DIPLOMOV´ A PR ´ A CE

(1)

TECHNICK ´ A UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborov´ ych studi´ı

DIPLOMOV´ A PR ´ A CE

Liberec 2012 Viktor Bubla

(2)

TECHNICK ´ A UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborov´ ych studi´ı

Studijn´ı program: N2612 Elektrotechnika a informatika

Studijn´ı obor: 3902T005 Automatické ˇr´ızen´ı a inˇzenýrská informatika

N´ avrh analyz´ atoru kvality elektrick´e energie tˇr´ıdy A pro platformu ARM Development of class A power quality

analyzer on ARM platform

Diplomov´ a pr´ ace

Autor: Bc. Viktor Bubla

Vedouc´ı pr´ace: Ing. Jan Kraus, Ph.D.

Konzultant: Ing. Tom´aˇs Tobiˇska

V Liberci 14.5.2012

(3)

Origin´al zad´an´ı

(4)

Prohlášení

Byl jsem seznámen s t´ım, ˇze na mou diplomovou práci se plnˇe vztahuje zákon ˇc. 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (ˇskoln´ı d´ılo).

Beru na vˇedom´ı, ˇze TUL má právo na uzavˇren´ı licenˇcn´ı smlouvy o uˇzit´ı mé DP a prohlaˇsuji, ˇze s o u h l a s ´ı m s pˇr´ıpadným uˇzit´ım mé diplomové práce (prodej, zap˚ujˇcen´ı apod.).

Jsem si vˇedom toho, ˇze uˇz´ıt své diplomové práce ˇci poskytnout licenci k jej´ımu vyuˇzit´ı mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne poˇzadovat pˇrimˇeˇrený pˇr´ıspˇevek na úhradu náklad˚u, vynaloˇzených univerzitou na vytvoˇren´ı d´ıla (aˇz do jejich skuteˇcné výˇse).

Diplomovou práci jsem vypracoval samostatnˇe s pouˇzit´ım uvedené literatury a na základˇe konzultac´ı s vedouc´ım diplomové práce a konzultantem.

Datum

Podpis

(5)

Podˇ ekování

T´ımto bych chtˇel podˇekovat zejména svým koleg˚um z vývoje firmy KMB systems, s.r.o.[21], se kterými je obvykle radost spolupracovat a vˇzdy pomohou s radou nebo nápadem, jak vyˇreˇsit ten ˇci onen problém.

Ing. Milanu Soprovi bych chtˇel podˇekovat za jeho cenné rady bˇehem návrhu sche- mat, routován´ı desek ploˇsných spoj˚u i návrhu mechanického ˇreˇsen´ı a zp˚usobu mon- táˇze vyv´ıjených pˇr´ıstroj˚u.

Konzultantu Ing. Tomáˇsi Tobiˇskovi bych chtˇel pro zmˇenu uˇcinit hlubokou poklonu pro jeho neuvˇeˇritelnou schopnost orientace v kódu firmwaru vˇsech vyrábˇených pˇr´ı- stroj˚u, jeho schopnost rychlého a efektivn´ıho odstraˇnován´ı chyb a podˇekovat mu za podporu pˇri prosazován´ı nˇekterých nepopulárn´ıch rozhodnut´ı týkaj´ıc´ıch se hardwaru.

Vedouc´ımu práce Ing. Janu Krausovi, Ph.D. bych chtˇel podˇekovat za podporu a rady bˇehem psan´ı této práce a za to, ˇze mi umoˇznil zúˇcastnit se dvou mezinárodn´ıch veletrh˚u, kde jsem se mohl seznámit s nab´ıdkou konkurence a naˇcerpat inspiraci.

(6)

Abstrakt

Práce se zabývá vývojem analyzátoru kvality elektrické energie tˇr´ıdy A definova- ného v normˇe ˇCSN EN 61000-4-30. V teoretické ˇcásti je pˇredloˇzen výtah z nejvý- znamnˇejˇs´ıch norem definuj´ıc´ıch poˇzadavky na analyzátory kvality elektrické energie v jednotlivých tˇr´ıdách a je uveden zp˚usob certifikace spoleˇcnost´ı PSL.

V ˇcásti vˇenované implementaci je popsáno rozdˇelen´ı vývoje analyzátoru do nˇeko- lika etap a srovnán´ı základn´ıch parametr˚u analyzátor˚u jiˇz existuj´ıc´ıch s analyzátorem SMC 144 vyvinutým v prvn´ı etapˇe a budouc´ım fináln´ım pˇr´ıstrojem.

Podrobnˇe jsou popsány hardwarové komponenty analyzátoru SMC 144, konstruk- ˇcn´ı proveden´ı, zp˚usoby pˇripojen´ı mˇeˇrených signál˚u i moˇznosti komunikace.

Je rovnˇeˇz popsána nejniˇzˇs´ı vrstva firmwaru pˇr´ıstroje, která se tˇesnˇe váˇze na hardware a zp˚usoby dosaˇzen´ı pˇrenositelnosti kódu pouˇz´ıván´ım CMSIS. Jsou vysvˇetleny kroky inicializace, funkce provádˇené v hlavn´ı smyˇcce programu, pˇreruˇsen´ı a jednot- livé fáze výpoˇct˚u namˇeˇrených dat.

V kapitole praktických výsledk˚u jsou srovnány výkony modern´ıch mikrokontro- lér˚u a je zhodnocena pˇr´ıvˇetivost z pohledu ladˇen´ı. Jsou uvedeny výsledky mˇeˇren´ı pˇresnost´ı analyzátoru SMC 144 a zp˚usob, jakým byl analyzátor uveden na trh.

V závˇeru jsou diskutovány dosaˇzené výsledky práce, budoucnost analyzátoru kvality elektrické energie SMC 144 a zejména budouc´ı etapy vývoje analyzátoru tˇr´ıdy A.

Kl´ıˇcov´a slova: Cortex-M4, kvalita, tˇr´ıda A, anal´yza s´ıtˇe, CMSIS

(7)

Abstract

This thesis deals with the development of class A power quality analyzer defined in the IEC 61000-4-30 standard. In the theoretical part, there is an extract of the most important standards that define requirements for power quality analyzers in different classes. Also process of certification by PSL company is shown.

In the part devoted to the implementation, the division of the development of the analyzer into several stages is presented and a comparison of basic parameters of the existing analyzers, SMC 144 analyzer developed in the first stage and the future final device is shown.

Hardware components of the developed analyzer, construction, methods of con- nection of measured signals and also communication capabilities are described in details.

The lowest firmware layer of the device is also described, which is tightly bound to the hardware and methods to achieve code portability using CMSIS are explained.

Initialization steps, functions performed in the main program loop, interrupts and phases of calculations of measured data are described.

In the chapter of practical results, the performances of modern microcontrollers and simplicity of debugging are compared. The results of accuracy measurement of SMC 144 analyzer are demonstrated. Also the way the newly developed analyzer was placed to the market is mentioned.

In conclusion, the results of the work, the future of SMC 144 power quality analyzer and especially the future stages of development of the class A analyzer are discussed.

Key words: Cortec-M4, quality, class A, network analysis, CMSIS

(8)

Obsah

Prohlášení 3

Podˇekování 4

Abstrakt 5

1 Úvod 10

2 Teoretický úvod 12

2.1 Certifikace a tˇr´ıda A . . . 12

2.2 Norma ˇCSN EN 50160:2010 . . . 12

2.2.1 Pr˚ubˇeˇzn´e jevy . . . 13

2.2.2 Napˇet’ov´e jevy . . . 14

2.3 Norma ˇCSN EN 61000-4-30:2009 . . . 15

2.3.1 Vˇseobecnˇe . . . 15

2.3.2 Parametry kvality energie . . . 18

2.4 Norma ˇCSN EN 61000-4-7:2009 . . . 22

2.4.1 Definice . . . 23

2.4.2 Vˇseobecnˇe . . . 24

2.4.3 Následné zpracován´ı . . . 27

3 Implementace 29 3.1 Etapy v´yvoje . . . 29

3.2 Srovn´an´ı pˇr´ıstroj˚u . . . 29

3.3 Hardware SMC 144 . . . 30

3.3.1 Konstrukˇcn´ı proveden´ı . . . 30

3.3.2 Pˇripojen´ı k mˇeˇren´e s´ıti . . . 32

3.3.3 Pˇripojen´ı periferi´ı a komunikace . . . 32

3.3.4 Nap´ajen´ı . . . 34

3.3.5 Vstupn´ı obvody, filtry . . . 35

3.3.6 Rozˇsiˇruj´ıc´ı slot . . . 37

3.3.7 AD pˇrevodn´ıky . . . 38

3.3.8 Mikrokontrol´er . . . 38

3.3.9 Pamˇeti . . . 43

3.3.10 Periferie . . . 43

3.3.11 DPS . . . 44

3.4 Software . . . 45

3.4.1 Inicializace HW . . . 46

3.4.2 Hlavn´ı smyˇcka . . . 47

(9)

3.4.3 Pˇreruˇsen´ı . . . 47

3.4.4 V´ypoˇcty . . . 48

3.4.5 Archivace . . . 49

3.4.6 Komunikace . . . 49

4 Praktické výsledky 51 4.1 Zkuˇsenosti s MCU . . . 51

4.2 Testy stability mˇeˇren´ı . . . 51

4.3 Pˇresnosti . . . 52

4.4 Uveden´ı SMC 144 na trh . . . 56

Závˇery a doporuˇcení 58

Použitá literatura a prameny 62

Nomenklatura 64

(10)

