بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، میخواهیم به راهکاري عملی براي نظارت بر تمام گذرگاههاي مصرف انرژي در یک مجتمع بزرگ - صنعتی، تجاري، آموزشی و ... - در بازههاي زمانی کوتاه - مثل مصرف انرژي بخشهاي مختلف در هر ساعت - تا بازههاي زمانی طولانی - مثل مصرف انرژي بخشهاي مختلف به صورت سالیانه - و همچنین طریقه پیاده سازي این فرآیند با روشی اصولی همراه با دقت بالا به صورت بی سیم بپردازیم. سخت افزار ساخته شده با میکروکنترلر ARM ، به منظور نظارت بر مصرف انرژي بخشهاي مختلف انستیتو برق آموزشکده فنی مشهد طراحی و اجرا شده است. این سخت افزار، امکان ارزیابی عوامل مؤثر بر کاهش مصرف انرژي الکتریکی را براحتی در اختیار استفاده کننده قرار می دهد.
-1 مقدمه
هدف از ارائه این مقاله اجراي اتوماسیون مصرف انرژي الکتریکی است. مهمترین پارامتر این اتوماسیون، بخش انرژي میترینگ آن است. روشهاي متعددي براي پیاده سازي پروژههاي انرژي میترینگ وجود دارد که در این مقاله به یکی از جامع ترین و بهینه ترین روشها اشاره خواهد شد. ابتدا نیازها و مشکلات پیش رو مطرح شده و در ادامه به راهکاري بهینه براي رفع آنها پرداخته میشود. پس از ارائه راهکارها، با داشتن یک مبناي انرژي میترینگ قوي به سراغ اتوماسیون مصرف انرژي الکتریکی میرویم.
بخش عمدهاي از راهکارهاي ارائه شده در این مقاله، بوسیله سخت افزاري که توسط میکروکنترلر ARM طراحی شده است به صورت اجرایی و عملیاتی در آمده است.
عمل اندازهگیري مصرف انرژي و سرور عمل نگهداري اندازهگیریها را به عهده دارند. ارتباط بین این بخشها میتواند به صورت بیسیم یا با سیم برقرار شود. در ادامه به بررسی ویژگیهاي اجزاي اتوماسیون میپردازیم.
-2 آشنایی با اجزاي تشکیل دهنده سیستم اتوماسیون
یک مجتمع بزرگ صنعتی که قصد نظارت بر مصرف انرژي بخشهاي مختلف را دارد در نظر بگیرید. به منظور پیاده سازي فرآیند نظارت، مطابق شکل - 1 - به تعدادي meter متناسب با تعدا بخشهاي مجتمع و همچنین یک server که اطلاعات مصرفی تمام بخشها براي آن فرستاده میشود، نیازاست.
شکل -1 چیدمان اجزاي اتوماسیون دریک مجتمع بزرگ
Meter -1-2
میتر دستگاهی است که توانایی اندازهگیري تمامی پارامترهاي انرژي را با دقت وکیفیت بالا داشته و همچنین قادر به ارائه آنها براي کاربر و server است. میتر، مهمترین جزء تشکیل دهنده سیستم اتوماسیون بوده و از جنبههاي مختلف مورد ارزیابی قرار میگیرد. در ادامه به بررسی بخشی از آنها میپردازیم.
-1-1-2 بررسی از نظر پارامترهاي اندازهگیري
یک meter باید توانایی اندازهگیري حداقل پارامترهاي زیر را بهطور همزمان براي سه فاز با استانداردهاي سیمبندي مختلف داشته باشد:
ولتاژ و جریان مؤثر انرژي هاي اکتیو، راکتیو و ظاهري
ضریب توان - - PF
توان اکتیو، راکتیو و ظاهري
-2-1-2 بررسی از نظر دقت اندازهگیري
به منظور افزایش دقت اندازه گیري لحاظ نمودن شرایط زیر الزامی است.
الف- اندازهگیري پارامترها به صورت حقیقی و : TRUE RMS
زمانی که دقت زیادي در اندازهگیري ملاك نباشد براي اندازهگیري ولتاژ و جریان کافیست جریان را با روشهاي مختلف - اثرهال، شنت و ... - به ولتاژ تبدیل کرده و با فرض سینوسی بودن شکلموج ولتاژ و جریان، با کمک یک یکسوساز و آشکارساز پیک ولتاژ و جریان و ضرب دامنه حاصل از آشکار سازي در رادیکال 2 به مقدار RMS برسیم. اما واقعیت این است که شکلموج ولتاژ و جریان کاملا سینوسی نیست و براي اندازهگیري دقیق ولتاژ و جریان، باید با نمونهبرداري لحظه به لحظه از خط، شکلموج حقیقی ولتاژ و جریان را استخراج کرد - هرچه سرعت نمونهبرداري از خط بالاتر باشد شکلموج بدست آمده به حقیقت نزدیکتر خواهد بود - . پس از استخراج شکلموج حقیقی با توجه به فرمول مقدار RMS براي سیگنالهاي گسسته مطابق رابطه - 1 - ، میتوان مقدار RMS را محاسبه نمود.
