Bogactwo funkcji pomiarowych i obliczeniowych dostępnych w miernikach Sentron PAC firmy Siemens wpisuje się w trend rozwoju cyfrowych mierników parametrów sieci. Urządzenia cechuje zgodność z najnowszymi standardami międzynarodowymi i wysoka dokładność pomiaru. Rozwiązania te są podstawą sprawnie zarządzanego energetycznie systemu zasilania, który w konsekwencji zmniejsza koszty energii i chroni również zasoby naturalne.

Efektywność energetyczna jest dziś nieodłącznym kierunkiem rozwoju każdej instalacji elektrycznej. Rozwiązania niskostratne, oszczędzające energię, systemy umożliwiające zwrot energii do sieci zasilającej podnoszą wartość nowych projektów elektrycznych. Aspekty te są niezwykle ważne i pozwalają budować instalacje, które będą w kolejnych latach przynosiły zwrot zainwestowanych środków.

Rys. 1. Mierniki parametrów sieci serii Sentron PAC firmy Siemens

Urządzenia pomiarowe

Podstawą weryfikacji kosztów jest pomiar zużycia energii. Kiedyś bardzo popularne były rozwiązania elektrodynamiczne, które często nadal pracują w starszych rozdzielnicach i systemach zasilania. Dają one jednak minimalną wiedzę o obciążeniu w obwodzie i często jeden miernik wskazuje tylko jedną wielkość elektryczną. Obecnie jako alternatywa dla mierników analogowych stosowane są urządzenia cyfrowe. Cyfrowe mierniki parametrów sieci zastępują funkcjonalność wielu mierników analogowych w jednym urządzeniu. Każdy miernik parametrów sieci serii Sentron PAC standardowo udostępnia podstawową grupę wielkości elektrycznych: prądu, napięcia, mocy oraz energii czynnej i biernej. Takie rozwiązanie przyczynia się m.in. do oszczędności czasu, ze względu na zmniejszoną liczbę instalowanych urządzeń. Jeden wielofunkcyjny miernik parametrów sieci Sentron PAC 4200 pozwala korzystać z ponad 200 wielkości elektrycznych.

Rys. 2. Moduły rozszerzające do mierników Sentron PAC – umożliwiają podłączenie urządzenia do sieci Modbus RTU, Profibus czy Profinet bez dodatkowych konwerterów

Komunikacja

Jednak sam pomiar energii i innych parametrów sieci za pomocą mierników nie jest wystarczający dla podniesienia efektywności. Niefunkcjonalne jest także gromadzenie danych tylko w pamięci wewnętrznej urządzeń pomiarowych. Z tego powodu mierniki Sentron PAC już w najprostszych wersjach oferują rozwiązania komunikacyjne jako standardowe. PAC 3100 dysponuje komunikacją Modbus RTU. Modele PAC 3200 i PAC 4200 o większych potrzebach szybkiego przesyłania danych wyposażone są standardowo w Ethernet i protokół Modbus TCP IP. Dzięki otwartym protokołom mierniki łatwo jest zintegrować z większością systemów, jakie są dostępne na rynku. W takim wypadku gromadzenie danych nie stanowi problemu i umożliwia nawet sekundowy zapis w odpowiedniej bazie danych na serwerze. Na wypadek stosowania innych interfejsów komunikacyjnych w rozdzielnicy, w której są zainstalowane mierniki, Siemens przygotował moduły rozszerzające. Rozwiązanie to umożliwia podłączenie urządzenia do sieci Profibus, Modbus RTU czy Profinet bez dodatkowych konwerterów. Ponadto jeśli zastosowany zostanie PAC 4200 z dodatkowym modułem RS485, można za pomocą funkcji bramy podłączyć kolejne 31 urządzeń z obsługą protokołu Modbus RTU. Optymalną strukturę takiego rozwiązania przedstawia rysunek 3.

Rys. 3. PAC 4200 z dodatkowym modułem RS485 pozwala za pomocą funkcji bramy podłączyć kolejne 31 urządzeń z obsługą protokołu Modbus RTU

Oprogramowanie Powerconfig

Mierniki Sentron PAC dysponują narzędziem, które umożliwia zdalny podgląd mierzonych danych oraz prace serwisowe. Oprogramowanie Powerconfig wizualizuje aktualne wskazania prądów i napięć oraz innych wielkości dla każdej z mierzonych faz. Dodatkowo dla tych wielkości przedstawia analizę harmonicznych, jeśli umożliwia to dane urządzenie, np. wyłącznik powietrzny 3WL. Wyłączniki podłączone portem komunikacyjnym do sieci można załączać i wyłączać zdalnie za pomocą aplikacji. Zbierane w urządzeniach dane o zdarzeniach są pobierane przez Powerconfig i mogą być dowolnie wyświetlane i raportowane.

