Index of /rozprawy2/10068

AKADEMIA GÓRNICZO – HUTNICZA

I

M

.

S

TANISŁAWA

S

TASZICA W

K

RAKOWIE

W

YDZIAŁ

E

LEKTROTECHNIKI

,

A

UTOMATYKI

,

I

NFORMATYKI I

E

LEKTRONIKI

mgr inż. Marcin Szlosek

Zastosowanie sieci neuronowych

do rozpoznawania zaburzeń elektromagnetycznych i pomiaru

ich ilościowych wskaźników

ROZPRAWA DOKTORSKA

P

:

dr hab. inż. Zbigniew Hanzelka, prof. AGH

Praca naukowa finansowana ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego jako projekt badawczy 3 T10A 053 30 realizowany w latach 2006 - 2008

Pragnę złożyć serdeczne podziękowania panu profesorowi Zbigniewowi Hanzelce za pomoc merytoryczną niezbędną do powstania niniejszej pracy.

S

PIS TREŚCI

S

... -

4

-

SPIS WYBRANYCH OZNACZEŃ I SYMBOLI ...5

1 W

...8

1.1

Kompatybilność elektromagnetyczna ...8

1.2

Jakość energii elektrycznej...8

1.3

Wahania napięcia...9

1.4

Ocena wahań napięcia ...10

1.5

Przedmiot, cel, teza i plan pracy...13

2

...15

2.1

Pomiar w środowisku przemysłowym...16

2.1.1

Charakterystyka punktu pomiarowego...16

2.1.2

Wartość skuteczna napięcia zasilania ...17

2.2

Wahania napięcia...21

2.2.1 Krótkookresowy wskaźnik migotania światła P

...21

2.2.2 Długookresowy wskaźnik wahań napięcia P

...24

2.2.3 Charakterystyki uporządkowane ...27

3 T

...29

3.1

Analiza możliwych konfiguracji sygnału wejściowego...29

3.2

Test 1: Według Tablicy 5, normy PN EN 61000-4-15 [69] ...31

3.3

Test 2: Zapady i wzrosty napięcia...32

3.4

Test 3: Liniowość wskazań dla modulacji przebiegiem prostokątnym ...33

3.5

Test 4: Liniowość wskazań dla modulacji przebiegiem sinusoidalnym ....35

3.6

Test 5: Skokowa zmiana fazy przebiegu ...38

3.7

Test 6: Odpowiedź miernika migotania światła na zmianę częstotliwości

przebiegu głównego...39

3.8

Test 7: Odpowiedź miernika migotania światła dla modulacji napięcia

przebiegiem sinusoidalnym o zmiennej częstotliwości ...40

4 S

–

...42

4.1

Zastosowanie sieci neuronowych w pomiarach wahań napięcia...42

4.2

Struktura sieci neuronowych zastosowanych w przyrządzie. ...42

4.3

Struktura przyrządu...43

4.4

Metodyka badań, struktura pracy ...44

4.5

Demodulacja obwiedni dla różnych sposobów modulacji (blok I)...45

Struktura sieci neuronowej w bloku I ...45

4.6

Estymacja chwilowej wartości migotania (blok II)...47

4.6.1

Struktura sieci neuronowej – zależność wyników uczenia od liczby iteracji

...50

4.6.2

Sieć neuronowa – struktura wykorzystana w dalszej części badań ...51

4.7

Uczenie sieci neuronowych wchodzących w skład przyrządu ...52

4.7.1

Pierwszy sposób uczenia ...53

4.7.2

Drugi sposób uczenia ...54

4.7.3

Trzeci sposób uczenia ...55

4.9

Zastosowanie sieci rekurencyjnych jako element estymacji chwilowej

wartości migotania (blok II) ...59

4.9.1

Wyniki symulacyjne otrzymane z zastosowaniem sieci Elmana w bloku II.

...60

4.10 Blok analizy statystycznej chwilowej wartości migotania (blok III) – sieć

rekurencyjna i sieć liniowa (porównanie) ...61

5 S

S

...63

5.1

Struktura przyrządu w środowisku dSpace...63

5.2

Odczyt danych pomiarowych z wejścia karty I/O, demodulacja obwiedni

(blok I) ...64

5.3

Analiza otrzymanych danych pomiarowych z bloku I - estymacja

chwilowej wartości migotania (blok II i III)...65

5.3.1 Pomiary laboratoryjne wahań napięcia – neuronowy miernik wahań

napięcia dSpace ...65

Test 1: Według Tablicy 5, normy IEC 61000-4-15 [45],[46] ...65

Test 2: Zapady i wzrosty napięcia (rozdział 3.3) ...65

Test 3: Liniowość dla modulacji przebiegiem prostokątnym (rozdział 3.4)...66

Test 4: Liniowość dla modulacji przebiegiem sinusoidalnym (rozdział 3.5) ...68

Test 5: Skokowa zmiana fazy przebiegu (rozdział 3.6) ...70

Test 6: Odpowiedź miernika migotania światła na zmianę częstotliwości

przebiegu głównego (rozdział 3.7) ...70

Test 7: Odpowiedź miernika migotania światła dla modulacji przebiegiem

sinusoidalnym (rozdział 3.8) ...70

5.3.2 Pomiary przemysłowe wahań napięcia ...71

Krótkookresowy wskaźnik migotania światła P

...71

Długookresowy wskaźnik migotania światła P

...74

6.

W

76

LITERATURA ...77

ZAŁĄCZNIK A

OPIS WYKORZYSTANYCH URZĄDZEŃ...81

ZAŁĄCZNIK B

KOMENTARZ FIRMY ARBITER SYSTEMS...83

ZAŁĄCZNIK C

WYNIKI POMIARÓW – ARBITER Power Sentinel 1133A ...86

ZAŁĄCZNIK D

C

...87

SPIS WYBRANYCH OZNACZEŃ I SYMBOLI

m

A

m

f - częstotliwość modulacji napięcia wejściowego miernika migotania światła

z

l - liczba zmian napięcia na minutę

u(t) - wartość chwilowa napięcia

N

U - napięcie znamionowe

m

U

∆ - głębokość modulacji napięcia wejściowego miernika migotania światła

RMS

U - wartość skuteczna napięcia

śr

U - średnia, skuteczna wartość napięcia, wyznaczona w trakcie każdej ostatniej minuty

podczas realizacji pomiaru

st

P - wskaźnik krótkookresowego migotania światła

lt

P - wskaźnik długookresowego migotania światła

s(t) - wielkość otrzymywana na wyjściu bloku 4 miernika migotania światła

p(t) - wielkość otrzymywana na wyjściu bloku 4 miernika migotania światła – wyznaczona

dla potrzeb neuronowego miernika migotania V

V ∆

- zmiany napięcia podawane w [%] (zachowano postać według [69])