توان لحظه اي نیز از حاصلضرب لحظه به لحظه شکلموجهاي حقیقی ولتاژ و جریان حاصل میگردد. در ادامه با محاسبه حاصلجمع مکرر سطح زیر نمودار توان لحظه اي در بازه زمانی مورد نظر میتوان، انرژي مصرفی را بدست آورد.
-1 موارد داخل قلاب اختیاري هستند.
استخراج پارامترهاي اندازهگیري با وضوح بالا:
براي رسیدن به این امر هرچه فرآیند تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال از تقسیمها - تعداد پله ها - ي بیشتري برخوردار باشد به وضوح بالاتري دست پیدا خواهیم کرد، اما زمانی این وضوح بالا واقعی خواهد بود که سرعت نمونهبرداري نیز بالا باشد، زیرا وضوح بالا، براي دقتهاي بالاست. زمانی که سرعت نمونهبرداري پایین باشد، دقت پایین بوده و وضوح بالا در دقت پایین بی معنی است. لذا انتخاب مبدل آنالوگ به دیجیتال با وضوح بالا زمانی ارزشمند است که سرعت نمونهبرداري نیز بالا باشد.
A/D هاي سیگما دلتا نسبت به وضوحی که ارائه می دهند پرسرعتترین A/D ها هستند. A/D هاي دیگر مثل A/D هاي تقریب هاي متوالی و FLASH از سرعت بالاتري برخوردارند؛ اما اولا وضوح کمتري دارند و در ثانی هرچه سرعت آنها بالاتر می رود دقت آنها کاهش می یابد.
A/D هاي سیگما دلتا علاوه بر وضوح بالا، نمونه برداري را به سبک میانگینگیري انجام میدهند - یعنی خروجی برابر است با میانگین چندین نمونه از ورودي - و سرعت آنها نیزجوابگوي کارما میباشد لذا بهترین انتخاب براي ما چه از نظر سرعت، چه از نظر وضوح و چه از نظر حذف نویز، A/D هاي سیگما_دلتا میباشد. [1]
پایداري پارامترهاي اندازهگیري نسبت به دما:
براي رسیدن به پایداري حرارتی پارامترهاي اندازهگیري، دو راه وجود دارد. راه اول اینکه دماي سیستم را ثابت نگه داریم و کنترل دما انجام دهیم. در حالت خیلی ساده، میتوانیم دما را با یک سنسور آشکار کرده و دماهاي بالا را با یک فن و دماهاي پایین را با یک هیتر کنترل نماییم که این کار به علت هزینه بالا و حجم بالا روش جالبی نیست. ناگفته نماند که کنترل اثرات سلفی فن و هیتر بر روي منبع تغذیه نیز به پیچیدگی کار میافزاید. راه دوم اینکه پارامترهاي وابسته به دما را شناسایی و با تمهیداتی این وابستگی را از بین ببریم. در سخت افزار ساخته شده، ما با استفاده از راهکارهاي زیر به پایداري دمایی نسبتا قابل قبولی رسیده ایم:
الف- استفاده از ولتاژمرجع مستقل از دما در فرآیند تبدیل آنالوگ به دیجیتال .
ب- مستقل نمودن تبدیل جریان به ولتاژ نسبت به دما - مثلاً اگر از روش شنت استفاده میکنید میتوانید شنت ها را از جنس مانگانین و یا زرانین انتخاب نمایید که علاوه بر خطی بودن از ضریب حرارتی پایینی برخوردارند - .
قابلیت کالیبراسیون براي هر پارامتر اندازهگیري:
تمامی دستگاههاي انرژي میترینگ دقیق باید داراي منوهایی براي تنظیم دامنه، آفست، ثابت اندازهگیري - MC - ، اختلاف فاز و... باشند.
