blok monitorowania sieci energetycznych

INFORMATOR TECHNICZNY GE FANUC
Informator Techniczny nr 4
-- lipiec 1996 --
Genius PowerTRAC
Blok monitorowania sieci energetycznych
Blok Genius PowerTRAC (IC660BPM100) został zaprojektowany w celu umożliwienia monitorowania
poboru mocy z sieci energetycznej, głównie w zastosowaniach
przemysłowych. Monitorowanie poboru mocy pozwala na lepsze
planowanie zużycia energii, bardziej efektywne wykorzystanie istniejącej
instalacji (np. korygowanie współczynnika mocy), redukcję kosztów
związanych z zużyciem energii elektrycznej i łącznego czasu przestojów w
zakładzie przemysłowym.
Blok PowerTRAC może stanowić element systemu wejść/wyjść
rozproszonych Genius, może też pracować jako samodzielne urządzenie.
Blok monitoruje wejściowe przebiegi napięcia i natężenia
prądu,
przekształca sygnały analogowe na cyfrowe i zapamiętuje je w celu
obliczenia wartości skutecznej napięcia i natężenia prądu, mocy czynnej,
biernej, współczynnika mocy, energii czynnej (kWh) oraz szeregu innych
użytecznych parametrów. Dane te są przesyłane automatycznie do
sterownika PLC lub komputera nadrzędnego w przybliżeniu dwa razy w
ciągu sekundy. Te same dane mogą być wyświetlane za pomocą ręcznego
terminala (Genius Hand Held Monitor), lokalnie, albo z dowolnego punktu
magistrali Genius.
Blok PowerTRAC może być podłączony do instalacji prądu trójfazowego, skonfigurowanej w trójkąt lub
gwiazdę lub do instalacji prądu jednofazowego. Wejścia napięciowe bloku mogą współpracować z
maksymalnie trzema przekładnikami napięciowymi o napięciu wyjściowym do 120 VAC (47÷63 Hz) i
napięciu wejściowym (pierwotnym) do 32 kV. Przekładniki napięciowe mogą być podłączone do pomiaru
napięcia fazowego lub międzyfazowego. Wejścia prądowe bloku mogą współpracować z maksymalnie
trzema przekładnikami prądowymi podłączonymi do przewodów fazowych oraz jednym przekładnikiem
prądowym podłączonym do przewodu zerowego. Prąd wyjściowy przekładnika nie powinien przekraczać
5 A, natomiast prąd wejściowy (pierwotny) nie może przekraczać 32767 A dla przewodów fazowych,
oraz 3275 A dla przewodu zerowego. Maksymalne obciążenie przekładnika prądowego nie przekracza
0,5 VA.
Blok może być również podłączony bezpośrednio do sieci energetycznej, jeśli nominalne napięcie sieci
nie przekracza 120 V, a natężenie prądu płynącego w sieci nie przekracza 5 A.
W ramach monitorowania sieci blok PowerTRAC wykrywa chwilowe przetężenia na wejściach
prądowych, zapamiętując przebiegi napięcia oraz natężenia dla cyklu, w którym nastąpiło przetężenie
oraz dla dwóch cykli poprzedzających zdarzenie i pięciu następujących po nim.
Blok jest konfigurowalny i skalowalny programowo, za pomocą ręcznego terminala (Genius Hand Held
Monitor), ze sterownika PLC lub komputera nadrzędnego systemu Genius. Konfiguracja jest
przechowywana w pamięci trwałej bloku.
Blok PowerTRAC może być zasilany prądem przemiennym o napięciu 115/230 VAC i częstotliwości
47÷63 Hz lub prądem stałym o napięciu 125 VDC (100÷150 VDC), 35 VA max.
ASTOR Sp. z o.o.
Dział Systemów Sterowania
ul. Smoleńsk 29, 31-112 Kraków
tel.: 012 428-63-20
fax: 012 428-63-09
e-mail: [email protected]
http://www.astor.com.pl
W systemie Genius blok może być zainstalowany w maksymalnej odległości 2200 m od sterownika PLC
lub komputera nadrzędnego.
