Teza Doctorat Dughir

of 182/182
CONTRIBUŢII LA MONITORIZAREA CALITĂŢII ENERGIEI ELECTRICE Teză destinată obţinerii titlului ştiinţific de doctor inginer la Universitatea “Politehnica” din Timişoara în domeniul INGINERIE ELECTRONICĂ ŞI TELECOMUNICAŢII de către Ing. Ciprian Ovidiu Miron DUGHIR Conducător ştiinţific: prof.univ.dr.ing. Alimpie Ignea Referenţi ştiinţifici: prof.univ.dr.ing. Radu Munteanu prof.univ.dr.ing. Cornelia Gordan prof.univ.dr.ing. Viorel Popescu Ziua susţinerii tezei: 28.10.2010
  • date post

    27-Dec-2015
  • Category

    Documents

  • view

    55
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Teza Doctorat Dughir

  • CONTRIBUII

    LA MONITORIZAREA CALITII ENERGIEI ELECTRICE

    Tez destinat obinerii titlului tiinific de doctor inginer

    la Universitatea Politehnica din Timioara n domeniul INGINERIE ELECTRONIC I

    TELECOMUNICAII de ctre

    Ing. Ciprian Ovidiu Miron DUGHIR

    Conductor tiinific: prof.univ.dr.ing. Alimpie Ignea Refereni tiinifici: prof.univ.dr.ing. Radu Munteanu prof.univ.dr.ing. Cornelia Gordan prof.univ.dr.ing. Viorel Popescu

    Ziua susinerii tezei: 28.10.2010

  • Seriile Teze de doctorat ale UPT sunt:

    1. Automatic 7. Inginerie Electronic i Telecomunicaii 2. Chimie 8. Inginerie Industrial 3. Energetic 9. Inginerie Mecanic 4. Ingineria Chimic 10. tiina Calculatoarelor 5. Inginerie Civil 11. tiina i Ingineria Materialelor 6. Inginerie Electric Universitatea Politehnica din Timioara a iniiat seriile de mai sus n scopul

    diseminrii expertizei, cunotinelor i rezultatelor cercetrilor ntreprinse n cadrul colii doctorale a universitii. Seriile conin, potrivit H.B.Ex.S Nr. 14 / 14.07.2006, tezele de doctorat susinute n universitate ncepnd cu 1 octombrie 2006.

    Copyright Editura Politehnica Timioara, 2010

    Aceast publicaie este supus prevederilor legii dreptului de autor.

    Multiplicarea acestei publicaii, n mod integral sau n parte, traducerea, tiprirea, reutilizarea ilustraiilor, expunerea, radiodifuzarea, reproducerea pe microfilme sau n orice alt form este permis numai cu respectarea prevederilor Legii romne a dreptului de autor n vigoare i permisiunea pentru utilizare obinut n scris din partea Universitii Politehnica din Timioara. Toate nclcrile acestor drepturi vor fi penalizate potrivit Legii romne a drepturilor de autor.

    Romnia, 300159 Timioara, Bd. Republicii 9,

    tel. 0256 403823, fax. 0256 403221 e-mail: [email protected]

  • Cuvnt nainte Prezenta lucrare a fost elaborat pe parcursul programului de doctorat fr

    frecven susinut n Departamentul de Msurri i Electronic Optic al Facultii de Electronic i Telecomunicaii din cadrul Universitii Politehnica din Timioara. Perioada desfurrii programului doctoral a fost noiembrie 2000 octombrie 2010.

    Teza dezvolt o cercetare n domeniul monitorizrii calitii energiei electrice. Detectarea i clasificarea perturbaiilor care apar n reelele de distribuie a energiei electrice reprezint o problem de interes pe plan mondial. Detectarea perturbaiilor utiliznd algoritmi de analiz n domeniul timp reprezint o soluie modern i care necesit relativ puine resurse de calcul.

    Programul de doctorat s-a desfurat sub conducerea domnului Prof. Dr. Ing. Alimpie Ignea. n calitate de conductor de doctorat, domnul profesor mi-a oferit cu profesionalism sprijin pentru a finaliza lucrarea. Am beneficiat de o ndrumare deosebit n ceea ce privete selectarea literaturii de specialitate adecvat, realizarea referatelor din cadrul doctoratului, scrierea i publicarea lucrrilor tiinifice i parcurgerea etapelor de cercetare care au dus la atingerea scopurilor propuse. Pentru toate acestea i aduc calde mulumiri.

    Sincere mulumiri aduc membrilor comisiei pentru modul competent de parcurgere a tezei de doctorat i pentru ntocmirea referatelor.

    Doresc, de asemenea, s aduc mulumiri domnului Prof. Dr. Ing. Traian Jurca, ale crui sfaturi au contribuit la soluionarea unora dintre problemele aprute pe parcursul elaborrii tezei de doctorat.

    Sunt recunosctor domnilor Prof. Dr. Ing. Dan Stoiciu i Prof. Dr. Ing. Franz Quint pentru ajutorul nepreuit n obinerea unei burse de studii Erasmus. De asemenea, aduc mulumiri ageniei ERASMUS pentru finanarea stagiului de documentare la Universitatea de tiine Aplicate din Karlsruhe.

    Adresez mulumiri firmei Texas Instruments pentru sprijinul material prompt i dezinteresat, fr de care partea hardware a tezei nu putea fi realizat practic.

    Mulumesc conducerii Facultii de Electronic i Telecomunicaii pentru facilitarea deplasrii la conferine, n vederea susinerii unor lucrri tiinifice. Le sunt recunosctor colegilor din Departamentul Msurri i Electronic Optic pentru atmosfera de lucru plcut i sprijinul primit pe parcursul elaborrii tezei.

    Nu n ultimul rnd, recunotina mea se ndreapt spre familia mea care a dat dovad de nelegere, suport i dragoste n timpul desfurrii programului doctoral.

    Timioara, octombrie 2010 Ing. Ciprian Ovidiu Miron DUGHIR

  • Dughir, Ciprian Ovidiu Miron

    Contribuii la monitorizarea calitii energiei electrice

    Teze de doctorat ale UPT, Seria X, Nr. YY, Editura Politehnica, 2010, 182 pagini, 101 figuri, 17 tabele.

    ISSN:

    ISBN (10): ..; ISBN (13):

    Cuvinte cheie:

    Monitorizarea calitii energiei electrice, perturbaii electrice, algoritmi pentru detectarea perturbaiilor din reelele electrice, circuite de compresie dinamic, divizor secvenial de tensiune, algoritmi de prelucrare a semnalelor n domeniul timp, server web.

    Rezumat: Lucrarea abordeaz problema monitorizrii calitii energiei electrice n reelele electrice de joas tensiune. Prezena perturbaiilor n reelele electrice afecteaz o serie ntreag de consumatori (att casnici ct i industriali), perturbnd buna funcionare a acestora i putnd conduce, n cazurile cele mai defavorabile, la defectarea acestora. Prin mbuntirea unor algoritmi prezentai n literatura de specialitate dar i prin dezvoltarea unor algoritmi noi de detectare a perturbaiilor (bazai pe analiza semnalelor n domeniul timp), s-a reuit implementarea unui sistem (hardware i software) care detecteaz existena perturbaiilor din reelele de distribuie a energiei electrice. Prin utilizarea unui divizor secvenial de tensiune, se pot prelua tensiuni electrice cu o dinamic mare (amplitudini de pn la 10 kV), fr a pierde detaliile fine din jurul valorii nominale a tensiunii reelei. Aplicaia dezvoltat este extrem de avantajoas din punct de vedere al preului, al uurinei de utilizare i a acurateei detectrii perturbaiilor.

  • Cuprins

    Lista de figuri ............................................................................................... 7 Lista de tabele.............................................................................................10 1. Introducere .............................................................................................11

    1.1 Problematica tezei ...............................................................................11 1.2 Structura tezei ....................................................................................12

    2. Tipuri de perturbaii i standarde pentru detectarea i monitorizarea acestora...14 2.1 Caracterizarea surselor de perturbaii .....................................................14 2.2 Standarde privind asigurarea calitii energiei electrice..............................17

    2.2.1 Istoric...........................................................................................17 2.2.2 Standardul IEC 61000-4-30 .............................................................21 2.2.3 Standardul EN 50160......................................................................27

    2.3 Concluzii ............................................................................................29 3. Circuite de condiionare a semnalelor ..........................................................30

    3.1 Introducere.........................................................................................30 3.2 Circuit de condiionare cu transformator funcional ...................................31

    3.2.1 Prezentarea circuitului.....................................................................31 3.2.2 Proiectarea circuitului de compresie cu transformator funcional ............32 3.2.3 Simularea funcionrii transformatorului funcional..............................35 3.2.4 Algoritm pentru reducerea erorilor circuitului de precondiionare cu transformator funcional ..........................................................................44

    3.3 Circuit de compresie dinamic folosind trei canale ale convertorului analognumeric (divizor secvenial de tensiune) ........................................................48

    3.3.1 Prezentarea circuitului.....................................................................48 3.3.2 Analiza funcionrii circuitului n Matlab .............................................52 3.3.3 Aplicaii ale divizorului secvenial de tensiune n detectarea perturbaiilor tranzitorii cu amplitudini mari...................................................................54

    3.4 Concluzii ............................................................................................56 4. Sisteme de achiziie de date ......................................................................58

    4.1 Introducere.........................................................................................58 4.2 Placa de achiziie NI USB 6259 ..............................................................59 4.3 Biblioteca de funcii NI-DAQmx..............................................................61 4.4 Concluzii ............................................................................................65

    5. Algoritmi software pentru detectarea perturbaiilor din reelele electrice de joas tensiune .....................................................................................................66

    5.1 Introducere.........................................................................................66 5.2 Determinarea apariiei perturbaiilor tranzitorii.........................................66 5.3 mbuntirea metodei de detectare a perturbaiilor tranzitorii ...................71 5.4 Concluzii ............................................................................................76

    6. Sistem de detectare i monitorizare a perturbaiilor din reelele electrice..........77 6.1 Introducere.........................................................................................77 6.2 Prezentarea sistemului hardware............................................................77 6.3 Aplicaie software pentru detectarea perturbaiilor ....................................84

    6.3.1 Descrierea aplicaiei........................................................................84 6.3.2 Iniializarea aplicaiei ......................................................................89 6.3.3 Memoria circular...........................................................................92 6.3.4 Detectarea i monitorizarea perturbaiilor ..........................................93 6.3.5 Interfaa cu utilizatorul....................................................................98

  • 6 Cuprins

    6.3.6 Configurarea aplicaiei ....................................................................99 6.3.7 Testarea aplicaiei software............................................................101

    6.4 Server web pentru accesarea on-line a datelor nregistrate ......................105 6.5 Concluzii ..........................................................................................109

    7. Rezultate experimentale..........................................................................111 8. Concluzii i contribuii .............................................................................120 Bibiliografie...............................................................................................125 Anexa 1. Programe reprezentative elaborate n PSpice ....................................131 Anexa 2. Programe reprezentative elaborate n Matlab ....................................137

    Anexa 2.1 Program Matlab pentru verificarea algoritmului de calibrare a sistemului de condiionare a semnalelor cu transformator funcional..............................137 Anexa 2.2 Program MatLab pentru trasarea caracteristicii de transfer a divizorului secvenial de tensiune .............................................................................143

    Anexa 3. Program Visual C++ pentru monitorizarea calitii energiei electrice.....145 Anexa 3.1 Program pentru iniializarea aplicaiei i achiziia de date ...............145 Anexa 3.2 Program pentru detecia perturbaiilor din reeaua electric............156 Anexa 3.3 Program pentru implementarea memoriei circulare........................164 Anexa 3.4 Program pentru implementarea controlului grafic care afieaz starea memoriei circulare ..................................................................................172

    Anexa 4. Programe reprezentative elaborate n HTML i PHP ............................176

  • Lista de figuri

    Fig. 1.1 Tipuri de perturbaii ..................................................................... 17 Fig. 3.1 Schema bloc a unui sistem de monitorizare a perturbaiilor din reeaua electric de joas tensiune ................................................