Seznam obrázk ˚ u

1 Urovnˇ´ e napˇet´ı na kmitoˇctech sign´al˚u v procentech U_N ve veˇrejn´ych

distribuˇcn´ıch s´ıt´ıch nn. . . 14

2 Mˇeˇric´ı ˇretˇezec. Tato práce se zejména vˇenuje oznaˇcené ˇcásti. . . 16

3 Synchronizace agregaˇcn´ıch interval˚u pro tˇr´ıdu A. . . 17

4 Synchronizace agregaˇcn´ıch interval˚u pro tˇr´ıdu S. . . 17

5 Struktura mˇeˇric´ıho pˇr´ıstroje z pohledu mˇeˇren´ı harmonick´ych a meziharmonick´ych. . . 25

6 Znázornˇen´ı skupin harmonických a meziharmonických. . . 27

7 Realizace digit´aln´ıho filtru doln´ı propusti. . . 27

8 Znázornˇen´ı podskupiny harmonické a vycentrované podskupiny me- ziharmonických. . . 28

9 Analyz´atory kvality elektrick´e energie. . . 30

10 Pˇripojen´ı SMC 144 revize 0 k mˇeˇren´e s´ıti. . . 33

11 Pˇripojen´ı SMC 144 revize 1 k mˇeˇren´e s´ıti. . . 33

12 Pˇr´ıklad pˇripojen´ı V/V SMC 144 revize 1. . . 34

13 Schema sp´ınan´eho zdroje SMC 144. . . 34

14 Vstupn´ı filtry. . . 36

15 Dalˇs´ı d˚uleˇzit´e obvody. . . 37

16 Spojen´ı zesilovaˇce THS4521 a AD pˇrevodn´ıku ADS1278. . . 39

17 Zapojen´ı MCU v pˇr´ıstroji SMC 144 revize 1. . . 40

18 Fotografie DPS pˇr´ıstroje SMC 144 revize 0. . . 44

19 Výkon a velikost kódu pro r˚uzné ˇrady MCU. . . 52

20 Grafy chyb mˇeˇren´ı U a I a meze pro tˇr´ıdu S. . . 53

21 Grafy chyb mˇeˇren´ı P a Q a meze pro tˇr´ıdu S. . . 54

22 Pˇrenos harmonick´ych napˇet´ı a proud˚u vstupn´ımi obvody.. . . 55

23 Objednac´ı schema pˇr´ıstroje SMC 144.. . . 57

(11)

1 Úvod

Uˇćelem práce, které se vˇenuji v posledn´ıch nˇekolika letech a budu v n´ı i nadále pokraˇcovat, je postupný vývoj analyzátoru kvality elektrické energie v tak zvané tˇr´ıdˇe A.

Analyzátor kvality elektrické energie je obecnˇe zaˇr´ızen´ı schopné sledovat charakteristiky dodávky elektrické energie nn, vn nebo vvn definované normou ˇCSN EN 50160[24]. Zp˚usoby, jakými jsou charakteristiky mˇeˇreny, vyhodnocovány a zazname- návány, jsou specifikovány v normách ˇCSN EN 61000-4-30[22], ˇCSN EN 61000-4- 7[23] a ˇCSN EN 61000-4-15[25]. Normy definuj´ı tˇri tˇr´ıdy analyzátor˚u kvality elek- trické energie A, S a B. Liˇs´ı se ve zp˚usobu vyhodnocován´ı mˇeˇrených veliˇcin i v pˇre- nostech, se kterými je mus´ı být schopny urˇcit.

Tato problematika je ˇsiroce obsáhlá a nen´ı záleˇzitost´ı práce na nˇekolik dn´ı. Do- kladem toho je fakt, ˇze i v dneˇsn´ı dobˇe existuje na svˇetˇe stále pouze velice malé mnoˇzstv´ı analyzátor˚u kvality splˇnuj´ıc´ıch vˇsechny poˇzadavky s certifikátem vyda- ným spoleˇcnost´ı PSL a témˇeˇr ve vˇsech pˇr´ıpadech se jedná o obrovské mezinárodn´ı spoleˇcnosti jako je Fluke, Siemens apod.

Nejedná se pouze o návrh speciáln´ıho hardwaru nebo naopak o vytvoˇren´ı firmwaru s danými algoritmy. Jde o spoleˇcný paraleln´ı vývoj HW a SW tak, aby byly ve výsledku dosaˇzeny stanovené c´ıle s optimalizovaným vyuˇzit´ım hardwaru a t´ım i cenou pˇr´ıstroje. Nejde pouze o vytvoˇren´ı analyzátoru tˇr´ıdy A. Jde o to, aby vzniklý pˇr´ıstroj byl funkˇcnˇe a cenovˇe konkurenceschopný a aby se mohly brzy vrátit náklady souvisej´ıc´ı s jeho vývojem.

V teoretickém úvodu uvedu výtah z nejvýznamnˇejˇs´ıch norem týkaj´ıc´ıch se funkˇc- nosti a parametr˚u, které mus´ı analyzátory r˚uzných tˇr´ıd splˇnovat. Tyto informace jsou základn´ım vod´ıtkem pˇri stanovován´ı poˇzadavk˚u na hardware mˇeˇric´ıch obvod˚u, pˇresnost´ı AD pˇrevodn´ık˚u, ale i výpoˇcetn´ı a pamˇet’ovou kapacitu pouˇzitého mikro- procesoru.

Dalˇs´ım d˚uvodem, proˇc uvád´ım výtah z norem je fakt, ˇze je v nich jasnˇe definováno, které parametry s´ıtˇe a jakým zp˚usobem se musej´ı vyhodnocovat a archivovat. Jenom d´ıky stoprocentn´ımu akceptován´ı uvedených norem výrobci s´ıt’ových analyzátor˚u m˚uˇzeme dosáhnout jednoho ze základn´ıch princip˚u definice analyzátoru tˇr´ıdy A — totiˇz ˇze pˇri mˇeˇren´ı stejného signálu dvˇema r˚uznými pˇr´ıstroji mus´ıme z´ıskat za vˇsech okolnost´ı totoˇzná data.

Na zaˇcátku kapitoly implementace uvedu, na jakých etapách vývoje jsem se s vedouc´ım práce dohodl a jaké kroky budou následovat. Srovnám existuj´ıc´ı analyzátor kvality elektrické energie SMPQ se speciálnˇe navrˇzeným jednoduchým analyzátorem SMC 144, který vznikl ze dvou d˚uvod˚u. Prvn´ım poˇzadavkem bylo vytvoˇren´ı levné varianty analyzátoru bez displeje s pokroˇcilými funkcemi a moˇznostmi komunikace.

(12)

Druhým, s touto prac´ı souvisej´ıc´ım, d˚uvodem bylo vytvoˇren´ı platformy s modern´ım výkonným mikrokontrolérem, který by mˇel podle pˇredbˇeˇzných odhad˚u postaˇcit ke konstrukci pˇr´ıstroje tˇr´ıdy A.

Dále v kapitole implementace pop´ıˇsi podrobnˇe hardware a zjednoduˇsenˇe i software pˇr´ıstroje SMC 144. Ukáˇzi zp˚usob pˇripojen´ı mˇeˇrených signál˚u a dalˇs´ıch periferi´ı. Zm´ı- n´ım se o faktu, ˇze prvn´ı verze desky ploˇsných spoj˚u nen´ı ideáln´ı a které zmˇeny jsou pˇripravovány na prvn´ı revizi. Budu zde upozorˇnovat na ˇreˇsen´ı, která jsou dostateˇcná pro levný analyzátor, ale ve vyv´ıjeném fináln´ım pˇr´ıstroji budou muset být ˇreˇsena jiným zp˚usobem. Vysvˇetl´ım d˚uvod, proˇc je pˇr´ıstroj SMC 144 osaditelný r˚uznými mikrokontroléry firmy STMicroelectronics, jaké mezi nimi jsou rozd´ıly a jaké jsou jejich nejvýznamnˇejˇs´ı vlastnosti.

V kapitole praktické výsledky zm´ın´ım osobn´ı zkuˇsenost s novými ˇradami MCU z hlediska vývoje, výpoˇcetn´ıho výkonu a potenciálu pro budouc´ı modifikace výpoˇcet- n´ıch algoritm˚u. Uvedu výsledky zkoumán´ı pˇresnosti mˇeˇren´ı napˇet´ı, proudu a výkon˚u pˇr´ıstroje SMC 144 a pˇr´ıstroj na základˇe mˇeˇren´ı zaˇrad´ım do odpov´ıdaj´ıc´ı tˇr´ıdy. V zá- vˇeru kapitoly zm´ın´ım zp˚usob, jakým se pˇr´ıstroj SMC 144 poprvé prezentoval na veˇrejnosti a kteˇr´ı zákazn´ıci je jiˇz pouˇz´ıvaj´ı.

V závˇeru shrnu obsah práce a dosaˇzené výsledky. Rozep´ıˇsi se o moˇznostech vyuˇzit´ı vytvoˇreného pˇr´ıstroje a o budouc´ıch etapách vývoje analyzátoru kvality elektrické energie tˇr´ıdy A.

(13)

2 Teoretický úvod

2.1 Certifikace a tˇrída A

Následuj´ıc´ı výtah poˇzadavk˚u z norem, které jsou zásadn´ım vod´ıtkem pˇri návrhu mˇeˇric´ıch pˇr´ıstroj˚u, je nutné bez výjimky splnit, aby pˇr´ıstroj mohl být nejen ozna- ˇcován jako analyzátor kvality elektrické energie tˇr´ıdy A, nýbrˇz aby také, a to je nejpodstatnˇejˇs´ı, mohl splnit podrobné testy provádˇené specializovanými certifikaˇc- n´ımi spoleˇcnostmi, jenˇz mohou certifikát o splnˇen´ı poˇzadavk˚u na mˇeˇric´ı pˇr´ıstroj tˇr´ıdy A, S nebo B vydat.

Jednou z tˇechto spoleˇcnost´ı je americká POWER Standard Lab (PSL)[4] s´ıdl´ıc´ı v Kalifornii, která jako jediná na svˇetˇe nab´ız´ı kompletn´ı testován´ı a certifikaci pˇr´ı- stroj˚u tˇr´ıdy A dle mezinárovn´ı normy IEC 61000-4-30. V souˇcasné dobˇe existuje mnoho pˇr´ıstroj˚u pyˇsn´ıc´ıch se oznaˇcen´ım tˇr´ıdy A i v ˇCeské republice. ˇZádný z nich vˇsak nemá certifikát vydaný zm´ınˇenou PSL.

Výrobci ˇcasto zneuˇz´ıvaj´ı oznaˇcen´ı tˇr´ıdy A jako konkurenˇcn´ı výhodu nebo reklamn´ı trik, kdyˇz alespoˇn nˇekteré mˇeˇrené parametry splˇnuj´ı pˇresnosti nebo algoritmy defino- vané v normˇe. Analyzátor bez výhrad splˇnuj´ıc´ı poˇzadavky tˇr´ıdy A vˇcetnˇe certifikátu vydaného spoleˇcnost´ı PSL dodávaj´ı pouze nejvýznamnˇejˇs´ı svˇetov´ı výrobci mˇeˇric´ıch pˇr´ıstroj˚u, jako je Fluke [18], Siemens nebo sama spoleˇcnost PSL.

U nˇekterých obrázk˚u a tabulek v této kapitole nen´ı explicitnˇe uvádˇeno, ˇze se jedná o ilustrace pˇrevzaté z pˇr´ısluˇsných norem.

