsurarea tuturor parametrilor care definesc calitatea energiei electrice (de exemplu fticker-ul), rata de eșantionare a undei semnalului sinusoidal de tensiune este unica si de numai 128 eșantioane pentru o perioada a undei sinusoidale (insuficienta pentru caracterizarea cu precizie a perturbatiilor

OrZ Ο 1 5- - Ο 0U5 Jf % -D5- 20$ bruște), sistemul nu este apt pentru achiziția formelor de unda pe termen lung (funcția de logger), etc..

Se cunoaște din brevetul US 20110112779 A1 (12.05.2011) „Power qualîty meter and method of waveform anaylsis and compression” o metoda si un aparat destinat înregistrării formei undelor de tensiune si de curent ale unui semnal, efectuării compresiei datelor privind forma de unda, transmiterii datelor comprimate prin protocolul ZigBee la un sistem de management central care le procesează centralizat pentru calculul puterii si al energiei electrice, si respectiv pentru analiza calitatii energiei electrice (armonicele, perturbatiile tranzitorii, golurile si creșterile de tensiune).

• Inconvenientele principale ale invenției constau in aceea ca nu se asigura masurarea fficker-ukii (care este si el un parametru al calrtatn energiei electrice), rata de eșantionare a undei semnalului sinusoidal de tensiune este de numai 128 eșantioane (insuficienta pentru caracterizarea cu precizie a perturbatiilor bruște), sistemul nu este apt pentru achiziția formelor de unda pe termen lung (funcția de logger), prelucrarea si stocarea datelor este făcută la distanta (PC server) si nu la punctul de măsura - soluție puțin fiabila, dependenta de conditnle de transmisie a datelor.

Se cunoaște din brevetul US 20110080197 A1 (07.04.2011) „Apparatus and methods for power qualîty measuremenf un aparat si metoda de măsurare a calitatii energiei electrice, in special pentru detectarea si masurarea caracteristicilor golurilor, creșterilor si a întreruperilor de tensiune in sistemele de alimentare de curent alternativ. Semnalul electric sinusoidal este esantionat sincronizat, pe durata mai multor perioade/tichiri. Esantioanele de date sunt procesate pentru a determina momentele trecerilor prin zero ale semnalului electric si valorile RMS ale tensiunii semnalului electric de pe linie, pe o perioada a semnalului sinusoidal.

• Inconvenientele principale ale invenției constau in aceea ca nu se asigura masurarea flicker-ului, rata de eșantionare a undei semnalului sinusoidal de tensiune este de numai 128 esantioane/perioada semnalului sinusoidal (insuficienta pentru caracterizarea cu precizie a perturbatiilor bruște), sistemul nu este apt pentru achiziția formelor de unda termen lung (funcția de logger) si de aceea nu poate fi integrabil in rețelele inteligente tip SMART GRID

pentru monitorizarea on-line a eficientei energetice.

R- 2 015 - - B O 4 o 5 4 f ·»· 20tfT

Se cunosc de asemenea brevetele de invenție US 20130158906 A1 (20.06.2013) „Resampling a Signal to Perform Power Quality Measuremenf, US 20100324845 A1 (23.12.2010) „IntelHgent electronic dewce with enhanced power quality monitoring and communication capabilities”, US 5627759 A (06.05.1997) „Electrica! energy meters having reaftime power quality measurement and reporting capabilii/, US 4978911 A (18.12.1990) „Electrica! energy anatyzef, EP 2762900 A1 (06.08.2014) „Electricity meter with an electronic display”, US7474087 B2 (06.01.2009) /Energy meter system and method for calibration”, US 20120062211 A1, 15.03.2012) „Compact electrical power meter’¹, DE102013001831 A1 (28.02.2013) „An electricity meter with an electronic display, US6636030 B1(21.10.2003) „Revenue grade meter with high-speed transient detection”, US 20120161750 A1 (28.06.2012) „Electronic watt-hour meter and method of calculating watt-hoursf.

