Анализаторы качества электрической энергии VHR. Опыт успешных разработок компанией VERTESZ Elektronika

Венгерская компания VERTESZ Eelektronika занимается разработкой и производством анализаторов качества электрической энергии с конца 80-х годов. В 80-е годы элементная база, доступная для гражданской промышленности, еще не позволяла конструировать малогабаритные переносные устройства, которые бы непрерывно, с большой частотой выборки могли проводить измерение электрических величин и сохранять их в течение длительного промежутка времени.

В середине 90-х годов как в России, так и в Европе вступил в силу стандарт, регламентирующий показатели качества электроэнергии среднего и низкого напряжения. VERTESZ Elektronika оказался одним из первых производителей, вышедшим на рынок с приборами, регистрирующими качество электроэнергии, удовлетворяющими требования стандартов. Разработка анализаторов качества электроэнергии нового поколения, а именно, семейства анализаторов VHR, производилась в тесном сотрудничестве с сетевыми предприятиями. Что и каким образом должен измерять анализатор, описано в соответствующих стандартах.

Грамотным инженерам не составляет большого труда разработать алгоритм измерения показателей качества электроэнергии и выбрать элементную базу. Гораздо более сложным оказывается вопрос механики прибора и его принадлежностей, а также коммуникации прибора. Даже после выпуска первой серии анализаторов рано говорить о полной готовности прибора. Многие проблемы всплывают уже в процессе эксплуатации на предприятиях.

За последние двадцать лет VERTESZ накопил огромный опыт в производстве  приборов массового использования, в том числе анализаторов качества электрической энергии. В этой статье мы хотим поделиться теми инженерными проблемами, с которыми столкнулись в процессе эксплуатации приборов, и благодаря решению которых современные анализаторы качества электроэнергии VHR полностью соответствуют требованиям сетевых компаний.

Механическая прочность.

Анализаторы качества электрической энергии, впрочем, как и другие электроизмерительные приборы, можно разделить на несколько групп по условиям эксплуатации: лабораторные, промышленные для помещений и промышленные для работы на открытом воздухе.

По механическому исполнению к лабораторным приборам качества электроэнергии жестких требований  нет, т.к. ими пользуются в «комнатных» условиях люди с высшим или средним техническим образованием, бережно обращающимися с ними.

Промышленные же анализаторы качества электрической энергии должны сохранять работоспособность даже в экстремальных условиях. Это касается как температурных условий, так и механической надежности. Также следует учесть тип персонала, который работает с анализаторами. На типичных производственных предприятиях вопросами качества электрической энергии занимается энергетик, т.е. человек, который пользуется  различными приборами, а значит, бережно обращается с ними.

Что касается сетевых предприятий, то, как правило, ввиду массовости замеров установку анализаторов качества электрической энергии производят электрики, которые в своей работе обычно не используют приборы, требующие бережного обращения. Сетевые предприятия обязаны периодически проверять показатели качества электроэнергии в определенных точках сети. Это означает, что анализаторы часто подвергаются транспортировке. Все анализаторы качества электроэнергии поставляются в специальной сумке с ремнем для переноски на плече. По нашим наблюдениям очень часто приборы носят, взявшись непосредственно за кабели. А значит, крепление кабелей к прибору должно быть таким, чтобы сами кабели не обрывались и не вырывались из корпуса прибора.

Подключение кабелей к прибору. Наши анализаторы качества электроэнергии VHR выпускаются двух видов по способу подключения проводов: непосредственно к прибору через кабельные сальники и через специальные разъемы.

При подключении через сальники необходимо обеспечить механическую прочность, чтобы крепление выдерживало нагрузку при переноске приборов. Как бы руководство компании не требовало корректного обращения с приборами от сотрудников, все предприятия неизбежно столкнутся с данной проблемой. Компания VERTESZ предлагает принять эту данность, и исключить отрицательные последствия небрежного обращения с анализаторами.

При использовании специальных разъемов мы столкнулись с рядом других проблем. Поскольку не всегда есть возможность заземлить прибор (например, на опоре), то разъем должен быть из изоляционного материала. Сначала мы выбрали удобный разъем одного всемирно известного производителя. Однако, в процессе эксплуатации выяснилось, что этот разъем не выдерживает частого подключения, ломается. Оказалось, что этот тип фактически разработан для установки в лабораторной технике, где, во-первых, требуется бережное обращение, а во-вторых, не так часто подключают и отключают провода. В сопроводительной документации же никаких указаний на условия эксплуатации разъема не было. Пришлось во всех анализаторах качества электроэнергии менять разъем.

Далее был выбран другой производитель. Но и здесь столкнулись с проблемами механической прочности. Электрики с такой силой крутили разъем, что срывали резьбу или просто выкручивали кабели из разъема. Для предотвращения этого пришлось сделать несколько дополнительных креплений.

