CC BY
54
Шатуновский В. Л. Shatunovskiy V. Ь
кандидат технических наук,
доктор педагогических наук, профессор, профессор кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности, ФГБОУ ВО «Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина»,
г. Москва, Российская Федерация
УДК 681.325.55-181
Портнягин Н. Н. Portnyagin N. N.
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности, ФГБОУ ВО «Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина»,
г. Москва, Российская Федерация
Мелик-Шахназарова И. А. Melik-Shakhnazarova I. А.
кандидат технических наук, доцент, заведующая кафедрой теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности, ФГБОУ ВО «Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина»,
г. Москва, Российская Федерация
КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫХ ПЛАТ «АРДУИНО»
Тенденция увеличения доли нелинейной нагрузки в современных системах электроснабжения приводит к повышению мощности искажений синусоидальных токов и напряжений сети и требует проведения исследований систем электропитания с целью оценки их влияния на источники и потребители электроэнергии. Для повышения эффективности научных исследований аспирантов и соискателей требуется оснастить исследовательские лаборатории соответствующей аппаратурой регистрации мгновенных значений токов и напряжений с возможностью накопления и архивации исходных файлов, содержащих временные выборки кривых тока и напряжения в узлах нагрузки. Для исследований крайне важным остается вопрос о качестве поставляемой и потребляемой электроэнергии. Последний вариант российского ГОСТ 32144-2013 по показателям качества электроэнергии устанавливает эти показатели на уровне типовых подстанций, но при проведении исследований часто требуется наблюдение за качеством электроэнергии и в сетях нижнего уровня. Рассмотрены технические и методические подходы к разработке приборов для измерения параметров качества электрической энергии при работе приемников в системе электроснабжения. Обращено внимание на методическую сторону проектирования приборов для мониторинга качества электроэнергии: на работу основных узлов приборов — датчика напряжения, аналого-цифрового преобразователя, устройств передачи сигналов от платы «Ардуино» к приемникам, визуализирующим данные измерений. Разработаны и предложены программные средства, выполняющие преобразование, передачу, получение и визуализацию данных о состоянии электрических цепей в узле нагрузки. Предлагаемый подход позволяет использовать общедоступную технологию смартфонов или айфонов для регистрации и накопления файлов с целью их дальнейшей обработки с применением процедур диагностирования. В ходе проведенной разработки
- 81
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 14, 2018
решены следующие задачи: проведен анализ использования микроконтроллеров для создания мобильных систем регистрации мгновенных значений токов и напряжений в системах электропитания на примере микроконтроллеров «Ардуино», создан рабочий макет мобильного устройства регистрации мгновенных значений тока и напряжения в сетях 0,4 кВ, произведено опробование рабочего макета устройства с целью применения его для построения компьютерных экспериментов по диагностированию электротехнических систем в диссертационных исследованиях аспирантов и магистрантов.
Ключевые слова: качество электроэнергии (КЭ), параметры качества электрического напряжения, узел нагрузки, электроприемники, электроснабжение, мониторинг КЭ, передача сигналов и данных по каналам связи, визуализация, программные средства, микроконтроллеры и микроконтроллерные платы.
SYSTEM FOR MEASUREMENT OF ELECTRICAL QUANTITIES IN POWER SYSTEMS ON THE BASIS OF THE MICROCONTROLLER BOARDS ARDUINO
The trend of increasing share of nonlinear loads in modern power supply systems leads to increased power distortion sinusoidal currents and voltages of the network, and requires studies of power supply systems, to assess their impact on the sources and consumers of electricity. To improve the efficiency of scientific research of PhD students is required to equip research laboratories with appropriate recording of instantaneous values of currents and voltages with the ability to accumulate and archive the source files containing the temporal sampling of the curves of current and voltage in the load balancing nodes. Research is extremely important. The question remains about the quality of the supplied and consumed energy. The latest version of the Russian GOST 32144-2013 in terms of power quality that sets these indicators at the level of typical substations, but research often requires observation of the quality of electricity in the networks of the lower level. Discuss technical and methodological approaches to the development of instruments for measuring quality parameters of electric energy during operation of the receivers in the power supply system. Attention is drawn to the methodical way of designing devices for monitoring electric power quality: the operation of the basic units of devices, voltage sensor, analog-to-digital converter, devices send signals from the Board «Arduino» to the receivers, visualizing the measurement data. Developed and proposed the software that performs the conversion, transmission, receipt and visualization of data on the status of the electrical circuits in the load center. The proposed approach allows to use the shared technology of the smartphones or iPhones for recording and accumulation files for further processing with application of procedures of diagnosis. In the course of the development of the following tasks: the analysis of the use of microcontrollers to create mobile registration systems instantaneous values of currents and voltages in power supply systems on the example microcontroller «Arduino» created a working model of the mobile device registering the instantaneous values of current and voltage in 0.4 kV networks, the testing of the layout of the device, with the purpose of using it to build computer experiments on diagnosis of electrical systems in the dissertation research of graduate students and masters.