CONCLUZIE - Nici unul dintre aparatele si dispozitivele menționate, nu acopera complet operațiile de măsurare a parametrilor de consum a energiei electrice si de monitorizare on-line a calitatii energiei electrice, de achiziție a formelor de unda pe termen lung (funcția de logger) si funcțiile specifice integrării in rețelele inteligente SMART GRID.

Descrierea invenției

Invenția se refera la metoda si sistem electronic inteligent care permite măsurarea si monitorizarea on-line, in timp real, a parametrilor energiei electrice produse / transportate / distribuite / furnizate / consumate si respectiv de calitate a energiei electrice, in orice punct de măsurare in rețelele de producere, transport sau distribuție a energiei electrice sau la clienti, pentru a permite utilizatorilor luarea unor decizii rapide si eficiente.

Sistemul este menit sa se integreze in rețelele inteligente tip SMART GRID de monitorizare si management on-line a energiei produse / transportate / distribuite / furnizate / consumate si respectiv a cafitatn energiei electrice, in scopul îmbunătățirii eficientei energetice per ansamblu sau/si a creșterii siguranței energetice. De asemenea echipamentul poate fi integrat in sistemele SCADA Operating si respectiv SCADA Monitoring.

Problemele tehnice pe care le rezolva sistemul, conform invenției, au la baza integrarea informațiilor culese direct sau de la traductori privind undele de curentat undele de curen * 2 Ο 1 5 - - 0 0 4 0 5 -05- 20tf) distribuite / furnizate/ consumate si parametrii de calitate ai energiei electrice, intr-un proces automat de achiziție, prelucrare, afișare, stocare date, elaborarea rapoarte, tarifare energie, transmisie date la centrul de management date sau la clienti, comunicația bidirecționala, etc..

Prezentarea avantajelor invenției in raport cu stadiul tehnicii

Metoda de măsurare si monitorizare on-line, m timp real, a parametrilor energiei electrice produse/ transportate/ distribuite / furnizate/ consumate si respectiv a parametrilor privind calitatea energiei electrice, in orice punct de măsurare in rețelele de producere, transport sau distribuție a energiei electrice sau la consumatori, conform invenției, înlătura dezavantajele metodelor prezentate prin aceea ca:

• se achiziționează formele undelor de curent si de tensiune, de pe o faza sau de pe cele trei faze ale rețelei electrice, in orice punct de măsura, prin eșantionarea semnalelor sinusoidale de curent sau tensiune, sincronizat si cu o viteza mare de eșantionare, si anume 512 eșantioane pentru o perioada a semnalului electric sinusoidal;

• se stochează in memoria proprie a sistemului, formele undelor semnalelor sinusoidale de curent sau tensiune;

• se asigura reglarea vitezei de eșantionare pentru stocarea formelor undelor de curent si de tensiune, in trei trepte: 512/256/128 eșantioane / perioada semnalului sinusoidal , si prin aceasta se mărește de 4 ori timpul pentru stocarea undelor de curent si de tensiune;

• se achiziționează, prelucrează si stochează in regim automat datele privind formele undelor de curent si de tensiune;

• se masoara si se determina toti parametri care caracaterizeaza consumul de energie electrica (curentul, puterea activa, puterea reactiva, puterea deformanta, energia activa, energia reactiva, factorul de putere) si respectiv calitatea energiei electrice (tensiunea, frecventa, factorul de putere, întreruperile tranzitorii, întreruperile scurte si lungi, golurile de tensiune, supratensiunile temporare de frecventa industriala (50 Hz sau 60 Hz) intre faze si pamant sau intre faze, fenomenul de flicker, variațiile rapide si lente de tensiune, armonicele, interarmonicele, factorul de distorsiune armonica,

ft-2 Ο 1 5 -- 0 0 4 0 5 4 f -05- 20t(

->/ nesimetria sistemului trifazat de tensiuni, formele undelor de curent si de tensiune) intr-un anumit punct de măsură.

