Устройство контроля количества и продолжительности отключений и отклонения напряжения на базе микроконтроллера Arduino

Введение. Обеспечение надежного снабжения потребителей электрической энергией надлежащего качества является трудной, но в тоже самое время необходимой для решения задачей, так как в настоящее время невозможно представить нормальное функционирование потребителей (от производств до домовладельцев) без использования электрической энергии [1]. Особенно актуальна эта проблема в сельских электрических сетях, где протяженность и изношенность линий электропередачи (ЛЭП) делают эту задачу еще более сложной. Поэтому основными показателями эффективности систем электроснабжения (СЭС) являются надежность электроснабжения (НЭ) и качество электроэнергии (КЭ) [2-4].

Среди средств повышения НЭ и КЭ можно выделить следующие: системы регулирования параметров качества электроэнергии (например, система адаптивного автоматического регулирования напряжения (СААРН) [5], системы автоматизации подстанции (АВР, АПВ, АЧР, перераспределение нагрузки по шинам, комплекты РЗиА и т.п) [6-9], системы автоматического регулирования (компенсации) реактивной мощности и т. д.. [10, 11] Однако реализация данных средств требует мониторинга параметров электрической сети, чтобы точно и быстро реагировать на любые изменения в СЭС [11]. Поэтому создание системы мониторинга НЭ и КЭ, способной безошибочно определять аварийные режимы в сети, их причины и последствия, является актуальной задачей.

Анализ показателей надежности электроснабжения и качества электроэнергии. Согласно [12, 13] время восстановления электроснабжения после отказов tвосст является основным показателем надежности электроснабжения, в то время как другие (SAIFI, SAIDI, СAIFI, СAIDI [3]) косвенно характеризуют его. Оно складывается из следующих составляющих: время получения информации, время на распознавание информации, время на ремонт, время на согласование включения и само включение (формула 1)

t — t +1       +1    +1       ,

восст      пол.инф.     расп.инф.     рем.     согл.выкл. , где t - время получения информации, ч.; пол.инф.

t _{расп . инф .} - время на распознавание информации, ч.;

t _{рем .} - время на ремонт, ч.;

t - время на согласование включения и включение, ч. согл . выкл .

Несмотря на то, что электросетевые компании ведут учет времени восстановления, они не учитывают время, потраченное на получение информации об отказе. За начало отсчёта времени восстановления принимается момент получения информации об отказе диспетчером компании. При этом время получения информации об отказе может достигать в среднем 1,01 часа [14].

Система мониторинга НЭ и КЭ позволяет сократить интервал времени на получение информации о повреждени и интервал времени на её распознование.

В свою очередь, качество электрической энергии представлено временем несоответствия КЭ требованиям нормативных документов (или договорным обязательствам) t         и определяется по несоот.

формуле 2:

несоот.КЭ    t пол.инф. + t расп.инф. + t рег. , где tпол.инф. - время получения информации о выходе ПКЭ за установленный уровень, ч.;

• t _{расп . инф .} - время на распознавание информации о выходе ПКЭ за установленный уровень, ч.;

• t - время на регулирование КЭ, ч.; рег .

Система мониторинга позволяет сократить, все составляющие времени несоответствия КЭ [12, 13]. Необходимо отметить также, что после кождого регулирования показателя КЭ необходимо проводить проверку возврата ПКЭ в допустимые пределы отклонения (формула 3). Система мониторнга НЭ и КЭ позволяет проводить эту проверку в он-лайновом режиме.

— t +1 + tA  + t + t + t , ,

рег .нар .     дв. доп.     вып. рег.     пров.КЭ.     ок.раб. , где t – интервал времени, необходимый для подготовки нар.

ремонтной бригады к выезду, включая время на подготовку наряда, или распоряжения, подготовку оборудования, приспособлений, погрузку на транспорт, ч.;

• t _дв. – интервал времени, необходимый на то, чтобы ремонтная бригада добралась до места повреждения, ч.;

• t д_{оп .} – интервал времени, необходимый для допуска ремонтной бригады к выполнению работ, ч.;

• t - интервал времени, необходимый для выполнения вып . рег .