Key words: power quality, quality parameters of electric voltage, the load unit, the power consumers, electricity supply, monitoring of the power quality, transmission of signals and data via communication channels, visualization, software tools, microcontrollers and microcontroller boards.
При проведении научных исследований электрических цепей электропитания используется аппарат теории электрических цепей, методы математического моделирования, численные методы и различные комплексы программ [1, 2]. Применение этих методов требует экспериментального подтверждения разрабатываемых методов оцен-
82 -
Electrical and
ки состояния цепей и их диагностирования [3-5]. Практика защит диссертаций по специальности 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы» за последнее время выявила значительные трудности у магистрантов и аспирантов при организации экспериментальных методов оценки состояния исследуемых электрических систем. Сущест-
вующая в настоящее время измерительная аппаратура имеет высокую стоимость при комплексном характере регистрации мгновенных значений токов и напряжений в узлах и ветвях исследуемой электрической цепи, и, зачастую, недоступна аспирантам и магистрантам, проводящим такие исследования. В связи с изложенным на кафедре теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина проведен комплекс работ по созданию мобильного и доступного технического комплекса для измерения электрических величин в цепях электропитания.
Для исследований крайне важным остается вопрос о качестве поставляемой и потребляемой электроэнергии. Последний вариант ГОСТ 32144-2013 по показателям качества электроэнергии устанавливает эти показатели на уровне типовых подстанций, но при проведении исследований часто требуется наблюдение за качеством электроэнергии и в сетях нижнего уровня 0,4 кВ.
Электрическая энергия используется при создании подавляющего большинства видов промышленной продукции. Она обладает совокупностью специфических свойств и, как любой товар, нуждается в определении и оценке качества. Каждый электроприемник, подключенный к сети электроснабжения общего назначения, так или иначе может повлиять на один или несколько параметров электроэнергии в точке своего подключения; таким образом, качество электроэнергии на месте ее производства не гарантирует это качество в месте ее потребления.
Можно выделить следующие существенные показатели качества электрической энергии:
— степень отклонения напряжения на нагрузке от номинального;
— диапазон колебания напряжения на нагрузке;
— несинусоидальность напряжения в узле нагрузки;
— несимметрия напряжений в фазах питающей сети;
— отклонение частоты напряжения от 50 Гц;
— провалы напряжения;
— временные перенапряжения.
Важной особенностью разрабатываемого
измерительного комплекса является возможность одновременного наблюдения за напряжениями и токами в цепях питания нагрузки в системах различного назначения, что необходимо при проведении научных исследований по диагностированию состояний различных режимов работы сети.
Развитие элементной базы современной промышленной электроники и микроконтроллерной техники позволяет создавать на их базе все более совершенные и миниатюрные устройства [6, 7], способные выполнять измерения всех показателей качества электрической энергии и долгое время хранить результаты этих измерений в своих архивах. Иными словами, появляется возможность производить учет качества электрической энергии в точке подключения каждого электроприемника. Широкое распространение сети «Интернет» дает возможность прибору, осуществляющему сбор информации о качестве электрической энергии в точке подключения отдельного электроприемника, передавать эту информацию через одну из сетей связи (локальную, сотовую, спутниковую) на компьютер-сервер, программное обеспечение которого будет накапливать и анализировать поступающую информацию, а также осуществлять передачу и визуализацию этой информации для хозяина электроприемника на его компьютер, планшет или смартфон. Схема построения такой системы представлена на рисунке 1.
Программное обеспечение компьютера-сервера должно обрабатывать и предоставлять информацию о качестве электрической энергии (КЭ) по запросу (операторов, диспетчеров, пользователей), а также должно генерировать различные события при выходе каких-либо параметров качества электрической энергии за установленные и согласованные нормы.
Примером таких событий может служить звонок или СМС на телефон оператора, диспетчера или пользователя в случае приближения частоты сети на вводе одного из электроприемников к граничной отметке
Рисунок 1. Функциональная схема соединений измерительного комплекса
и озвучивание фразы из набора заранее оцифрованных и записанных в память компьютера.
Кроме того, при подключении к прибору по каналам локальной связи (Wi-Fi, Блютуз, USB) пользователь может получать на свой компьютер, планшет или смартфон информацию о КЭ в любом удобном виде — значения параметра в цифровом виде, в виде графика, гистограммы, а также с указанием референтных (допустимых) значений.