Wybrane funkcjonalności

Istotną funkcjonalnością mierników PAC 3200 i 4200 są możliwości kontrolowania ustawionych progów wybranych wielkości elektrycznych. Daje to możliwość modelowania limitu, po przekroczeniu którego będzie sygnalizowany alarm. Limity można ograniczać od dołu i od góry. Dodatkowo ustawiany jest czas i histereza narastania zakłócenia. Przykładowo zadaniem miernika jest funkcja strażnika mocy. Należy w tym celu wprowadzić wartości progów mocy, po przekroczeniu których na wyjściu cyfrowym będzie sygnalizowana zmiana stanu. Następnie powiązanie stanu wyjścia z cewką wybijakową wyłącznika umożliwia jego wyłączenie i „zrzut obciążenia”.

Rys. 4. Oprogramowanie Powerconfig umożliwia podgląd mierzonych danych oraz prace serwisowe

Zliczanie energii w dwóch kierunkach
Częstym zagadnieniem jest również zliczanie energii w dwóch kierunkach. Przykładowo instalacja elektryczna może w jednym układzie pracować jako odbiornik, innym razem może przesyłać energię do systemu. Czterokwadrantowy licznik energii, którym dysponują mierniki PAC, jest w tym wypadku bardzo przydatnym rozwiązaniem. Zmiana kierunku przepływu prądu wymusza również zmianę kierunku przepływu mocy. Z tego powodu energia zapisywana jest w dwóch odrębnych buforach jako pobrana lub oddana do systemu. Gdyby jednak okazało się, że zmiana układu pracy zasilacza i odbiornika nie wpływa na kierunek prądu, można zastosować funkcjonalność wejścia cyfrowego. Zmiana stanu tego wejścia zmienia jednocześnie taryfę, która wymusza, że energia wcześniej zapisywana pod taryfą pierwszą zapisywana jest w buforze pamięci przeznaczonym dla taryfy drugiej.

Rys. 5. Ustawienie parametrów limitów w mierniku PAC 4200

Rys. 6. Rzeczywisty przebieg prądu zniekształconego występujący praktycznie w każdej instalacji

Rys. 7. Wykres wektorowy mocy w sieci z udziałem harmonicznych

Współczynnik mocy
We wszystkich miernikach Sentron PAC dostępny jest parametr współczynnika mocy. Powszechnie znane są zależności S x cosφ = P oraz P² + Q² = S². Opisują one jednak przebiegi sinusoidalne prądu i napięcia. Tymczasem nowoczesne odbiorniki wpływają na przebieg prądu tak, że jego charakterystyka znacząco odbiega od idealnej sinusoidy. Dlatego miernik Sentron PAC 4200 oprócz tradycyjnego współczynnika mocy udostępnia dodatkowo cosφ, gdzie j oznacza kąt fazowy pomiędzy wektorem prądu i napięcia. Moc czynna może być wtedy wyrażona jako suma fal podstawowych – sinusoidalnych i harmonicznych całkowitych, co można wyrazić równaniem:

P = Σ (U_ν x I_ν x cosφ_ν)

gdzie:
ν – krotność harmonicznej,
U_ν = napięcie ν-tej harmonicznej,
I_ν = prąd ν-tej harmonicznej.
Na rysunku 6 widać rzeczywisty przebieg prądu zniekształconego, który występuje praktycznie w każdej instalacji. Napięcie jest sinusoidalne, ale prąd nie. Łatwo też zauważyć, że podstawowe fale napięcia i prądu są zgodne w fazie. Ponieważ napięcie jest sinusoidalne, to U_ν = 0 V dla ν > 1. Oznacza to, że na wartość mocy wpływa wartość rms napięcia sinusoidalnego. Moc czynna ma zatem wartość:

P = U x I₁ x cosφ₁
(dla każdego V > 1 P = 0).

Ponadto moc bierna Q = 0, ponieważ nie ma przesunięcia faz napięcia względem prądu.
Moc pozorna jest zdefiniowana jako:

S = U_rms x I_rms = (Σ (U_n²)) ^0,5 x (Σ (I_n²))^0,5

Ponieważ prąd jest znacznie odkształcony, to I_ν ≠ 0 dla v > 1. Z tego powodu S > P a współczynnik mocy wyrażony jako stosunek P / S ≠ cosφ. Zatem trójkąt mocy jest trójwymiarowym wielościanem (rys. 7):

S² = P² + Q₁² + Q_d²

gdzie:
Q_d = moc zniekształceń,
Q₁ = podstawowa moc bierna,
Q_tot = całkowita moc bierna.

Cosφ występujący w mierniku PAC 4200 to stosunek mocy czynnej P do podstawowej mocy pozornej S₁. Nie należy go wiązać ze współczynnikiem mocy wynikającym z proporcji mocy czynnej P do całkowitej mocy pozornej S.

Łukasz Bancarzewski
Autor jest kierownikiem produktu
w firmie Siemens