Zasada działania bloku Genius PowerTRAC
DO wykonania pomiarów i obliczeń monitorowanych parametrów blok PowerTRAC wykorzystuje techniki
analogowe i cyfrowe. Sygnał z wejść napięciowych i prądowych jest próbkowany z częstotliwością 16
razy większą od częstotliwości sieci. Dla każdego przebiegu wejściowego w tzw. „tablicy danych
roboczych” zapamiętywanych jest 8 kolejnych cykli, czyli 128 próbek. Zapisane w pamięci fragmenty
przebiegów służą następnie do obliczenia parametrów monitorowanych przez blok oraz do analizy
harmonicznych przebiegów. Zawartość wspomnianej tablicy może również zostać przesłana do
sterownika PLC lub do komputera nadrzędnego jako datagram.
Schemat układu pomiarowego bloku PowerTRAC.
Dane dostarczane przez blok PowerTRAC
Podstawowe wielkości obliczane oraz parametry stanu – jest to 18 słów (36 bajtów) danych oraz 1
słowo stanu, które są obliczane około 2 razy na sekundę i udostępniane przez blok automatycznie dla
wszystkich urządzeń podłączonych do magistrali Genius. Wielkości te to:
• napięcie międzyfazowe UAB,
• napięcie międzyfazowe UBC,
• napięcie międzyfazowe UAC,
• napięcie fazowe UA (między przewodem fazowym A a przewodem zerowym N),
• napięcie fazowe UB (między przewodem fazowym B a przewodem zerowym N),
• napięcie fazowe UC (między przewodem fazowym C a przewodem zerowym N),
• natężenie prądu IA (w fazie A),
• natężenie prądu IB (w fazie B),
• natężenie prądu IC (w fazie C),
• natężenie prądu z dodatkowego przekładnika prądowego,
2
•
•
•
•
•
•
•
•
moc czynna dla fazy A,
moc czynna dla fazy B,
moc czynna dla fazy C,
moc bierna dla fazy A,
moc bierna dla fazy B,
moc bierna dla fazy C,
globalny współczynnik mocy,
łączna moc czynna (kWh/MWh).
Dodatkowe wielkości obliczane – jest to 12 słów (24 bajty) wielkości obliczonych i udostępnianych na
żądanie lub samoczynnie (w zależności od skonfigurowania bloku) za pośrednictwem ręcznego
terminala (HHM), sterownika PLC lub komputera nadrzędnego. Wielkości te to:
• moc bierna zawiązana z przesunięciem fazowym dla fazy A,
• moc bierna zawiązana z przesunięciem fazowym dla fazy B,
• moc bierna zawiązana z przesunięciem fazowym dla fazy C,
• współczynnik mocy związany z przesunięciem fazowym,
• moc bierna związana z występowaniem harmonicznym dla fazy A,
• moc bierna związana z występowaniem harmonicznym dla fazy B,
• moc bierna związana z występowaniem harmonicznym dla fazy C,
• procentowy stosunek mocy biernej związanej z występowaniem harmonicznych do całkowitej
mocy biernej,
• częstotliwość sieci,
• alarm temperaturowy,
• stan licznika kilowatogodzin o rozszerzonym zakresie (2 słowa – liczba 8-cyfrowa).
Dane dotyczące wykrytego przetężenia – dwie 1792-bajtowe tablice danych, zawierające po 8 cykli z
każdego zarejestrowanego przebiegu prądowego i napięciowego w sąsiedztwie wykrytego przetężenia
(2 cykle przed cyklem natężenia prądu o amplitudzie przekraczającej zadany poziom, cykl zawierający
przetężenie oraz 5 cykli następujących po wykrytym przetężeniu). Każdy cykl zawiera 16 próbek. Dane
te są dostępne na żądanie za pośrednictwem sterownika PLC lub komputera nadrzędnego. Sposób
rejestracji wykrytego przetężenia ilustruje poniższy rysunek.
3
Blok PowerTRAC może również dane dotyczące jednego cyklu monitorowanego przebiegu napięcia lub
natężenia prądu zdigitalizowanego ze zwiększoną dokładnością (128 próbek). Dane te mogą posłużyć
do dalszej obróbki w komputerze nadrzędnym.