    30

    Fig. 3.2 Transformator funcional cu amplificator operaional ......................... 31 Fig. 3.3 Caracteristica de transfer a transformatorului funcional n cadranul I.... 32 Fig. 3.4 Circuitul echivalent pentru calculul valorii rezistenei R1 .................... 35 Fig. 3.5 Funcia de transfer a circuitului simulat n PSpice ........................... 36 Fig. 3.6 Abaterea de la caracteristica real la 500 V ..................................... 36 Fig. 3.7 Abaterea de la caracteristica real la 2 kV ....................................... 37 Fig. 3.8 Influena temperaturii asupra punctelor de frngere ale caracteristicii circuitului de compresie dinamic a) la 500 V; b) la 2 kV; c) la 10 kV ...

    38

    Fig. 3.9 Semnalul de intrare triunghiular aplicat circuitului i semnalul de la ieirea circuitului ........................................................................

    39

    Fig. 3.10 Semnalul de intrare triunghiular aplicat circuitului i semnalul reconstruit de aplicaia software ..................................................

    39

    Fig. 3.11 Spectrele semnalelor de intrare, respectiv de ieire ale circuitului de compresie ................................................................................

    40

    Fig. 3.12 Semnal biexponenial aplicat la intrare i semnalul de la ieirea circuitului de compresie ..............................................................

    40

    Fig. 3.13 a) Semnal biexponenial aplicat la intrarea circuitului de compresie i semnalul de la ieirea circuitului de decompresie, b) eroarea relativ a semnalului de la ieirea circuitului de decompresie fa de semnalul aplicat la intrarea circuitului de compresie .......................

    41 Fig. 3.14 Spectrul semnalului de intrare biexponenial i al semnalului de ieire dup decompresie .....................................................................

    41

    Fig. 3.15 Semnal de intrare sinus amortizat i semnalul de la ieirea circuitului de compresie (linie punctat) ......................................................

    42

    Fig. 3.16 Semnal de intrare sinus amortizat i semnalul de la ieirea circuitului de decompresie (linie punctat) ...................................................

    42

    Fig. 3.17 Eroarea relativ a amplitudinii maxime a sinusului amortizat dup decompresie .............................................................................

    43

    Fig. 3.18 Spectrul semnalului sinus amortizat de la intrare i dup decompresie .. 43 Fig. 3.19 Schema bloc a circuitului propus pentru minimizarea erorilor prin calibrare ..................................................................................

    44

    Fig. 3.20 Semnalul de intrare i semnalul decomprimat la 1.9 kV a) fr corecie; b) cu corecie.....................................................

    45

    Fig. 3.21 Semnalul de intrare i semnalul decomprimat la 3 kV a) fr corecie; b) cu corecie.....................................................

    45

    Fig. 3.22 Semnalul de intrare i semnalul decomprimat la 7 kV a) fr corecie; b) cu corecie.....................................................

    46

    Fig. 3.23 Semnalul de intrare i semnalul decomprimat la 10 kV a) fr corecie; b) cu corecie.....................................................

    46

    Fig. 3.24 Schema bloc a circuitului de compresie dinamic propus ................. 48 Fig. 3.25 Funcia de transfer a celor trei divizoare de tensiune utilizate .......... 49 Fig. 3.26 Funcia de transfer a divizorului de tensiune secvenial.................... 49

  • 8 Lista de figuri Fig. 3.27 Algoritmul software al divizorului de tensiune secvenial ................. 50 Fig. 3.28 Algoritmul de decompresie a semnalului ....................................... 51 Fig. 3.29 a) Funcia de transfer a divizorului de tensiune secvenial simulat n Matlab; b) Funcia de transfer a divizorului mpreun cu circuitul de decompresie ...

    52

    Fig. 3.30 Perturbaie tranzitorie suprapus peste semnalul din reeaua electric 54 Fig. 3.31 Algoritm pentru detecia perturbaiilor tranzitorii de amplitudine mare ... 55 Fig. 3.32 Aplicaie Visual C++ pentru testarea funcionrii algoritmului de detecie a perturbaiilor tranzitorii de mare amplitudine bazat pe divizorul secvenial de tensiune ...................................................

    56 Fig. 4.1 Componentele unui sistem de achiziie de date ................................ 58 Fig. 4.2 Placa de achiziie NI USB 6259 ...................................................... 59 Fig. 4.3 Conectarea intrrilor n modul diferenial ........................................ 60 Fig. 4.4 Conectarea intrrilor n modul unipolar ........................................... 61 Fig. 4.5 Aplicaia DAQ assistant ................................................................ 62 Fig. 5.1 Schema bloc a sistemului pentru detectarea perturbaiilor tranzitorii .. 67 Fig. 5.2 Tehnica segmentrii ..................................................................... 68 Fig. 5.3 Ordinograma algoritmului ............................................................. 69 Fig. 5.4 Aplicaie software pentru mprirea pe segmente i calculul indicilor de regularitate pe fiecare segment ................................................

    70

    Fig. 5.5 Schema bloc a sistemului pentru detectarea perturbaiilor tranzitorii modificat ...................................................................................

    71

    Fig. 5.6 Ordinograma algoritmului modificat .............................................. 72 Fig. 5.7 Variaia indicelui de regularitate cu frecvena ................................. 73 Fig. 5.8 Semnal sinusoidal cu perioada de 20 ms peste care s-a suprapus o perturbaie de tip impuls .............................................................

    74

    Fig. 5.9 Semnal sinusoidal cu perioada de 20 ms peste care s-a suprapus o perturbaie de tip impuls dublu ...................................................

    74

    Fig. 5.10 Semnal sinusoidal cu perioada de 20 ms peste care s-a suprapus o perturbaie de tip impuls dublu ...................................................

    75

    Fig. 5.11 Semnal sinusoidal cu perioada de 20 ms peste care s-a suprapus un zgomot ...................................................................................

    75

    Fig. 6.1 Diagrama sistemului de monitorizare al perturbaiilor ....................... 77 Fig. 6.2 Circuitul de condiionare a semnalelor ............................................ 78 Fig. 6.3 Modul de intrare izolat ................................................................. 79 Fig. 6.4 Modulul de intrare ....................................................................... 79 Fig. 6.5 Diagrama de conectare a modulelor de intrare ................................. 80 Fig. 6.6 Circuitul de condiionarea semnalelor ............................................. 81 Fig. 6.7 Conectarea circuitului de intrare n modul mas comun ................... 82 Fig. 6.8 Conectarea circuitului de intrare n modul diferenial ........................ 82 Fig. 6.9 Conectarea a dou reele electrice diferite la circuitul de intrare ......... 83 Fig. 6.10 Conectarea unei reele electrice trifazice la circuitul de intrare ......... 83 Fig. 6.11 Conectarea unei reele electrice trifazice la circuitul de intrare n mod diferenial ................................................................................

    84

    Fig. 6.12 Ierarhia de clase MFC ............................................................... 86 Fig. 6.13 Fereastra principal a aplicaiei .................................................... 89 Fig. 6.14 Secvena de iniializare a aplicaiei ............................................... 90 Fig. 6.15 Diagrama rutinei soft de detectare a perturbaiilor ........................ 91 Fig. 6.16 Organizarea memoriei circulare .................................................. 92 Fig. 6.17 Afiarea grafic a strii memoriei circulare ................................... 92 Fig. 6.18 Algoritmul de detecie a perturbaiilor .......................................... 93

  • Lista de figuri 9

    Fig. 6.19 Diagrame temporale pentru explicarea funcionrii sistemului de detecie a perturbaiilor .............................................................

    94

    Fig. 6.20 Detecia duratei unei semiperioade a semnalului reelei ................. 95 Fig. 6.21 Algoritmul de detecie a perturbaiilor .......................................... 96 Fig. 6.22 Blocul de detecie a perturbaiilor ................................................ 97 Fig. 6.23 Bara de instrumente a aplicaiei .................................................. 98 Fig. 6.24 Controale pentru afiarea grafic a semnalelor .............................. 99 Fig. 6.25 Structura fiierului settings.ini .................................................... 100 Fig. 6.26 Aplicaia de generare a semnalelor .............................................. 101 Fig. 6.27 Diagrama aplicaiei de generare a semnalelor de test .................... 103 Fig. 6.28 Aplicaia de generare a semnalelor. Generarea unui semnal biexponenial 103 Fig. 6.29 Impuls biexponenial pentru diferite valori ale parametrilor a i b .... 104 Fig. 6.30 Aplicaia de generare a semnalelor. Generarea unui semnal sinusoidal cu frecvena de 50 Hz peste care se suprapune un impuls biexponenial

    104

    Fig. 6.31 Aplicaia de generare a semnalelor. Generarea unui semnal sinusoidal nsoit de zgomot ........................................................................

    105

    Fig. 6.32 Conectarea serverului web la Internet ......................................... 106 Fig. 6.33 Panoul de configurare a serverului web xampp ............................. 107 Fig. 6.34 Fereastra Perturbaii a aplicaiei web ........................................... 108 Fig. 6.35 Sistem de monitorizare a calitii energiei electrice ........................ 109 Fig. 7.1 Perturbaie de tip impuls tranzitoriu ............................................... 112 Fig. 7.2 Perturbaie de tip impuls tranzitoriu. a) semnal perturbat, b) detaliu .. 112 Fig. 7.3 Perturbaie de tip impuls tranzitoriu ............................................... 113 Fig. 7.4 Perturbaie de tip impuls tranzitoriu. a) semnal perturbat, b) detaliu .. 113 Fig. 7.5 Perturbaie de tip impuls tranzitoriu. a) semnal perturbat, b) detaliu .. 113 Fig. 7.6 Perturbaii de tip impuls .............................................................. 114 Fig. 7.7 Perturbaii a) cdere de tensiune, b) cdere de tensiune i impuls tranzitoriu 114 Fig. 7.8 Variaia valorii maxime a tensiunii reelei la pornirea unui motor asincron de 18 kVA ......................................................................

    115

    Fig. 7.9 Semnalul din reeaua electric a Facultii de Electronic i Telecomunicaii i spectrul acestuia ...............................................................................

    115

    Fig. 7.10 Semnalul din reeaua electric a Facultii de Mecanic i spectrul acestuia 116 Fig. 7.11 Semnalul reelei electrice rurale din Germania i spectrul acestuia .... 116 Fig. 7.12 Cdere de tensiune a) tensiune, b) evoluia n timp a valorii efective a tensiunii reelei n timpul golului de tensiune ..............................

    116

    Fig. 7.13 Perturbaie de scurt durat ........................................................ 117 Fig. 7.14 Conectarea sistemului de monitorizare a calitii energiei electrice la un sistem fotovoltaic ..................................................................