( )

śr

U U t

d =∆ - względne zmiany (wahania) napięcia

CP95, CP99 - percentyle 95% i 99% wyznaczone na podstawie charakterystyk uporządkowanych

THD - współczynnik zawartości harmonicznych (THD ang. Total Harmonic Distortion)

SSN - sztuczna sieć neuronowa

UIE - Międzynarodowa Unia Elektrotechnologii

1 W

PROWADZENIE

1.1 Kompatybilność elektromagnetyczna

Rozpatrując problemy jakości energii elektrycznej, należy zauważyć, że każde urządzenie elektryczne znajduje się w pewnym środowisku elektromagnetycznym [3],[40],[41],[42],[43],[72],[92]. Dlatego też pomiędzy urządzeniem a wspomnianym środowiskiem ciągle występują pewne oddziaływania. Warto również dodać, że w chwili obecnej w coraz większej liczbie odbiorników energii elektrycznej instalowane są różnego rodzaju układy elektroniczne, będące szczególnie wrażliwymi na warunki zewnętrzne, a nasycenie systemu elektroenergetycznego niespokojnymi i nieliniowymi odbiornikami energii elektrycznej jest coraz większe. Z tego też powodu pojawiła się konieczność uregulowania relacji zachodzących pomiędzy środowiskiem elektromagnetycznym a rozważanym odbiornikiem.

Pociągnęło to za sobą wprowadzenie pojęcia kompatybilności elektromagnetycznej, co zostało uczynione przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną – International Electrotechnical Commission w roku 1976[38]:

Kompatybilność elektromagnetyczna (między urządzeniem i jego otoczeniem lub między

urządzeniami) to zdolność urządzenia do prawidłowego funkcjonowania w sposób zadowalający w danym środowisku elektromagnetycznym bez wprowadzania nadmiernych zaburzeń do tego środowiska (lub do innych urządzeń).

Takie zdefiniowanie problemu pociąga za sobą konieczność wyznaczenia poziomów emisyjności i odporności, a co za tym idzie poziomu EMC systemu [65],[66]. W celu zapewnienia przestrzegania poziomów kompatybilności Komisja Europejska wprowadziła Dyrektywę, która w sposób rygorystyczny reguluje kwestie dotyczące kompatybilności. Zawarte w niej postanowienia nakazują bezwzględne przestrzeganie norm kompatybilnościowych związanych z dyrektywą, wszystkim państwom członkowskim Unii, jak również tym podmiotom niestowarzyszonym, które chciałyby wprowadzać na unijne rynki swoje towary.

1.2 Jakość energii elektrycznej

Jakość w odniesieniu do energii elektrycznej można oceniać w oparciu o jej wskaźniki

[26],[27],[29],[30],[32],[58],[62]. Wynika to z faktu, że energia jako wielkość fizyczna jest mierzalna i można mówić o jej istnieniu i rodzajach. Pojęcie jakości w stosunku do energii, może budzić pewne wątpliwości. Jeśli jednak potraktujemy energię elektryczną jak towar, a jest nim niewątpliwie, wówczas pojęcie jakości nabiera wyraźniejszego znaczenia. Wynika to z faktu, że energia elektryczna jako towar jest sprzedawana klientowi, który spodziewa się otrzymać produkt w takiej formie, która odpowiada jego potrzebom, co jest zdefiniowane zbiorem pewnych wskaźników, charakteryzujących energię elektryczną [21],[33],[34],[64],[77],[78],[79],[98].

Niestety, na skutek zaburzeń elektromagnetycznych parametry energii elektrycznej mogą zmieniać swoje wartości, przez co będą one odbiegać od wartości znamionowych, jakie są wyznaczone w stanach ustalonych przez przebiegi sinusoidalnie zmienne, w symetrycznych układach wielofazowych.

Do parametrów energii elektrycznej mówiących o jej jakości można zaliczyć między innymi: wartość napięcia, odkształcenie sinusoidy napięcia, wahania napięcia, zmiany częstotliwości, zapady napięcia, przepięcia, asymetrię napięcia. Wskaźników tych jest znacznie więcej, jednakże w zależności od potrzeb definiującego jakość energii elektrycznej pewne z nich się pomija, lub formułuje się różną hierarchię ich znaczenia [23],[31],[37],[38],[39],[45],[73].

Inne wymagania co do energii elektrycznej będzie miał odbiorca komunalny, inne odbiorca przemysłowy, inne dostawca energii, dlatego też definicje jakości energii elektrycznej formułowane przez poszczególne grupy interesów mogą się od siebie różnić.

Należy też pamiętać, że jakość energii elektrycznej nie może być do końca kontrolowana przez jej wytwórcę, gdyż to za sprawą odbiorców na drodze przesyłu i dystrybucji energii dochodzi do jej degradacji. Z tych właśnie powodów z pośród wszystkich definicji jakości energii elektrycznej należy

wybrać taką, która będzie ujmować możliwie najszersze spektrum różnych postulatów. Za definicję najbardziej odpowiadającą temu założeniu można uznać sformułowanie zaproponowane przez Advisory Committee on Electromagnetic Compatibility (IEC)[38]:

Jakość energii elektrycznej to zbiór wskaźników opisujących właściwości procesu dostarczania energii

do użytkownika w normalnych warunkach pracy, charakteryzujących napięcie zasilające (wartości, symetrię, częstotliwość, kształt przebiegu czasowego).

Źródłami zaburzeń elektromagnetycznych [11] mogą być same odbiorniki energii elektrycznej (szeroko rozumiane przekształtniki energoelektroniczne, różnego rodzaju regulowane napędy elektryczne, zasilacze impulsowe, piece łukowe i indukcyjne, nasycone obwody magnetyczne, itp.), jak również system elektroenergetyczny. Wśród odbiorców komunalnych, w zasadzie zainstalowane są jedynie urządzenia niewielkiej mocy, jednak ich liczba powoduje wpływ na wskaźniki jakości energii elektrycznej (w bardzo wielu urządzeniach elektrycznych czy elektronicznych domowego użytku znajdują się prostowniki z mostkiem Graetz’a). Z tego właśnie względu zdarza się, że bardziej destrukcyjny wpływ na jakość energii elektrycznej mają wielkie osiedla mieszkaniowe niż zakłady przemysłowe.

Jednym z zaburzeń występujących w systemie elektroenergetycznym, analizie którego poświęcona jest dalsza część pracy są wahania napięcia i efekt migotania światła będący następstwem występowania wahań napięcia [9],[10],[12],[25],[28],[29],[30],[80],[82],[108]

1.3 Wahania napięcia

Wahania napięcia są jednym z rodzajów zaburzenia elektromagnetycznego [6],[7],[8],[53]. Są to

zmiany napięcia zawarte w przedziale ±10% względem napięcia znamionowego U i częstotliwości do N

35[Hz] [40],[41]. Można je opisać albo poprzez zakres zmian wartości skutecznej, albo obwiedni przebiegu czasowego napięcia. Można je scharakteryzować poprzez kształt wahań, amplitudę wahań, częstość, natomiast w przypadku, gdy wahania napięcia mają charakter okresowy, można mówić o częstotliwości wahań napięcia [5],[45],[46],[69].