se asigura identificarea automata a defecțiunilor caracterizate prin goluri de tensiune / creșteri de tensiune de frecventa industriala (50 Hz, 60 Hz) / întreruperi de tensiune, ora producerii, durata evenimentului;

se asigura transmiterea in timp real a datelor măsurate la centrul de management al datelor/informatiilor aferent sistemului de producere, transport sau distribuție a energiei electrice sau la consumatorii finali.

se asigura comunicat» bidirecționala, securizata, cu centrul de management a datelor/ informațiilor si respectiv accesul securizat al acestuia, la datele stocate de sistemul de măsura si monitorizare, pentru consultare si extragere de date, respectiv pentru verificarea periodica si actualizarea software-ul intern (partea nemetrologica) se asigura comunicația bidirecționala, securizata, cu consumatorii finali si accesul securizat al acestora la datele stocate de sistemul de măsura si monitorizare, pentru consultare si extragere de date;

se asigura posibilitatea sincronizării datelor măsurate cu referința de timp a centrului de management al datelor rinformatnlor aferent sistemului de producere, transport sau distribuție a energiei electrice;

se asigura implementarea modulului software Intelligent energy meter cu rol de tarifare a energiei, adaptabil pentru orice structura de tarifare;

se asigura înregistrarea puterii, in orele de vârf si in restul orelor, conform cu structura de tarifare impusa;

se asigura informațiile necesare pentru controlul de la distanta al conectării si deconectării de la rețea, sau pentru limitarea puterii absorbite;

se asigura detecția, înregistrarea si alarmarea privind tentativele de acces neautorizat.

Prezentarea, pe scurt, a figurilor din desene

Se prezintă in continuare fig.1 - 11, cu următoarea descriere :

fig. 1 - schema bloc a sistemului mtefigent de măsurare si monitorizare on-line a parametrilor energiei electrice produse/ transportate/ distribuite/ furnizate/ sau consumate si respectiv a parametrilor de calitate a energiei electrice;

fig. 2 - schema electrica a amplificatorului de intrare pentru tensiune;

<V1O 1 5 - - 0 0 4 0 5 44 * anf • fig. 3 - nivelele de tensiune maximale ale amplificatorului de intrare de tensiune;

• fig. 4 - schema electrica a amplificatorului de intrare pentru curent;

• fig. 5 - schema electrica a amplificatoarelor de intrare;

• fig. 6 - schema bloc a modulului de sincronizare;

• fig. 7 - schema electrica a modulului de sincronizare;

• fig. 8 - schema bloc a generatorului cu sinteza digitala tip LTC;

- fig. 9 - schema electrica a modului de achiziție date

- fig.1O-schema electrica a modulului de transmitere a datelor achiziționate;

- fig. 11 - unitatea de calcul, stocare si transmitere a datelor/informatiilor.

Prezentarea în detaliu a invenției revendicate

Sistemul inteligent de măsurare si monitorizare on-fine a parametrilor energiei electrice produse / transportate / distribuite / furnizate / consumate si a parametrilor de calitate a energiei electrice, prezentat in fig. 1, este alcătuit din:

1. Amplificatoarele de intrare 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 pentru fiecare din mărimile ce se conectează direct la sistem, trei pentru tensiunea de pe cele trei faze, trei pentru curentul de pe cele trei faze de curent, cate unul pentru curentul si tensiunea de nul.

2. Modulul de sincronizare achiziție de date 9, format dintr-o bucla PLL, avand ca referința tensiunea de pe faza Ur.

3. Modul de achiziție de date, format dintr-un etaj ADC 10 si un controler de achiziție 13 ce comanda etajul ADC sincron cu semnalele primite de la bucla PLL.