    117

    Fig. 7.15 Trecerea alimentrii laboratorului de pe sistemul energetic naional pe sursa de energie regenerabil .................................................

    118

    Fig. 7.16 Semnalul reelei energetice naionale (punctat) i semnalul generat de invertor (linie continu) .........................................................

    119

    Fig. 7.17 Spectrul semnalului generat de invertor a) spectrul semnalului la frecvene joase; b) spectrul semnalului la frecvene ridicate (detaliu)

    119

  • Lista de tabele

    Tabelul 1.1 Evoluia conceptului de calitate a energiei electrice de-a lungul timpului . 19 Tabelul 1.2 Standarde pentru monitorizarea calitii energiei electrice ............. 20 Tabelul 1.3 Condiiile de referin n raport cu tensiunea msurat ................. 21 Tabelul 1.4 Plaja de funcionare a echipamentelor de clas A ......................... 22 Tabelul 1.5 Plaja de funcionare a echipamentelor de clas B ......................... 22 Tabelul 1.6 Incertitudinea de msurare ....................................................... 26 Tabelul 1.7 Condiii de referin relative la influenele externe ........................ 27 Tabelul 1.8 Domeniul de operare al instrumentelor ....................................... 27 Tabelul 1.9 Norme EN 50160: Caracteristici ale calitii energiei electrice n JT i MT 28 Tabelul 3.1 Erorile relative ale semnalului comprimat i decomprimat .............. 47 Tabelul 3.2 Energiile semnalelor ................................................................. 47 Tabelul 3.3 Valorile i numrul cuantelor de tensiune pentru diferite intervale de valori ale semnalului de intrare ............................................. 53 Tabelul 3.4 Numrul efectiv de bii utilizai pe fiecare interval al tensiunilor de intrare . 54 Tabelul 4.1 Principalii parametrii ai plcii de achiziie NI USB 6259 .................. 60 Tabelul 6.1 Parametrii amplificatorului izolator ISO 122U ............................... 78 Tabelul 6.2 Parametrii circuitului integrat DCH010515N7 ............................... 79 Tabelul 6.3 Funciile matematice admise de aplicaie i sintaxa acestora .......... 102

  • 1. INTRODUCERE

    1.1 Problematica tezei

    Cele mai multe domenii ale industriei, dar i de alt natur, se confrunt cu problema calitii energiei electrice, n special cele care trebuie s ofere un standard ridicat al serviciilor (internet, comunicaii de date, fabrici de componente semiconductoare etc.). Calitatea energiei electrice poate fi definit n multe moduri, fiecare individ avnd propria sa percepie asupra acestei noiuni, motiv pentru care a fost nevoie de definirea clar i concis a noiunii de calitate a energiei electrice i de standardizarea parametrilor care intervin n definirea acestei noiuni. Tensiunea stabil, forma de und nedistorsionat (lipsa armonicilor), abateri minime de la frecvena nominal, sunt doar cteva dintre caracteristicile pe care trebuie s le aib un sistem electric de calitate.

    Diagnosticarea prompt a problemelor care apar n ceea ce privete sistemul de distribuie a energiei electrice conduce la corectarea prompt a acestora [1]. Folosirea unor tehnici de procesare avansat a semnalelor i monitorizarea n timp real a perturbaiilor faciliteaz depanarea acestor sisteme i evitarea evenimentelor neprevzute. Monitorizarea liniilor de alimentare cu energie electric poate conduce la adoptarea de msuri fiabile pentru prevenirea producerii de perturbaii. Sistemele de msurare digitale pot msura tensiune, curent, dezechilibre de faz, flux magnetic, temperatur cu o acuratee foarte mare. Se pot amplasa un numr mare de astfel de sisteme de monitorizare n diverse puncte ale sistemului energetic i astfel, se poate realiza monitorizarea acestuia prin intermediul unei reele Ethernet [2], [3], [4], [5], [6]. Instrumente software puternice stau la dispoziia utilizatorului permind crearea de jurnale cu datele msurate, analiza armonic a semnalelor achiziionate n diferite puncte ale sistemului i activarea unor alarme atunci cnd parametrii depesc limitele normale [7], [8]. Mai mult, msurrile multiple, n diferite puncte ale reelei, sincronizate temporal prin GPS, permit o analiz complex i o localizare mai exact a surselor [9].

    Circuitele de monitorizare prelucreaz cantiti imense de date, aceste date provenind din diferitele puncte ale sistemului supus monitorizrii. Sunt utilizate tehnici speciale de prelucrare a semnalelor pentru a extrage informaiile utile din acest ocean uria de date [10]. Procedeele de prelucrare digital a semnalelor joac un rol esenial n cadrul algoritmilor utilizai, noi tehnici matematice sunt folosite pentru a mbunti calitatea sistemelor de monitorizare [11].

    Odat detectat i clasificat perturbaia, este necesar s se cunoasc sursa acesteia pentru a se putea lua msuri n vederea nlturrii ei. Defectarea anumitor componente, funcionarea parial a unora dintre ele, introducerea sau scoaterea din reea a unor echipamente electrice de putere sau variaii mari ale sarcinii sunt cauze des ntlnite. Dup ce informaiile au fost clasificate, a fost evaluat severitatea problemei i identificat sursa acesteia, nlturarea ei poate fi fcut de un sistem de decizie automat sau manual. De obicei, dac defeciunea este n amonte, problema trebuie semnalat distribuitorului de energie electric. Dac sursa

  • 12 Introducere - 1 perturbaiei este la consumator, operatorii pot ignora defeciunea sau pot repara echipamentul defect.

    Foarte multe ri au adoptat standarde pentru asigurarea calitii energiei electrice [12], [13], [14], [15], [16], [17].

    Romnia a adoptat n 2004, odat cu ratificarea Acordului de Asociere a Romniei la Uniunea European, directiva 89/336 EEC Compatibilitate electromagnetic [18], directiv prin care Ministerul Economiei i Comerului a fost abilitat printre altele s emit ordine privind lista standardelor aplicabile, list ce trebuie actualizat periodic [19]. n acest sens, n cursul anului 2003 ASRO a preluat n ntregime standardele din domeniul compatibilitii electromagnetice existente la acel moment i publicate n Jurnalul Oficial al Uniunii Europene. Noua list prezentat o nlocuiete pe cea publicat n Monitorul Oficial 62/230/2002 n conformitate cu Ordinul comun MCTI 555/2001/MIR 409/2001. Experiena dobndit n aplicarea Directivei CEM 89/336/CE, limitele de aplicare, precum i evoluia domeniului electric, n special electronica i telecomunicaiile, au condus la apariia unei noi directive CEM i anume: DIRECTIVA 2004/108/CE (DIRECTIVE 2004/108/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 15 December 2004). Aceast directiv a fost preluat i adoptat n legislaia Romniei prin intermediul Hotrrii Guvernului nr. 982/2007 privind compatibilitatea electromagnetic, fiind aplicat ncepnd cu data de 20 iulie 2007.

    Prin ordinul ANRDE nr. 128 din 2008 este aprobat Codul tehnic al reelelor electrice de distribuie.

    Odat cu introducerea standardizrii i n ara noastr, muli cercettori romni i-au ndreptat atenia nspre acest domeniu [20], [21], [22], [23].

    1.2 Structura tezei

    Lucrarea cuprinde 8 capitole structurate dup cum urmeaz. Capitolul 1 prezint problematica i structura tezei, trecndu-se n revist

    principalele probleme ce vor fi tratate pe larg n capitolele urmtoare. n capitolul 2 este prezentat o clasificare succint a perturbaiilor care apar

    n reelele de alimentare cu energie electric. Se prezint evoluia noiunii de calitate a energiei electrice de-a lungul timpului i sunt prezentate principalele standarde pentru asigurarea calitii energiei electrice, cu descrierea mai amnunit a dou dintre ele: standardul IEC 61000-4-30 i standardul EN 50160.

    Capitolul 3, intitulat Circuite de condiionare a semnalelor, prezint structura unui sistem de monitorizare a calitii energiei electrice i este orientat asupra circuitului de condiionare a semnalelor, circuit care are rolul de a prelua semnalele din reeaua electric i a le modifica nivelul astfel nct s fie compatibil cu intrrile convertoarelor analog-numerice folosite pentru preluarea informaiei n form numeric. Tot aici este prezentat problematica achiziionrii semnalelor cu o dinamic foarte mare, soluia problemei constnd n utilizarea unui circuit de compresie pentru a micora gama dinamic a semnalului de la intrarea convertorului analog-numeric, astfel nct s poat fi nregistrate att semnale cu amplitudini mari (10 kV) ct i variaii mici (de ordinul volilor) n jurul valorii nominale a tensiunii reelei. Din categoria circuitelor de compresie clasice este prezentat un circuit de condiionare a semnalelor realizat cu ajutorul unui transformator funcional, circuit care prezint o serie de probleme. Autorul propune o soluie pentru rezolvarea acestor probleme, bazat n principal pe introducerea unui modul de calibrare n componena circuitului. Deoarece o soluie care implic circuite integrate este n

  • 1.2 Structura tezei 13

    general mai scump i nu este ntotdeauna fiabil, autorul propune utilizarea unui circuit de compresie a semnalului mult mai simplu, utiliznd trei divizoare rezistive de tensiune i procesarea software a semnalelor achiziionate pentru obinerea unei caracteristici asemntoare unui circuit de compresie, aceasta fiind una dintre contribuiile originale ale autorului.

    n Capitolul 4 sunt prezentate sistemele de achiziie de date, modul de realizare i funcionare al acestora. Este prezentat placa de achiziie utilizat i sunt descrise principalele funcii din biblioteca NI-DAQmx care nsoete placa de achiziie, funcii indispensabile n dezvoltarea aplicaiei.

    n capitolul 5 sunt prezentai civa algoritmi originali pentru detectarea perturbaiilor din reelele electrice bazai pe analiza semnalelor n domeniul timp. S-a ales analiza n domeniul timp, deoarece analiza semnalelor cu ajutorul transformatei Fourier sau Wavelet este consumatoare de timp i de resurse, autorul dorind implementarea sistemului de monitorizare a calitii energiei electrice pe sisteme ieftine i cu performane modeste din punct de vedere al puterii de calcul. De asemenea, n capitolul 5 este prezentat un algoritm de detectare a perturbaiilor bazat pe media nul pe o perioad a unui semnal sinusoidal, algoritm preluat din literatur i mbuntit de autor prin introducerea unei memorii circulare, putndu-se stoca astfel un numr predefinit de eantioane ale semnalului. Pornind de la aceast idee, autorul propune n capitolul 6 o metod original de detectare a perturbaiilor bazat pe analiza unei semiperioade a semnalului reelei. Metoda de detectare se bazeaz, n esen, pe compararea valorilor instantanee obinute pe o semiperioad a semnalului reelei (valoare efectiv, valoare de vrf, factor de creast i frecven) cu mediile lor pe 10 perioade. n urma comparrii i interpretrii valorilor obinute se ia decizia dac semnalul este sau nu perturbat. n acest capitol este prezentat i aplicaia software care implementeaz algoritmul de detectare a perturbaiilor. Pentru testarea acestui algoritm a fost elaborat o aplicaie software care genereaz pe placa de sunet a calculatorului un semnal de 50 Hz avnd suprapuse diverse tipuri de perturbaii. Sistemul de monitorizare poate fi plasat chiar i n locuri mai puin accesibile, existnd de asemenea i cazuri n care se dorete monitorizarea de la distan a unui site, motiv pentru care a fost implementat un server web ce permite accesul de la distan la datele msurate.