Główną przyczyną wahań napięcia, jest zmiana w czasie mocy biernej odbiorników określanych jako niespokojne (np. piece łukowe, napędy dużej mocy), oraz procesy łączeniowe realizowane w systemie elektroenergetycznym (np. przełączanie zaczepów transformatorów pod obciążeniem, przyłączanie baterii kondensatorów, itp.) [93],[94],[95],[96],[97],[106],[107],[109].

Skutki wahań napięcia są niekorzystne zarówno dla urządzeń zasilanych takim napięciem, jak i dla człowieka. Dla silnika asynchronicznego takie zaburzenie jest powodem zmian momentu, co w konsekwencji wpływa na poślizg, a więc i proces technologiczny, którego elementem jest silnik. W skrajnych przypadkach wahania napięcia mogą wzmacniać drgania mechaniczne, co bardzo niekorzystnie wpływa na żywotność silnika, a szczególnie jego łożyska. Dla prostownika sterowanego fazowo z układem stabilizacji parametrów po stronie stałoprądowej wahanie napięcia może być przyczyną zmniejszenia współczynnika mocy, generowania harmonicznych nie charakterystycznych, lub w przypadku napędu prądu stałego ze sterowanym fazowo prostownikiem tyrystorowo w procesie hamowania może doprowadzić do przerzutu falownikowego. Z kolei w elektrotermii wahania napięcia powodują zmniejszenie wydajności procesu technologicznego, np. poprzez wydłużenie czasu wytopu w piecu łukowym.

Jednak głównym skutkiem wahań napięcia, jest zjawisko migotania światła, które ujawnia się przez bezpośredni negatywny wpływ na organizm człowieka. Zjawisko to (ang. flicker) jest subiektywnym odczuciem zmian strumienia świetlnego, którego luminancja ulega zmianom w czasie. Efektem tego jest zakłócenie procesu widzenia, który zachodzi w układzie oko – mózg. Migotanie światła powoduje u człowieka złe samopoczucie, szybsze zmęczenie, znużenie, problemy z koncentracją, czy wręcz pogorszenie widzenia (zaburzony proces akomodacji), co szczególnie występuje w czasie czytania lub oglądania telewizji. Bardziej zauważalne jest migotanie światła w widzeniu bocznym, niż przy patrzeniu na wprost postrzeganego obiektu.

Skutki oddziaływania migotania światła na organizm człowieka, zależą od amplitudy zmian strumienia świetlnego – a więc amplitudy zmian napięcia, czasu trwania zjawiska, oraz sekwencji powtórzeń. Ze względu na specyfikę pracy mózgu ludzkiego, którego reakcja ma charakter inercyjny, można powiedzieć, że szybkie zmiany bodźca świetlnego zostaną wygładzone (następujące po sobie w krótkim okresie czasu zmiany strumienia świetlnego, zostaną wychwycone przez mózg jako jedna zmiana – agregacja czasowa), natomiast zmiany występujące w większych odstępach czasu będą rejestrowane jako oddzielne. Czułość na zmiany strumienia świetlnego jest zależna od czasu ich trwania –

bardziej zauważalne są takie zmiany, gdy po krótkim zaburzeniu strumienia świetlnego nastąpi dłuższa przerwa. Jednak są to pewne uogólnienia, gdyż całe zjawisko, z założenia jest subiektywne i inaczej odczuwane przez każdego człowieka.

Badania tego zjawiska prowadzone na grupach ludzi, reprezentatywnych dla populacji dały możliwość sformułowania pewnych wniosków [12]:

• samo zjawisko migotania jest postrzegane jedynie w ograniczonym zakresie zmian

strumienia świetlnego (0,05 – 35 [Hz]),

• dla każdej częstotliwości zmian strumienia świetlnego, istnieje pewna dolna granica amplitudy zmian, poniżej której człowiek nie dostrzega migotania,

• największą uciążliwość sprawia migotanie światła o częstotliwości zmian strumienia 8,8 [Hz]

• zjawisko migotania światła jest bardziej odczuwalne przez obserwatora w przypadku okresowych wahań napięcia wywołanych prostokątnym sygnałem modulującym (niż w przypadku sinusoidalnego sygnału modulującego).

Ograniczanie wahań napięcia nie jest procesem łatwym, co więcej, całkowite jego wyeliminowanie w zasadzie nie jest możliwe, ze względu na istnienie w sieci tzw. tła wahań napięcia, będącego wynikiem procesów regulacyjnych prowadzonych w systemie elektroenergetycznym, oraz oddziaływania różnych odbiorców na sieć zasilającą. Wyeliminowanie wahań napięcia jest możliwe jedynie w przypadku układów zasilania które pracują w sposób niezależny od pozostałej części systemu elektroenergetycznego – np. układy bezprzerwowego zasilania, układy zasilania awaryjnego, autonomiczne systemy zasilania [25],[50],[81],[83].

Zmniejszanie wahań napięcia realizuje się na w zasadzie na dwa sposoby:

• poprzez ograniczenie zakresu zmian mocy biernej – uzyskiwane dzięki zastosowaniu

dynamicznych kompensatorów mocy biernej (w przypadku wahań wywołanych zmianami mocy biernej),

• poprzez zmniejszenie amplitudy i liczby wahań napięcia – uzyskiwane na drodze

ingerencji w proces technologiczny (w przypadku pieca łukowego będzie to właściwa praca automatyki przesuwu elektrod, dodanie szeregowego dławika, segregacja i wstępne przygotowanie wsadu, domieszkowanie elektrod, stosowanie pieców łukowych prądu stałego itp.)

1.4 Ocena wahań napięcia

Oceny wahań napięcia można dokonać na dwa sposoby [67],[69],[69],[74]. Sposób bezpośredni polega na ilościowym oszacowaniu zjawiska, na podstawie czasowej zmiany wartości skutecznej lub obwiedni przebiegu czasowego napięcia. Bada się wówczas amplitudę wahań, częstość wahań napięcia lub energetyczną dawkę wahań napięcia [1],[2],[9],[10],[53]. Dodatkowo uwzględnia się czas trwania, oraz odstępy czasu pomiędzy kolejnymi zmianami napięcia [71].