непосредственно регулирования КЭ, ч.;

• t - интервал времени, необходимый для проверки пров ..

выполненной регулировки КЭ, ч.

• t _{ок .раб.} – интервал времени, необходимый для окончания работ, сворачивания рабочего места, выхода бригады с рабочего места и для документального оформления окончания работ ч.

Система мониторинга надежности электроснабжения и качества электроэнергии. В [15, 16] представлена система мониторнга надежности электроснабжения и качества электроэнергии (СМНиК), построенная на датчиках – устройства контроля количества и продолжительности отключений электроэнергии и качества электроэнергии (УККПОиОН). Датчики могут быть установлены на вводах потребителей, на отходящих линиях и на шинах низкого напряжения (НН) трансформаторной подстанции (ТП).

Рисунок 1 – Структурная схема системы мониторинга надежности электроснабжения и качества поставляемой электроэнергии на примере отходящей линии 0,38 кВ:

ТП – трансформаторная подстанция; УККПОиОН – устройство контроля количества и продолжительности отключений и отклонения напряжения; S1…Sn – потребители; ДЭК – диспетчерская электросетевой компании; УСПД – устройство сбора и передачи данных.

Система мониторинга надежности электроснабжения и качества поставляемой электроэнергии построена на иерархическом способе и работает следующим образом [17]. Информация от каждого потребителя электроэнергии с помощью УККПОиОН по канал связи собирается в УСПД, которое является пунктом агрегирования. Каждый пункт агрегирования отвечает за определенные количество электропотребителей, расположенных в одном районе. Далее информация через магистральные каналы связи поступает в диспетчерскую электросетевой компании (ДЭК), где производится анализ полученных данных и принимается решение по устранению сложившейся неисправности, о режиме напряжения в линиях ЛЭП, необходимости регулирования напряжения, а также об отправке ремонтных бригад.

Рисунок 2 - Структурная схема системы мониторинга надежности электроснабжения и качества электрической энергии при технологии передачи данных LoRa WPLAN

В случае использования LoRa [18] в качестве канала передачи данных структурная схема СМКЭиНЭ будет похожа на схему, показанную на рисунке 1. Разница заключается в том, что информация об аварийных режимах с датчиков в УСПД передается по беспроводным информационным каналам, а затем агрегированная информация в ДЭК отправляется по магистральному каналу, выполненную, как правило, проводной технологией. (Рисунок 2).

При использовании технологий передачи данных NB-IoT и GSM [18] система мониторинга надежности электроснабжения и качества электрической энергии будет аналогична как при использовании LoRa, только в качестве УСПД будет выступать базовая станция общедоступной сотовой связи и магистральную передачу данных будет производить сам оператор сотовой связи.

Устройство контроля количества и продолжительности отключений электроэнергии и качества электроэнергии Устройства, контролирующие количество и продолжительность отключений электроэнергии и качества электроэнергии (УККПОиОН), являются основными элементами СМНиК, позволяющими осуществлять мониторинг НЭ и КЭ. Вариант устройства контроля количества и продолжительности отключений электроэнергии и контроля уровня отклонения напряжения на вводах потребителей показан на рисунке 3, работа которого подробно описана в [15, 17].

Рисунок 3 – Структурная схема устройства контроля количества и продолжительности отключений электроэнергии и контроля уровня отклонения напряжения на вводах потребителей:

KA1 - коммутационный аппарат, ДН2 - датчик напряжения, НЕ3 – элемент НЕ, ДтК34 – датчик тока коротко замыкания, ДП5 – датчик перегрузки, ИЛИ6 - элемент ИЛИ, НЕ7 - элемент НЕ, И8 – элемент И, Память9 – запоминающее устройство, БОИ10 - блок обработки информации, УПД11 – устройство передачи данных, ДЭК12 – диспетчерская электросетевой компании, ДповН13 - датчик повышенного напряжения и ДпонН14 - датчик пониженного напряжения.