    Capitolul 7 prezint Rezultatele experimentale obinute cu sistemul de monitorizare a calitii energiei electrice propus i realizat de autor, avnd ca surse diferite locaii ale reelei de alimentare de joas tensiune.

    Capitolul 8 prezint cele mai importante concluzii generale i contribuiile originale ale autorului n cadrul tezei de doctorat.

    n anexe sunt prezentate, din programele soft elaborate de autor, secvene reprezentative din programele elaborate n C++, PSpice, Matlab, HTML i PHP.

  • 2. TIPURI DE PERTURBAII I STANDARDE PENTRU DETECTAREA I MONITORIZAREA

    ACESTORA

    2.1 Caracterizarea surselor de perturbaii

    Exist mai multe criterii pentru caracterizarea perturbaiilor care apar n reelele de distribuie a energiei electrice [24], criterii ce caracterizeaz perturbaiile fie n domeniul timp (durat, amplitudine, repetitivitate), fie n domeniul frecvene (analiz Fourier sau Wavelet) [25], [26], [27].

    Din punctul de vedere al duratei, perturbaiile pot fi:

    1. Perturbaii tranzitorii a. Impulsurile tranzitorii sunt de regul unidirecionale ca i

    polaritate [28], [29]. b. Oscilaiile tranzitorii constau n variaii rapide ale tensiunii

    sau curentului cu schimbri brute de polaritate. Cauzele posibile ale perturbaiilor tranzitorii de tip impuls sunt: fulgerele, fire defecte, contacte ale releelor, conectarea sau deconectarea unei sarcini sau activarea dispozitivelor pentru corecia factorului de putere. Cea mai comun cauz a producerii oscilaiilor tranzitorii este introducerea n reea a unor capaciti pentru corecia factorului de putere [30].

    2. Perturbaii de scurt durat [31]

    a. Golurile de tensiune includ scderile cu 10 % ale tensiunii nominale pentru o perioad de timp care nu depete un minut. Sunt cauzate de regul de defecte ale sistemului de distribuie a energiei electrice sau echipamente defecte.

    b. Cderile de tensiune sunt scderi ale valorilor tensiunii sau ale curentului cuprinse n intervalul 2 ms 1 minut. Ele pot fi cauzate de defecte n sistemul de alimentare cu energie electric (o linie czut la pmnt - defect care va persista pn nu va fi nlturat), pornirea-oprirea unor sarcini foarte mari (motoare), sarcini care i modific impedana cu tensiunea de alimentare.

    c. Supracreterile de tensiune sunt creteri ale valorii efective ale tensiunii sau ale curentului pentru intervale de timp cuprinse ntre 0.5 cicluri ale frecvenei fundamentalei i un minut. Amplitudinea tipic a acestor perturbaii este cuprins ntre 110 i 180 % din valoarea tensiunii nominale a reelei. Cuplarea i decuplarea de la reeaua electric a unei sarcini mari sau a unei baterii de condensatoare poate cauza astfel de perturbaii.

  • 2.1 - Caracterizarea surselor de perturbaii 15

    3. Perturbaiile de lung durat se refer la variaii ale valorii efective pe o perioad de timp ce depete un minut.

    a. Supratensiunile sunt creteri ale valorii efective (la frecvena nominal) pentru intervale mai lungi de un minut. Amplitudinile tipice ale acestor perturbaii sunt cuprinse ntre 110 % i 120 % din valoarea tensiunii nominale a reelei. Printre cauzele care genereaz astfel de perturbaii se numr: decuplarea unor sarcini mari, variaii n compensarea reactiv a sistemului sau reglarea defectuoas a regulatoarelor de tensiune.

    b. Subtensiunile sunt scderi ale valorii efective nominale (la frecvena nominal) pentru intervale mai lungi de un minut. Amplitudinile tipice ale acestor perturbaii sunt cuprinse ntre 80 % i 90 % din valoarea nominal a tensiunii reelei. Sunt produse de conectri ale unor sarcini mari, variaii ale compensrii reactive a sistemului, alegerea neinspirat a unui anumit tip de transformator, regulatoare de tensiune ajustate incorect, suprancrcarea liniei de transmisie a energiei electrice.

    c. ntreruperile susinute de tensiune (golurile de tensiune) sunt definite ca fiind scderi la zero a valorii tensiunii de alimentare pentru o durat mai mare de un minut. Sunt provocate (cel mai frecvent) de accidente care afecteaz liniile de transmisie, transformatoarele sau sursele de tensiune alternativ.

    4. Dezechilibrele se produc atunci cnd valoarea efectiv a diferitelor

    tensiuni de faz sau unghiuri de faz ntre faze consecutive nu sunt egale [32]. Aceste anomalii sunt considerate severe dac valoarea lor depete 5 %. Sunt generate de sarcini dezechilibrate sau de pierderile excesive din conductoarele electrice ale liniei de alimentare cu energie electric.

    5. Distorsiunile de form sunt deviaii de la forma de und ideal

    (sinusoidal) caracterizate de prezena n spectrul semnalului a componentelor spectrale ale acestor distorsiuni. Exist cinci tipuri de astfel de perturbaii [33]:

    a. Componenta continu const n prezena unei tensiuni suprapuse peste tensiunea liniei de alimentare. Astfel de distorsiuni pot fi cauzate de modificrile geometrice ale componentelor generatoarelor (stator, rotor), pornirea i oprirea unor maini sincrone sau prezena unor surse de alimentare n comutaie. Amplitudinea componentei continue este destul de mare pe perioada pornirii - opririi mainilor sincrone.

    b. Distorsiunile armonice sunt perturbaii sinusoidale cu frecvena multiplu ntreg al frecvenei sistemului de alimentare cu energie electric. Orice dispozitiv sau sarcin neliniar produc astfel de perturbaii [34], [13]. Consumatorii neliniari pasivi produc, de regul, armonici impare, armonicile pare fiind produse de ctre dispozitivele

  • 16 Tipuri de perturbaii i standarde - 2

    active, dar i de ctre transformatoarele saturate cu un curent continuu. n afara componentelor armonice, n reea pot s apar i componente nearmonice: subarmonici sau interarmonici produse de convertizoarele de frecven sau de motoarele asincrone prin fenomenul de alunecare [35].

    c. Intermodulaiile sunt perturbaii ale tensiunii sau curentului care au frecvene discrete, diferite de frecvena componentelor armonice, sau un spectru bogat. Sursele principale ale acestor perturbaii sunt convertoarele statice de frecven, ciclo-convertoarele, motoarele de inducie i arcul electric [7].

    d. Vrfurile de tensiune sunt distorsiuni ale tensiunii de alimentare cauzate de operarea normal a dispozitivelor electrice n momentul comutrii curentului de la o faz la alta [36], [37].

    e. Zgomotul include orice semnal nedorit cu componente spectrale mai mici de 200 kHz suprapuse peste tensiunea sau curentul din linia de alimentare [38]. Zgomotele pot fi produse de echipamentele care produc arc electric, circuitele de control, surse de alimentare n comutaie.

    6. Fluctuaiile de tensiune (flicker) [39] sunt variaii sistematice ale

    anvelopei semnalului sau o serie de schimbri aleatoare ale tensiunii, magnitudinea acestora nedepind limita de 105 % din valoarea nominal a tensiunii reelei. Orice sarcin care prezint variaii semnificative ale curentului, respectiv a valorii elementului reactiv cum ar fi arcurile electrice, poate provoca astfel de fluctuaii [40], [41]. Flickerul produce variaii ale iluminrii n cazul utilizrii surselor de iluminat incandescente, efectul fiind foarte deranjant pentru ochi dac frecvena fluctuaiilor este de 8,8 Hz [42].

    7. Variaiile frecvenei sunt n direct legtur cu schimbrile vitezei

    generatoarelor rotative datorit dezechilibrului ntre sarcin i capacitatea respectivului generator. Printre cauze poate fi amintit cuplarea / decuplarea unor sarcini foarte mari. Scderea frecvenei reelei are ca efect creterea pierderilor n transformatoare i creterea uzurii generatoarelor, ca efect al apropierii de frecvena de rezonan a acestora.

    8. Evenimentele repetitive reprezint o serie de evenimente care se

    produc la intervale regulate. Printre cauzele apariiei acestor perturbaii se numr i dispozitivele care produc evenimente repetitive cum ar fi: dispozitive cu vitez variabil, startere, dispozitive de sudur cu arc.

    n figura 1.1 sunt prezentate cteva dintre perturbaiile ntlnite frecvent n

    reelele de alimentare cu energie electric: impulsuri tranzitorii, ntreruperi de tensiune, supratensiuni, cderi de tensiune, fluctuaii de tensiune (flicker), variaii ale frecvenei reelei.

  • 2.1 - Caracterizarea surselor de perturbaii 17

    Fig. 1.1 Tipuri de perturbaii

    2.2 Standarde privind asigurarea calitii energiei electrice

    2.2.1 Istoric

    nc de la nceputul anilor 80 numeroi productori de echipamente electronice au nceput s produc diverse sisteme electronice pentru monitorizarea calitii energiei electrice. n lipsa standardizrii procedurilor de msurare, prelucrare i stocare a datelor, era aproape imposibil compararea i coroborarea rezultatelor obinute cu diverse tipuri de echipamente.

    Impulsuri tranzitorii

    t

    u(t) u(t)

    t

    ntrerupere de tensiune

    t

    u(t)

    Supratensiune

    t

    u(t)

    Cdere de tensiune

    u(t) u(t)

    t

    Fluctuaii de tensiune (flicker)

    t

    Variaii ale frecvenei

  • 18 Tipuri de perturbaii i standarde - 2

    O prim ncercare de standardizare a fost fcut de ctre Institute of Electrical and Electronics Engineer (IEEE) n 1987, iniiativ ce culmineaz cu elaborarea i publicarea standardului IEEE 1159 [43].

    n 1996, un grup format ad-hoc, alctuit din specialiti n calitatea energiei electrice din zece ri, au luat n considerare trei cerine majore n ceea ce privete monitorizarea calitii energiei electrice:

    Stabilirea unei ordini n dezordinea existent la acea dat n ceea ce privete monitorizarea calitii energiei electrice;

    Propunerea unei clasificri a nivelurilor de calitate e energiei electrice i definirea ateptrilor consumatorilor;

    Construirea unei puni de legtur ntre productorii de energie electric, utilizatori i constructorii de echipamente.

    Se spera ca discuiile grupului s conduc la dezvoltarea i impunerea de standarde pentru calitatea energiei electrice, scop care a fost atins civa ani mai trziu. Un alt grup de studiu a fost nfiinat n 1997 cu scopul de a defini metodele de msurare pentru a obine rezultate sigure i repetabile indiferent de instrumentele folosite i indiferent de condiiile de msurare. Dup numai doi ani, n 1999 a aprut primul material scris [44], realizat cu ajutorul grupului de lucru IEC (International Electrotechnical Commission) i care prezint un raport cu progresele nregistrate, identificnd aspectele principale ale monitorizrii calitii energiei electrice, precum i problemele rmase nerezolvate.

    nc de la nceput, documentele elaborate de IEC cuprindeau dou pri: prima parte coninea standardele i normativele care defineau diveri parametri ai perturbaiilor din reelele electrice, iar cea de-a doua parte cuprindea anexe informative despre cnd, de ce, unde i cum trebuia monitorizat reeaua de distribuie a energiei electrice.