Sposób pośredni polega na pomiarze zjawiska migotania światła, które jest wywołane wahaniami napięcia. Celem pomiarowej oceny tego zjawiska jest określenie stopnia ludzkiej irytacji wywołanej zmianami strumienia świetlnego [59],[60]. W tym procesie można wyróżnić trzy zasadnicze elementy: źródło napięcia o zmiennej wartości, oko ludzkie i realizujący się w nim proces postrzegania oraz mózg z jego nieliniowymi (w funkcji częstotliwości) reakcjami [51]. Dostępny do pomiarowej oceny jest tylko pierwszy składnik, pozostałe muszą zostać zamodelowane. Tylko wówczas, gdy modelowanie tego złożonego układu będzie poprawne, możliwe będzie wskazywanie zależności pomiędzy wahaniami napięcia, a stopniem ludzkiej irytacji.

Wszystkie te fakty, oraz cała złożoność procesu fizjologicznego postrzegania, zostały uwzględnione przy tworzeniu miernika migotania [14],[15] UIE (Międzynarodowa Unia Elektrotechnologii). Umożliwia on ocenę zjawiska migotania światła niezależnie od kształtu wahań napięcia i źródła zaburzenia. Opracowana specyfikacja techniczna została poddana międzynarodowej dyskusji w ramach IEC i opublikowana jako norma PN-EN 61000-4-15 [69].

Na rysunku 1.1 przedstawiono uproszczony schemat blokowy urządzenia umożliwiającego pomiar migotania światła.

8,8Hz

Blok 1 Blok 2 Blok 3 Blok 4 Blok 5

x

x

u(t)

s(t)

P

P

Rys. 1.1 Schemat blokowy miernika migotania światła

W strukturze miernika można wyróżnić pięć bloków funkcjonalnych, wśród których model układu: żarowe źródło światła – oko ludzkie – mózg reprezentują bloki 2, 3, 4.

Blok 1

Z sygnału proporcjonalnego do zmiennej w czasie wartości chwilowej napięcia zasilającego )

(t

u uzyskiwana jest informacja o względnych zmianach (wahaniach) napięcia

( )

śr

U U t

d =∆ , gdzie U śr

jest średnią skuteczną wartością napięcia wyznaczoną w trakcie każdej ostatniej minuty podczas realizacji pomiaru. Pozwala to na śledzenie wolnych zmian spowodowanych np. procesami regulacji napięcia realizowanymi w systemie zasilającym. Nie są one postrzegane jako migotanie, ponieważ oko ludzkie może je łatwo śledzić poprzez zmianę średnicy źrenicy. Układ wejściowy w bloku 1 zapewnia również odpowiedni poziom izolacji przyrządu oraz skalowanie sygnału wejściowego do bloku 2. Zawiera również generator sygnałów dla kalibracji miernika.

Blok 2

Użytecznym sygnałem dla przyrządu jest względna zmiana napięcia, która może być interpretowana jako sygnał modulujący nałożony na 50 [Hz] przebieg nośny. Zachodzi potrzeba wyznaczenia sygnału modulującego, stąd obecność demodulatora w schemacie blokowym miernika. Podnoszenie do kwadratu sygnału wejściowego jest równoznaczne z odtworzeniem kwadratu wartości skutecznej sygnału, co w sposób bezpośredni można odnieść do mocy żarowego źródła światła. Użycie „kwadratowego” demodulatora jest uzasadnione łatwością jego technicznej realizacji oraz zadowalającą skutecznością działania.

Blok 3

Pierwszy filtr eliminuje składową stałą i podwaja składowe zmienne o częstotliwości sieci występujące na wyjściu demodulatora. Charakterystyka częstotliwościowa układu: żarowe źródło światła (230V, 60W – parametry, które uznano za najbardziej powszechne w Europie), oko ludzkie, została odtworzona w przyrządzie za pomocą filtru pasmowo-przepustowego 4 rzędu.

Blok 4

Model percepcji wzrokowej zawiera, prócz filtru ważonego (blok 3), również funkcję podnoszenia do kwadratu oraz funkcję „wygładzania” tak otrzymanego sygnału, realizowaną za pomocą filtru dolnoprzepustowego pierwszego rzędu o stałej czasowej, wynoszącej 300 [ms]. Wyjście z bloku 4 – sygnał proporcjonalny do zmian napięcia, zależny od czułości układu: żarówka – oko – mózg, reprezentuje chwilowy poziom migotania. Jest on przekształcony w wartość względną w efekcie podzielenia przez wartość odpowiadającą progowi postrzegania migotania światła. Wartość sygnału wyjściowego bloku 4 większa od 1 oznacza, że intensywność migotania przekroczyła poziom postrzegania i może być uciążliwa lub nawet nietolerowana.

Blok 5

Ze znajomości mechanizmu postrzegania wynika, że migotanie powinno być oceniane w odpowiednio znaczącym okresie. Dodatkowo, ze względu na losowy charakter zjawiska, należy założyć, że w czasie obserwacji chwilowa wartość będzie się zmieniała w szerokim przedziale wartości w sposób losowy. Wynika stąd potrzeba oceny statystycznej i kontroli nie tylko maksymalnego poziomu, lecz także, przez jaki okres trwania pomiaru [%] zadany poziom migotania jest przekroczony. Analiza statystyczna wymaga zatem ustalenia relacji pomiędzy liczbowymi wartościami określającymi poziomy migotania i czasami ich występowania. W tym celu, na podstawie sygnału wyjściowegos

( )

oraz wskaźnik długookresowego migotania światła – Plt. Te dwie wielkości tworzą bezwymiarowe

jednostki zaakceptowane przez międzynarodową społeczność naukową. Wartość Pst=1 odpowiada

progowi postrzegania, granicy migotania, która nie powinna być przekroczona, aby nie powodować

dyskomfortu obserwatora. Ustalenie wartości Pst wymaga pomiaru chwilowych poziomów migotania

i ich klasyfikacji wg wartości, oraz wyznaczenia tzw. charakterystyki uporządkowanej.

Podstawą określenia wartości poziomu migotania może być cykl pracy zaburzającego odbiornika. Uwzględniając jednakże dużą ich różnorodność należało znaleźć pewną wspólną miarę czasu. Przyjęto dwa przedziały obserwacji:

• krótki okres obserwacji wynoszący dziesięć minut; jest to czas dostatecznie długi, aby krótkotrwałe, sporadycznie występujące zmiany napięcia nie miały zbyt znaczącego wpływu na ostateczny wynik pomiaru, a wystarczająco krótki, aby umożliwić szczegółowy opis odbiornika zaburzającego o długim cyklu pracy (w tym czasie wyznacza się Pst);

• długi czas obserwacji wynoszący dwie godziny; jest to czas dostatecznie długi, aby umożliwić analizę odbiorników przemysłowych charakteryzujących się z reguły długim cyklem pracy, szczególnie o losowym jego charakterze (w tym czasie wyznacza się Plt).