4. Modulul de comunicație interna, ce primește datele de achiziție pe o rețea SPI si o transmite print-un LAN intern modulului de prelucrare, memorare, afișare si transmisie externa 15.

5. Modulul de calcul, stocare rezultate, afișare 16 si transmitere externa;

6. Modulul GPS (Global Positioning System) 17, pentru sincronizarea măsurătorilor de la mai multe sisteme de măsura si monitorizare, dispuse in puncte de măsura diferite .

Amplificatorul de intrare de tensiune, este un etaj care are rolul de a adapta nivelul de tensiune al mărimii de măsurat la nivelul corespunzător necesar intrării in

tt- 2 Ο 1 5 - - 0 0 4 0 5> Ț- -05- 201f circuitele electronice folosite. De asemenea un alt rol important este acela de a izola galvanic intrarea de măsură de restul etajelor.

Pentru realizarea acestui tip de amplificator s-a ales arcuitul AMC (Alpha Micro Componente) cu funcția speciala de izolator galvanic, dar si de convertor intrare - single ended- cu ieșire diferențiala (ieșire necesara ca structura pentru circuitul de intrare al controlerului ADC (Appication Delivery Controller). Acest tip de circuit este special conceput sa fie folosit in echipamentele de măsurare a energiei.

Modulul de intrare de tensiune din figura 2 este compus din trei componente de baza:

• Divizorul de intrare, format de rezistoarele R1 si R2, care are rolul de adaptare a nivelului de tensiune de intrare ( 100Z220/400V_rmsj) la nivelul ± 250mV„_ns.

maxim admis pentru păstrarea Hniaritatn etajului de intrare. Pentru calculul celor doua valori de rezistor, se tine cont de impedanda de intrare a circuitului AMC in regim dinamic.

• Circuitul de amplificare si izolare galvanica AMC, care are la intrare si ieșire filtre de tip gama, cu rol de anti-aliasing (antidistorsiune) pentru ieșire si pentru stabilitatea buclei de măsura pentru intrare. Valoarea semnalului la ieșire este multiplicata cu 8 lata de cel de intrare si are o tensiune de mod comun de 1,29 Vcc, figura 3.

• Circuitul integrat U2, este o sursa izolata de tensiune, necesara alimentarii pârtii izolate a amplificatorului de intrare.

La intrare, pe conectorul J1 este montat un descarcator ZnO, iar pe sursa de tensiune U2, parallel cu pinii de ieșire VO+ si VO-, este conecta o dioda Transil.

Amplificatorul de intrare pentru curent, are aceeași structura de baza cu amplificatorul de tensiune, mai puțin circuitul de intrare, figura 4. Singura diferența este la partea de intrare unde R1 este un shunt de precizie. Pentru protecția circuitelor s-a montat o dioda Transil, in paralel cu shuntul R1 si o dioda paralel de aceeași valoare pe ieșirea sursei de tensiune izolata. Valoarea semnalului de ieșire are aceeași caracteristica cu cea a etajului de amplificare de tensiune.

Schemele electrice complete ale amplificatoarelor de intrare sunt prezentate in figura 5.

Circuitul U3 , in conexiune diferențiala, este folosit pentru adaptarea nivelelor de tensiune pentru formatorul de semnal de referința pentru bucla PLL. Avandjri___ vedere ca circuitul de intrare al formatorului necesita calarea pe tensiunea AL

AwX h W c\- 2 ο 1 5 - - 0 0 4 0 5 4 -05- 20ΐί comun a semnalului activ, aceasta se poate regla din raportul rezistoarelor R19 si R20

Modulul de sincronizare are la baza bucla PLL digitala, figura 6, compusa dintr-un formator de semnal pentru semnalul de referința, un generator cu sinteza digitala a frecventei si un circuit de comanda si control format dintr-un microcontroller. Modulul are rolul de a folosi semnalul de referința de la intrarea de tensiune Ur si de a genera un semnal multiplicat de N ori , sincron cu semnalul de referința. Valoarea lui N este egala cu rata de eșantionare a circuitului de conversie analog numerica. Modulul este necesar pentru calculul corect si cu precizie ridicata a valorilor RMS ale semnalelor de tensiune si curent si mai ales pentru calcule corecte si precise (folosind algoritmul FFT - Fast Fourier transform), pentru determinarea caracteristicilor armonicelor de tensiune si curent.