Однако данный вариант устройства имеет ряд недостатков:

— Отсутствие контроля напряжения после коммутационного аппарата, что не позволяет реализовать фиксацию отключения вводного коммутационного аппарата на стороне потребителя;

• —    Отсутствие возможности приема данных от серверов ДЭК, что не позволяет использовать обратную связь для анализа состояния системы, выполнять при необходимости определенные команды, а также тарифное регулирование;

• —    Отсутствие блока индикации для отображения информации (например, о состоянии электрической сети);

— Отсутствие устройства хранения архивных данных на случай нарушения канала связи с ДЭК, а также предоставления информации потребителям, в точках балансового разграничения которых УККПОиОН установлены.

Рисунок 4 – Схема соединений элементов УККПОиОН на контроллере Arduino V3 ATmega 328 при технологии передачи данных GPRS

Поэтому схема устройства контроля количества и продолжительности отключений и отклонения напряжения была переработана в соответствии с описанными недостатками. Работа предложенного устройства производится на базе микроконтроллера Arduino (Рисунок 4). Использование данных микроконтроллеров позволяет создать прототипы электронных устройств с открытым исходным кодом, основанных на гибком, простом в использовании аппаратном и программном обеспечении. Микроконтроллер на плате программируется с использованием языка программирования Arduino (на основе Wiring) и среды разработки Arduino (на основе Processing). Проекты Arduino могут быть как автономными, так и взаимодействовать с программным обеспечением при работе на компьютере (например, Flash, Processing, MaxMSP) [19].

Ниже представлены все выбранные комплектующие изделия для экспериментального образца УККПОиОН:

• 1.    Микроконтроллер ARDUINO NANO V3 ATmega 328 (16MHz);

• 2.    Датчик тока SCT-013-000;

• 3.    Дисплей LCD display 1602;

• 4.    Часы реального времени Rtc dip-ds 1307;

• 5.    Модуль Micro SD-карты. 3,3 В/5 В универсальный, для 3,3 В и 5 В логики. Для карт microSD и MMC;

• 6.    Micro SD 16 Gb;

  7. Литиевая аккумуляторная батарея 3,7 В 3400 мАч;

  
  

  8. Модуль GSM GPRS A6.

  
  
  

Датчик тока SCT-013-000

Микроконтроллер ARDUINO

NANO V3 АТтеда 328

Модуль Micro SD-карты

LCD display 1602

Часы реального бремени

Rte dip-ds 1307

МоОуль GSM GPRS Аб

Аккумуляторная батарея

Рисунок 5 – Внешний вид собранного экспериментального образца

УККПОиОН

При использовании сети NB-IoT в качестве технологии передачи данных, УККПОиОН будет иметь в своей структуре вместо модуля GSM GPRS A6 модуль RAK8212-NBM, при использовании сети LoRa - модуль LRTX-868-PCB-CAAT. При использовании сети LoRa также необходимо предусмотреть в структуре СМНиК базовую станцию (УСПД) LPWAN LRST-868-VGA-2.

На рисунке 5 представлен внешний вид собранного экспериментального образца УККПОиОН, а на рисунке 6 – показания, выводимые на ЖК дисплей.

Рисунок 6 – Показания, выводимые на ЖК дисплей УККПОиОН

Устройство позволяет точно определять все возможные аварийные режимы контролируемого участка электрической сети:

• -    Прерывание напряжения;

• -    Отклонение напряжение ниже допустимого уровня;

• -    Отклонение напряжение выше допустимого уровня;

• -    Перегрузку во внутренней;

• -    Короткое замыкание.

Устройство фиксирует факт и период появления аварийных режимов, анализирует их и способна выявить причины появления аварийных режимов работы электросети (например, отправка сигнала о неселективном срабатывании коммутационного аппарата, питающую ЛЭП, произошедшей из-за КЗ во внутренней сети потребителя). УККПОиОН также отправляет информацию, заложенную алгоритмом, в диспетчерскую электросетевой организации для дальнейшей обработки.