2.2 Norma ˇ CSN EN 50160:2010

Norma pojmenovaná Charakteristiky napˇet´ı elektrické energie dodávané z veˇrejných distribuˇcn´ıch s´ıt´ı[24], jak uˇz název napov´ıdá, definuje charakteristiky napˇet´ı, které maj´ı být sledovány a také limitn´ı hodnoty, jenˇz by mˇely být dodavatelem elektrické energie dodrˇzeny. Jedná se o evropskou normu vzniklou ze spolupráce CENELEC¹ a CEER². Nahrazuje normu EN 50160:2007, z n´ıˇz reorganizuje rozdˇelen´ı událost´ı a pr˚ubˇeˇzných jev˚u, upravuje a pˇridává nˇekteré definice a pˇridává kapitolu týkaj´ıc´ı se charakteristik v s´ıt´ıch vvn.

V prvn´ı kapitole je definován rozsah platnosti, ve druhé citované normy a ve tˇret´ı kapitole jsou popsány term´ıny a definice. V následuj´ıc´ıch tˇrech kapitolách jsou jiˇz konkrétn´ımi hodnotami a zp˚usoby definovány charakteristiky dodávky elektrické energie a mˇeˇren´ı s vyuˇzit´ım dˇr´ıve vysvˇetlených pojm˚u pro nn, vn a vvn. Zp˚usob vyhodnocován´ı dále okomentuji a budu zmiˇnovat rozd´ıly mezi poˇzadavky normy a schopnostmi souˇcasných pˇr´ıstroj˚u.

1European Committee for Electrotechnical Standardization

2Council of European Energy Regulators

(14)

Tabulka 1: Úrovnˇe jednotlivých harmonických napˇet´ı v pˇredávac´ım m´ıstˇe v procentech pro ˇrády harmonických aˇz do 25.

2.2.1 Pr ˚ubˇežné jevy

Kmitoˇcet sítˇe Jmenovitý kmitoˇcet napájec´ıho napˇet´ı je 50 Hz. Bˇehem 99,5 % roku mus´ı být kmitoˇcet v rozsahu 49,5 Hz aˇz 50,5 Hz. Po 100 % ˇcasu mus´ı být v rozsahu 47 Hz aˇz 52 Hz.

Odchylky napájecího napˇetí Za normáln´ıch provozn´ıch podm´ınek nemá odchylka od jmenovitého napˇet´ı pˇresáhnout +10 % / -15 %. Jedná se o pr˚umˇerné efektivn´ı hodnoty napájec´ıho napˇet´ı v intervalech 10 minut. V 95 % ˇcasu nemá pˇresáh- nout odchylku ± 10 %.

Rychlé zmˇeny napˇetí Sem patˇr´ı zejména m´ıra vjemu flikru, která mus´ı být po 95 % ˇcasu v libovolném týdenn´ım obdob´ı menˇs´ı nebo rovna jedné.

Nesymetrie napájecího napˇetí V libovolném týdenn´ım obdob´ı mus´ı být 95 % desetiminutových stˇredn´ıch efektivn´ıch hodnot zpˇetné sloˇzky napájec´ıho napˇet´ı v rozsahu 0 aˇz 2 % sousledné sloˇzky.

Harmonická napˇetí V libovolném týdenn´ım obdob´ı mus´ı být za normáln´ıch provozn´ıch podm´ınek 95 % desetiminutových stˇredn´ıch efektivn´ıch hodnot napˇet´ı kaˇzdé harmonické menˇs´ı nebo rovno hodnotám uvedeným v tabulce 1. Kromˇe toho cel- kový ˇcinitel harmonického zkreslen´ı THD napájec´ıho napˇet´ı (do harmonické ˇrádu 40) mus´ı být menˇs´ı nebo roven 8 %.

Úrovnˇe signálu v napájecím napˇetí Jedná se zejména o signály dálkového hro- madného ovládán´ı a jiné datové komunikace po distribuˇcn´ı s´ıti. Stˇredn´ı hodnota na-

(15)

Obrázek 1: Úrovnˇe napˇet´ı na kmitoˇctech signál˚u v procentech U_N ve veˇrejných dis- tribuˇcn´ıch s´ıt´ıch nn.

Tabulka 2: Klasifikace pokles˚u napˇet´ı podle zbytkov´eho napˇet´ı a doby trv´an´ı.

pˇet´ı signálu mˇeˇreného po dobu tˇr´ı sekund mus´ı být v 99 % dne menˇs´ı nebo rovná hodnotám uvedeným na obrázku 1.

2.2.2 Napˇet’ové jevy

Pˇrerušení napájecího napˇetí Dále se rozdˇeluje na dlouhá pˇreruˇsen´ı napájec´ıho napˇet´ı, která trvaj´ı obvykle podstatnˇe déle, neˇz 3 minuty, a na krátká pˇreruˇsen´ı napájec´ıho napˇet´ı, která trvaj´ı vˇetˇsinou ménˇe, neˇz nˇekolik sekund.

Poklesy napájecího napˇetí Obecnˇe je prahová hodnota poklesu napˇet´ı rovna 90 % jmenovitého napˇet´ı. Jako referenˇcn´ı se vyuˇz´ıvá jmenovité napájec´ı napˇet´ı s´ıt´ı nn. Podle zbytkového napˇet´ı jako procentuáln´ı ˇcásti jmenovité hodnoty a podle délky trván´ı se jevy agreguj´ı do bunˇek dle tabulky 2. Vyhodnocuj´ı se statisticky.

Doˇcasná zvýšení napˇetí Prahová hodnota pˇrechodného pˇrepˇet´ı je rovna 110 % jmenovitého napˇet´ı. Mˇeˇren´ı, agregace a zpracován´ı prob´ıha obdobnˇe jako v pˇr´ıpadˇe pokles˚u napájec´ıho napˇet´ı. Jevy se rozdˇeluj´ı dle tabulky 3.

(16)

Tabulka 3: Klasifikace pˇrechodných zvýˇsen´ı napˇet´ı podle maximáln´ıho napˇet´ı a doby trván´ı.

2.3 Norma ˇ CSN EN 61000-4-30:2009

Norma Elektromagnetická kompatibilita (EMC) — ˇCást 4-30: Zkuˇsebn´ı a mˇeˇric´ı technika — Metody mˇeˇren´ı kvality energie[22] definuje metody mˇeˇren´ı a vyhodnoco- ván´ı výsledk˚u pro parametry kvality energie ve stˇr´ıdavých napájec´ıch s´ıt´ıch 50/60 Hz.

Metody mˇeˇren´ı v m´ıstˇe instalace jsou popsány tak, aby umoˇznily z´ıskán´ı spolehli- vých, opakovatelných a porovnatelných výsledk˚u bez ohledu na pouˇzitý mˇeˇric´ı pˇr´ı- stroj a podm´ınky prostˇred´ı. Norma se týká specifikace funkce, ne vˇsak konstrukce pˇr´ıstroj˚u a neuvád´ı prahové hodnoty, ve kterých by se mˇeˇrené parametry kvality energie mˇely pohybovat.

Prvn´ı kapitola je vˇenována definován´ı rozsahu platnosti normy. Druhá shrnuje normativn´ı odkazy a tˇret´ı je vˇenována definici pojm˚u a veliˇcin, se kterými se dále operuje. ˇCtvrtá a pátá kapitola se jiˇz vˇenuje konkrétn´ım poˇzadavk˚um na funkci analyzátor˚u kvality a v ˇsesté kapitole se uvád´ı zp˚usoby a poˇzadavky na ovˇeˇrován´ı tˇechto funkc´ı.

Oproti p˚uvodn´ı revizi normy z roku 2004 jsou v aktuáln´ı druhé edici z roku 2009 nˇekteré zásadn´ı rozd´ıly, které se týkaj´ı pˇrerozdˇelen´ı tˇr´ıd mˇeˇric´ıch pˇr´ıstroj˚u a redefi- nice mnoha funkc´ı. Drtivá vˇetˇsina analyzátor˚u kvality, které jsou v souˇcasné dobˇe na trhu, odpov´ıdaj´ı svými parametry tˇr´ıdˇe A definované v p˚uvodn´ı normˇe a nespl- ˇ

nuj´ı nové pˇr´ısnˇejˇs´ı nebo jinak zadané poˇzadavky. V následuj´ıc´ım textu se zm´ın´ım o tˇechto rozd´ılech.

2.3.1 Všeobecnˇe

Tˇrídy provádˇení mˇeˇrení Zde jsou definovány tˇri tˇr´ıdy provádˇen´ı mˇeˇren´ı, pro nˇeˇz je v následuj´ıc´ı kapitole vˇzdy uvedeno, jaké poˇzadavky jsou pro tu kterou tˇr´ıdu u konkrétn´ıho parametru kladeny nároky. P˚uvodn´ı norma uˇz´ıvá rozdˇelen´ı na tˇr´ıdu A a B. Nyn´ı je dˇelen´ı rozˇs´ıˇreno na A, S a B. Toto rozdˇelen´ı je natolik zásadn´ı, ˇze budu pˇr´ımo citovat z normy:

Tˇr´ıda A (Advanced) se pouˇzije pokud jsou nutná pˇresná mˇeˇren´ı, napˇr´ıklad pro aplikace ve smluvn´ıch vztaz´ıch, ovˇeˇrován´ı shody s normami, odstranˇen´ı pochybnost´ı, atd. Jakákoliv mˇeˇren´ı parametru provádˇená dvˇema r˚uznými pˇr´ıstroji vyhovuj´ıc´ımi poˇzadavk˚um tˇr´ıdy A budou, pokud se mˇeˇr´ı stejné signály, vytváˇret srovnatelné vý-

(17)

Obrázek 2: Mˇeˇric´ı ˇretˇezec. Tato práce se zejména vˇenuje oznaˇcené ˇcásti.

sledky v mez´ıch specifikovan´e nejistoty.

Tˇr´ıda S (Serveys) se m˚uˇze pouˇz´ıt pro statistické pˇrehledy v aplikac´ıch mˇeˇren´ı kvality energie, s moˇznost´ı mˇeˇren´ı pouze omezené podmnoˇziny parametr˚u. I kdyˇz jsou vyuˇz´ıvány ekvivalentn´ı intervaly mˇeˇren´ı jako u tˇr´ıdy A, výpoˇcetn´ı nároky pro tˇr´ıdu S jsou niˇzˇs´ı.