Te dwa wskaźniki dają bardzo różny wgląd w zjawisko migotania światła i gwarantują komplementarność oceny zaburzenia w punkcie pomiarowym.

Wskaźnik krótkookresowego migotania światła Pst wyznaczany jest zgodnie z zależnością:

50 50 10 10 3 3 1 1 1 , 0 1 , 0 P kP kP k P k P k Pst= + + + + (1.1) gdzie: 50 1 , 0 k

k K stanowią współczynniki wagowe, których wartości wynikają z przyjętych procedur

obliczeniowych, natomiast 50 1 , 0 P

P K to poziomy migotania (wartości sygnałów wyjściowych z bloku 4), dla których

określone jest prawdopodobieństwo ich przekroczenia.

Jako wystarczające (z praktycznego punktu widzenia) uznano 5 poziomów nazywanych inaczej percentylami (ang. gauge points):

1 , 0

P – poziom przekroczony w trakcie 0,1% czasu obserwacji; współczynnik wagi k0,1=0,0314;

1

P – poziom przekroczony w trakcie 1% czasu obserwacji; współczynnik wagi k1=0,00525;

3

P – poziom przekroczony w trakcie 3% czasu obserwacji; współczynnik wagi k3=0,0657;

10

P – poziom przekroczony w trakcie 10% czasu obserwacji; współczynnik wagi k10=0,28;

50

P – poziom przekroczony w trakcie 50% czasu obserwacji; współczynnik wagi k50=0,08;

Wszystkie współczynniki wagowe są dodatnie, co gwarantuje stabilność wyznaczonych na ich podstawie wskaźników migotania.

Badania praktyczne wykazały, że w pewnych przypadkach, w następstwie głównie operacji łączeniowych, w systemie może wystąpić skokowa, znacząca zmiana wartości jednego z percentyli i w konsekwencji znacząca zmiana wartości wskaźnika migotania. Mimo że takie przypadki w praktyce należą do rzadkości, uwzględniono je również w metodzie pomiarowej. W tym celu dla wyznaczenia przyjętych poziomów uwzględniono dodatkowe punkty pomocnicze na charakterystyce uporządkowane, uzyskując w ten sposób tzw. „gładzone" wartości, a więc o większym stopniu odporności na nagłe zmiany stanu pracy źródeł wahań napięcia. Indeks (s) wskazuje, że dany percentyl podlega operacji

„wygładzenia” na podstawie następujących zależności:

3 5 , 1 1 7 , 0 1 1 P P P P P s + + = = (1.2) 3 4 3 2 , 2 3 3 P P P P P s + + = = (1.3)

5 17 13 10 8 6 10 10 P P P P P P P s + + + + = = (1.4) 3 80 50 30 10 50 P P P P P s + + = = (1.5)

przy czym P K0,7 P80 oznaczają poziomy migotania, których wartości są przekroczone odpowiednio

w ciągu 0 K,7 80% czasu obserwacji. Percentyl P0,1 nie może zmieniać nagle swojej wartości ze względu

na 0,3-sekundową stałą czasową, przyjętą w mierniku (blok 4 w schemacie miernika migotania światła jak na rys. 1.1). Nie wymaga więc dodatkowej operacji gładzenia.

Wskaźnik długookresowego migotania światła Plt otrzymuje się analizując zbiór

dziesięciominutowych wartości Pst. Wartość Plt wyznaczana jest zgodnie z zależnością:

3 1 3 , N P P N i i st lt

∑

w której Pst,i są kolejnymi wartościami Pst w rozważanym czasie obserwacji zjawiska. Powszechnie

przyjmuje się wartość N =12. Oznacza to, że długookresowy wskaźnik migotania światła Plt

wyznaczany jest na podstawie pierwiastka 3-go rzędu z 12 kolejnych wskaźników krótkookresowego migotania światła Pst w ciągu dwóch godzin.

Wskaźnik długookresowy migotania światła Plt, wyznaczany co 2h zgodnie z zależnością (1.6),

jest właściwy do oceny zaburzeń będących efektem pracy pojedynczych odbiorników (np. pomp, sprzętu domowego), jak również w przypadku oceny zaburzenia powodowanego sumaryczną pracą kilku odbiorników o losowym charakterze lub pracą odbiornika o długim cyklu technologicznym (np. pieca łukowego) [18],[54],[55],[56].

1.5 Przedmiot, cel, teza i plan pracy

Według stanu wiedzy autora, wszystkie dostępne na rynku analizatory wskaźników jakości energii elektrycznej, mające jako opcję pomiar wskaźników migotania światła, zbudowane w oparciu o normę PN EN 61000-4-15, opierają się wprost na przytoczonym w tejże normie schemacie funkcjonalnym i w oparciu o zawarte w normie parametry filtrów. Dostępne na rynku analizatory energii elektrycznej – mierniki wahań napięcia, są drogie i wykazane zostały rozbieżności w wynikach otrzymywanych podczas pomiarów porównawczych [4]. Wynika to niejednokrotnie z rozbieżności w interpretacji wymagań projektowych stawianych przez normę, jak również z zastosowania techniki cyfrowej, podczas gdy dokument PN EN 61000-4-15 w starszych wydaniach normy wyraźnie stanowi o analogowym rozwiązaniu miernika wahań napięcia.

Rozbieżności w wynikach pomiarowych wahań napięcia [69], stały się czynnikiem który, po analizie możliwych przyczyn, zainspirował do podjęcia prac nad innym podejściem do problemu pomiaru jednego z wskaźników jakości energii elektrycznej – wahań napięcia.

Prowadząc rozważania nad możliwością alternatywnej metody pomiaru wahań napięcia, należy mieć na uwadze kilkunastoletnie funkcjonowanie dokumentu normalizującego, oraz istnienie na rynku szeregu analizatorów funkcjonujących w oparciu o ten dokument. Dlatego celem prac nie było proponowanie nowego wskaźnika służącego do pomiaru wahań napięcia, zmieniającego całe dotychczasowe doświadczenia w tej kwestii.

Ideą autora było takie podejście do problemu, aby działając w oparciu o normę [69] zaproponować zastąpienie szeregu bloków funkcyjnych istniejących jako nieodzowna część miernika wahań napięcia, jednym blokiem który należałoby potraktować jako „czarną skrzynkę” z zachowaniem charakterystyki przejścia pomiędzy wyjściem i wejściem miernika.