СМНиК, построенная на представленных вариантах УККПОиОН и получающая сигналы от них, позволяет определять все аварийные режимы электрической сети и их причины:

• 1.    Отключение коммутационного аппарата на стороне

потребителя:

• -    В результате тока КЗ во внутренней сети одного из потребителей;

• -    В результате тока перегрузки во внутренних сетях потребителя;

• -    Отключение коммутационного аппарата в ручном режиме.

• 2.    Отключение коммутационного аппарата на стороне потребителя:

• -    В результате тока КЗ в ЛЭП;

• -    В результате тока КЗ во внутренней сети одного из потребителей;

• -    В результате общего тока перегрузки в ЛЭП;

• -    В результате общего тока перегрузки в ЛЭП с учётом тока перегрузки во внутренних сетях одного или нескольких потребителей;

• -    Другие причины (Обрыв провода в результате природных катаклизмов).

• 3.    Отключение коммутационного аппарата, питающего ЛЭП:

• -    В результате тока КЗ в ЛЭП;

• -    В результате тока КЗ во внутренней сети одного из потребителей;

• -    В результате общего тока перегрузки в ЛЭП;

• -    В результате общего тока перегрузки в ЛЭП с учётом тока перегрузки во внутренних сетях одного или нескольких потребителей;

• -    Другие причины.

• 4.    ТП обесточена:

• -    В результате тока КЗ на вводе НН ТП;

• -    В результате тока КЗ в одной из ЛЭП;

• -    В результате тока КЗ во внутренней сети одного из потребителей;

• -    В результате общего тока перегрузки в ЛЭП;

• -    В результате общего тока перегрузки в ЛЭП с учётом тока перегрузки во внутренних сетях одного или нескольких потребителей;

• -    Другие причины.

• 5.    Отклонение напряжения в точке балансового разграничения между потребителем и электроснабжающей организации:

• -    По вине потребителя;

• -    По вине электроснабжающей организации.

• 6.    Превышение допустимого тока потребления:

• -    Перегрузка во внутренней сети потребителя;

• -    Перегрузка в ЛЭП;

• -    Перегрузка на вводе НН ТП.

• 7.    Несимметрия :

• -    Несимметрия в ЛЭП;

• -    Несимметрия на вводе НН ТП.

Выводы. Разработанное устройства контроля количества и продолжительности отключений и отклонения напряжения позволяет исправить недостатки, которые имели датчики, представленные в других системах мониторинга надежности электроснабжения и качества электроэнергии. Устройство позволяет определять все возможные аварийные режимы: прерывание напряжения, отклонение напряжение ниже и выше допустимого уровня, перегрузку и короткое замыкание во внутренней сети потребителя, фиксировать факт и период их появления, а также отправлять эту информацию в диспетчерскую электросетевой организации.

Представленный вариант УККПОиОН собран на базе микропроцессора Arduino NANO V3 ATmega 328 и включает в себя следующие компоненты: датчик тока SCT-013-000, дисплей LCD display 1602, часы реального времени Rtc dip-ds 1307, модуль Micro SD-карты, карта micro SD 16 Gb, литиевая аккумуляторная батарея 3,7 В 3400 мАч. При использовании GSM канала передачи данных устройство в своей конструкции содержит модуль GSM GPRS A6, при использовании NB-IoT – модуль RAK8212-NBM, при использовании LoRa - модуль LRTX-868-PCB-CAAT. Также необходимо отметить, что при использовании технологии передачи данных LoRa структурная схема СМНиК должна предусмотреть базовую станцию LPWAN LRST-868-VGA-2.

Published Online: 2019-05-17. DOI: 10.1515/ijeeps-2018-0269

(27). - P. 3-11.

THE DEVICE FOR CONTROLLING THE NUMBER AND DURATION OF POWER SUPPLY OUTAGES AND VOLTAGE

DEVIATIONS ON THE BASIS OF THE ARDUINO MICROCONTROLLER

V.E. Bolshev, scientific researcher,

Oryol, Russia