Wymagania pamięciowe dotyczące sterownika lub komputera nadrzędnego
Aby móc odczytać i przetworzyć dane dostarczane przez blok Genius Power TRAC (podstawowe
wielkości obliczane oraz parametry stanu), w sterowniku GE Fanuc serii 90 należy zarezerwować
następujący obszar pamięci:
• 16 zmiennych wejściowych, dyskretnych %I,
• 16 zmiennych wyjściowych, dyskretnych %Q,
• 18 zmiennych wejściowych, rejestrowych %AI.
Komputer nadrzędny z kartą PCIM zapisuje te same dane w pierwszych 19 bajtach 128-bajtowej
pamięci RAM karty PCIM przeznaczonej dla tego bloku (dla każdego z urządzeń pracujących w sieci
Genius karta PCIM przeznacza 128 bajtów; maksymalna liczba urządzeń na magistrali – 32 włącznie z
modułem komunikacyjnym lub kartą PCIM komputera oraz ręcznym terminalem HHM).
Dodatkowe wielkości obliczane (jeśli blok został tak skonfigurowany, aby udostępniać je samoczynnie –
opcja Send Extended Calculated Data: Yes) wymagają zarezerwowania dodatkowych 12 zmiennych
rejestrowych %AI (czyli łącznie 30 zmiennych rejestrowych %AI).
4
Dane dotyczące przetężenia wymagają wydania osobnego polecenia odczytu z poziomu sterownika
PLC lub komputera nadrzędnego.
Dokładność obliczeń bloku Genius Power TRAC
Wysoka dokładność obliczeń jest jedną z zalet bloku Genius Power TRAC. Wynika ona ze starannego
doboru elementów elektronicznych, które tworzą wejścia analogowe oraz zastosowania dokładnych
układów cyfrowych. Poniżej scharakteryzowano poszczególne elementy toru pomiarowego pod kątem
ich dokładności oraz oszacowano maksymalne błędy, którymi mogą być obarczone wyniki obliczeń.
Wejściowe układy skalujące
Blok Power TRAC posiada dwa rodzaje układów skalujących:
• Pierwszy z nich to dzielnik napięć, składający się z dwóch precyzyjnych rezystorów o
początkowej tolerancji 0,1%, która z upływem czasu może się zwiększyć o dodatkowe 0,1%.
Ponieważ skalowanie opiera się na stosunku rezystancji tych rezystorów, a rezystancja zmienia
się z czasem w tym samym kierunku, rzeczywisty błąd jest zwykle znacznie mniejszy, niż
mogłyby to sugerować podane liczby.
• Drugi układ skalujący jest używany dla wejść prądowych. Składa się on z 11 rezystorów
warstwowych nacinanych laserowo, każdy o tolerancji 0,1%, która z upływem czasu może się
zwiększyć o dodatkowe 0,1%. Ponieważ w tym układzie skalowanie opiera się również na
stosunku rezystancji, rzeczywisty błąd jest także znacznie mniejszy, niż wartość tolerancji.
Napięcie odniesienia
Maksymalna tolerancja napięcia odniesienia dla bloku Power TRAC wynosi 0,05%, typowa wartość to
0,02%. Wahania napięcia, wpływ temperatury, itp. Mogą zwiększać tę wartość o 0,01%.
Przetwornik analogowo-cyfrowy
Przetwornik analogowo-cyfrowy bloku Power TRAC jest przetwornikiem 12-bitowym (ze znakiem).
Cechuje się on maksymalnym błędem równym 4 działkom elementarnym dla całego zakresu (4096
bitów), czyli 0,01%. Dodatkowo przetwornik posiada zdolność autokalibracji i autozerowania, co
umożliwia utrzymanie maksymalnego błędu w podanych granicach.
Kalibracja fabryczna
Nie ma potrzeby fabrycznej kalibracji bloków Power TRAC. Dokładność bloków jest kontrolowana
fabrycznie (testy funkcjonalne) za pomocą wzorcowych woltomierzy o wysokiej dokładności (rzędu
0,01÷0,05%).