Pentru o eșantionare de 512 puncte /perioada frecventa de baza fo a generatorului buclei PLL este de 25,6 kHz.

După formatorul de semnal, se va obține un semnal digital, divizat cu 2, astfel incat perioada pozitiva a semnalului obtinut sa fie egala cu perioada semnalului de referința. Poarta va fi deschisa o perioada întreaga , lasand sa treaca semnalul de la generatorul digitaL

La inițializare, microcontrolerul va comanda generatorul sa genereze un semnal de 25,6 kHz , care are o perioada de 39 ps. La sosirea unui front crescător pe intrarea de întrerupere INTA a microcontrolerului, acesta va inițializa numărătorul intern TCO , sa numere semnalele de la intrarea CKO . Când semnalul la intrarea INTA, trece in zero, numaratoarea se oprește. In acest moment se calculează frecventa reala a semnalului de referința. Daca N1 este numărul de impulsuri numerate, atunci frecventa reala este 1/N1x39 ps. Astfel, frecventa obtinuta se va seta de către microcontroller in generatorul digital, se va calcula valoarea perioadei, se va memora si se va folosi la calculul perioadei T2, la a doua masuratoare. Si asa mai departe. Sincronizarea cu frecventa de referința are cel mult o întârziere de 20ms , perioada de timp mult mai scurta decât la o bucla PLL clasica .

In cazul in care semnalul de referința lipsește, se va menține ultima valoare obtinuta corect. Condiția de calare a buclei va ramane de 47,5-52,5Hz. Aparatul va funcționa si in afara acestui domeniu, dar precizia va ramane doar in domeniul amplitudinilor, ceea ce corespunde condițiilor de dasa de precizie A.

jwiiiiivi, χλλλλ wtwț/uiiw iviuiivî **** viUtAA wv* țsiwiov n.

Schema electrica a modulului de sincronizare este prezentata in figura 7.

£Χ-2 Ο 1 5 - - 00(054 + -K-20lȚ

Se aplica semnalul de referința la conectorul de intrare, prin intermediul filtrului gama R31/C34, cu forma sinusoidala si tensiunea de mod comun 1,29 Vcc

După ce semnalul trece de filtrul R31/C34 , el se aplica intrării PAO a microcontrolerului ATXMega. Aceasta intrare este setata ca si comparator analogic, cu prag de comparare reglabil, ce se va determina pana la egalarea cu tensiunea de mod comun a semnalului de referința. Ieșirea comparatorului de semnal (cu funcție de formator de semnal digital); PA7, se conectează la intrarea PD2 si la intrarea CLK a unui circuit de tip D, in configurație de divizor cu 2. Ieșirea acestui circuit de tip D se conectează la intrarea PD3 a microcontrolerului. Circuitul 117 este o poarta inversoare. Circuitul U5 este un generator cu sinteza digitala, tip LTC. Acesta comunica prin interfața SPI cu microconfrolerul ATXM, interfața rapida, prin care frecventa reala se seteaza după fiecare numărare si recalculare.

Circuitul LTC este un circuit specializat , folosit in sinteza directa a unui semnal digital, in gama 1 kHz - 68 MHz.

Schema bloc a circuitului generatorului LTC este prezentata in figura 8.

Calcularea frecventei de ieșire se va face cu relația:

f = 2^ocrx

2078

DAC

1024 , unde:

• DAC poate lua o valoare cuprinsa intre O si 1024 si se va regăsi in registrul portului serial DAC [9:0];

• OCT poate lua valori intre 0-15 , si se regăsește in registrul OCT[3.O].

