Kvalita elektřiny a provoz

S rostoucí komplexností průmyslových výrobních systémů, stále častějším využíváním výkonové elektroniky, jako jsou měniče, regulátory výkonu i UPS, které svým provozem vytvářejí parazitní jevy na napájecí elektrické síti a naproti tomu jsou samy stále více náchylné na rušení v síti, vzrůstá potřeba sledování kvality elektrické energie a jejího vlivu na výrobní proces.

Většina pracovníků současných podniků se zatím o kvalitu elektřiny zajímá natolik, že jim stačí vědět, že jejich elektrická síť uvnitř podniku vyhovuje podmínkám normy ČSN EN 50160, a netuší, že tato norma je určena pro potřeby ověření kvality elektrické energie ve vztahu dodavatel-odběratel, tedy na straně odběrného místa, což je pro většinu podniků primární strana napájecího transformátoru.

Informace od distributora, že kvalita sítě na odběrném místě je vyhovující, však neposkytuje téměř žádnou zprávu o tom, jaká situace je na sekundární straně transformátoru, ze které jsou napájena veškerá zařízení v podniku. To je první špatná zpráva.

Obr. 1. Záznam krátkodobého poklesu napětí

Kvalita napětí na sekundární straně je ve většině případů zásadně odlišná od kvality na primární straně. Je totiž ovlivňována odběry připojených zařízení. Většina současných spotřebičů, nejen v průmyslových závodech, je nelineární a zavádí do sítě harmonické složky. Stále přibývá řízených pohonů všech výkonů, výkonových regulátorů atd. Také zdroje počítačových systémů, datových center, UPS atd. zanášejí velké množství rušení do elektrické sítě závodu. Odběry moderních technologií jsou velmi dynamické a způsobují kolísání napětí, poklesy a překmity napětí i impulzní špičky.

Naproti tomu současná zařízení jsou na rušení a jevy na síti mnohem citlivější než zařízení předchozích generací, i přesto, že jsou konstruována a testována podle přísných norem pro EMC. Testy se však provádějí samostatně na jednotlivých zařízeních, nikoliv na komplexu takovýchto zařízení připojených společně na elektrickou síť závodu.

Elektrická síť současného výrobního závodu se tedy spíše než jako klasický elektrický rozvod nízkého napětí chová jako výkonový elektronický obvod – se všemi důsledky.

Druhou špatnou zprávou je, že limity normy ČSN EN 50160, podle kterých většina energetiků v podnicích kvalitu elektřiny v závodě hodnotí, jsou z hlediska „hlídaných“ parametrů sítě naprosto nedostatečné a většinu rušivých jevů na síti, které ovlivňují provoz zařízení, nepostihnou. Navíc měření a vyhodnocování podle této normy postihují pouze napěťové jevy a nezajímají se vůbec o to, jak vypadají proudy protékající sítí. Ty však zásadně ovlivňují jak provoz napájecího transformátoru – jeho ztráty, tak napětí sítě závodu.

Třetí špatnou zprávou pro vyhodnocování kvality s využitím ČSN EN 50160 je skutečnost, že postup, kterým jsou parametry sítě měřeny a vyhodnocovány, určuje norma EN 61000-4-30, která kromě jiného předepisuje, že efektivní hodnota napětí je při měření průměrována přes deset period síťové frekvence. Na obr. 1 je jako příklad znázorněn krátkodobý pokles napětí na hodnotu pod 100 V, který se skutečně projeví na svorkách strojů v dané síti (zelená stopa). Oranžový průběh ukazuje, co naměří přístroj vyhodnocující hodnoty podle normy EN 61000-4-30.

Obr. 2. Elspec BlackBox G44XX

Je patrné, že kromě toho, že není zachycen skutečný tvar poklesu napětí, neodpovídá ani jeho velikost skutečné velikosti této události.

Zařízení připojené k této síti je ovlivněno skutečným poklesem, ne virtuální hodnotou napětí, která byla vypočtena. To je jen malý příklad toho, jak zavádějící informace mohou být získávány při používání přístrojů vyhodnocujících údaje podle ČSN EN 50160.

Co se týče kvality elektrické energie, nejde jen o poklesy napětí, ale i mnoho parametrů, které různě ovlivňují hladký provoz připojených zařízení, jejich životnost i efektivitu.

Nekvalita elektrické energie se na zařízeních projevuje různě: jako např. oteplování motorů, transformátorů a vedení, vedoucí ke zkracování jejich životnosti nebo okamžité poruše, k náhodným výpadkům automatů, PLC apod., k nestabilitě provozu pohonů a akčních členů a k jejich náhodným poruchám, poškozování elektroniky, náhodným výpadkům počítačových systémů řízení výroby atd.

Důsledky nekvality elektrické energie jsou výpadky výroby, zkracování životnosti zařízení, růst nákladů na údržbu, zhoršená kvalita výrobků i energetické ztráty. Vše tedy vede k finančním ztrátám.