Łączna rzeczywista dokładność pomiarowa dla bloku Power TRAC wynosi więc (dla całego zakresu
pomiarowego) 0,1% dla pomiarów napięcia, 0,25% dla pomiarów natężenia prądu oraz 0,5% dla
pomiarów mocy. Błędy te są mniejsze niż jedna trzecia wartości podawanych w specyfikacji jako
dokładność bloku, co zapewnia duży margines bezpieczeństwa w odniesieniu do dokładności pomiarów.
5
Konfiguracja bloku Genius Power TRAC
Blok Genius Power TRAC wymaga wprowadzenia numeru urządzenia na magistrali Genius z poziomu
ręcznego terminala (BLOCK ID – od 0 do 31, przy czym zwykle 0 zarezerwowane jest dla terminala, a
31 dla modułu komunikacyjnego sterownika lub karty PCIM komputera; dla bloku pozostają numery od 1
do 30). Pozostałe parametry można skonfigurować z poziomu ręcznego terminala (HHM) lub
specjalnego oprogramowania. Parametry te to:
• Sposób podłączania przekładników napięciowych (PT Connection) – mogą być one podłączone
do pomiaru napięcia fazowego (L-N) lub międzyfazowego (L-L).
• Liczba przekładników napięciowych (Number of PTs) – może wynosić od 1 do 3.
• Liczba przekładników prądowych (Number of CTs) – może wynosić od 1 do 3, nie licząc
przekładnika dla przewodu zerowego.
• Jednostki wyświetlania mocy (Power Display Units) – mogą to być waty, kilowaty lub megawaty.
Odnosi się to do skalowania jednostek mocy czynnej, biernej i energii.
• Przekładnia zwojowa przekładnika napięciowego (PT turns ratio) – zakres przekładni to od 1:1 do
2730:1.
• Przekładnia zwojowa przekładnika prądowego (CT turns ratio) – zakres przekładni to od 1:1 do
6550:1.
• Przekładnia zwojowa dodatkowego przekładnika prądowego dla przewodu zerowego (NCT turns
ratio) – zakres przekładni to od 1:1 do 655:1.
• Poziom przetężenia w przewodzie fazowym (Current Line Transient) – jest to wartość natężenia
prądu, którego przekroczenie powoduje zarejestrowanie danych o przetężeniu (w tym 2 cykle
poprzedzające i 5 następujących po przetężeniu) w specjalnych tablicach pamięci bloku; zakres
wartości progowej – do 32767 A.
• Poziom przetężenia w przewodzie zerowym (Auxiliary Current Transient) – jest to wartość
natężenia prądu w przewodzie zerowym, przekroczenie którego powoduje zarejestrowanie
danych o przetężeniu; zakres wartości progowej – do 4600 A.
• Konwencja znaków dla mocy biernej i współczynnika mocy (VAR/PF Sign Convention) – dwie
możliwe konwencje: Mode A (znak „+” dla obwodów z przewagą reaktancji pojemnościowej, w
których napięcie wyprzedza natężenie prądu) oraz Mode B (odwrotna konwencja).
• Samoczynne udostępnianie dodatkowych danych (Send Extended Calculated Data) – dodatkowe
dane (12 słów) mogą być wysyłane przez blok automatycznie z określoną częstotliwością (2 razy
na sekundę) wraz z podstawowymi wielkościami obliczanymi i słowem stanu.
• Szybkość transmisji danych (Baud Rate) – wszystkie urządzenia na magistrali muszą używać tej
samej szybkości; może ona wynosić 153,6 kbaud, 76,8 kbaud lub 38,4 kbaud. Od szybkości tej
zależy maksymalna odległość, na którą mogą być oddalone bloki systemu Genius.
• Obecność urządzenia przełączającego magistralę (BSM Present).
• Funkcjonowanie bloku jako urządzenia przełączającego magistralę (BSM Controller) – parametr
ten konfiguruje się jeśli poprzedni parametr (BSM Present) został skonfigurowany jako Yes.