La conectorul J12 , se aplica cele doua semnale de sincronizare, si anume semnalul de frecventa joasa sincron cu semnalul de referința si semnalul de frecventa multipla , pentru comanda eșantionării semnalelor achiziționate. Aceste doua semnale se vor conecta la doua intrări de întrerupere a microcontrolerului de comanda si control achiziție.

Schema bloc a modului de achiziție de date este prezentata in figura 9. Modulul este format din doua componente principale si anume un circuit de conversie analog numeric de tip front-end, special conceput de firma producătoare pentru utilizarea in sisteme de analiza a semnalelor de tipul MCP si un controler de comanda achiziție si sincronizare.

Circuitul convertor analog numeric (ADC) , are la intrările analog diferențial conectate ieșirile amplificatoarelor de intrare pentru caile de

V 2 ο 1 5 - - Ο Ο LO 5 -05- 20% tensiune . Acest circuit are achiziție simultana, datorita construcției interne, cu posibilitatea de corecție a defazajului pe cate doua canale .De aceea cuplarea la intrări se va face in ordinea AN1=Ur, AN2= Ir, AN3= Us, AN4= Is, AN5=Ut, AN6= It. Rezoluția de conversie este de 16/24 biți , la o viteza reglabila intre 16 si 64 kbps/canaL

Comanda de achiziție este date de către controlerul de sincronizare, cu transmisie simultana către modulul controler Ethernet, transmisie făcută pe o interfața seriala rapida tip SPI.

Acest controler de sincronizare primește de la bucla PLL , semnale sincrone cu semnalele de măsură tensiune .Semnalele sunt de doua tipuri:

• un semnal sincron , de aceeași frecventa cu semnalul de intrare, dar in format digital;

• un semnal tot sincron , dar cu o frecventa multiplicata cu 512 , pentru comanda achiziției de date.

Cele doua semnale sunt folosite pentru a comanda fiecare conversie pentru cele 10 perioade de achiziție ale unui eșantion de analiza.

Modulul controller Ethernet este un modul ce se interpune intre modulul de achiziție si cel de prelucrare cu rolul de a transfera de pe o interfața SPI (ieșirea de date a modulului de achiziție) la o interfața Ethernet LAN ( intrare modul de prelucrare).

Aceasta permite ramanerea la o viteza superioara de transmitere de date (30 MHz-SPI la 100 MHz Ethernet LAN).

Modulul este construit cu ajutorul a doua circuite ce au funcție dedicata pentru transmiterea de date si anume un controler pe 32 biți si un controller specializat pentru transmiterea informației pe line tip Ethernet.

In figura 10 este prezentata schema electrica a modulului de transmitere a datelor achiziționate. Informația de la modulul de achiziție este transmisa la conectorul de intrare J6 al modulului de transmisie a datelor . Acest conector este legat la portul PX27Z28/29/30 al controlerului AT32 , port setat ca interfața SPI. Conectarea cu controlerul de Ethernet este in mod RMII, controlerul Ethernet avand funcția de mașter.

Cicuitul U12 este o sursa step-down, cu randament ridicat, necesara reducerii tensiunii generale de alimentare la nivelul la care funcționează cele doua specializate menționate.

fi c\- 2 Ο 1 5 - - 0 0405Ή -os- auz

Conectarea cu una din intrările de interfața Ehernet a plăcii de prelucrare si memorare se face la conectorul J1.

Conectorul J7 este folosit pentru programarea si depanarea programului intern al controlerului AT32.

Semnalele de interconectare cu modulul de sincronizare si comanda achiziție sunt standard SPI, plus un semnal de START/STOP, necesar pentru sincronizarea transmisiei.

Unitatea de calcul , stocare si transmitere a informației, figura 11, primește datele de la modulul de achiziție (prin intermediul modulului de transmisie) si le prelucrează conform standardelor specifice .