    Partea normativ din standard cuprinde [45], [46]: Definirea scopului, documente de referin i definiii; Organizarea msurrilor (tipuri de instrumente, parametrii ce

    trebuiesc msurai); Acurateea metodelor de testare, domeniile de operare ale

    instrumentelor utilizate; Metodele specifice de msurare pentru parametrii reelelor electrice:

    frecven, tensiune, ntreruperi de tensiune, supratensiuni, cderi de tensiune, goluri de tensiune etc.;

    Caracteristici tehnice: sunt descrise dou clase de instrumente de msurat cu specificarea limitelor de acuratee ale fiecrei clase de instrumente n parte.

    Partea informativ a standardului cuprinde:

    Aplicaii pentru realizarea de msurri; Aplicaii pentru diagnosticarea problemelor care pot s apar n

    timpul exploatrii normale a sistemului de distribuie; Aplicaii pentru determinri statistice; Precauii de instalare; Creteri de curent vs. creteri de tensiune; Bibliografie.

    Evoluia conceptului de calitate a energiei electrice de-a lungul timpului este prezentat succint n tabelul 1.1 [47].

  • 2.2 - Standarde privind asigurarea calitii energiei electrice 19

    Tabelul 1.1 Evoluia conceptului de calitate a energiei electrice de-a lungul timpului Anul Sursa Definiia 1979 T.S. Key, "Diagnosing Power

    Quality Related Computer Problems" [48]

    n concluzie, rspunsul la ntrebarea: ce este calitatea energiei electrice? poate fi gsit doar prin studiul perturbaiilor din liniile electrice. Aceste studii sunt primul pas spre o diagnosticare exact a problemelor surselor de alimentare ale calculatoarelor.

    1985 Clemmensen and Ferraro, "The Emerging Problem of Electric Power Quality" [49]

    Calitatea energiei electrice reprezint lipsa perturbaiilor.

    1987 IEC 60050,605-01 -05 International Vocabulary (IEV)

    Calitatea sursei de energie electric: o evaluare a abaterii de la criteriile tehnice, n afara domeniului definit (implicit sau explicit), a sursei de energie electric sau a unui ansamblu de surse de energie electric care provin de la mai muli furnizori.

    1988 PCIM Magazine [50] Calitatea energiei electrice reprezint nivelul de calitate care trebuie s satisfac nevoile consumatorilor.

    1992 1995

    Standardul IEEE 1100-1992 [51] Standardul IEEE 1159-1995 [52]

    Calitatea energiei electrice: conceptul alimentrii i pmntrii echipamentelor electronice sensibile ntr-un mod care este propice bunei funcionri a acestor echipamente.

    1995 Standardul IEEE 1250-1995 [53]

    Noiunea de calitate a energiei electrice este foarte des aplicat termenilor ca tensiune, disponibilitate a energiei electrice i chiar armonicilor.

    1995 Eskom, Handbook on Quality of Supply [54]

    Calitatea energiei electrice: calitatea sursei de energie care afecteaz distribuia acesteia i totodat include elemente de calitate a tensiunii electrice i msurri ale disponibilitii energiei electrice, precum i a continuitii sursei de energie.

    1996 Raportul Consiliului Consultativ n privina Compatibilitii Electromagnetice al IEC, 1996

    Calitatea energiei electrice: un set de parametri ce definesc proprietile sursei de energie aa cum trebuie ea livrat consumatorilor n condiii normale, n termeni ce definesc continuitatea sursei de energie i caracteristicile tensiunii furnizate de aceasta (amplitudine, frecven, simetrie, form de und).

    1999 Standardul IEEE 1100-1999 [55]

    Calitatea energiei electrice: conceptul alimentrii i pmntrii echipamentelor electronice sensibile ntr-un mod care este propice bunei funcionri a acestor echipamente n ipoteza interconectrii acestora cu alte echipamente.

    2000 Grupul de lucru IEC 77WG09 Calitatea energiei electrice este definit ca un set de parametri tehnici ce descriu compatibilitatea dintre energia furnizat ntr-o reea i consumatorii conectai la acea reea.

  • 20 Tipuri de perturbaii i standarde - 2

    n tabelul 1.2 sunt prezentate cteva dintre standardele elaborate de-a lungul timpului pentru monitorizarea calitii energiei electrice.

    Tabelul 1.2 Standarde pentru monitorizarea calitii energiei electrice

    Standard Descriere IEC 868 Este nlocuit de standardul IEC 61000-4-15 IEEE 519 [56], [57]

    Descrie nivelurile de armonici acceptate n punctele de delimitare dintre furnizor i consumator. Este cel mai rspndit standard folosit de furnizorii de energie electric din SUA;

    SR EN 50160 Caracteristici ale tensiunii n reelele electrice publice; IEEE 1159 [58] Este practica recomandat pentru monitorizarea i

    interpretarea corect a fenomenelor electromagnetice care cauzeaz probleme ale calitii energii electrice;

    SR EN 61000-2-2 Compatibilitate electromagnetic (CEM) - Partea 2: Mediu nconjurtor, Seciunea 2: Descrierea mediului nconjurtor. Niveluri de compatibilitate pentru perturbaii de joas frecven propagate prin conducie i transmisia de semnale pe reelele publice de joas tensiune;

    SR EN 61000-2-4 Compatibilitate electromagnetic (CEM) - Partea 2: Mediu nconjurtor, Seciunea 4: Niveluri de compatibilitate n medii industriale pentru perturbaii de joas frecven propagate prin conducie;

    CEI TR 61000-2-8 Compatibilitate electromagnetic (CEM) - Partea 2: Mediu nconjurtor, Seciunea 8: Goluri de tensiune i ntreruperi de scurt durat n reelele de distribuie a energiei electrice cu rezultate statistice ale msurrilor;

    SR EN 61000-4-7

    Descrie o tehnic de msurare a armonicilor i interarmonicilor astfel nct msurrile efectuate cu aparate diferite pot fi comparate n mod corespunztor;

    SR EN 61000-4-15 Standard de msurare a flickerului, care include specificaii ce trebuiesc respectate de aparatele de msurare a flickerului (flickermetre), cele mai multe flickermetre bazndu-i funcionarea pe acest standard;

    SR EN 61000-4-30 Compatibilitate electromagnetic (CEM). Partea 4, Seciunea 30: Tehnici de ncercare i de msurare. Metode de msurare a calitii energiei electrice;

    CEI TR 61000-2-8 Compatibilitate electromagnetic (CEM). Partea 2, Seciunea 8: Mediu nconjurtor goluri de tensiune i ntreruperi de scurt durat n reelele de distribuie a energiei electrice;

    SR EN 50065

    Transmisia semnalelor prin reele electrice de joas tensiune n banda de frecvene de la 3 kHz pn la 148,5 kHz. Cerine generale, benzi de frecvene i perturbaii electromagnetice;

    SR CEI 60364-4-44

    Instalaii electrice n construcii. Partea 4, Seciunea 44: Protecie pentru asigurarea securitii. Protecie mpotriva perturbaiilor de tensiune i perturbaiilor electromagnetice;

    SR EN 60664-1 Coordonarea izolaiei echipamentelor din reelele de joas tensiune. Partea 1: Principii, prescripii i ncercri;

    SR HD 472 S1 Tensiuni nominale ale reelelor electrice de distribuie public de joas tensiune.

  • 2.2 - Standarde privind asigurarea calitii energiei electrice 21

    n continuare se vor prezenta succint standardele IEC 61000-4-30 i EN 50160, standarde ce definesc metodele de msurare a perturbaiilor din reelele electrice, precum i specificaiile instrumentelor utilizate.

    2.2.2 Standardul IEC 61000-4-30

    Standardul IEC 61000-4-30 [59] definete metodele de msurare ale parametrilor reelei de alimentare cu energie electric, astfel nct s se obin rezultate repetabile i comparabile, indiferent de instrumentele folosite. Acest standard se refer strict la instrumente i metode de msurare in-situ (la faa locului).

    Standardul definete dou clase de performan pentru instrumentele de msurare: Clasa A se refer la instrumentele de msurare pentru evaluarea calitii

    energiei electrice folosite n reelele companiilor de producie a energiei electrice i n reelele de distribuie a energiei ctre clieni.

    Clasa B instrumentele din aceast clas pot fi folosite pentru supraveghere general, diagnostic iniial, sau alte aplicaii care nu necesit acuratee foarte mare. Instrumentele din clasa B produc rezultate mai puin exacte dect cele din clasa A de performan.

    Productorii de instrumente de msurare trebuie s precizeze care dintre parametrii definii de acest standard sunt msurai de ctre instrumentele lor i n ce clas de exactitate se ncadreaz instrumentul respectiv.

    Standardul definete noiunea de tensiune nominal Un ca tensiunea cu care un sistem este denumit sau identificat.

    Condiiile de referin n raport cu tensiunea msurat sunt prezentate n tabelul 1.3.

    Tabelul 1.3 Condiiile de referin n raport cu tensiunea msurat Mrimea Tolerana permis

    Frecvena 50 Hz Amplitudinea tensiunii 1 % din tensiunea nominal Flicker 10 % Supratensiuni tranzitorii 0,5 kV Asimetrii 0,5 % Armonici (THD) 3 % din tensiunea nominal Interarmonici (la orice frecven) 1 % din tensiunea nominal

    Aceste condiii de referin sunt valabile att pentru echipamente ce

    funcioneaz n clas A, ct i pentru cele ce funcioneaz n clas B. Ca i tensiune de intrare, tensiunea nominal Un poate lua valori ntre 60 V i 600 V.

    n tabelul 1.4 este prezentat plaja de funcionare a instrumentelor de msurare de clas A.

  • 22 Tipuri de perturbaii i standarde - 2

    Tabelul 1.4 Plaja de funcionare a echipamentelor de clas A Mrimea de influen Domeniul

    Frecvena 42,5 Hz 57,5 Hz 51 Hz 69 Hz

    Amplitudinea tensiunii 60 180 % din Un Flicker 0 4 % Asimetrii 0 5 % Armonici (THD) De dou ori mai mari dect

    IEC 61000-2-4, tab. 2, 3, 4, 5 Interarmonici (la orice frecven) De dou ori mai mari dect

    IEC 61000-2-4, tab. 6 Ripluri ale semnalelor de control 0 9 % din Un Supratensiuni tranzitorii 6 kV Perturbaii tranzitorii rapide 4 kV

    Plaja de funcionare a instrumentelor de msur de clas B este prezentat

    n tabelul 1.5.

    Tabelul 1.5 Plaja de funcionare a echipamentelor de clas B Mrimea de influen Domeniul

    Frecvena 42,5 Hz 57,5 Hz 51 Hz 69 Hz

    Amplitudinea tensiunii 80 120 % din Un Flicker 0 4 % Asimetrii 0 5 % Armonici (THD) De dou ori mai mari dect

    IEC 61000-2-4, tab. 2, 3, 4, 5 Interarmonici (la orice frecven) De dou ori mai mari dect

    IEC 61000-2-4, tab. 6 Ripluri ale semnalelor de control 0 9 % din Un Supratensiuni tranzitorii 6 kV

    Acolo unde sunt necesare msurri cu o acuratee ridicat, de exemplu,

    pentru aplicaii contractuale care pot cere s se soluioneze dispute, s se verifice conformitatea cu standardele existente etc., trebuie sa fie utilizate instrumente de msurare realizate s msoare n conformitate n clasa A de performan. n acest mod, este asigurat cerina ca orice msurare a unui parametru efectuat cu dou instrumente diferite, care sunt conforme cu cerinele clasei A, atunci cnd msoar aceleai semnale, va produce rezultate care corespund, n interiorul intervalului de incertitudine specificat.

    n funcie de durata pe care se face msurarea, sunt definite trei intervale de timp: timp foarte scurt: 3 secunde; timp scurt: 10 minute; timp lung: 2 ore.