Tˇr´ıda B (Basic) je definována proto, aby se mnohé existuj´ıc´ı mˇeˇric´ı pˇr´ıstroje ne- staly zastaralými. Metody tˇr´ıdy B nejsou doporuˇcovány do nových pˇr´ıstroj˚u a v pˇr´ıˇst´ı edici normy mohou být odstranˇeny.

Organizace mˇeˇrení Elektrické veliˇciny urˇcené k mˇeˇren´ı mohou být bud’ do- stupné pˇr´ımo v s´ıt´ıch nn, nebo pomoc´ı mˇeˇric´ıch pˇrevodn´ık˚u. V normˇe 61000-4-30 se neuvaˇzuj´ı meˇric´ı pˇrevodn´ıky. Na obrázku 2 je schema mˇeˇric´ıho ˇretˇezce vˇcetnˇe naznaˇcen´ı pˇreruˇsovanou ˇcarou, kterých ˇcást´ı ˇretˇezce se týká tato práce.

Elektrické hodnoty urˇcené k mˇeˇrení Zde se uvád´ı, ˇze podle kontextu mohou být mˇeˇrená sdruˇzená napˇet´ı nebo fázová napˇet´ı a ˇze mohou být mˇeˇreny jedno i v´ı- cefázové s´ıtˇe. Kromˇe mˇeˇren´ı nesymetrie napˇet´ı, která je v podstatˇe mnohafázová, jsou metody specifikované v normˇe takové, aby se v kaˇzdém mˇeˇric´ım kanálu mohly vytváˇret nezávislé výsledky. Sdruˇzená napˇet´ı mohou být mˇeˇrena pˇr´ımo, nebo mohou být odvozena z napˇet´ı fázových mˇeˇrených v˚uˇci N. Proud m˚uˇze být mˇeˇren na vˇsech fázových vodiˇc´ıch i na nulovém a ochranném vodiˇci.

Agregace mˇeˇrení pˇres ˇcasové intervaly Základn´ı mˇeˇric´ı interval pro velikosti parametr˚u jako napájec´ı napˇet´ı, harmonické, meziharmonické a nesymetrie mus´ı být 10 cykl˚u pro napájec´ı s´ıt’ 50 Hz nebo 12 cyk˚u pro napájec´ı s´ıt’ 60 Hz. Mˇeˇric´ı intervaly jsou dále agregovány pˇres tˇri r˚uzné intervaly:

150/180 cykl˚u pro s´ıtˇe 50 Hz/60 Hz

10 minut (v budoucnu bude pravdˇepodobnˇe nahrazeno intervalem 1 minuta)

2 hodiny

Novinkou v posledn´ı edici normy je poˇzadavek na resynchronizaci 10-ti/12-ti cyklo- vých mˇeˇric´ıch interval˚u s kaˇzdým 10-ti minutovým tikem RTC, jak je znázornˇeno na

(18)

Obr´azek 3: Synchronizace agregaˇcn´ıch interval˚u pro tˇr´ıdu A.

Obr´azek 4: Synchronizace agregaˇcn´ıch interval˚u pro tˇr´ıdu S.

obrázku 3. Na obrázku 4 je znázornˇen zp˚usob, jak má být provádˇena resynchronizace u pˇr´ıstroj˚u tˇr´ıdy S.

Algoritmus agregace mˇeˇrení Agregace se provádˇej´ı s pouˇzit´ım druhé odmoc- niny aritmetické stˇredn´ı hodnoty druhých mocnin vstupn´ıch hodnot. Pro jednotlivé agregaˇcn´ı intervaly jsou tˇri kategorie agregace.

Data pro interval 150/180 cykl˚u by mˇel být agregován bez pˇreruˇsen´ı z 15-ti 10/12 cyklových interval˚u. 150/180 cyklové ˇcasové intervaly mus´ı být resynchronizovány pˇri kaˇzdém desetiminutovém tiku, jak je znázornˇeno na obrázku 3. V tuto chv´ıli po- kraˇcuje dále posledn´ı interval 150/180 cykl˚u, dokud se nedokonˇc´ı, ale zároveˇn zaˇc´ıná nový interval 150/180 cykl˚u. Docház´ı tedy k pˇrekrýván´ı jak 10/12, tak i 150/180 cyklových interval˚u. Tento poˇzadavek neplat´ı pro pˇr´ıstroje tˇr´ıdy S, které dokonce nemus´ı ˇreˇsit ani desetiminutovou resynchronizaci. Nav´ıc u nich nen´ı vyˇzadováno vy-

(19)

hodnocován´ı vˇsech parametr˚u bez mezer (napˇr´ıklad harmonické, meziharmonické nebo nesymetrie).

Desetiminutový interval mus´ı být oznaˇcen absolutn´ı ˇcasovou známkou (napˇr´ıklad 01H10.00) odpov´ıdaj´ıc´ı ˇcasu dokonˇcen´ı desetiminutové agregace. Agregace mus´ı být bez mezer z 10/12 cyklových interval˚u. Kaˇzdý desetiminutový interval mus´ı zaˇc´ı- nat pˇresnˇe s tikem resynchronizaˇcn´ıho RTC. Zde se opˇet vyuˇz´ıvá pˇrekrýván´ı 10/12 cyklového intervalu, pˇriˇcemˇz dokonˇcovaný 10/12 cyklový interval se zapoˇc´ıtává do pˇredchoz´ıho desetiminutového intervalu agregace. Tˇr´ıda S m˚uˇze pouˇz´ıvat bud’ shod- nou metodu se tˇr´ıdou A, nebo zjednoduˇsenou agregaci, kdy se do pˇredchoz´ıho dese- timinutového intervalu zapoˇc´ıtává 10/12 cyklový interval mˇeˇrený ve chv´ıli pˇr´ıchodu resynchronizaˇcn´ıho pulzu a následuj´ıc´ı interval se zapoˇc´ıtává jiˇz do nového deseti- minutového intervalu. Interval by mˇel být opˇet oznaˇcen absolutn´ı ˇcasovou známkou odpov´ıdaj´ıc´ı ˇcasu dokonˇcen´ı intervalu. Pˇri této zjednoduˇsené metodˇe agregace ne- docház´ı k pˇrekrýván´ı.

Vstupem dvouhodinové agregace by mˇelo být 12 desetiminutových interval˚u. Dvou- hodinový interval by mˇel být bez mezer a bez pˇrekrýván´ı. Je dáno, ˇze dvouhodinové intervaly mus´ı zaˇc´ınat v sudých hodinách RTC. Poˇzadavky pro tˇr´ıdu S v pˇr´ıpadˇe dvouhodinových interval˚u jsou shodné s tˇr´ıdou A.

Nejistota ˇcasových hodin Nejistota ˇcasu RTC je definov´ana relativnˇe v˚uˇci UTC.

Zat´ım co norma z roku 2004 pouze poˇzadovala pro pˇr´ıstroje tˇr´ıdy A nejistotu maxi- málnˇe ±20 ms pro 50 Hz nebo ±16,7 ms pro 60 Hz, posledn´ı edice problematiku dále rozvád´ı, uvád´ı zp˚usoby, jak dané pˇresnosti dosahovat a jaká by mˇela být tolerance RTC v pˇr´ıpadˇe, kdy nen´ı k dispozici extern´ı synchronizaˇcn´ı signál. Tato tolerance by mˇela být lepˇs´ı, neˇz ±1 s za 24 hodin. Pro tˇr´ıdu S se uvád´ı tolerance RTC nejh˚uˇre

±5 s za 24 hodin.

Koncepce oznaˇcování pˇríznakem Bˇehem krátkodobých pokles˚u napˇet´ı, pˇre- pˇet´ı nebo výpadk˚u napˇet´ı mohou algoritmy mˇeˇren´ı pro nˇekteré parametry vytvá- ˇret nespolehlivé hodnoty. Uˇzivatel by mˇel m´ıt moˇznost nastavit prahové hodnoty napˇet´ı a pˇrepˇet´ı, pˇri jejichˇz pˇrekroˇcen´ı maj´ı být data oznaˇcena pˇr´ıznakem

”nespo- lehlivosti“. Vˇsechny agregované hodnoty, které pro sv˚uj výpoˇcet pouˇzij´ı hodnotu oznaˇcenou pˇr´ıznakem, mus´ı být taktéˇz oznaˇceny pˇr´ıznakem. Pˇr´ıznaky se mus´ı uklá- dat spolu s agregovanými daty, aby bylo pozdˇeji moˇzné zjistit, ˇze data mohou být nespolehlivá.

2.3.2 Parametry kvality energie

Sít’ový kmitoˇcet Pro tˇr´ıdu A i S plat´ı, ˇze odeˇcet kmitoˇctu se mus´ı z´ıskávat kaˇz- dých 10 s. Protoˇze s´ıt’ový kmitoˇcet nemus´ı být pˇresnˇe 50 Hz nebo 60 Hz, nemus´ı být

(20)

poˇcet cykl˚u v desetisekundovém intervalu celoˇc´ıselný. Výstup základn´ıho kmitoˇctu je pomˇer poˇctu celých cykl˚u ˇc´ıtaných bˇehem desetisekundového intervalu a kumula- tivn´ı dobvy trván´ı celých cykl˚u. Pˇred kaˇzdým vyhodnocen´ım se mus´ı signál filtrovat pro minimalizaci úˇcink˚u v´ıcenásobných pr˚uchod˚u nulou. Kaˇzdý desetisekundový interval mus´ı zaˇc´ınat na absolutn´ım desetisekundovém ˇcasu ±20 ms pro 50 Hz nebo

±16,7 ms pro 60 Hz. Norma pˇripouˇst´ı i pouˇzit´ı jiných technik, které poskytnou ekvivalentn´ı výsledky — napˇr´ıklad konvoluce.

Pˇr´ıstroj by mˇel být schopen mˇeˇrit frekvenci v rozsahu 42,5 Hz aˇz 57,5 Hz/51 Hz aˇz 69 Hz s pˇresnost´ı ±10 mHz pro tˇr´ıdu A, respektive ±50 mHz pro tˇr´ıdu S. Mˇeˇren´ı by mˇelo být provádˇeno na referenˇcn´ım napˇet’ovém kanálu a výrobce by mˇel uvést, jak se bude pˇr´ıstroj chovat v pˇr´ıpadˇe výpadku napˇet´ı na referenˇcn´ım kanálu. V pˇr´ıpadˇe frekvence nen´ı vyˇzadována ˇzádná agregace.