Acest modul este un modul de calculator embedded , cu un processor de tip quad-core, ce lucrează cu un maxim de memorie minim 8GB, de tip DDR3 , cu frecventa de lucru de minim 1666 MHz. Are suport SATA pentru conectarea de HDD, SSD sau SHDD.

Are de asemenea doua linii de comunicație Ethernet de tip Gigabyte, cu porturi USB si RS232, ieșire DVI-D si D-Sub pentru conectarea monitorului video propriu al sistemului.

Pentru sincronizarea externa a ceasului se folosește un receptor GPS .

Sistemul este dotat cu un afisor local LCD 7”, cu touchscreen, precum si un roller mouse , aflat pe panoul frontal .Tastatura folosita este de tip virtual, de tip OSK (On-screen keyboard).

Sistemul funcționează avand la baza platforma Windows XP, completata de programe software de aplicație si client dezvoltate pentru achiziție, prelucrare, stocare, transmitere, afișare date, emitere rapoarte, etc.

Pentru alimentarea întregului sistem s-a ales soluția unui convertor 12Vcc la sistemul ATX, incat aceasta tensiune, 12Vcc este mult mai ușor de obtinut din aproape orice tip de alimentare ce ar putea fi impusa si orice gama de tensiune de intrare , inclusiv panouri solare.

întreg sistemul este cu răcire pasiva, fara elemente in mișcare, atribut ce-i conferă fiabilitate crescute si mentenanta redusa in exploatare.

Sistemul inteligent de măsurare si monitorizare on-line a parametrilor energiei electrice produse /transportate /distribuite /furnizate /consumate si a parametrilor de calitate a energiei electrice, conform invenției, asigura comunicația bidi

c\ 2 Ο 1 5 - - 0 0 4 0 5 j 1 -05- 2012 la distanta, cu centrul de management al datelor si/sau cu clientul final, permițând prin aceasta:

• eliminarea deplasării personalului pentru activitati operaționale curente;

• verificarea si actualizarea securizata, de la distanta, a softului intern al sistemului (in partea nemetroiogata);

• monitorizarea de la distanta a functionariî sistemului si semnalizărilor generate de acesta;

• sincronizarea referinței de timp la mai multe sisteme de măsură monitorizate de centrul de management date;

• actualizarea modulului software referitor la tarifele energiei electrice produse / transportate / distribuite / furnizate / consumate.

Sistemul asigura o capacitate ridicata de stocare a datelor măsurate si prelucrate , inclusiv a undelor de tensiune si curent achiziționate, pe o perioada de minimum 30 zile, permițând analiza si extragerea datelor din memoria de stocare.

Sistemul asigura citirea de la distanta a datelor măsurate on-line atat pentru energia electrica consumata din rețeaua cat si pentru energia injectată de rețea, de către client

Sistemul permite controlul de la distanta al conectării/ deconectării la/de la rețea si al depășirii puterii absorbite aprobate.

Sistemul asigura comunicarea securizata a datelor, detectează si alarmeaza in cazul unor tentative de frauda informatica sau de utilizare neautorizata a rețelei.

Claims (2)

1. REVENDICĂRI

   1. Un sistem inteligent de măsurare si monitorizare on-line a parametrulor energiei electrice produse /transportate /distribuite /furnizate /consumate si a parametrilor de calitate a energiei electrice, integrat in SMART GRID, prezentat in fig. 1, alcătuit din:

   • amplificatoarele de intrare 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 pentru fiecare din mărimile ce se conectează direct la sistem, trei pentru cele tensiunea de pe trei faze, trei pentru curentul de pe cele trei faze de curent , cate unul pentru curentul si tensiunea de nul.

   • modulul de sincronizare achiziție de date 9, format dintr-o bucla PLL , avand ca referința tensiunea de pe faza UR .