    Msurarea frecvenei reelei Pentru instrumentele de clas A, msurarea frecvenei se face pe un interval

    de timp de pn la 10 secunde i care trebuie s cuprind un numr ntreg de perioade. Frecvena poate fi determinat prin numrarea trecerilor printr-o valoare constant apropiat de zero ntr-un interval de 10 secunde. Standardul admite i

  • 2.2 - Standarde privind asigurarea calitii energiei electrice 23

    alte tehnici de msurare care dau rezultate echivalente. Instrumentul de msurat trebuie s afieze o nou valoare a frecvenei la fiecare 10 secunde. Intervalele de msurare trebuie s fie continue i s nu se suprapun.

    Pentru instrumentele de clas B, se permit pauze ntre intervalele de msurare. Productorii trebuie s precizeze pauza maxim dintre dou intervale de msurare.

    Instrumentele clasei A trebuie s fie capabile s msoare frecvena cu o incertitudine f = 10 mHz, iar cele de clas B cu o incertitudine f = 100 mHz.

    Dac n timpul msurrii frecvenei apare un eveniment de tipul cdere de tensiune, ntrerupere de tensiune, supratensiune, frecvena msurat pe acest interval de timp va fi marcat ca fiind neconform, iar urmtoarea valoare conform ce va fi nregistrat va fi prima valoare a frecvenei obinut n primul interval de 10 secunde de dup ncetarea perturbaiei. Prima semiperioad pozitiv a semnalului de dup momentul ncetrii perturbaiei va marca nceputul unei noi msurri a frecvenei.

    Msurarea tensiunii reelei Instrumentele folosite trebuie s poat msura valoarea efectiv (rms) a

    tensiunii reelei. Valoarea efectiv a tensiunii u(t), msurat pe un interval T se calculeaz cu relaia:

    2

    0

    1 ( )= T

    rmsU u t dtT (2.1)

    Pentru instrumentele din clasa A, incertitudinea de msurare trebuie s fie

    mai bun de 0,1%, iar pentru cele de clas B incertitudinea de msurare trebuie s fie mai bun de 1%.

    Intervalele de msurare pentru tensiune, prevzute de standard, sunt: 200 milisecunde, 3 secunde, 10 minute i 2 ore. Pentru sistemele trifazate, se vor efectua trei msurri ale valorii efective pentru fiecare interval de msurare i pe fiecare faz n parte.

    Intervalul de timp de 200 milisecunde a fost ales astfel nct s cuprind un numr ntreg de perioade ale semnalului att n cazul reelelor cu frecvena de 50 Hz, ct i n cazul celor cu frecvena de 60 Hz. Se obine astfel o fereastr de msurare ce cuprinde 10 perioade pentru sistemele pe 50 Hz i 12 perioade pentru cele pe 60 Hz. Pe parcursul celor 200 ms, sunt obinute N eantioane de la convertorul analog-numeric, eantioane care sunt mediate pe baza relaiei (2.2) pentru a se obine valoarea efectiv a tensiunii reelei pe intervalul de 200 ms.

    2

    1200

    =

    =

    N

    irms ms

    uu

    N

    (2.2)

    Fiecare interval de 200 ms pe care se face msurarea trebuie s fie continuu

    i intervalele succesive nu trebuie s se suprapun. n cazul clasei A de performan, dac valoarea efectiv a tensiunii pe 200

    ms este mai mare de 150 % sau mai mic de 50 % din valoarea efectiv a tensiunii nominale, intervalul respectiv va fi marcat ca fiind neconform.

    Pentru msurarea valorii efective a tensiunii reelei pe un interval de 3 secunde se va folosi relaia:

  • 24 Tipuri de perturbaii i standarde - 2

    =

    =

    15

    2-200-

    1-3- 15

    rms msi

    rms s

    UU

    (2.3)

    Dac opt sau mai multe intervale consecutive de 200 ms sunt marcate ca

    neconforme, atunci i intervalul de 3 secunde corespunztor este marcat ca fiind neconform. De asemenea, intervalele de 3 secunde trebuie s fie continue i nu trebuie s se suprapun.

    n mod similar se pot defini valorile efective ale tensiunii reelei pe intervale de 10 minute :

    =

    =

    200

    23

    110 min 200

    rms si

    rms

    UU

    (2.4)

    i respectiv 2 ore:

    =

    =

    12

    210 min

    12 12

    rmsi

    rms h

    UU

    (2.5)

    Pentru clasa B, semnalele aplicate la intrarea instrumentului de msurare

    vor fi filtrate cu ajutorul unui filtru trece-jos, astfel nct s fie eliminate armonicile mai mari de ordinul 13.

    Msurarea cderilor i supracreterilor de tensiune Pentru msurarea acestor parametri este nevoie de msurarea valorii

    efective a tensiunii reelei pe fiecare semiperioad a semnalului, conform relaiei:

    =

    =

    12

    2

    1( )

    N

    irms

    uu

    N

    (2.6)

    unde N reprezint numrul de eantioane ale semnalului pe semiperioada pe care se face msurarea, iar u reprezint eantionul curent.

    Pentru clasa A de performan, incertitudinea de msurare trebuie s fie: U = 0,2 % Un.

    Pentru clasa B de performan, incertitudinea de msurare trebuie specificat de ctre productor, dar trebuie s fie 2 % Un. Se poate introduce un prag x, exprimat n procente din tensiunea nominal, i se pot determina n acest caz supracreterile de tensiune peste pragul de x %, respectiv cderile de tensiune sub pragul de x % din valoarea nominal a tensiunii.

    Msurarea ntreruperilor de tensiune de scurt i lung durat Msurarea acestor parametri se face la fel ca i la msurarea cderilor de

    tensiune cu un prag de 10 %. n cazul sistemelor monofazate, se consider ntrerupere de tensiune, dac tensiunea nominal scade sub pragul de 10 %, iar n

  • 2.2 - Standarde privind asigurarea calitii energiei electrice 25

    cazul sistemelor multifazate se consider ntrerupere de tensiune, dac tensiunea efectiv a uneia dintre faze scade sub 10 % din tensiunea de referin.

    Durata de timp pe care se face observarea (pentru ambele clase) este de dou semiperioade ale semnalului reelei (20 ms pentru 50 Hz i 18 ms pentru 60 Hz).

    Msurarea supratensiunilor tranzitorii O supratensiune tranzitorie trebuie detectat prin compararea valorii

    instantanee a tensiunii pe fiecare perioad cu valoarea instantanee a tensiunii din perioada anterioar, msurat la acelai moment de timp fa de trecerea prin zero. Dac exist diferene mai mari de 10 % din Un, atunci se va incrementa un contor, n caz contrar decrementndu-se acest contor, excepie fcnd cazul n care acest contor este deja la valoarea zero. Dac acest contor atinge o valoare egal cu 5% din durata unei perioade a semnalului reelei, atunci este semnalat prezena unei supratensiuni.

    Instrumentele de clas A trebuie s nregistreze i s prezinte o oscilogram a supratensiunii.

    Instrumentele de clas B pot prezenta un sumar al supratensiunilor aprute n format text, putnd folosi un algoritm aproximativ de detectare a supratensiunilor.

    Msurarea asimetriilor tensiunii reelei Instrumentele de clas A trebuie s msoare amplitudinea asimetriei

    tensiunii pe un interval de 10 minute. Asimetria tensiunii msurat pe o perioad de timp T este definit de obicei

    (folosind metoda componentelor simetrice), prin raportul dintre amplitudinea componentei negative i amplitudinea componentei pozitive, exprimat procentual:

    = =

    100% 100%iud

    V componentanegativu

    V componenta pozitiv (2.7)

    Pentru calculul asimetriilor trebuie folosit doar componenta fundamental.

    Toate armonicile trebuiesc eliminate utiliznd un filtru sau un algoritm DFT. Pentru instrumentele de clas B productorul trebuie s specifice algoritmii

    i metodele de determinare utilizate pentru calculul asimetriei. Pentru clasa A de performan instrumentele trebuie s aib o incertitudine

    de msurare U 0,2 % Un. Pentru indicatoarele de clas B se impune o incertitudine de msurare maxim U 0,5 % Un.

    Msurarea componentelor armonice Standardul 61000-4-33 definete noiunea de frecven armonic ca fiind un

    multiplu ntreg al frecvenei reelei electrice. Componenta armonic este valoarea efectiv a oricreia dintre componentele armonice avnd o anumit frecven armonic, n cazul analizei unui regim nesinusoidal prin intermediul Transformatei Fourier Discrete (DFT).

    Msurarea componentelor armonice este o msurare cvasi-staionar. Pentru msurarea componentelor armonice, o Transformat Fourier Discret este aplicat semnalului, pe o fereastr de exact 10 perioade n cazul reelelor de 50 Hz i 12 perioade la 60 Hz. n ambele cazuri, fereastra de timp este de 200 ms.

    Valorile de ieire ale blocului care realizeaz Transformata Fourier Discret trebuie grupate dup cum urmeaz:

  • 26 Tipuri de perturbaii i standarde - 2

    +=

    = 1

    2 2200 10

    1

    ( 50 )n ms n kk

    C C sisteme pe Hz

    +=

    = 1

    2 2200 12

    1

    ( 60 )n ms n kk

    C C sisteme pe Hz

    (2.8)

    n tabelul 1.6 sunt prezentate incertitudinile de msurare ale instrumentelor

    folosite pentru msurarea armonicilor tensiunii reelei electrice, Um fiind tensiunea msurat, iar Un fiind tensiunea nominal a reelei.

    Tabelul 1.6 Incertitudinea de msurare

    Clasa Condiii Eroarea maxim admis A Um 1 % Un

    Um < 1 % Un 5 % Um

    0,05 % Um B Um 3 % Un

    Um < 3 % Un 5 % Um

    0,15 % Um Msurarea componentelor interarmonice Conform standardului, componenta interarmonic reprezint valoarea efectiv

    a tensiunii unei linii spectrale cu frecvena ntre frecvenele armonice, ca rezultat al Transformatei Fourier Discrete aplicat semnalului pe o fereastr de timp dat.

    Frecvena componentei interarmonice nu este multiplu ntreg al frecvenei reelei. Un grup de frecvene interarmonice reprezint valoarea efectiv a tuturor componentelor interarmonice dintre dou frecvene armonice consecutive. Standardul prevede ca acele componente interarmonice care sunt adiacente frecvenelor armonice s nu fie incuse n grupul interarmonic.

    Fereastra de timp pe care se face analiza este de 200 ms, cuprinznd 10 perioade pentru semnalele de 60 Hz i 12 perioade pentru semnalele de 50 Hz. Frecvena de eantionare trebuie s fie sincronizat cu frecvena reelei, dar suficient de ridicat pentru a putea face posibil analiza componentelor cu frecvena de pn la 2 kHz (armonica a 40-a la 50 Hz) i pn la 2,4 kHz (armonica a 40-a la 60 Hz).