Problem z pomiarami wahań napięcia, a konkretnie z miernikiem migotania światła którego specyfikacja konstrukcyjna zawarta została w normie IEC 61000-4-15, jest datowany od początku jego istnienia. Wielokrotne pomiary, w tym także przeprowadzone przez autora, których rezultaty zostały opisane w publikacjach [4],[24],[25],[28],[35],[36],[76],[77],[99],[100],[101], wykazały że miernik migotania światła w swojej obecnej postaci jest niedoskonały. Prace prowadzone w międzynarodowych komitetach

normalizacyjnych mające na celu opracowanie dodatkowych procedur testowych weryfikujących poprawność wskazań miernika migotania światła [48],[49] powodują, że mnogość występujących testów niejednokrotnie uniemożliwia podjęcie decyzji o wyborze konkretnego urządzenia potencjalnemu użytkownikowi miernika migotania światła. Z kolei wieloletni proces normalizacyjny i różnorodność występujących mierników uniemożliwia wprowadzenie nowego rozwiązania – opartego na zupełnie zmienionym algorytmie pomiaru. Dlatego autor stawia tezę i w bieżącej pracy będzie udowadniał, że:

Istnieje możliwość skonstruowania, w oparciu o sztuczną sieć neuronową, analizatora jakości energii elektrycznej – na przykładzie jednego z wskaźników jakości energii elektrycznej – wahań napięcia, z zachowaniem charakterystyk wejściowo/wyjściowych miernika migotania zbudowanego w oparciu o normę IEC 61000-4-15.

W celu udowodnienia powyższej tezy, autor przyjął następujący plan pracy:

W pierwszym etapie dokonano przeglądu dostępnych na rynku konstrukcji analizatorów dysponujących funkcją pomiaru wahań napięcia. Przeprowadzono szereg testów laboratoryjnych i przemysłowych mających na celu wykazanie istotnych rozbieżności pomiędzy funkcjonującymi konstrukcjami zbudowanymi w oparciu o normę [69], jak również potwierdzających zasadność prac nad nową koncepcja miernika migotania światła zbudowanego w oparciu o standard [69]. Należy zauważyć, że standardowy test całego przyrządu, zawarty w normie [69] mający na celu określenie poprawności pracy urządzenia składa się z sześciu punktów testowych. W porównaniu z liczbą i różnorodnością przeprowadzonych testów laboratoryjnych, których wytyczne zaczerpnięte zostały z materiałów przygotowanych przez grupę robocza CIGRE, test zawarty w normie wydaje się być niewystarczającym do określenia przydatności miernika migotania światła, z punktu widzenia potencjalnego użytkownika. Wyniki badań autora zostały przedstawione w następujących pracach: [75], [98], [101]

Kolejnym etapem pracy była aplikacja miernika migotania światła w środowisku sieci neuronowych. Sama aplikacja miernika została poprzedzona analizą dostępnych struktur sieci neuronowych i ich ewentualną późniejszą przydatnością do rozwiązania postawionego problemu. Przeprowadzono szereg symulacji z różnymi konfiguracjami sieci i różnymi wariantami uczenia sieci neuronowej.

Końcowym etapem realizacji pracy było przejście ze środowiska symulacyjnego do układu służącego prototypowaniu urządzeń elektronicznych, zdolnego za do analizy sygnałów otrzymywanych w danym punkcie systemu elektroenergetycznego. Powstały miernik został przebadany w warunkach laboratoryjnych z wykorzystaniem szeregu testów, analogicznie jak to miało miejsce w przypadku tradycyjnych przyrządów w pierwszym etapie prac. Ponadto miernik został poddany próbie pomiarowej w warunkach przemysłowych na stacji 110/30/15 [kV] w Krakowie Bieżanowie.

2

BADANIA PORÓWNAWCZE WAHAŃ NAPIĘCIA

W Hucie Mittal Steel Poland S.A. - Odział Kraków przeprowadzone zostały pomiary krótkookresowego i długookresowego wskaźnika migotania światła [4]. Pomiary zostały przeprowadzone z wykorzystaniem kilku przyrządów skonstruowanych w oparciu o przepisy normy [69]. Mierniki biorące udział w eksperymencie zostały przyłączone w jednym punkcie pomiarowym w linii zasilającej napędy walcowni. Czas trwania eksperymentu wynosił pięć godzin, od 11:00 do 16:00. Przyrządy pomiarowe były przyłączone na poziomie średniego napięcia 6[kV] przez przekładnik o napięciu fazowym strony wtórnej

3 100

[V]. W eksperymencie wykorzystano urządzenia pomiarowe dostępne na rynku, oraz przyrządy konstrukcji własnej. Wykaz wszystkich przyrządów biorących udział w pomiarach przedstawiono w tabeli 2.1.

Tab. 2.1 Przyrządy biorące udział w eksperymencie w Mittal Steel Poland S.A. - Odział Kraków

Oznaczenie Nazwa przyrządu Producent

Przyrząd 1 (P1) MEF Panensa SA

Przyrząd 2 (P2) Memobox 686 LEM Instruments

Przyrząd 3 (P3) konstrukcja własna Politechnika Łódzka

Przyrząd 4 (P4) konstrukcja własna Instytut Elektrotechniki - Gdańsk

Przyrząd 5 (P5) Memobox 800 LEM Instruments

Przyrząd 6 (P6) Power Recorder 1650 RPM

Przyrząd 7 (P7) konstrukcja własna AGH - Kraków

Przyrząd 8 (P8) Oscillostore P513 Siemens

Przyrząd 9 (P9) Memobox 686 LEM Instruments

Przyrząd 10 (P10) konstrukcja własna Wyższa Szkoła Morska - Gdynia

Minimalne i maksymalne wartości krótkookresowego wskaźnika migotania światła zarejestrowane przez poszczególne mierniki zamieszczono w tabeli 2.2.

Wartości długookresowego wskaźnika migotania światła, uzyskane po upływie 2 i 4 godzin zamieszczono w tabeli 2.3.

Tab. 2.2 Wartości minimalne i maksymalne Pst [4]

Symbol miernika Pst min Pst max Przyrząd 1 0,12 0,48 Przyrząd 2 0,83 1,04 Przyrząd 3 0,27 1,33 Przyrząd 4 0,19 1,05 Przyrząd 5 0,82 1,1 Przyrząd 6 0,36 0,55 Przyrząd 7 0,2 1,09 Przyrząd 8 0,12 0,5 Przyrząd 9 0,15 0,54 Przyrząd 10 0,17 0,46 Przyrząd 1 _{Przyrząd 2}

Przyrząd 3 Przyrząd 4 Przyrząd 5 _{Przyrząd 6}

Przyrząd 7 Przyrząd 8 _{Przyrząd 9} Przyrząd 10 Pst min Pst max 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 W sk aź n ik m ig o ta n ia ś w ia tł a Ps t

Tab. 2.3 Wartości Plt uzyskanego po 2h i 4h pomiarów [4] Symbol miernika [Plt]2h [Plt]4h Przyrząd 1 0,22 0,25 Przyrząd 2 0,94 0,94 Przyrząd 3 0,65 0,97 Przyrząd 4 0,64 brak Przyrząd 5 0,94 brak Przyrząd 6 0,42 0,42

Przyrząd 7 brak brak

Przyrząd 8 0,23 0,26

Przyrząd 9 0,16 0,31

Przyrząd 10 brak brak

Przyrząd 1 Przyrząd 2 _{Przyrząd 3}

Przyrząd 4 Przyrząd 5 _{Przyrząd 6}

Przyrząd 7 _{Przyrząd 8} Przyrząd 9 _{Przyrząd 10 [Plt]} 2h[Plt]4h 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 W sk aź n ik m ig o ta n ia ś w ia tł a P lt

Widać, że wskazania Pst poszczególnych przyrządów różnią się od siebie w sposób znaczący.