به دو روش کلی میتوانیم منوهاي کالیبراسیون را طراحی نماییم:
الف- به کمک یک دستگاه اندازهگیري مرجع : به طور خلاصه در این روش، عمل اندازهگیري براي هر پارامتر، توسط دستگاه اندازهگیري مرجع و meter صورت میپذیرد و در مرحله بعد meter ضریب خطاي خود را براي هر پارامتر محاسبه و خود را اصلاح مینماید. دقت داشته باشید در این روش مثلاً براي رسیدن به کلاس دقت 0.5 ، دستگاه اندازهگیري مرجع باید از کلاس دقت بالاتري - مثلاً - 0.1 برخوردار باشد.
ب- به کمک یک منبع انرژي دقیق: در این روش عمل اندازهگیري تنها توسط meter صورت می پذیرد و در مرحله بعد با توجه به ثبات منبع انرژي meter ضریب خطاي خود را براي هر پارامتر محاسبه و خود را اصلاح مینماید. دقت دستگاه در این روش به دقت منبع وابسته است.
در عمل کالیبراسیون رعایت چند نکته الزامی است:
الف- عمل کالیبراسیون را در بهترین ناحیه عملکرد سیستم انجام دهید. به طور مثال اگر اوج دقت اندازهگیري جریان درmeter ، در رنج متوسط میباشد؛ عمل کالیبراسیون را در این رنج براي کاربر تعریف کنید.
ب- در عمل کالیبراسیون هر چه بار و منبع ثابت تر باشند، به دقت کالیبراسیون بالاتري دست خواهیم یافت.
ج- عمل کالیبراسیون را حتما با روش میانگینگیري انجام دهید - یعنی ضریب خطا را بر مبناي میانگین چند نمونه محاسبه نمایید، نه یک نمونه. -
حذف نویز :
این مورد بیشتر به هنر طراح بر میگردد که چگونه نویز را شناسایی و آنرا از بین ببرد. اما روشهایی که تأثیر بسزایی در حذف نویز ایفا میکنند به شرح زیر است:
الف- طراحی فیلتر هاي ضد انطباق - Anti aliasing - در کانالهاي ورودي [2]
ب- رعایت فاصله خطوط آنالوگ نسبت به خطوط دیجیتال و فرکانس بالا در رسم PCB
ج- مجزا نمودن زمین مدار فرمان از مدار انرژي میترینگ
د-جایگذاري مناسب قطعات در PCB
ه- ملاحظات لازم در نوشتن نرم افزار برنامه - مثلا خواندن پارامترهاي اندازهگیري با فاصله زمانی مناسب و با روش میانگینگیري و ... -
از آنجایی که انرژي وابسته به زمان است و همچنین عمل اتوماسیون نیز وابسته به زمان انجام میگردد، براي داشتن یک زمان دقیق و حقیقی نیازمند یک کلاك دقیق هستیم که با قطع برق نیز از بین نرود . بهترین گزینه براي این عمل استفاده از یک آيسی مجزا براي تولید کلاك - که اصطلاحا به آنها آيسی ساعت هم میگویند - میباشد زیرا به باتري کوچکتري جهت پشتیبانی در زمان قطع برق نیاز است.
-3-1-2 بررسی از حیث قابلیت هاي ارائه
رنج اندازهگیري بالا :
براي رسیدن به این مهم تا یک مرزي براي کانالهاي ولتاژ میتوانیم از تقسیم ولتاژهاي بزرگ و براي کانالهاي جریان از مقاومتهاي شنت اهم پایین استفاده نماییم، که این مرز به نوع مبدل آنالوگ به دیجیتال و همچنین مهار نویز در کانالهاي ورودي توسط طراح بستگی دارد. اما براي اینکه به یک رنج اندازهگیري نامحدود برسیم براي ولتاژها و جریان هاي بالا باید در تابلو برقها از PT براي ولتاژ و CT براي جریان استفاده شود .
پایداري در برابر اغتشاشات:
یکی از بزرگترین مشکلات طراحان در پروژههاي انرژي میترینگ، عدم ثبات در برابر اغتشاشات فشار قوي میباشد. در این مورد طراح باید دقت نماید در صورت عدم ایزولاسیون مناسب بین مدار فرمان و قدرت - سیگنالهاي سه فاز - کوچکترین نوسان در مدار قدرت سبب بروز اختلال در مدار فرمان میگردد. موارد ریز دیگري هم هست که بیشتر به هنر و تجربه طراح در برخورد با پردازندهها بر میگردد. این موارد می تواند شامل نمایشگر مناسب جهت نمایش پارامترهاي انرژي، کلید جهت کنترل فرآیندها، گذرگاه ارتباطی جهت ارتباط با Server - بصورت بیسیم یا باسیم - و حافظه جانبی جهت ذخیره داده ها باشد.