    Analiza trebuie s se fac n mod continuu, fr pauze ntre ferestrele de timp succesive. Standardul admite o pauz de maxim o perioad ntre ferestrele de timp succesive, n cazul n care analiza acestora nu este posibil.

    Valorile obinute n urma aplicrii Transformatei Fourier Discrete trebuiesc grupate dup cum urmeaz, pentru a obine valorile reprezentative ale interarmonicilor:

    + +=

    = 4

    2 20,5 200 10

    4

    ( 50 )n ms n kk

    C C sisteme pe Hz

    + +=

    = 5

    2 20,5 200 12

    5

    ( 60 )n ms n kk

    C C sisteme pe Hz

    (2.9)

    Intervalul pe care se face afiarea interarmonicilor este de 3 secunde. Dac

    pe durata ferestrei de timp pe care se face analiza componentelor interarmonice are loc un eveniment de tipul gol, supratensiune sau ntrerupere de tensiune, atunci acel interval de msurare a interarmonicilor va fi marcat ca fiind neconform.

  • 2.2 - Standarde privind asigurarea calitii energiei electrice 27

    Parametrii de funcionare ai instrumentelor de msurat n standard sunt definii parametrii de funcionare ai instrumentelor de

    msurat i condiiile n care se efectueaz aceste msurri, parametrii specificai n anumite condiii de referin (tabelul 1.7).

    Tabelul 1.7 Condiii de referin relative la influenele externe

    Parametrul Valoarea Tolerana Temperatura ambiant 23 C 2 C Umiditatea 50 % 10 % Inducia magnetic a unei surse externe la frecvena de referin (50 sau 60 Hz) n orice direcie

    0 0,05 mT

    Cmp electric extern la frecvena de referin (50 sau 60 Hz) n orice direcie

    0 0,1 kV/m

    Aer Absena vaporilor corozivi Domeniul de utilizare al instrumentelor este prezentat n tabelul 1.8:

    Tabelul 1.8 Domeniul de operare al instrumentelor Parametrul Domeniul

    Clasa A Domeniul Clasa B

    Temperatura ambiant - 10 + 45 C 0 30 C Umiditatea 20 % - 95 % nespecificat Inducia magnetic a unei surse externe la frecvena de referin (50 sau 60 Hz) n orice direcie

    < 0,5 mT nespecificat

    Cmp electric extern la frecvena de referin (50 sau 60 Hz) n orice direcie

    < 1 kV/m nespecificat

    Descrcri electrostatice 15 kV nespecificat Cmpuri electromagnetice de nalt frecven

    10 V/m nespecificat

    Aer Absena vaporilor corozivi

    2.2.3 Standardul EN 50160

    Standardul SR EN 50160 definete i prezint principalele caracteristici ale tensiunii n punctele de conectare a instalaiilor utilizatorilor la reelele de distribuie de joas i de medie tensiune, n condiii normale de funcionare. Unele fenomene care afecteaz calitatea energiei n reeaua electric au caracter imprevizibil i din acest motiv valorile specificate n acest standard pentru astfel de fenomene, cum ar fi golurile de tensiune i ntreruperile tensiunii de alimentare, trebuie interpretate n mod corespunztor.

    ntruct exist o diversitate foarte mare n structura reelelor de distribuie a energiei electrice n diferite zone, rezultat din diferenele de densitate de sarcin, din dispersia populaiei, din topografia local etc., muli clieni vor constata variaii considerabil mai mici ale caracteristicilor tensiunii dect valorile cuprinse n acest standard.

  • 28 Tipuri de perturbaii i standarde - 2

    Standardul prevede c, n general, supratensiunile tranzitorii nu trebuie s depeasc 6 kV valoare de vrf, dar ocazional pot s apar valori mai mari. Durata acestora acoper un interval de la cteva milisecunde pn la mai puin de o microsecund. Energia coninut de supratensiunea tranzitorie variaz considerabil n funcie de locul de origine al perturbaiei. O supratensiune indus de trsnet are, n general, o amplitudine mai mare, dar conine o energie mai mic dect o supratensiune cauzat de comutaie, datorit n general, duratei mai mari a supratensiunilor de comutaie. Dispozitivele de protecie la supratensiune n instalaiile consumatorilor trebuie alese innd seama, cu mai mult exigen, de supratensiunile de comutaie. n acest fel se acoper att domeniul supratensiunilor de trsnet ct i al celor de comutaie.

    Caracteristicile parametrilor ce definesc calitatea energiei electrice n reelele de medie tensiune (MT) i joas tensiune (JT) sunt prezentai n tabelul 1.9.

    Tabelul 1.9 Norme EN 50160: Caracteristici ale calitii energiei electrice n JT i MT

    Indicator Prevederi standard EN 50160

    Frecvena 50 Hz 1 %, 95 % din sptmn; 50 Hz +4 / -6 %, 100 % din sptmn; (valori medii pe 10 secunde)

    Variaia amplitudinii tensiunii

    10 %, 95 % din sptmn;

    Variaii rapide (brute) Joas tensiune: 5 % n general, mai rar: 10 % pentru 95% din sptmn; Medie tensiune: 4 % n general, mai rar: 6 % pentru 95% din sptmn;

    Variaii rapide (flicker) Plt 1 %; 95 % din sptmn; Goluri de tensiune Cea mai mare parte a golurilor au o durat mai mic

    de 1 s cu o amplitudine sub 60 % ntreruperi de scurt durat (mai scurte de 3 minute)

    De la cteva zeci la mai multe sute pe an; 70 % dintre ntreruperi au o durat mai mic de 1 s;

    ntreruperi de lung durat (mai lungi de 3 minute)

    De la 10 la maxim 50 pe an;

    Supratensiuni temporare

    Joas tensiune: sub 1.5 kV rms; Medie tensiune: 1,7 din tensiunea contractual;

    Supratensiuni tranzitorii

    Joas tensiune: sub 6 kV, ocazional pot avea i valori mai mari, timpul de cretere fiind de ordinul ms - s;

    Nesimetrie 2 %, 95 % din sptmn, msurate ca medie a tensiunii efective pe un interval de 10 minute; 3 % n unele locuri;

    Armonici Armonici pn la rangul 25 i factor de distorsiune 8 %, 95 % din sptmn;

    Interarmonici n studiu. n afara supratensiunilor temporare la frecvena industrial (50 Hz sau

    60 Hz), n reelele electrice pot s apar i supratensiuni tranzitorii (de impuls) n raport cu pmntul, de origine atmosferic sau de comutaie. Supratensiunile atmosferice se datoreaz loviturilor de trsnet n liniile electrice sau n apropierea

  • 2.3 - Concluzii 29

    acestora. Supratensiunile de comutaie pot s apar din cauza unor manevre (comutaii) n reeaua distribuitorului de energie electric sau n reeaua utilizatorului. Se ntlnesc frecvent supratensiuni faz pmnt de 2 sau de 3 ori tensiunea nominal.

    Protecia contra supratensiunilor tranzitorii trebuie asigurat nc din faza de proiectare (prevederea de paratrsnete, descrctoare, etc.), att n reelele de distribuie ct i la utilizator.

    2.3 Concluzii

    Calitatea energiei electrice a devenit n ultimul timp o preocupare major, mai ales n cazul particular al consumatorilor casnici, deoarece buna funcionare a echipamentelor electrice i electronice conectate la reeaua electric depinde n mare msur de calitatea energiei electrice furnizate acestora.

    Din punctul de vedere al consumatorilor, calitatea energiei electrice se rezum la livrarea energiei electrice fr variaii ale tensiunii i frecvenei acesteia.

    Din diverse motive, energia electric livrat consumatorilor nu este ntotdeauna conform cu cerinele acestora, existnd o serie ntreag de evenimente care pot s apar n sistem: scurt-circuite, cuplarea/decuplarea unor generatoare n/din sistem, conectarea/deconectarea unor motoare sincrone, trsnete etc., evenimente ce pot conduce la apariia unor perturbaii: ntreruperi de tensiune, cderi de tensiune, supratensiuni, armonici, impulsuri tranzitorii, zgomot etc.

    Odat cu dezvoltarea exploziv a tehnicii de calcul i a utilizrii pe scar larg a calculatoarelor personale, reeaua electric a devenit din ce n ce mai poluat. Sursele de alimentare n comutaie ale calculatoarelor personale introduc n reeaua electric perturbaii, n special impulsuri singulare de scurt durat. Prezena acestor perturbaii n reea poate mpiedica buna funcionare a anumitor echipamente, n special a celor medicale i a receptoarelor radio.

    n trecut, datorit lipsei standardizrii instrumentelor i a metodologiei de msurare, era imposibil compararea datelor obinute n urma monitorizrii calitii energiei electrice de ctre diferite institute de cercetare. Astfel, nu puteau fi coroborate datele obinute n site-uri de msurare diferite, cu instrumente diferite.

    Odat cu apariia standardelor n domeniu, lucrurile s-au schimbat, fiind posibile comparaii ntre msurrile efectuate n locaii diferite i analiza coerent a datelor, indiferent de instrumentele folosite pentru msurarea i nregistrarea parametrilor energiei electrice.

    n cadrul grupului de lucru IEEE pentru monitorizarea calitii energiei electrice au fost analizate ateptrile consumatorilor privind livrarea energiei electrice, limitele de susceptibilitate ale echipamentelor electrice i electronice conectate la reeaua electric, ajungndu-se la elaborarea unor standarde n ceea ce privete metodele de evaluare a calitii energiei electrice i a parametrilor ce definesc aceast noiune. Au fost definite clasele de funcionare ale instrumentelor de msurat i modul n care trebuiesc efectuate msurrile parametrilor care definesc calitatea energiei electrice.

    Noiunea de calitate a energiei electrice, destul de ambigu cu civa zeci de ani n urm, a fost reanalizat i redefinit n concordan cu cerinele actuale ale consumatorilor de energie electric. Standardele adoptate n domeniu definesc o serie ntreag de perturbaii ce pot s apar n reelele electrice i conin recomandri pentru evitarea apariiei acestora.

  • 3. CIRCUITE DE CONDIIONARE A SEMNALELOR

    3.1 Introducere

    Schema tipic a unui sistem de monitorizare a parametrilor reelelor electrice de joas tensiune este prezentat n figura 3.1. Tensiunea preluat din reeaua electric este aplicat unui bloc de condiionare, este convertit n eantioane cu ajutorul unui convertor analog-numeric i apoi procesat de ctre un sistem cu microprocesor (calculator personal sau microcontroler).

    Rolul circuitului de condiionare este acela de a adapta nivelurile de tensiune

    de la intrarea circuitului, la cele acceptate de ctre circuitul de conversie analog numeric (n general 10 V).