Je zřejmé, že kvalitní elektrická energie je rozhodujícím faktorem pro výrobu, stejně jako ostatní suroviny, a proto je třeba na ni i tak pohlížet. Pro kontrolu kvality vstupních surovin, materiálů a komponent má každý výrobní podnik běžně vybudovaný systém kontroly kvality.

Na elektřinu se však většina podniků zatím dívá jako na něco daného automaticky, nanejvýše se pokoušejí ji ověřovat měřidly pracujícími podle ČSN EN 50160 v blahé naději, že mají vše pod kontrolou.

Jestliže dojde k nějaké události na elektrické síti podniku, automaticky se předpokládá, že problém byl způsoben distributorem elektřiny. Z dlouhodobých statistik však plyne, že pouze 10 až 15 % událostí v elektrické síti závodu, které způsobí problém ve výrobě, pochází z nadřazené sítě, tedy od distributora. Ostatních 85 až 90 % si způsobuje závod sám vlastním provozem své technologie, tedy vzájemným ovlivňováním se jednotlivých strojů a zařízení. To je třetí špatná zpráva pro ty, kteří se domnívají, že se o kvalitu elektřiny nemusejí starat, protože je to přece problém dodavatele.

Z popsaného plyne, že je z mnoha zásadních důvodů pro efektivní a spolehlivý provoz výroby nezbytné mít průběžný přehled o kvalitě elektřiny v celém závodě.

Každá konstelace zařízení v různých závodech je jinak ovlivňována jevy na elektrické síti a sama tuto síť ovlivňuje různě, nelze tedy nastavit jakékoliv „prahové“ hodnoty, od kterých je „něco špatně“ obecně tak, jak je tomu v ČSN EN 50160.

Je třeba trvale monitorovat a sledovat všechny parametry elektrické sítě, a to jak na vstupních bodech závodu, tak i ve vybraných uzlech, kde je připojena důležitá technologie.

Bez zavedení vhodného systému komplexního monitoringu kvality elektrické energie se závod vystavuje riziku „náhodných“ výpadků části výroby a dostává se do situace slepce bloudícího v lese, který oklepává každý strom s cílem nalézt cestu ven, v popisovaném případě příčinu poruchy.

Ještě malá poznámka: v mnoha podnicích je nyní zaveden tzv. monitoring spotřeby energií, se kterým je sledování kvality energie často zaměňováno. Avšak přístroje a programy pro účel sledování spotřeby naprosto nezvládají funkce sledování kvality elektřiny.

Obr. 3. Systémové řešení monitoringu

Pro potřeby průběžného sledování kvality elektřiny je třeba měřit metodou perioda po periodě bez jakéhokoliv průměrování. Je to nutné pro jasnou představu o velikosti měřených veličin. Dále je třeba trvale zaznamenávat všechny potřebné veličiny, tedy čtyři napětí a čtyři proudy, jako podklady pro následné analýzy. Ty povedou k odhalení příčiny poruchy. Takovýto způsob umožní ze zaznamenaných údajů o proudech a napětích dodatečně určit kterýkoliv potřebný parametr, a tedy i možnou příčinu potíží, a tudíž i cestu k nápravě.

Pro získání takovýchto parametrů by bylo nutné použít metodu přímého digitálního záznamu průběhu tvaru napětí a proudů jednotlivých fází dostatečně vysokou vzorkovací rychlostí.

Problémem však je, že při vzorkování dostatečném pro dobrou přesnost měření bez ztráty detailů, tedy alespoň 1 024 vzorků na jednu periodu 50 Hz a pro osm vstupů, se získá zhruba 800 MB dat za den záznamu. Kromě obrovského množství dat pro jedno měřicí místo způsobuje uvedené jednoduché řešení problém při rychlém vyhledávání v takovém množství dat.

Tento problém vyřešila firma Elspec speciálním bezeztrátovým kompresním algoritmem PQZIP. Ten zajistí kompresní poměr 1 000 : 1, při jehož použití je možné rok záznamu včetně časových značek a dalších údajů uložit do prostoru 8 GB. Algoritmus je adaptivní, takže v případě, že jsou vstupní veličiny „klidné“, je zapotřebí datový prostor minimální. Objeví-li se v síti např. krátký přechodový děj, množství dat se zvětší, ale stále je vzorkováno plným počtem vzorků.

Na rozdíl od klasické konstrukce monitorů kvality monitory – záznamníky Elspec řady BlackBox G4400 měří všechna napětí a proudy vzorkovací rychlostí až 1 024 vzorků za periodu metodou perioda po periodě bez jakéhokoliv průměrování a takto získaná data jsou nepřetržitě komprimována a ukládána do vnitřní paměti přístroje pro další zpracování. Současně s tímto procesem jsou však údaje zpracovávány i metodikou podle EN 61000-4-30 a vyhodnocovány podle ČSN EN 50160. I tato data jsou ukládána společně s daty v komprimovaném formátu PQZIP. Výsledkem této konstrukce je, že k dispozici jsou informace o fyzické velikosti jednotlivých napětí a proudů průběžně po celou dobu záznamu, tedy nepřetržitě, a současně i informace vyhodnocené podle normy. Navíc jsou obě sady dat k dispozici „on-line“.