Velikost napájecího napˇetí Mus´ı se mˇeˇrit efektivn´ı hodnota velikosti napˇet´ı v ˇcasov´em intervalu 10 respektive 12 cykl˚u pro rozvodnou s´ıt’ 50 Hz respektive 60 Hz.

Kaˇzdý interval mus´ı být pˇrilehlý k sousedn´ım interval˚um 10/12 cykl˚u a nesm´ı je pˇrekrývat kromˇe pˇr´ıpadu resynchronizace ilustrovaném na obrázku 3. Z definice mus´ı efektivn´ı hodnota velikosti napˇet´ı obsahovat harmonické, meziharmonické, s´ıt’ové signály atd.

Pro tˇr´ıdu A je poˇzadovaná pˇresnost ±0,1 % U_din³ v rozsahu 10 % aˇz 150 % U_din. Pro tˇr´ıdu S postaˇc´ı pˇresnost ±0,5 % U_din v rozsahu 20 % aˇz 120 % U_din. Efektivn´ı hodnota velikosti napˇet´ı mus´ı být agregována podle dˇr´ıve popsaných kritéri´ı.

Krátkodobé poklesy a krátkodobá zvýšení napájecího napˇetí Základn´ım mˇeˇren´ım krátkodobého poklesu a krátkodobého zvýˇsen´ı napˇet´ı mus´ı být Urms(1/2)4

pro tˇr´ıdu A i S s t´ım, ˇze norma dovoluje pro tˇr´ıdu S k mˇeˇren´ı vyuˇz´ıt i U_rms(1)⁵. Trván´ı cyklu mˇeˇren´ı pro U_rms(1/2) i U_rms(1) záleˇz´ı na frekvenci. Mˇela by být pou- ˇzita posledn´ı namˇeˇrená frekvence, která nen´ı oznaˇcena pˇr´ıznakem. Norma umoˇzˇnuje i pouˇzit´ı jiných metod, které spln´ı poˇzadavky na nejistotu uvedené v 6. kapitole normy.

Prahová hodnota krátkodobého poklesu nebo pˇrepˇet´ı je procentn´ı hodnota U_din nebo U_sr⁶. Uˇzivatel mus´ı zvolit pouˇz´ıvané referenˇcn´ı napˇet´ı. Taktéˇz mus´ı uˇzivatel stanovit prahovou hodnotu napˇet´ı a hodnotu hystereze. V jednofázových systémech pˇrepˇet´ı nebo pokles zaˇc´ıná, kdyˇz Urms(1/2) pˇrekroˇc´ı nastavenou hodnotu a konˇc´ı, kdyˇz se U_rms(1/2)vrát´ı za prahovou hodnotu plus hystereze. Ve tˇr´ıfázových systémech pˇrepˇet´ı nebo pokles zaˇc´ıná, kdyˇz U_rms(1/2) pˇrekroˇc´ı nastavenou hodnotu na kterékoli

3U_din se oznaˇcuje dohodnut´e vstupn´ı napˇet´ı

4U_rms(1/2) je efektivn´ı hodnota velikosti napˇet´ı v jedn´e p˚ulperiodˇe

5U_rms(1) je efektivn´ı hodnota velikosti napˇet´ı v jedn´e periodˇe

6U_sr je oznaˇcov´ano klouzav´e referenˇcn´ı napˇet´ı

(21)

f´azi a konˇc´ı, kdyˇz se U_rms(1/2) vr´at´ı za prahovou hodnotu opˇet posunutou o hysterezi.

Krátkodobý pokles napˇet´ı je charakterizován dvojic´ı dat — bud’ zbytkovým napˇe- t´ım a dobou trván´ı nebo hloubkou poklesu a dobou trván´ı. Zbytkové napˇet´ı je nej- niˇzˇs´ı zmˇeˇrená hodnota U_rms(1/2) na jakémkoli kanálu bˇehem doby poklesu. Hloubka poklesu je rozd´ıl mezi referenˇcn´ım napˇet´ım a zbytkovým napˇet´ım. Doba trván´ı je rozd´ıl mezi zaˇcátkem a koncem krátkodobého poklesu napˇet´ı.

Krátkodobé zvýˇsen´ı napˇet´ı je charakterizováno dvojic´ı dat — maximáln´ı velikost´ı krátkodobého zvýˇsen´ı napˇet´ı a dobou trván´ı. Maximáln´ı napˇet´ı je nejvˇetˇs´ı zmˇeˇrená hodnota U_rms(1/2) na jakémkoliv kanálu bˇehem doby krátkodobého zvýˇsen´ı napˇet´ı.

Doba trván´ı je ˇcasový rozd´ıl mezi zaˇcátkem a koncem krátkodobého zvýˇsen´ı napˇet´ı.

Pro pˇr´ıpad pouˇzit´ı klouzaj´ıc´ıho referenˇcn´ıho napˇet´ı uvád´ı norma filtr, který se má pro výpoˇcet z 10/12 cyklových interval˚u dat neoznaˇcených pˇr´ıznakem pouˇz´ıt:

U_sr(n)= 0, 9969 · U_sr(n−1)+ 0, 0033 · U_(10/12)rms

kde U_sr(n) je souˇcasná hodnota, U_sr(n−1)je pˇredcházej´ıc´ı hodnota a U_(10/12)rms je nej- novˇejˇs´ı efektivn´ı hodnota 10/12 cykl˚u. Jedná se vlastnˇe o filtr prvn´ıho ˇrádu s ˇcasovou konstantou 1 minuta.

Nejistota mˇeˇren´ı zbytkového napˇet´ı a velikosti krátkodobého zvýˇsen´ı napˇet´ı je pro tˇr´ıdu A 0,2 % a pro tˇr´ıdu S 1,0 % z U_din. Nejistota mˇeˇren´ı doby trván´ı odpov´ıdá jedné polovinˇe cyklu pˇri zahájen´ı dˇeje a polovinˇe cyklu pˇri jeho ukonˇcen´ı.

Pˇrerušení napˇetí Pro metodu mˇeˇren´ı plat´ı stejné poˇzadavky jako pro mˇeˇren´ı krát- kodobých pokles˚u a zvýˇsen´ı napˇet´ı.

V jednofázových systémech pˇreruˇsen´ı napˇet´ı zaˇc´ıná, kdyˇz je detekován pokles na- pˇet´ı U_rms pod práh pˇreruˇsen´ı napˇet´ı a konˇc´ı, kdyˇz je hodnota napˇet´ı U_rms rovná nebo vyˇsˇs´ı neˇz práh pˇreruˇsen´ı napˇet´ı plus hodnota hystereze. V pˇr´ıpadˇe v´ıcefázových sys- tém˚u je detekováno pˇreruˇsen´ı napˇet´ı, kdyˇz ve vˇsech fáz´ıch napˇet´ı U_rms poklesne pod práh pˇreruˇsen´ı napˇet´ı a konˇc´ı, kdyˇz alespoˇn v jedné fázi napˇet´ı Urms pˇrekroˇc´ı prahovou hodnotu pˇreruˇsen´ı napˇet´ı plus hystereze. Prahovou hodnotu pˇreruˇsen´ı napˇet´ı a hysterezi mus´ı nastavit uˇzivatel na základˇe konkrétn´ı situace. Prahová hodnota pˇreruˇsen´ı napˇet´ı by nemˇela být nastavena pod mez nejistoty mˇeˇren´ı zbytkového na- pˇet´ı plus hodnoty hystereze. Hodnota hystereze je obvykle nastavena na 2 % z U_din. Zaˇcátek pˇreruˇsen´ı napˇet´ı by mˇel m´ıt ˇcasovou znaˇcku podle ˇcasu, kdy napˇet´ı U_rms, které pˇreruˇsen´ı iniciovalo, pokleslo pod nastavený práh a ukonˇcen´ı by mˇelo m´ıt znaˇcku podle ˇcasu, kdy napˇet´ı U_rms, které ukonˇcilo pˇreruˇsen´ı, stouplo nad prahovou hodnotu zvˇetˇsenou o hysterezi. Délka trván´ı pˇreruˇsen´ı napˇet´ı je opˇet rozd´ıl mezi ˇcasem zahájen´ı a ukonˇcen´ı jevu.

Nejistota mˇeˇren´ı doby trván´ı pˇreruˇsen´ı napˇet´ı je shodná s nejistotou urˇcen´ı délky

(22)

trv´an´ı poklesu nebo zv´yˇsen´ı napˇet´ı.

Nesymetrie napájecího napˇetí Nesymetrie napájec´ıho napˇet´ı se vyhodnocuje s pouˇzit´ım metody symetrických sloˇzek. Pˇri podm´ınce nesymetrie je kromˇe sou- sledné sloˇzky U1 pˇr´ıtomna alespoˇn jedna z následuj´ıc´ıch sloˇzek: zpˇetná sloˇzka U2

a/nebo nulová sloˇzka U₀. Základn´ı sloˇzka efektivn´ı hodnoty signálu vstupn´ıho na- pˇet´ı se mˇeˇr´ı v ˇcasovém intervalu 10/12 cykl˚u pro 50 Hz/60 Hz rozvodné s´ıtˇe. Úˇcinek harmonických se pˇritom minimalizuje pouˇzit´ım filtru nebo DFT⁷.

Zpˇetná sloˇzka u₂ vyjádˇrená v procentech se vyhodnocuje:

u₂ = U2

U₁ · 100 = zpˇetn´a sloˇzka

sousledn´a sloˇzka· 100 %

Pro 3-fázové systémy se toto m˚uˇze psát (U_{ij f und} je základn´ı napˇet´ı od fáze i k fázi j):

u₂ = s

1 −√ 3 − 6β 1 +√

3 − 6β · 100 % kde

β = U_{12f und}⁴ + U_{23f und}⁴ + U_{31f und}⁴ U_{12f und}² + U_{23f und}² + U_{31f und}² 2

Nulová sloˇzka u₀ se vyhodnocuje velikost´ı pomˇeru vyjádˇreného v procentech:

u₀ = U₀

U₁ · 100 = nulov´a sloˇzka

sousledn´a sloˇzka· 100 %

Nejistota mˇeˇren´ı napˇet’ové nesymetrie nesm´ı pˇrekroˇcit ±0,15 % pro tˇr´ıdu A, respektive ±0,3 % pro tˇr´ıdu S. Pˇr´ıstroj tˇr´ıdy S nemus´ı vyhodnocovat nulovou sloˇzku u₀. Namˇeˇrené hodnoty mus´ı být standardnˇe agregovány pˇres vˇsechny intervaly.