Рассмотрим построение такого прибора на базе микроконтроллерных плат типа «Ардуино» [7, 8]. Разработанный прибор производит измерение мгновенных значений напряжения питания и токов в контролируемых цепях в течение n-периодов с шагом в один градус и отправку полученных данных на сервер сбора статистики.
Функционально прибор состоит из нескольких блоков:
— блок питания (БП);
— блок датчика и аналого-цифрового преобразователя платы «Ардуино»;
— блок микроконтроллера «Ардуино»;
— блок устройств (плат) для передачи данных на сервер сбора статистики.
Программное обеспечение работы прибора включает:
— программу сбора и подготовки данных электрических измерений платой «Ардуино»;
— приложение для визуализации данных о КЭ в данном узле электроснабжения на
компьютере, планшете или смартфоне локального пользователя;
— библиотеки для программ работы каналов связи (блютуз, Wi-Fi, передач по последовательному порту — USB).
Схема соединения элементов в приборе на базе МК плат «Ардуино» представлена на рисунке 2.
Программа чтения данных со входа аналогоцифрового преобразователя (АЦП) «Ардуино» имеет вид:
int potPin = A0; //порт АО — АЦП int ledPin = 9; // порт 9 — индикация работы программы
float Step = 5.0F / 1024; // приведение единиц void setup() {
// порт для светодиода — выход pinMode(ledPin, OUTPUT); // запуск процедуры связи по последовательному порту
Serial.begin(9600); }
void loop() { //читаем порт АЦП rotation = analogRead(potPin); float voltageValue = rotation * Step; // В итоге мы получим целое число от 0 до 255 brightness = rotation / 4; // выдаём результат на светодиод analogWrite(ledPin, brightness); // выводим результат в Serial Monitor Serial.println(voltageValue); delay(100); // задержка для стабильности процесса вывода данных } // конец блока loop().
Рисунок 2. Внешний вид платы контроллера «Ардуино» с внешними соединениями
В качестве средства визуализации процесса чтения мгновенных значений напряжения и тока в узле нагрузки на первой стадии разработки прибора используется встроенный в программную среду (IDE) «Ардуино»
[9, 10] плоттер по последовательному соединению, включение этого средства визуализации позволяет наблюдать за изменением напряжения в узле нагрузки по графику, показанному на рисунке 3.
Файл Правке Скетч Инструменты Помощь
ОО ВОВ
[ Sketch_utu2 с - О;
>
void loop О (
// чтение кога какала 1 н лерес ul- oftilc^RcadCAOt * 4 / 1024: ui- eo«l6gftead(ft$}: // • 5 / t
ulv - 5*«ез(31.4*С) ;
4nalCi*ft'il-c(St u2 / S ) ;
// лежача ^atitiux через после2 //Serial.priOEliMtilv. i>i Serial.ЕПП^Ш lu2/2) 1
delay(100);
o® COM4 (Arduino/Genuinop
ООО.о -
чоо.о -
о.о -
Рисунок 3. Пример графического отображения мгновенных значений напряжения в узле нагрузки с помощью встроенного плоттера
Данные, полученные по каналу ТОВ-соединения с компьютером, могут обрабатываться и с помощью широко известных средств (Ехсе11, Ма^аЬ, и др.) для выдачи на
экран компьютера, смартфона или планшета значений параметров электрического напряжения за период измерения.
Очевидно, такой способ мониторинга качества питающего напряжения возможен только с применением мобильных компьютеров и местного USB-соединения.
Для практики удобнее иметь в составе микроконтроллера устройство для передачи данных по одному из каналов дистанционной связи — блютуз, Wi-Fi, сотовая связь. Приемником данных в этом случае должно быть мобильное устройство (смартфон, планшет, нетбук и т.п.). И, следовательно, должно быть создано приложение (программа) для обработки данных и представле-
ния на экранах этих устройств параметров регистрируемого напряжения. Одной из возможных программ-приложений может быть «Arduino Centrale Free» [6], результаты работы которой представлены на рисунке 4.
Здесь регистрируется изменение поступающего от микроконтроллера аналогового сигнала (напряжения) и имеется возможность записи мгновенных значений этого сигнала в файл-таблицу, которую следует обработать известными математическими пакетами и представить результаты на экран пользователя.