   • modul de achiziție de date , format dintr-un etaj ADC 10 si un controler de achiziție 13 ce comanda ADC sincron cu semnalele primite de la bucla PLL.

   • modulul de comunicație intern , ce primește datele de achiziție pe o rețea SPI si o transmite print-un LAN intern modulului de prelucrare, memorare, afișare si transmisie externa 15.

   • modulul de calcul, stocare rezultate , afișare 16 si transmitere externa.

   • modulul GPS • afisorul local LCD 7, cu touchscreen.
2. 2. Medoda de măsurare si monitorizare on-line a parametrilor energiei electrice produse /transportate /distribuite /furnizate /consumate si a parametrilor de calitate a energiei electrice, conform invenției, asigura:

   a) achiziționarea formelor undelor de curent si de tensiune, de pe o faza sau de pe cele trei faze ale rețelei electrice, in orice punct de măsura, prin eșantionarea semnalelor sinusoidale de curent sau de tensiune, sincronizat si cu o viteza mare de eșantionare, si anume 512 eșantioane/ o perioada a semnalului sinusoidal;

   b) stocarea in memoria proprie a echipamentului, a formelor undelor semnalelor sinusoidale de curent si tensiune;

   c) reglarea vitezei de eșantionare pentru stocarea formelor undelor de curent si de tensiune, in trei trepte: 512/256/128 eșantioane / perioada semnalului sinusoidal , si prin aceasta se mărește de 4 ori durata de stocare posibila a undelor de curent si de tensiune;

   d) detecția, înregistrarea si alarmare privind tentativele de acces neautorâ^p^^

   WL i ίχ· 2 ο 1 5 - - 0 0 4 0 5 4 Î -05- 2012

   e) achiziționarea, prelucrarea si stocarea in regim automat a datele privind undelor de curent si de tensiune;

   f) măsurarea si monitorizarea on-line a parametrilor care caracaterizeaza energia electrica produsa / transportata / distribuita / furnizata / consumata (curentul, factorul de putere, puterea activa, puterea reactiva, puterea deformanta, energia activa, energia reactiva, energia deformanta) si respectiv calitatea energiei electrice (tensiunea, frecventa, factorul de putere, întreruperile tranzitorii, întreruperile scurte si lungi, golurile de tensiune, supratensiunile temporare de frecventa industriala -50 Hz sau 60 Hz- intre faze si pamant sau intre faze, fenomenul de fliker, variațiile rapide si lente de tensiune, armonicele, interarmonicele, factorul de distorsiune armonica, nesimetria sistemului trifazat de tensiuni, formate undelor de curent si de tensiune) intr-un anumit punct de măsura;.

   g) identificarea automata a defecțiunilor caracterizate prin golurile de tensiune, creșterile de tensiune, întreruperile de tensiune, ora producerii, durata evenimentului;

   h) transmiterea in timp real a datelor măsurate la centrul de management al datelor/informatiilor sau la dienti;

   i) comunicația bidirecționala, securizata, cu centrul de management datelor/informatiilor si respectiv accesul securizat a acestuia, la datele stocate de sistemul de măsura si monitorizare, pentru consultare si extragere de date, respectiv pentru verificarea periodica si actualizarea software-ul intern (partea nemetrologica);

   j) comunicația bidirecționala, securizata, cu consumatorii finali si acces securizat a acestora la datele stocate de sistemul de măsura si monitorizare, pentru consultare si extragere de date;

   k) sincronizarea datelor măsurate cu referința de timp a centrului de management al datelor / informațiilor;

   l) implementarea modulului software Intelligent energy meter cu rol de tarifare a energiei, adaptabil pentru orice structura de tarifare necesara;

   m) înregistrarea puterii, in orele de vârf si in restul orelor, conform cu structura de tarifare impusa;

   n) informațiile necesare pentru controlul de la distanta al $

   siSfrbitah. 4