Harmonická napˇetí Zde se odkazuje na tˇr´ıdu I z normy ˇCSN EN 61000-4-7[23].

Pouze se zd˚urazˇnuje, ˇze tˇr´ıda A mus´ı mˇeˇrit harmonické v kaˇzdém 10/12 cyklovém intervalu bez mezer a pro harmonické nejménˇe do ˇrádu 50. Tˇr´ıda S by mˇela splˇnovat poˇzadavky tˇr´ıdy II ze stejné normy, pˇriˇcemˇz je dovoleno, aby se harmonické mˇeˇrily nespojitˇe. Dále staˇc´ı vyhodnocovat harmonické pouze do ˇrádu 40.

Harmonická napˇet´ı mus´ı být agregována pˇres standardn´ı intervaly.

Meziharmonická napˇetí Opˇet se odkazuje na normu ˇCSN EN 61000-4-7[23].

Tˇr´ıda A by mˇela splˇnovat poˇzadavky tˇr´ıdy I. Mˇela by mˇeˇrit spojitˇe meziharmonická napˇet´ı nejménˇe do ˇrádu 50 z 10/12 cyklových interval˚u. Pro tˇr´ıdu S se poˇzadavky nedefinuj´ı.

7DFT — diskr´etn´ı fourierova transformace

(23)

Meziharmonická napˇet´ı mus´ı být taktéˇz bˇeˇznˇe agregována.

Mˇeˇrení parametr ˚u záporných a kladných odchylek Pro urˇcen´ı parametr˚u kladných a záporných odchylek v procentech Udin se m˚uˇze pouˇz´ıt 10/12 cyklová hodnota efektivn´ı velikosti napˇet´ı Urms−200ms. Záporná odchylka Urms−under je rovna U_din, kdyˇz Urms−200ms,i > U_din, nebo rovna Urms−200ms,i, kdyˇz Urms−200ms,i ≤ U_din. Kladná odchylka U_rms−over je naopak rovna U_din, kdyˇz Urms−200ms,i < U_din, a rovna Urms−200ms,i, kdyˇz Urms−200ms,i ≥ U_din. Tˇr´ıda S nemus´ı tento parametr vyhodnocovat.

2.4 Norma ˇ CSN EN 61000-4-7:2009

Norma Elektromagnetická kompatibilita (EMC) — ˇCást 4-7: Zkuˇsebn´ı a mˇeˇric´ı technika — Vˇseobecná smˇernice o mˇeˇren´ı a mˇeˇric´ıch pˇr´ıstroj´ıch harmonických a mezi- harmonických pro rozvodné s´ıtˇe a zaˇr´ızen´ı pˇripojovaná do nich [23] se týká pˇr´ıstro- jové techniky urˇcené k mˇeˇren´ı spektráln´ıch sloˇzek v kmitoˇctovém rozsahu do 9 kHz, které jsou superponovány na základn´ı sloˇzku napájec´ıch s´ıt´ı 50 Hz a 60 Hz. Rozliˇsuje se mezi harmonickými, meziharmonickými a ostatn´ımi sloˇzkami nad rozsahem kmi- toˇct˚u harmonických do 9 kHz. Norma definuje mˇeˇric´ı pˇr´ıstrojovou techniku urˇcenou ke zkouˇsen´ı jednotlivých zaˇr´ızen´ı podle mez´ı emise stanovených v urˇcitých normách a rovnˇeˇz urˇcenou k mˇeˇren´ı harmonických proud˚u a napˇet´ı v aktuáln´ıch napájec´ıch s´ıt´ıch.

Prvn´ı kapitola je vˇenována definován´ı rozsahu platnosti normy. Druhá shrnuje normativn´ı odkazy a tˇret´ı je vˇenována definici pojm˚u a veliˇcin, se kterými se dále operuje. ˇCtvrtá kapitola specifikuje vˇseobecné koncepce a spoleˇcné poˇzadavky pro vˇsechny typy pˇr´ıstrojového vybaven´ı urˇceného k mˇeˇren´ı a vyhodnocován´ı harmonic- kých, meziharmonických a ostatn´ıch sloˇzek. Pátá kapitola se vˇenuje jiˇz samotnému mˇeˇren´ı — vstupn´ım obvod˚um, poˇzadavk˚um na pˇresnost a zp˚usobu vyhodnocován´ı.

V dalˇs´ıch kapitolách jsou nast´ınˇeny alternativn´ı principy analýzy, ˇreˇsen´ı pˇrechodného obdob´ı a poˇzadavky na specifikaci vlivu zmˇeny provozn´ıch podm´ınek na pˇresnosti mˇeˇren´ı.

Základem aktuáln´ı verze normy je ˇCSN EN 61000-4-7 edice 2 z ˇcervence roku 2003, která je doplnˇena, rozˇs´ıˇrena a upravena zmˇenou A1 z listopadu roku 2009.

Tato zmˇena v rozsahu 23 stran znesnadˇnuje orientaci v normˇe a ˇcin´ı aktu´aln´ı ˇCSN EN 61000-4-7 dosti nepˇrehlednou.

(24)

2.4.1 Definice

Symbolika V normˇe se pouˇz´ıvá následuj´ıc´ı symbolika pro rozvoj Fourierových ˇrad (liˇs´ı se od definice v p˚uvodn´ım znˇen´ı normy edice 2):

f (t) = c₀+

∞

X

k=1

c_ksin k

Nω₁t + ϕ_k

kde











c_k= |b_k+ ja_k| =pa²_k+ b²_k Y_C,k = ^√^c^k

2

ϕk= π + arctan

ak

bk

pokud bk < 0 ϕk = arctan

ak

bk

pokud bk> 0 ϕ_k= ^π₂ pokud b_k = 0 a a_k> 0 ϕ_k = −^π₂ pokud b_k= 0 a a_k < 0 ϕ_k= 0 pokud |b_k| ≤ ε a |a_k| ≤ ε

a 









b_k = _T²

N

´_T_N

0 f (t) × sin _N^kω₁t dt a_k= _T²

N

´TN

0 f (t) × cos _N^kω₁t dt c₀ = _T¹

N

´TN

0 f (t)dt V´yznam pouˇzit´ych symbol˚u:

ω₁ uhlov´´ y kmitoˇcet z´akladn´ı sloˇzky (ω₁ = 2πf_H,1) T_N ˇs´ıˇrka ˇcasov´eho okna

c₀ stejnosmˇern´a sloˇzka

c_k amplituda sloˇzky s kmitoˇctem f_C,k = _N^kf_H,1

Y_C,K efektivn´ı hodnota sloˇzky c_k (Y se nahrazuje I/U pro proudy/napˇet´ı) f_H,1 z´akladn´ı kmitoˇcet distribuˇcn´ı soustavy

k ˇrád spektráln´ı sloˇzky týkaj´ıc´ı se rozliˇsen´ı kmitoˇctu

f_C,1 = _T¹

N

N poˇcet z´akladn´ıch period uvnitˇr ˇs´ıˇrky okna

ϕ_k uhel f´´ azového posunu spektráln´ı ˇcáry k

Definice týkající se harmonických Zmˇena normy A1 pouˇz´ıvá nový zp˚usob znaˇcen´ı a upravuje definice kmitoˇctu harmonické f_H,h, ˇrádu harmonické h, efektivn´ı hodnoty harmonické sloˇzky Y_H,h, efektivn´ı hodnoty skupiny harmonických Y_g,h a efektivn´ı hodnoty podskupiny harmonických Ysg,h.

Definice týkající se ˇcinitel ˚u zkreslení I zde zmˇena A1 pˇrináˇs´ı poupravené zna- ˇcen´ı. Celkové harmonické zkreslen´ı je nyn´ı znaˇceno THD_Yx, kde se Y nahrazuje U

(25)

pro napˇet´ı nebo I pro proudy. To plat´ı i u ostatn´ıch ˇcinitel˚u zkreslen´ı.

THD_Y = v u u t

hmax

X

h=2

Y_H,h Y_H,1

2

kde Y_H,h jsou harmonické sloˇzky do stanoveného ˇrádu h_max a Y_H,1 je efektivn´ı hodnota základn´ı sloˇzky. Celkové harmonické zkreslen´ı skupiny je znaˇceno THDG_Y a vý- poˇcet se provád´ı z efektivn´ıch hodnot skupin harmonických Y_g,h a efektivn´ı hodnoty skupiny pˇridruˇzené k základn´ı harmonické sloˇzce Y_g,1.

THDGY = v u u t

hmax

X

h=hmin

Y_g,h Y_g,1

2

kde hmin ≥ 2

Celkové harmonické zkreslen´ı podskupiny THDS_Y vypoˇcteme pomoc´ı efektivn´ı hodnoty podskupin harmonických Y_sg,h a efektivn´ı hodnoty podskupiny pˇridruˇzené k zá- kladn´ı sloˇzce Y_sg,1.

THDS_Y = v u u t

hmax

X

h=2

Y_sg,h Ysg,1

2

kde h_min ≥ 2

D´ılˇc´ı váˇzené harmonické zkreslen´ı PWHD_H,Y z´ıskáme z efektivn´ı hodnoty váˇzené s ˇrádem harmonické h vybrané skupiny harmonických vyˇsˇs´ıho ˇrádu (od ˇrádu h_min do h_max) a efektivn´ı hodnoty základn´ı sloˇzky.

PWHD_H,Y = v u u t

hmax

X

h=hmin

h Y_H,h Y_H,1

2

Pro v´yˇse uveden´e ˇcinitele zkreslen´ı se uvaˇzuje hmax= 40.

Definice týkající se meziharmonických Efektivn´ı hodnota spektráln´ı sloˇzky je nyn´ı znaˇcena Y_C,k, efektivn´ı hodnota meziharmonické sloˇzky Y_C,i, efektivn´ı hodnota skupiny meziharmonických Y_ig,h, efektivn´ı hodnota vycentrované podskupiny meziharmonických Y_isg,h, kmitoˇcet skupiny meziharmonických f_ig,h a kmitoˇcet vy- centrované podskupiny meziharmonických f_isg,h.