    Dei tensiunea nominal a reelei de distribuie a energiei electrice de joas tensiune este (n Europa) de 230V, pot aprea, sporadic, perturbaii cu amplitudini de pn la 10 kV. Se pune problema prelurii acestor semnale (perturbate sau nu) din reeaua electric i a procesrii acestora n bune condiii astfel nct s nu se piard date pe parcursul acestui lan de procesare. Este nevoie de o achiziie a semnalelor cu frecven ridicat i cu o dinamic foarte mare, lucru care necesit convertoare analog-numerice cu un numr foarte mare de bii (minim 16 bii) i rate de eantionare ridicate (pn la 1 10 Msps). Astfel de convertoare, pe lng faptul c sunt foarte scumpe, nici nu au numrul efectiv de bii (ENOB) egal cu numrul de bii declarat, lucru datorat n primul rnd faptului c la peste 20 - 24 de bii, cuanta de tensiune se apropie de valori de ordinul 10 20 V, confundndu-se cu zgomotul din sistem.

    n marea majoritate a timpului, tensiunea din reea va avea o valoare apropiat de 230 V, destul de des (1 2 ori pe zi), exist vrfuri de tensiune cu amplitudini pn n 2 kV i sporadic (odat pe sptmn, de 2-3 ori pe lun), vor exista vrfuri de tensiune cu amplitudini de peste 6 kV. Cele mai multe perturbaii au amplitudini mici, n jurul valorii de 230 V, nedepind ns 500 V [60].

    Se pune problema realizrii unei compresii a semnalului, compresie mai mic pentru semnalele cu amplitudini n jurul tensiunii nominale a reelei, mai mare pentru tensiuni cu amplitudini cuprinse ntre 500 V i 2 kV, i o compresie mai puternic pentru tensiuni mai mari de 2 kV. Astfel, se pstreaz un numr de bii suficient de mare pentru tensiuni cu amplitudini n jurul tensiunii nominale a reelei, i se asigur totodat captarea vrfurilor de tensiune de valori foarte mari cu o

    Convertor analog-numeric

    Sistem de calcul

    Circuit de condiionare

    Fig. 3.1. Schema bloc a unui sistem de monitorizare a perturbaiilor din reeaua electric de joas tensiune

  • 3.2 - Circuit de condiionare cu transformator funcional 31

    acuratee satisfctoare. Este mai important detectarea i nregistrarea acestor vrfuri de tensiune dect msurarea cu acuratee ridicat a amplitudinii acestora.

    Dac nu s-ar folosi un circuit de compresie a semnalelor n partea de condiionare a semnalelor i s-ar conecta la intrarea convertorului analog numeric un divizor simplu de tensiune, atunci, pentru semnale de intrare cu amplitudini de pn la 10 kV, n cazul unui convertor analog numeric pe 16 bii, cuanta de tensiune ar fi de aproximativ 300 mV, ceea ce conduce la un numr de doar 1000 de valori discrete n intervalul 0 - 300 V, echivalent cu folosirea unui convertor pe 10 bii pentru acest interval de tensiuni de intrare.

    3.2 Circuit de condiionare cu transformator funcional

    3.2.1 Prezentarea circuitului

    Cel mai vechi i mai simplu circuit electronic de compresie a semnalelor este transformatorul funcional (figura 3.2) [61], [62]. Acesta utilizeaz un circuit integrat analogic i cteva diode n circuitul de reacie negativ, diodele avnd rol de comutatoare comandate de tensiunea de la intrare. Atunci cnd tensiunea de la intrarea circuitului depete un anumit prag, se deschide dioda aferent pragului respectiv i se modific amplificarea sistemului.

    Fig. 3.2. Transformator funcional cu amplificator operaional

  • 32 Circuite de condiionare a semnalelor - 3

    3.2.2 Proiectarea circuitului de compresie cu transformator funcional

    Pentru proiectarea acestui circuit s-au parcurs mai multe etape [63]: 1) Se stabilete numrul de segmente cu care se va aproxima caracteristica

    de transfer. Se alege un numr de segmente egal cu 3 i se consider c eroarea relativ maxim este aproximativ aceeai pe toate segmentele (figura 3.3).

    2) Se alege amplificatorul operaional astfel nct curentul de intrare s fie

    ct mai mic i rezistena de intrare ct mai mare. S-a ales un amplificator operaional AD8616, fabricat de firma Analog Devices care are un curent de intrare de 0.2 pA i o rezisten de intrare de 100 M. Acest curent foarte mic de intrare al amplificatorului operaional asigur o cdere de tensiune neglijabil pe rezistena de intrare, cdere de tensiune care nu va influena valoarea tensiunii de ieire. Se alege valoarea rezistenei de intrare astfel nct s satisfac relaia:

    100

    inAOin

    RR => 1inR M (3.1)

    Se alege o rezisten de intrare Rin = 1 M 1%, valoare ce satisface

    relaia (3.1). 3) Se determin pantele tuturor segmentelor caracteristicii de transfer cu relaia:

    ++

    =

    1

    1

    ek ekk

    ik ik

    U Ua

    U U , k = 0,1,2 (3.2)

    rezultnd

    Fig. 3.3. Caracteristica de transfer a transformatorului funcional n cadranul I

  • 3.2 - Circuit de condiionare cu transformator funcional 33

    = =

    0

    5 00.01

    500 0V V

    aV V

    (3.3)

    = = =

    1

    8 5 30.002

    2000 500 1500V V

    aV V

    (3.4)

    = = =

    2

    10 8 20.00025

    10000 2000 8000V V

    aV V

    (3.5)

    4) Pentru tensiuni de intrare cuprinse n intervalul (-500V, +500V) diodele D1,

    D2, D3 i D4 sunt blocate, iar circuitul este echivalent cu un divizor de tensiune format din rezistoarele Rin i R0. Rezistena R0 se determin pe baza relaiilor de mai jos:

    =o

    o iin

    RU U

    R (3.6)

    =0o

    i

    Ua

    U (3.7)

    = 0o inR a R (3.8)

    rezultnd

    = = 0.01 10o inR R k (3.9) 5) Se adopt tensiunea de alimentare a transformatorului funcional ca fiind

    cu cel puin 2-3V mai mare dect tensiunea maxim de la ieirea transformatorului funcional (10V). Se alege o valoare de 15V.

    6) Considerm funcionarea transformatorului funcional n cadranul I al caracteristicii de transfer i tensiunea de la intrare cuprins n intervalul [+0.5 kV, +2 kV). n acest caz dioda D1 este n conducie, iar circuitul echivalent este format din Rin ca i rezisten de intrare i R0 n paralel cu R1 ca i rezisten de reacie a amplificatorului operaional. Astfel avem:

    =1echiv

    o iin

    RU U

    R

    (3.10)

    =1o

    i

    Ua

    U

    (3.11)

    =1 1echiv inR a R (3.12)

    n care

    =1 0 1||echivR R R (3.13) din relaiile (3.5) (3.13) se obine:

  • 34 Circuite de condiionare a semnalelor - 3

    +

    = =

    0 1

    1 0 11

    echiv

    in in

    R RR R R

    aR R

    (3.14)

    =

    0 11

    0 1in

    a aR R

    a a (3.15)

    nlocuind valorile numerice obinem R1 = 2.5 k. Deoarece caracteristica de transfer a circuitului de compresie dinamic este

    simetric n cadranul III fa de cadranul I, se procedeaz similar i pentru cazul n care tensiunea de intrare este cuprins n intervalul [-0.5 kV, -2 kV). n acest caz dioda D3 este n conducie, obinndu-se R3 = 2.5 k.

    7) Considerm funcionarea transformatorului funcional n cadranul I pentru valori ale tensiunii de intrare cuprinse n intervalul [2 kV, 10 kV). n acest caz diodele D1 i D2 sunt ambele n conducie i rezistena din reacia amplificatorului operaional are valoarea:

    =2 0 1 2|| ||echivR R R R (3.16) n acest caz, tensiunea de ieire urmrete panta a2 a caracteristicii i

    putem scrie:

    = 2echivo iin

    RU U

    R (3.17)

    =2o

    i

    Ua

    U (3.18)

    =2 2echiv inR a R (3.19)

    nlocuind relaia (3.11) n relaia (3.19) rezult:

    =

    1 22

    1 2in

    a aR R

    a a (2.20)

    Rezult R2 = 222 . Se alege pentru R2 o valoare standardizat : R2 = 220 . Se procedeaz identic pentru cadranul III, rezultnd R4 = 220 . 8) Se calculeaz valorile rezistenelor care vor asigura punctele de

    deschidere ale diodelor D1, D2, D3 i D4. Pentru cazul n care dioda D1 intr n conducie vom folosi schema echivalent prezentat n figura 3.4.

  • 3.2 - Circuit de condiionare cu transformator funcional 35

    unde cu UD01 s-a notat tensiunea de deschidere a diodei D1, iar cu Uo1 s-a notat valoarea tensiunii de la ieirea circuitului n primul punct de frngere al caracteristicii de transfer. Acest punct reprezint momentul intrrii n conducie al diodei D1. Putem scrie:

    =

    + +

    '1 1

    01 1' '1 1 1 1

    D o

    R RU E U

    R R R R (3.21)

    =

    ' 011 1

    1 01

    D

    o D

    E UR R

    U U (3.22)

    se obine R1 = 8,8 k. Procednd similar se poate deduce valoarea rezistorului R2:

    =

    ' 022 2

    2 02

    D

    o D

    E UR R

    U U (3.23)

    se obine R2 = 450 . Pentru determinarea rezistenelor R3 i R4 se aplic aceeai metod de

    calcul. Rezult R1 = R3 i R2 = R4. Rezistena R5 se alege 0 din motive de zgomot minim la ieire.

    3.2.3 Simularea funcionrii transformatorului funcional

    Circuitul a fost simulat utiliznd aplicaia PSpice [64]. n figura 3.5 este prezentat caracteristica de transfer a circuitului simulat n PSpice.

    R1

    R1

    +E

    UD01 Uo1

    Fig. 3.4. Circuitul echivalent pentru calculul valorii rezistenei R1

  • 36 Circuite de condiionare a semnalelor - 3

    Este interesant de observat cum se comport circuitul n punctele de

    frngere ale caracteristicii de transfer, puncte n care, din cauza rezistenei dinamice, a capacitii parazite a diodei i a tensiunilor de comutare diferite ale diodelor, comutarea nu se face brusc (figura 3.6). Acesta este un dezavantaj major la acest tip de circuit.

    Dup cum se poate observa i din figura 3.6, caracteristica ideal (trasat

    cu linie ntrerupt) este cea proiectat, primul punct de frngere fiind la Ui = 500 V i Uo = 5 V, aa cum a fost proiectat. Caracteristica real a circuitului (trasat cu linie continu) prezint o rotunjire n jurul punctului de frngere, cauzat de caracteristica real a diodei. Exist un interval de timp n care diodele D1 i D2 sunt

    Fig. 3.6. Abaterea de la caracteristica real la 500 V

    Fig. 3.5. Funcia de transfer a circuitului simulat n PSpice

  • 3.2 - Circuit de condiionare cu transformator funcional 37

    simultan n conducie, fapt ce produce abaterea caracteristicii reale de la cea ideal cu aproximativ 1%.

    n cazul celui de-al doilea punct de frngere (figura 3.7), se constat c eroarea este sensibil mai mare dect n cazul primului punct de frngere, acest lucru datorndu-se i propagrii erorii din primul punct. n plus, la calculul valorii rezistorului R1 s-a aproximat valoarea tensiunii de deschidere a diodei D2. Eroarea maxim n acest caz este de aproximativ 1.5 %.

    Cel de-al treilea punct important este punctul de 10 kV. Aici lucrurile stau

    destul de bine, pentru o tensiune de intrare de 10 kV, amplificatorul d la ieire o tensiune de 9.998V, eroarea fiind de doar 0.2 %. Aceast eroare este dat de aproximarea rezistenei dinamice a diodei D2, a crei valoar