Można jednak wybrać 3 grupy przyrządów, których wskazania Pst są do siebie zbliżone. Było tak

w przypadku przyrządów: P4 i P7, P2 i P5 oraz P1, P8 i P9. Wskazania mierników P2 i P5 cechuje dobra

powtarzalność wyników, ale zastanawiającym był fakt otrzymywania takich samych wartości Pst podczas

pracy walcowni, jak również podczas biegu jałowego [4].

Wartości długookresowego wskaźnika migotania światła odczytano bezpośrednio z mierników posiadających funkcję pomiarową Plt, lub uzyskano korzystając z pomiarów Pst zgodnie ze wzorem (1.6)

Jak widać w tabeli 2.3 wartości długookresowego wskaźnika migotania światła Plt, różnią się od siebie.

Rezultaty testów przeprowadzonych w Hucie Mittal Steel Poland S.A. - Odział Kraków, okazały się na tyle interesujące, że postanowiono sprawdzić, czy powodem rozbieżności wskazań przyrządów nie była sama norma [69], według której przyrządy te zostały skonstruowane. Postanowiono kontynuować badania, czego efektem było przeprowadzenie testów laboratoryjnych oraz kolejny pomiar w warunkach przemysłowych.

2.1 Pomiar w środowisku przemysłowym [75],[76],[99],[100],

[101]

Pomiary w środowisku przemysłowym przeprowadzono w Hucie Zawiercie S.A. Zamierzeniem testu było porównanie wskazań przyrządów mierzących wahania napięcia na szynach zasilających elektrostalownię w tej hucie. Schemat rozdzielni wraz z zaznaczonym miejscem podłączenia poszczególnych mierników przedstawiono na rysunku 2.1.

2.1.1 Charakterystyka punktu pomiarowego

Punkty pomiarowe usytuowane zostały po stronie wtórnej transformatora zasilającego, na

poziomie napięcia międzyfazowego URMS = 30[kV]. Przyrządy biorące udział w pomiarach,

wyszczególnione w tabeli 2.1, zostały podłączone poprzez przekładniki napięciowe o wartości napięcia strony wtórnej 100[V].

Rys. 2.1 Schemat ideowy rozdzielni w elektrostalowni Huty Zawiercie [75],[76],[99],[100],[101]

Tab. 2.4 Wykaz przyrządów biorących udział w pomiarach w Hucie Zawiercie [75],[76],[99],[100],[101]

Oznaczenie Nazwa przyrządu Użytkownik

Przyrząd 1 Arbiter Systems 1133A Power Measurement

Przyrząd 2 ION 7600 Power Measurement

Przyrząd 3 Memobox 800Q Zakład metrologii – AGH

Przyrząd 4 Power Recorder 1650 KANiUP – AGH

Przyrząd 5 Topas 1000 KANiUP – AGH

Przyrząd 6 Mavowatt 45 Zakład Elektroenergetyki – AGH

Przyrząd 7 MEF Politechnika Radomska

Przyrząd 8 konstrukcja własna Instytut Elektrotechniki – Gdańsk

Przyrząd 9 Oscillostore P513 Instytut Elektroenergetyki – Warszawa

Przyrząd 10 Qwave Politechnika Radomska

Pomiar trwał przez okres siedmiu dni. Synchronizację pomiarów poszczególnych przyrządów zrealizowano poprzez zsynchronizowanie wewnętrznych zegarów mierników oraz zegarów komputerów wykorzystanych w trakcie pomiarów względem GPS. Przyrządy biorące udział w pomiarach poza

krótkookresowym wskaźnikiem migotania światła Pst dokonywały pomiaru:

• wartości skutecznej napięcia i prądu

• mocy czynnej i biernej (podstawowa harmoniczna)

• THD

2.1.2 Wartość skuteczna napięcia zasilania

Pomiary wartości skutecznej napięcia wykonano zgodnie z normą PN EN 61000-4-30 [71] Przebieg zmian wartości skutecznej napięcia zasilania w trakcie trwania całego eksperymentu przedstawiono na rysunku 2.2 Można zaobserwować różnicę wartości skutecznej napięcia w trakcie trwania pomiaru. Zaznacza się również asymetria pomiędzy poszczególnymi fazami w napięciu zasilania. Aby dokładniej zaobserwować te różnice wybrano dwa przedziały czasu, w których powiększono otrzymane przebiegi.

Na rysunku 2.3 przedstawiono przebieg napięcia w przedziale od godziny 17:20 do 17:20 następnego dnia, natomiast na rysunku 2.4 od godziny 00:00 do 12:00. W obydwóch przypadkach wyraźnie widać, że napięcie w fazie L2 było największe, natomiast w fazie L1 najmniejsze. Maksymalna

różnica między skrajnymi napięciami wynosi około 100 [V]. Taka sytuacja może być wynikiem nierównomiernego obciążenia poszczególnych faz.

Rys. 2.2 Przebieg zmian wartości skutecznej napięcia w fazach L1, L2, L3 - przyrząd 1 17,8 17,9 18 18,1 18,2 18,3 18,4 18,5 18,6 18,7 02-0 1 17 :20 18:2 0 19:2 0 20:2 0 21:2 0 22:2 0 23:2 0 00:2 0 01:2 0 02:2 0 03:2 0 04:2 0 02-0 2 05 :20 06:2 0 07:2 0 08:2 0 09:2 0 10:2 0 11:2 0 12:2 0 13:2 0 14:2 0 15:2 0 02-0 2 16 :20 t L1 L2 L3 URMS [kV]

Rys. 2.3 Zmiany wartości skutecznej napięcia w czasie 24h (rys. 2.2) - przyrząd 1

18 18,05 18,1 18,15 18,2 18,25 18,3 18,35 18,4 18,45 02-0 4 00 :00 00:3 0 01:0 0 01:3 0 02:0 0 02:3 0 03:0 0 03:3 0 04:0 0 04:3 0 05:0 0 05:3 0 02-0 4 06 :00 06:3 0 07:0 0 07:3 0 08:0 0 08:3 0 09:0 0 09:3 0 10:0 0 10:3 0 11:0 0 02-0 4 11 :30Czas L1 L2 L3 URMS [kV]