2.4.2 Všeobecnˇe

Hlavní pˇrístroj Dle normy mus´ı pˇr´ıstroj, pouˇzitelný pro mˇeˇren´ı harmonických a meziharmonických, obsahovat vstupn´ı obvody s anti-aliasing filtrem, AD pˇrevodn´ık

(26)

Obrázek 5: Struktura mˇeˇric´ıho pˇr´ıstroje z pohledu mˇeˇren´ı harmonických a mezihar- monických.

vˇcetnˇe vzorkovac´ı a pamˇet’ové jednotky, jednotku synchronizace a tvarován´ı okna je-li poˇzadována a DFT procesor vytváˇrej´ıc´ı Fourierovy koeficienty a_k a b_k (OUT 1 na obrázku 5). ˇS´ıˇrka okna mus´ı být 10 (pro soustavy 50 Hz) nebo 12 (pro soustavy 60 Hz) základn´ıch period (tedy T_N = 200 ms) s pravoúhlým váˇzen´ım, synchroni- zovaná k základn´ımu kmitoˇctu napájec´ı soustavy. V pˇr´ıpadˇe ztráty synchronizace je dovoleno Hanningovo váˇzen´ı. Ztráta synchronizace vˇsak mus´ı být indikována na displeji pˇr´ıstroje a takto z´ıskaná data mus´ı být oznaˇcena a nesm´ı se pouˇz´ıt pro ur- ˇcován´ı shody. Mohou se vˇsak pouˇz´ıt pro jiné úˇcely — má tedy smysl je archivovat.

Casov´ˇ e okno se mus´ı synchronizovat s kaˇzdou skupinou 10/12 cykl˚u. ˇCas mezi ˇcelem prvn´ıho vzorkovac´ıho impulzu dvou po sobˇe jdouc´ıch skupin mus´ı odpov´ıdat dobˇe trván´ı specifikovaného poˇctu cykl˚u rozvodné s´ıtˇe s maximáln´ı pˇr´ıpustnou chybou

±0, 03 %. Pˇr´ıstroje obsahuj´ıc´ı fázový závˇes mus´ı vyhovˇet poˇzadavk˚um na pˇresnost v rozsahu alespoˇn ±5 % jmenovitého kmitoˇctu s´ıtˇe.

Požadavky na pˇresnost Uvaˇzuj´ı se dvˇe tˇr´ıdy pˇresnosti I a II. Pro zkouˇsky emise, jsou-li emise bl´ızké mezn´ım hodnotám, se poˇzaduje vyˇsˇs´ı tˇr´ıda I. Maximáln´ı pˇr´ı- pustné chyby pro obˇe tˇr´ıdy pˇresnosti jsou uvedeny v tabulce 4. Uvedené hodnoty se týkaj´ı ustálených signál˚u jediného kmitoˇctu v provozn´ım kmitoˇctovém rozsahu, aplikované na pˇr´ıstroje pˇri jmenovitých provozn´ıch podm´ınkách stanovených výrob-

(27)

Tabulka 4: Poˇzadavky na pˇresnost mˇeˇren´ı proudu, napˇet´ı a v´ykonu.

Tˇr´ıda Mˇeˇren´ı Podm´ınky Maxim´aln´ı chyba

I

Napˇet´ı Um ≥ 1 % Unom ±5 % Um

U_m < 1 % U_nom ±0, 05 % U_nom Proudu I_m ≥ 3 % I_nom ±5 % I_m

Inom< 3 % Inom ±0, 15 % Inom

V´ykonu P_m ≥ 150 W ±1 % P_m P_m < 150 W ±1, 5 W

II

Napˇet´ı Um ≥ 3 % Unom ±5 % Um

U_m < 3 % U_nom ±0, 15 % U_nom Proudu I_m ≥ 10 % I_nom ±5 % I_m

Inom < 10 % Inom ±0, 5 % Inom

cem.

Vstupní obvody proudu Kromˇe toho, ˇze by mˇely vstupn´ı obvody být vhodné pro analyzované proudy, uvád´ı norma i konkrétn´ı parametry, které by mˇely splˇno- vat. Napˇr´ıklad pro pˇr´ıstroje tˇr´ıdy II by pˇr´ıkon proudového vstupn´ıho obvodu ne- mˇel pˇrekroˇcit 3 VA. Pro pˇr´ıstroje tˇr´ıdy I nesm´ı efektivn´ı hodnota úbytku napˇet´ı na vstupu pˇrekroˇcit 0,15 V. Vstupn´ı obvody mus´ı nepˇretrˇzitˇe odolávat pˇret´ıˇzen´ı 1, 2 I_nom a pˇret´ıˇzen´ı10 I_nom po dobu 1 s nesm´ı zp˚usobit jakoukoliv ˇskodu. Pˇr´ıstroj s rozsahem do 5 A mus´ı být schopen pˇrij´ımat signály s ˇcinitelem výkyvu do 4, pro rozsah do 10 A s ˇcinitelem výkyvu 3,5 a 2,5 pro vyˇsˇs´ı rozsahy. Dále se vyˇzaduje, aby bylo indikováno pˇret´ıˇzen´ı. Dalˇs´ı poˇzadavky vyplývaj´ı z tabulky 4.

Vstupní obvod napˇetí Vstupn´ı obvody mus´ı být pˇrizp˚usobeny maximáln´ımu na- pˇet´ı a kmitoˇctu analyzovaného s´ıt’ového napˇet´ı a mus´ı udrˇzovat své charakteristiky a pˇresnost nezmˇenˇenou do 1,2 násobku maximáln´ıho napˇet´ı. ˇCinitel výkyvu 1,5 je povaˇzován za dostateˇcný v bˇeˇzných pˇr´ıpadech, pro pr˚umyslové prostˇred´ı se dopo- ruˇcuje alespoˇn 2. Opˇet je vyˇzadována indikace pˇret´ıˇzen´ı. Po dobu 1 s mus´ı vstupn´ı obvody odolat stˇr´ıdavému napˇet´ı bud’ o velikosti ˇctyˇrnásobku nastaveného vstup- n´ıho napˇet´ı nebo 1 kV, podle toho co je menˇs´ı, aniˇz by doˇslo k jakémukoliv poˇskozen´ı pˇr´ıstroje. Pro dosaˇzen´ı univerzálnosti vstupn´ıch obvod˚u norma doporuˇcuje pro s´ıtˇe 50 Hz umoˇznˇen´ı volby rozsahu U_nom z hodnot 66 V, 115 V, 230 V, 400 V a 690 V. Ab- sorbovaný pˇr´ıkon vstupn´ıho obvodu nesm´ı pˇrekroˇcit 0,5 VA pˇri 230 V. Je tˇreba také zajistit, aby vysoká hodnota základn´ı sloˇzky napˇet´ı, ve srovnán´ı s ostatn´ımi mˇe- ˇrenými sloˇzkami, nezp˚usobila poˇskozen´ı nebo nebezpeˇcné intermodulaˇcn´ı chybové signály ve vstupn´ıch obvodech. Napˇet’ové vstupn´ı obvody samozˇrejmˇe mus´ı taktéˇz splˇnovat pˇresnosti dané tabulkou 4.

(28)

Obrázek 6: Znázornˇen´ı skupin harmonických a meziharmonických.

Obr´azek 7: Realizace digit´aln´ıho filtru doln´ı propusti.

2.4.3 Následné zpracování

Seskupování a vyhlazování Pˇri urˇcován´ı harmonických je výstup OUT 1 (viz.

obr. 5) DFT prvn´ım seskupen´ım urˇceným k seˇcten´ı druhých mocnin mezilehlých sloˇzek mezi dvˇema pˇriléhaj´ıc´ımi harmonickými podle rovnice

Y_g,h² = 1

2Y_{C,(N ×h)−}² N 2

+

N 2−1

X

k=−^N₂+1

Y_{C,(N ×h)+k}² +1

2Y_{C,(N ×h)+}² N 2

znázornˇené na obrázku 6.

Vyhlazován´ı signálu se mus´ı provádˇet pˇres efektivn´ı hodnotu Yg,h kaˇzdého ˇrádu harmonické (OUT 2a na obrázku 5) s pouˇzit´ım digitáln´ıho ekvivalentu filtru doln´ı propusti prvn´ıho ˇrádu s ˇcasovou konstantou 1,5 s. Funkˇcn´ı schema filtru je na ob- rázku 7. z⁻¹ oznaˇcuje zpoˇzdˇen´ı ˇcasového okna, α a β jsou koeficienty filtru — ty jsou uvedeny v tabulce 5 pro r˚uzné kmitoˇcty s´ıt´ı a délky okna.

Tabulka 5: Koeficienty vyhlazovac´ıho filtru podle ˇs´ıˇrky okna.

Kmitoˇcet Cykly N v oknˇe Cetnost vzorkov´ˇ an´ı α β

50 10 ≈ 1/200 ms 8,012 7,012

60 12 ≈ 1/200 ms 8,012 7,012

50 16 ≈ 1/320 ms 5,206 4,206

60 16 ≈ 1/267 ms 6,140 5,140

(29)

Obrázek 8: Znázornˇen´ı podskupiny harmonické a vycentrované podskupiny mezi- harmonických.

Urˇcování podskupin harmonické napˇetí Fourierova transformace pˇredpokládá stacionárn´ı signál. Velikost s´ıt’ového napˇet´ı vˇsak m˚uˇze kol´ısat, pˇriˇcemˇz energie har- monických sloˇzek se ˇs´ıˇr´ı do pˇrilehlých kmitoˇct˚u spektráln´ıch sloˇzek. Pro zvýˇsen´ı pˇresnosti urˇcen´ı napˇet´ı se mus´ı výstupn´ı sloˇzky U_C,k pro kaˇzdých 5 Hz DFT sesku- povat dle obrázku 8 a rovnice

Y_sg,h² =

1

X

k=−1

Y_{C,(N ×h)+k}²

(30)

3 Implementace

3.1 Etapy vývoje

S veden´ım firmy KMB systems, s.r.o. jsem se shodl na rozdˇelen´ı vývoje analyzá- toru tˇr´ıdy A do dvou hlavn´ıch etap. Prvn´ı z nich je otestován´ı nové platformy mikrokontrolér˚u ˇrady STM32F400[14] formou vývoje levného analyzátoru s´ıtˇe na DIN liˇstu, který poslouˇz´ı k pˇr´ıpravˇe firmwaru, zprovoznˇen´ı vˇsech zásadn´ıch periferi´ı jako je rozhran´ı pro extern´ı pamˇet’, ˇcasovaˇce, AD pˇrevodn´ıky, softwarový fázový závˇes, komunikaˇcn´ı rozhran´ı jako USART, ethernet, ale i SPI a I2C sbˇernice, a také k vytvoˇren´ı bootloaderu a odladˇen´ı spolupráce mezi novou ˇradou MCU a pouˇzitým vývojovým prostˇred´ım IAR Embedded Workbench pro ARM. Vyv´ıjený analyzátor byl na základˇe firemn´ıch zvyk˚u a historických d˚uvod˚u pojmenován SMC 144 a na této platformˇe je moˇzná témˇeˇr kompletn´ı pˇr´ıprava firmwaru z´ıskáván´ı dat, zpraco- ván´ı a archivace pro budouc´ı fináln´ı pˇr´ıstroj tˇr´ıdy A, protoˇze pˇri portaci firmwaru na nový hardware budou nutné pouze minimáln´ı zmˇeny.