I Arduino Ctntofc
0:00
Ш)в
■400 в
0 f 20
t 10"3 сек "vVVWW
Рисунок 4. Пример графического отображения мгновенных значений напряжения в узле нагрузки при высоком значении коэффициента нелинейных искажений
Вывод
В ходе проведенной разработки решены следующие задачи:
— проведен анализ использования микроконтроллеров для создания мобильных систем регистрации мгновенных значений токов и напряжений в системах электропитания 0,4 кВ;
— на примере микроконтроллеров «Ардуино» создан рабочий макет мобиль-
Список литературы
1. Горева Т.И., Портнягин Н.Н., Пюк-ке Г. А. Нейросетевые модели диагностики технических систем // Вестник КРАУНЦ. Физико-математические науки. 2012. Т. 4. № 1. С. 31-43.
ного устройства регистрации мгновенных значений тока и напряжения в сетях 0,4 кВ;
— произведено опробование рабочего макета устройства с целью применения его для построения компьютерных экспериментов по диагностированию электротехнических систем в диссертационных исследованиях аспирантов и магистрантов.
2. Портнягин Н.Н., Пюкке Г.А., Кузнецов С.Е. Диагностирование электрических цепей методом изовар // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 1998. № 1. С. 35.
3. Портнягин Н.Н. Определение области работоспособности судовых электрических средств автоматизации методом статистических испытаний // Вестник Камчатского государственного технического университета. 2002. № 1. С. 148-152.
4. Портнягин Н.Н., Марченко А.А. Исследование процессов динамического нагружения электрических машин при неисправностях в обмотке статора // Вестник Камчатского государственного технического университета. 2013. № 24. С. 16-21.
5. Портнягин Н.Н., Ершов М.С., Бар-басов П.Ю., Чернев М.Ю. Моделирование влияния величины нелинейной нагрузки на качество электроэнергии промышленных электротехнических систем // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2017. Т. 60. № 1. С. 61-66.
6. Баранов В.Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы. 2-е изд. испр. М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2006. 288 с.
7. Белов А.В. Конструирование устройств на микроконтроллерах. СПб.: Наука и техника, 2005. 256 с.
8. Белов А.В. Микроконтроллеры AVR: от азов программирования до создания практических устройств. М.: Изд-во НИТ, 2016. 544 с.
9. Виктор Петин. Проекты с использованием контроллера Arduino, 2-е изд. СПб.: Изд-во: БХВ-Петербург, 2015.
10. Улли Соммер. Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino. СПб.: Изд-во: БХВ-Петербург, 2012.
References
1. Goreva T.I., Portnjagin N.N., Pjuk-ke G.A. Nejrosetevye modeli diagnostiki tehni-cheskih system // Vestnik KRAUNC. Fiziko-
matematicheskie nauki. 2012. T. 4. № 1. S. 31-43.
2. Portnjagin N.N., Pjukke G.A., Kuzne-cov S.E. Diagnostirovanie jelektricheskih cepej metodom izovar // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Jelektromehanika. 1998. № 1. S. 35.
3. Portnjagin N.N. Opredelenie oblasti rabotosposobnosti sudovyh jelektricheskih sredstv avtomatizacii metodom statisticheskih ispytanij // Vestnik Kamchatskogo gosudar-stvennogo tehnicheskogo universiteta. 2002. № 1. S. 148-152.
4. Portnjagin N.N., Marchenko A.A. Issle-dovanie processov dinamicheskogo nagruzhenija jelektricheskih mashin pri neispravnostjah v obmotke statora // Vestnik Kamchatskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2013. № 24. S. 16-21.
5. Portnjagin N.N., Ershov M.S., Barba-sov P.Ju., Chernev M.Ju. Modelirovanie vlijanija velichiny nelinejnoj nagruzki na kachestvo jelektrojenergii promyshlennyh jelektro-tehnicheskih system // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Jelektromehanika. 2017. T. 60. № 1. S. 61-66.
6. Baranov V.N. Primenenie mikrokontro-llerov AVR: shemy, algoritmy, programmy. 2-e izd. ispr. M.: Izdatel'skij dom «Dodeka-XXI», 2006. 288 s.
7. Belov A.V. Konstruirovanie ustrojstv na mikrokontrollerah. SPb.: Nauka i Tehnika, 2005. 256 s.
8. Belov A.V. Mikrokontrollery AVR: ot azov programmirovanija do sozdanija prakti-cheskih ustrojstv. M.: Izd-vo NIT, 2016. 544 s.
9. Viktor Petin. Proekty s ispol'zovaniem kontrollera Arduino. 2-e izd. SPb.: Izd-vo: BHV-Peterburg, 2015.
10. Ulli Sommer. Programmirovanie mikro-kontrollernyh plat Arduino/Freeduino. SPb.: Izd-vo: BHV-Peterburg, 2012.