• Praca w systemie redundantnym lub nie (CPU Redundancy).
• Zabezpieczenie dostępu do konfiguracji (Configuration Protection).
Zestaw parametrów konfiguracyjnych bloku wraz z domyślnymi ustawieniami:
Parametr
Ustawienie domyślne
L-N
3
2
KWatts
PT Connection
Number of PTs
Number of CTs
Power Display Units
6
PT turns ratio
CT turns ratio
NCT turns ratio
Current Line Transient
Auxiliary Current Transient
VAR/PF Sign Convention
Send Extended Calculated Data
Baud Rate
BSM Present
CPU Redundancy
Configuration Protection
60,0
200
5
3276
327
Mode A
No
153,6 st
No
None
Disabled
Typowe zastosowania bloku Genius Power TRAC
Monitorowanie przepływu mocy w linii energetycznej trójfazowej
Blok Power TRAC może zostać zastosowany do monitorowania wielkości i kierunku przepływu mocy.
Dostarczone dane (energia czynna i bierna dla każdej fazy wraz ze znakiem, globalny współczynnik
mocy systemu) mogą być użyte m.in. w celu korygowania współczynnika mocy.
Monitorowanie urządzeń stanowiących obciążenie jednej linii
Blok Power TRAC może zostać zastosowany do monitorowania trzech pojedynczych urządzeń
podłączonych do tej samej linii prądu trójfazowego. Aby monitorowanie w tym zastosowaniu było
dokładne, napięcie i obciążenie na każdej z trzech faz powinno być symetryczne.
7
Monitorowanie linii jednofazowej
Blok Power TRAC może zostać zastosowany do monitorowania obciążenia trzech niezależnych linii
jednofazowych.
8
Monitorowanie podstacji
Blok Power TRAC może zostać zainstalowany w podstacji energetycznej do monitorowania przepływu
mocy przez automatyczne włączniki (bezpiecznik główny i bezpieczniki poszczególnych linii
zasilających) podstacji. Informacje zgromadzone przez system w takim przypadku mogą zostać
wykorzystane do opracowania strategii kontrolowania i sterowania zużyciem energii w monitorowanym
systemie.
Dane techniczne bloku
Wejścia napięciowe
Napięcie nominalne
Maksymalne napięcie w stanie przejściowym
Obciążenie pojedynczego wejścia
Dokładność pomiaru napięcia
60÷120 VAC RMS przy 47÷63 Hz
300 V
< 0.1 A
0,25% odczytu + 0,25% całego zakresu
nominalnego
od 1:1 do 2730:1 (do 327 kV)
Zakres przekładni przekładnika napięciowego
Wejścia prądowe
Nominalne natężenie prądu
0÷5 A RMS przy 47 ÷ 63 Hz
5÷50 A RMS przy 47 ÷ 63 Hz;
50 A przez 5 sekund co 10 minut
< 0,5 VA
0,5% odczytu +0,5% całego zakresu nominalnego
od 1:1 do 6550:1 (do 3200 A)
0,75% odczytu + 0,75% całego zakresu
Dopuszczalne przetężenie
Obciążenie pojedynczego wejścia
Dokładność pomiaru natężenia prądu
Zakres przekładni przekładnika prądowego
Dokładność obliczonej mocy
9
Dokładność pomiaru częstotliwości
Zasilanie bloku
Parametry ogólne
Diody LED
Temperatura pracy
Temperatura przechowywania
Wilgotność względna
Odporność na drgania
Wymiary
Zgodność z normami
nominalnego (dla współczynnika mocy >0,8)
±0,1 Hz
115/230 VAC (90÷265 VAC), 47÷63 Hz
125 VDC (100÷150 VDC), 35 VA max
2 diody LED: Blok OK, Komunikacja OK
0°C ÷ +60°C
-40°C ÷ +100°C
5% ÷ 95%, bez kondensacji
10 g, 10 ÷ 200 Hz
13,23 x 27,94 x 20,47 cm
UL, CSA, ANSI C37.90, NEMA 2-230, IEEE 587,
IEC 801.4
10