Druhou etapou je návrh rozˇs´ıˇreného a kompletn´ıho hardwaru, který umoˇzn´ı do- saˇzen´ı pˇresnost´ı vyˇzadovaných tˇr´ıdou A.

3.2 Srovnání pˇrístroj ˚ u

V tabulce 6 jsou srovnány základn´ı vlastnosti a parametry tˇr´ı analyzátor˚u kvality elektrické energie. Pˇr´ıstroj SMPQ 44 (na obrázku 9a je tˇr´ıfázová varianta SMPQ 33) je jiˇz po nˇekolik let nejvyˇsˇs´ım modelem analyzátoru firmy KMB systems, s.r.o. Jedná se o pˇr´ıstroj urˇcený pro montáˇz do panelu standardn´ıho rozmˇeru 96x96 mm. V zá- kladn´ım proveden´ı obsahuje proudové transformátory pro nepˇr´ımé mˇeˇren´ı proudu s pomoc´ı extern´ıch proudových transformátor˚u s výstupem 5 A a napˇet’ové mˇeˇric´ı vstupy pro pˇetivodiˇcové pˇripojen´ı k s´ıti. Srdcem pˇr´ıstroje je STR912FW44 s já- drem ARM966E-S. Tento mikrokontrolér je v dneˇsn´ı dobˇe jiˇz zastaralý a z mnoha d˚uvod˚u nen´ı vhodný pro nové návrhy. Jednˇemi z nejnepˇr´ıjemnˇejˇs´ıch vlastnost´ı, souvisej´ıc´ıch s vývojem nového pˇr´ıstroje, je problematické ladˇen´ı, potˇreba kompletn´ıho JTAG programátoru, nutnost pˇrep´ınán´ı bank intern´ı flash nebo napˇr´ıklad potˇreba v´ıce napájec´ıch napˇet´ı zvláˇst’ pro periferie a jádro. Jiˇz nyn´ı mus´ı být nˇekteré výpoˇcty rozdˇeleny do nˇekolika krok˚u (napˇr´ıklad nespojité mˇeˇren´ı harmonických) z d˚uvodu omezeného výpoˇcetn´ıho výkonu jádra.

Pˇr´ıstroj SMC 144 na obrázku 9b je, jak jiˇz bylo ˇreˇceno výˇse, prvn´ım pˇr´ıstro- jem firmy KMB systems, s.r.o., pouˇz´ıvaj´ıc´ı modern´ı mikrokontrolér s jádrem ARM Cortex-M4. Jedná se o pˇr´ıstroj urˇcený k montáˇzi na DIN liˇstu, vyuˇz´ıvaj´ıc´ı r˚uzné extern´ı proudové transformátory umoˇzˇnuj´ıc´ı pˇr´ımé mˇeˇren´ı proudu aˇz do 600 A. Z d˚u- vodu poˇzadavku na n´ızkou cenu pˇr´ıstroje se jedná o jednodeskové proveden´ı pouze

(31)

(a) SMPQ 33. (b) SMC 144 revize 0.

Obrázek 9: Analyzátory kvality elektrické energie.

s nejd˚uleˇzitˇejˇs´ımi vstupy a výstupy a s hˇreb´ınkem pro volitelné osazen´ı rozˇsiˇruj´ıc´ı desky, umoˇzˇnuj´ıc´ı napˇr´ıklad doplnˇen´ı pˇr´ıstroje o nativn´ı ethernet. D´ıky vyveden´ı mnoha sbˇernic a GPIO na rozˇsiˇruj´ıc´ı konektor je tak vlastnˇe zároveˇn i vývojo- vou deskou pro testován´ı nových periferi´ı a komunikaˇcn´ıch rozhran´ı. Nejzásadnˇejˇs´ım zjednoduˇsen´ım SMC 144 oproti

”skuteˇcným“ analyzátor˚um je pouˇzit´ı pouze integro- vaných dvanáctibitových SAR AD pˇrevodn´ık˚u obvodu STM32F407 nam´ısto kvalit- n´ıch extern´ıch sigma-delta pˇrevodn´ık˚u s nejménˇe 16-ti bitovým rozliˇsen´ım. Pro sv˚uj

´

uˇcel pouˇzit´ı jako levných analyzátor˚u pro podruˇzné mˇeˇren´ı jsou vˇsak integrované pˇrevodn´ıky v´ıce neˇz dostaˇcuj´ıc´ı a hraj´ı zásadn´ı roli v uˇsetˇrené cenˇe materiálu.

Pˇr´ıstroj oznaˇcený ELITE, který zat´ım nemá oficiáln´ı název, má uvedené parametry, se kterými se v souˇcasné dobˇe poˇc´ıtá pro to, aby mohl být oznaˇcen jako analyzátor s´ıtˇe tˇr´ıdy A. Bude pouˇz´ıvat stejný MCU jako SMC 144. Pro vzorko- ván´ı napˇet´ı a proud˚u vˇsak budou vyuˇzity ˇspiˇckové extern´ı sigma-delta pˇrevodn´ıky s vyˇsˇs´ım rozliˇsen´ım a vzorkovac´ı frekvenc´ı. Bude doplnˇena extern´ı pamˇet’ RAM, archivy bude moˇzné ukládat kromˇe intern´ı NAND flash pamˇeti rovnˇeˇz na SDHC kartu. Napˇet’ové vstupy budou ˇreˇseny jako 4 plnˇe diferenciáln´ı vstupy, proudové vstupy budou umoˇzˇnovat pˇripojen´ı jak klasických proudových transformátor˚u, tak i senzor˚u vyuˇz´ıvaj´ıc´ıch principu Rogowského c´ıvky.

3.3 Hardware SMC 144

3.3.1 Konstrukˇcní provedení

Pˇri stanovován´ı zadán´ı pˇr´ıstroje, který je dnes oznaˇcován jako SMC 144, byla jednou z hlavn´ıch priorit snadná vyrobitelnost, n´ızká cena a dobrá dostupnost souˇcástek

(32)

Tabulka 6: Srovnán´ı souˇcasných a vyv´ıjených analyzátor˚u kvality.

SMPQ 44 SMC 144 ELITE

Sondy intern´ı CT extern´ı CT extern´ı CT/rogowského c´ıvky Vstupy 4 x U v˚uˇci PE, 4 x I 3 x U v˚uˇci N*, 4 x I 4 x diferenciáln´ı U, 4(5) x I Zes. a filtry SE, 2. ˇrád SE, 2. ˇrád DIFF, 2. ˇrád ADC Σ∆ 16 bit @ 6,4 kS/s SAR 12 bit @ 6,4 kS/s Σ∆ 24 bit @ 25,6 kS/s

MCU STR912FW44 STM32F407 STM32F407

J´adro ARM966E-S ARM Cortex-M4 ARM Cortex-M4

MHz/MIPS 96/96 168/210 168/210

FPU Nem´a Single precision Single precision

ROM 1 MB 1 MB 1 MB

RAM 96 kB + 512 kB 196 kB 196 kB + 1 MB

V´ypoˇcty Class S Class S Class A

Archivace 512 MB NAND 512 MB NAND 512 MB NAND, SDHC

Zobrazen´ı LCD 240x160 ˇCB Voliteln´e TFT LCD 320x240 Komunikace RS-485, Ethernet, USB RS-485, Ethernet Ethernet, USB, WiFi

* V druh´e revizi DPS jsou jiˇz mˇeˇrena 4 napˇet´ı v˚uˇci PE.

a d´ıl˚u. Na základˇe uvedených poˇzadavk˚u bylo rozhodnuto, ˇze pˇr´ıstroj bude ˇreˇsen jako jednodeskový ve standardn´ı krabiˇcce typu Module Box[8] na DIN liˇstu o ˇs´ıˇrce ˇsesti modul˚u od firmy Camden Electronics. Z hlediska ochrany pˇred nebezpeˇcným dotykem je SMC 144 pˇr´ıstrojem tˇr´ıdy II, který kombinuje ochranu zes´ılenou izolac´ı a ochranu vysokou impedanc´ı.

Pˇr´ıstroj SMC 144 mˇel do jisté m´ıry také vytvoˇrit alternativu k multifunkˇcn´ımu pˇr´ıstroji SMC 33, který narozd´ıl od SMC 144 vyuˇz´ıvá pr˚uvlekové proudové trans- formátory integrované na desce pˇr´ıstroje a umoˇzˇnuje volitelné osazen´ı mnoha V/V (analogový vstup a výstup, dva digitáln´ı vstupy a výstupy). ˇCasem se ukázalo, ˇze toto univerzáln´ı ˇreˇsen´ı nen´ı výhodné z d˚uvod˚u velkých rozmˇer˚u DPS, vyˇsˇs´ı ceny a toho, ˇze pouze menˇsina zákazn´ık˚u od pˇr´ıstroje vyˇzadovala v´ıce neˇz základn´ı ko- munikaci a pˇr´ıpadnˇe réleový alarmový výstup. Proto bylo rozhodnuto pro minima- listické ˇreˇsen´ı s pouhým jediným réleovým nebo impulsn´ım výstupem a doplnˇen´ı druhé volitelné sbˇernice komunikace RS-485, která by se mohla vyuˇz´ıt k pˇripojen´ı témˇeˇr libovolného poˇctu extern´ıch V/V modul˚u.

Dalˇs´ım poˇzadavkem byla moˇznost komunikace pˇres drátový nebo optický ethernet, WiFi nebo doplnˇen´ı jednoduchého displeje a tlaˇc´ıtek. Pro tento úˇcel jsem navrhl rozˇsiˇruj´ıc´ı slot s vyvedenými perifern´ımi piny MCU a moˇznost´ı osazen´ı svislé DPS nebo plochého kabelu vedouc´ıho do druhé desky. Nakonec z d˚uvodu absence displeje nesm´ı chybˇet zelená LED indikuj´ıc´ı bˇeh pˇr´ıstroje a dvˇe konfigurovatelné ˇcervené alarmové LED.