Но и на этом проблемы не закончились. Через некоторое время в приборах, установленных на опорах на открытом воздухе, появилась влага, что приводило к коррозии плат. После большого числа экспериментов оказалось, что даже при креплении приборов таким образом, чтобы разъемы были внизу, из-за капиллярных явлений влага через разъемы попадала вовнутрь анализатора не взирая на то, что степень защиты разъема IP65.

При измерениях на открытом воздухе необходимо использовать кабели,  стойкие к ультрафиолетовому излучению. Все кабели анализаторов качества электрической энергии VHR имеют цветовую отметку, соответствующую обозначению фаз. Не смотря на то, что производители кабелей представили сертификат о стойкости цветов даже при влиянии ультрафиолетовых лучей, со временем цвета изменились, и маркировка стала неоднозначной. Нам необходимо было обеспечить однозначное обозначение фаз на кабеле даже в случае изменении цветов.

Корпус прибора. К корпусам приборов также предъявляются высокие требования. Не все точки измерения показателей качества электроэнергии находятся в помещениях, ряд измерений делается прямо на опорах ЛЭП, т.е. степень защиты корпусов должна быть минимум IP65.

Стоит отметить, что высокую степень защиты, как правило, обеспечивают специальные резиновые прокладки. Со временем резина стареет, что делает необходимым отслеживание за ее состоянием. Ряд производителей в корпусах для анализаторов качества электроэнергии, по аналогии с корпусами для уличных часов, обеспечивают водостойкость только в том случае, если при каждой разборке в корпусе будут заменены уплотнения. Кроме того, и корпус, и кабели прибора, установленного на опоре, не должны разрушаться под влиянием ультрафиолетового излучения. Немаловажно, чтобы шильдик с основными данными прибора был тоже долговечным, со временем не отсоединялся от корпуса, информация оставалась доступной и читаемой.

Поскольку нашими приборами VHR сетевые предприятия пользуются уже более 10 лет, то за эти годы мы столкнулись с разными курьезными случаями. Например, одно сетевое предприятие случайно обнаружило считавшийся утерянным прибор VHR, провисевший на опоре более 2 лет. Прибор остался работоспособным, корпус и кабели были в полном порядке, на шильдике вся информация сохранилась. И даже данные измерений были «свежими», так как на приборе не было выставлено время окончания измерения показателей качества электроэнергии.

Конструирование приборов VHR. Основным назначением приборов является организация измерений в соответствии с действующими стандартами показателей качества электроэнергии. К ним относятся не только новый ГОСТ Р 54149-2010, касающийся норм качества электрической энергии, но и  способов измерения показателей качества электроэнергии и классификации приборов. Помимо правильного выбора элементной базы и написания корректной программы, чтобы осуществить измерение напряжения и (или) измерение тока, необходимо обеспечить надежность измерения и сохранения результатов измерения.

В первую очередь это относится к блоку питания. Работоспособность анализаторов качества электрической энергии должна быть обеспечена и в том случае, когда поблизости нет розетки для питания. Это означает, что питание должно быть от измеряемого сигнала, причем прибор должен работать даже при наличии напряжения хотя бы в одной произвольной фазе. Отсутствие напряжения в одной или двух фазах довольно частое явление в сети низкого напряжения.

Использование аккумулятора, который в таких ситуациях обеспечил бы анализатор питанием, не самое надежное решение, так как появляется необходимость постоянно следить за состоянием аккумулятора. Более того, может возникнуть ситуация, при которой аккумулятор выйдет из строя в процессе измерения. Анализаторы качества электроэнергии VHR производства VERTESZ питаются от измеряемой сети. Причем работоспособность сохраняется при наличии напряжения хотя бы в одной произвольной фазе.

Все измеренные значения должны сохраняться в энергонезависимой памяти. В настоящее время широко распространилось использование карт SD в первую очередь из-за удобства считывания информации. Однако, для регистраторов качества электроэнергии, выполняющих измерения без обслуживающего персонала, это решение ненадежно в первую очередь из-за контакта карты. Учитывая условия транспортировки, приборы должны быть вибростойкими, выдерживать тряску при езде по бездорожью, а значит, они должны содержать как можно меньше присоединительных деталей и узлов, состояние которые может измениться из-за тряски. Отказы в соединении SD карты будут случаться тем чаще, чем больший срок эксплуатации анализатора прошел.

Как пример ненадежности подобного рода контактов можно указать на мобильные телефоны, где нередко случается потеря связи из-за смещения СИМ-карты. Если после недельного измерения выяснится, что контакта с картой не было, то это приведет не только к материальным затратам, но и потере важной информации. При использовании карты SD не всегда можно предотвратить ее потери или извлечения из прибора некомпетентными лицами. VERTESZ всегда стремится к надежности сохранения информации, поэтому показатели качества электроэнергии в приборах VHR записывается на энергонезависимую память FLASH.

О надежности приборов может служить еще один случай, когда у одной сетевой компании прибор VHR-22 упал с опоры низкого напряжения. Корпус повредился, но прибор остался работоспособным.