Pro praktické použití při monitorování kvality elektrické energie jsou přístroje koncepčně řešeny pro on-line měření a zobrazování údajů energetických (U, I, P, Q, S, cos(φ), tak i všechny energie) i kvalitativních (poklesy napětí, harmonické, flicker atd.).

Přístroj s okolím komunikuje přes rozhraní Ethernet. Pro snadné připojení a nastavení je přístroj vybaven webovým serverem, a je tak přístupný pro on-line měření z jakéhokoliv prohlížeče a z jakéhokoliv místa.

Data uložená v paměti přístroje jsou současně předávána k archivaci a k další možné off-line analýze do softwarového balíku PQSCADA.

V současné době Elspec dodává řadu pevných monitorů pracujících na této koncepce. Jde o přístroje Elspec BlackBox G44XX, přičemž jednotlivé modely řady se liší velikostí paměti pro ukládání dat (G4410 – paměť na pět až sedm dnů, G4420 na měsíc a G4430 na rok záznamu). Mechanické provedení všech modelů je stejné a je patrné z obr. 2.

Řešení komplexního monitoringu kvality elektrické energie může vypadat např. tak, jak je naznačeno na obr. 3.

V závodě jsou na vhodných místech umístěny jednotlivé monitory G44XX připojené k síti LAN závodu. Prostřednictvím LAN jsou data automaticky předávána na server s nainstalovaným systémem PQSCADA.

Obr. 4. Příklad pracoviště monitoringu

Monitory Elspec řady G44XX spolu se softwarovým balíkem PQSCADA Sapphire (obr. 4) tedy poskytují univerzální a snadno modifikovatelné řešení pro vybudování monitorovacího systému kvality elektrické energie zajišťujícího dostatečné možnosti jak pro současné průmyslové podniky, tak i pro podniky budoucí.

Ale to není vše, díky koncepci a otevřenosti programu PQSCADA Sapphire lze do systému připojit jakékoliv měřidlo jakéhokoliv jiného výrobce on-line s jedinou podmínkou: komunikuje alespoň s použitím protokolu Modbus. Vše ostatní je možné v programu Sapphire nastavit. Lze tedy do systému zapojit i existující analyzátory nebo wattmetry jiných výrobců. Navíc je možné zaintegrovat i přístroje pro měření spotřeby jiných energií než jen elektrické, jako je spotřeba tepla, plynu, páry, tlakového vzduchu, vody atd., a systém nastavit jako centralizovaný systém přehledu o energiích.

K monitorům i k datům na serveru je možný přímý přístup z kteréhokoliv místa v závodě pro příslušné pracovníky energetiky, údržby či managementu, a to buď on-line pro okamžitou kontrolu stavu v měřeném bodě, nebo s využitím modulu PQSCADA Investigator, který provádí off-line analýzy. Systém je schopen vykonávat i automatický tzv. reporting širokého spektra parametrů podle potřeb jednotlivých částí podniku.

V případě potřeby lze umožnit i přístup do systému SCADA externím pracovníků, např. pro externí audit kvality elektřiny.

Pomocí PQSCADA Sapphire je možné zobrazovat a vyhodnocovat data uložená v databázi a členěná po jednotlivých měřicích místech a uzlech (obr. 3) ve zvoleném časovém intervalu a volit jakoukoliv kombinaci veličin, která uživatele zajímá, jak je naznačeno na obr. 5.

Obr. 5. Individuální řešení

Všechna takto získaná data lze ukládat, zobrazovat, analyzovat a reportovat, včetně možnosti vytvářet účetní sestavy v jednotlivých uzlech, porovnávat jednotlivá místa atd. Systém PQSCADA Sapphire se tak může stát i monitorem všech médií. Společnost Blue Panther, s. r. o., která je zástupcem firmy Elspec, provádí rozbor situace v závodě pro vyhodnocení možnosti zavést takový systém monitoringu, vypracovává vlastní návrh řešení, dodává a nastavuje systém a školí pracovníky zákazníka. Dále poskytuje možnost dálkového dohledu nad kvalitou elektrické energie a využití jeho výsledků pro provoz a údržbu závodu.

Pro další informace o možnostech monitorů Elspec BlackBox a PQSCADA Sapphire a o dodávkách monitorovacích systémů založených na tomto řešení kontaktujte výhradního zástupce firmy Elspec, společnost Blue Panther, s. r. o.

---

Vyšlo v časopise Elektro č. 5/2017 na straně 48 .
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.