В надежности анализатора качества электроэнергии важную роль играет и формат ее сохранения. Электроэнергия является продуктом, цена которого может зависеть от качества. А значит, могут возникнуть споры о качестве электрической энергии между потребителем и сбытовой компанией. В таких ситуациях проводят претензионные испытания показателей качества электроэнергии. Исходные результаты должны быть представлены в форме, которую не могут изменить ни потребитель, ни сбытовая компания. Т.е. распространенные форматы doc, xls и пр. не годятся, т.к. их легко фальсифицировать. Приборы VHR хранят результаты измерения в особом, непубличном, засекреченном формате, которые с помощью специальной, поставляемой вместе с анализаторами программой VHR Konzol можно конвертировать в  формат Microsoft Excel.

Неотъемлемой частью обеспечения достоверности измерений является правильное подключение прибора к измеряемой сети. При этом необходимо проверить не только механический контакт, но и согласование фаз. В случае измерения напряжения нужно следить за чередованием фаз. В приборах, предназначенных также для измерения тока, следует обратить особое внимание на согласование фаз напряжения и тока, а также направление тока. Сигнализация же об ошибке подключения должны быть легко воспринимаемой. Не все приборы можно снабдить большим дисплеем с высвечиванием измеряемых значений и/или векторной диаграммы. Зачастую анализаторы не имеют никакого дисплея, например, размещаемые в распределительные шкафы или устанавливаемые на опоры. Разработчики приборов VHR позаботились и об этом, все приборы снабжены индикацией на светодиодах, информирующей о неправильном подключении кабелей напряжения и тока, гаснущей на время измерения в целях дополнительной маскировки.

За много лет работы над анализаторами мы столкнулись не только с вопросами инженерного исполнения самого прибора, но и подключения его к сети. Если в одних случаях было достаточно зажимов «крокодил», то в других ситуациях тот же самый прибор, теми же самыми кабелями надо было подключить к воздушным проводам с изоляцией.

Для зажимов «крокодил» самое простое – это использование разъемов типа «банан». Но решить вопрос подключения кабелей с теми же разъемами «банан» к воздушным линиям оказалось непросто. Трудность заключалась в подключении к выбранным зажимам таким образом, чтобы с одной стороны крепление было надежным, выдерживало резкое измерение температуры и раскачивание проводов при сильных ветрах, с другой стороны легко монтировалось. И эту проблему решили сотрудники VERTESZ. Совместно с сотрудниками сетевых предприятий было разработано специальное крепежное устройство

Надежная коммуникация.

В самом начале 2000-х годов VERTESZ выпускал приборы с портом RS 232. С распространением сотовой связи появилась потребность в коммуникации через модем GSМ. Первая система, состоящая из 400 приборов VHR с коммуникацией через GSM, была запущена в 2002 году. И в этом проекте мы столкнулись с рядом непредвиденных трудностей.

Особенностью этой системы от других подобных беспроводных систем контроля качества электроэнергии являлось количество передаваемой информации. Системы с каналами GSM  в основном передавали информацию о состоянии устройств, включено/выключено, т.е. максимум в несколько байт.

Информация в анализаторе качества электрической энергии, накопившаяся за неделю, составляла до нескольких мегабайт. Передача такого количества информации через GSM за минимальное время и деньги, поставила серьезную задачу перед разработчиками. Не обошлось без помощи самого сотового оператора, т.к. в то время подобных систем в Венгрии еще не было. Тогда сотовому оператору пришлось реализовывать некоторые дополнительные решения для обеспечения надежности связи и повышения привлекательности собственных услуг.

Несколько лет спустя VERTESZ перешел на коммуникацию через GPRS по замкнутой сети APN. В настоящее время с приборами,  оснащенными модемом GPRS, можно осуществлять связь через Интернет. При проработке коммуникации через сотового оператора выяснился ряд особенностей этой связи. Например, это тип связи рассчитан в первую очередь на устройства, находящиеся в движении. Т.е. если СИМ-карта долго находится на одном месте, то она через некоторое время  будет «забыта» оператором. Далее, ни один оператор не гарантирует непрерывную связь. Для решения этих и ряда других проблем инженерам VERTESZ  Elektronika совместно с компанией -разработчиком модемов GPRS, предложили специальную прошивку модема. Данным модемом оснащаются анализаторы качества электроэнергии VERTESZ.

VERTESZ Elektronika является одним из ведущих предприятий в Европе по производству профессиональных анализаторов качества электрической энергии. Благодаря многолетнему опыту разработки и производства приборов VERTESZ выпускает продукцию, полностью удовлетворяющую потребностям энергетиков по функционалу, надежности, прочности, эргономичности и т.д. Не случайно все сетевые предприятия Венгрии пользуются исключительно приборами VHR. Анализаторами VHR пользуются также энергетики ряда других стран Европы: Румынии, Словакии, Чехии и др.