Rys. 2.4 Zmiany wartości skutecznej napięcia w czasie 12h (rys. 2.2) - przyrząd (1)

Dla porównania wskazań testowanych przyrządów na rysunku 2.5 zestawiono wskazania wartości skutecznej napięcia fazy L1 zmierzone przez poszczególne mierniki. Przyrządy (6), (7), i (8) nie mierzyły

Rys. 2.5 Zmiany wartości skutecznej napięcia w całym okresie pomiaru 17,7 17,8 17,9 18,0 18,1 18,2 18,3 18,4 18,5 02-0 1 7: 00 08:0 0 09:0 0 10:0 0 11:0 0 12:0 0 13:0 0 14:0 0 15:0 0 16:0 0 17:0 0 18:0 0 02-0 1 19 :00 20:0 0 21:0 0 22:0 0 23:0 0 00:0 0 01:0 0 02:0 0 03:0 0 04:0 0 05:0 0 02-0 2 6: 00 t UL1 [kV] Przyrząd 1 Przyrząd 2 Przyrząd 3 Przyrząd 4 Przyrząd 5 Przyrząd 9 Przyrząd 10

Rys. 2.6 Zmiany wartości skutecznej napięcia w wybranych 24h (rys. 2.5)

18,05 18,10 18,15 18,20 18,25 18,30 18,35 18,40 02-0 5 8: 00 08:3 0 09:0 0 09:3 0 10:0 0 10:3 0 11:0 0 11:3 0 12:0 0 12:3 0 13:0 0 13:3 0 02-0 5 14 :00 14:3 0 15:0 0 15:3 0 16:0 0 16:3 0 17:0 0 17:3 0 18:0 0 18:3 0 19:0 0 02-0 5 19 :30 t UL1 [kV] Przyrząd 1 Przyrząd 2 Przyrząd 3 Przyrząd 4 Przyrząd 5 Przyrząd 9 Przyrząd 10

Rys. 2.7 Zmiany wartości skutecznej napięcia w czasie wybranych 12h (rys. 2.5)

Na rysunku 2.6 przedstawiono wybraną dobę z całego okresu pomiaru. Można zauważyć, że wyodrębniły się dwie grupy przyrządów, dla których przebiegi napięć są zbliżone. Aby dokładniej

zaobserwować różnice we wskazaniach poszczególnych grup przyrządów przedstawiono przedział obejmujący 12h – rysunek 2.7.

Wyraźnie widać, że przyrządy (1), (2), (3) i (5) wskazują niemalże te same wartości w całym przedstawionym okresie pomiarowym, natomiast przyrządy (4), (9) i (10) dają wskazanie nieco mniejsze. Dodatkowo pomiędzy wskazaniami tych ostatnich występują różnice.

Na rysunkach 2.8, 2.9 i 2.10 przedstawiono przebiegi maksymalnej i minimalnej wartości skutecznej napięcia, otrzymane na wyjściach wszystkich testowanych przyrządów – czas uśredniania 10min. Rysunek 2.8 przedstawia zakres zmian mierzonej wartości skutecznej napięcia w fazie L1. Kolejne

rysunki przedstawiają odpowiednie przebiegi dla fazy L2 (rysunek 2.9) oraz L3 (rysunek 2.10). Analizując

dane liczbowe można stwierdzić, że największe rozbieżności pomiędzy wartościami napięć otrzymanymi na wyjściu poszczególnych przyrządów, występują w fazie L2. W tabeli 2.5 zamieszczono najmniejsze

i największe różnice wskazań przyrządów w poszczególnych fazach. Maksymalne różnice pomiędzy uzyskanymi wynikami występują w okresie załączania pieca przy obniżonej wartości napięcia zasilania.

16,50 16,75 17,00 17,25 17,50 17,75 18,00 18,25 18,50 18,75 01-3 0 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 01-3 1 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 02-0 1 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 02-0 2 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 02-0 3 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 02-0 4 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 02-0 5 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 t UL1 [kV] maksimum minimum

Rys. 2.8 Przedział zmienności wartości skutecznej napięcia w fazie L1

16,50 16,75 17,00 17,25 17,50 17,75 18,00 18,25 18,50 18,75 01-3 0 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 01-3 1 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 02-0 1 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 02-0 2 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 02-0 3 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 02-0 4 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 02-0 5 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 t UL2 [kV] maksimum minimum

16,50 16,75 17,00 17,25 17,50 17,75 18,00 18,25 18,50 18,75 01-3 0 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 01-3 1 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 02-0 1 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 02-0 2 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 02-0 3 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 02-0 4 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 02-0 5 13 :10 19:1 0 01:1 0 07:1 0 t UL3 [kV] maksimum minimum

Rys. 2.10 Przedział zmienności wartości skutecznej napięcia w fazie L3

Tab. 2.5 Wykaz ekstremalnych rozbieżności wyników pomiaru napięcia uzyskanych za pomocą różnych przyrządów

Faza L1 Faza L2 Faza L3

Rodzaj

ekstremum Wartość Chwila wystąpienia Wartość Chwila wystąpienia Wartość Chwila wystąpienia

Minimum 0,06 [kV] 12:20 02-02 0,09 [kV] 6:10 31-01 0,07 [kV] 3:30 05-02

Maksimum 1,2 [kV] 23:10 04-02 1,24 [kV] 23:10 04-02 1,25 [kV] 23:10 04-02

2.2 Wahania napięcia [75],[76],[99],[100],[101]

2.2.1 Krótkookresowy wskaźnik migotania światła P

Na rysunkach 2.11 i 2.14 przedstawiono przebieg zmian Pst w trakcie całego pomiaru. Dla

dokładniejszego zilustrowania wyników pewne fragmenty przebiegów pokazano w powiększeniu (rysunki 2.12 i 2.15).

Szczególnie interesującym wydaje się być przedstawienie fragmentu zarejestrowanych przebiegów na rysunku 2.13. Przedstawiony został czas 18[h] od 15:50 01-31 do 9:50 02-01. W okresie tym można zaobserwować pewne trendy w kształtowaniu się wskaźnika migotania światła na wyjściach poszczególnych mierników. Dodanie pionowej linii pozwala sprawdzić dokładność synchronizacji wskazań przyrządów.

Rys. 2.11 Przebieg zmian Pst dla pierwszej grupy przyrządów 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 01-3 1 15 :50 16:3 0 17:1 0 17:5 0 18:3 0 19:1 0 19:5 0 20:3 0 21:1 0 21:5 0 22:3 0 23:1 0 23:5 0 00:3 0 01:1 0 01:5 0 02:3 0 03:1 0 03:5 0 04:3 0 05:1 0 05:5 0 06:3 0 07:1 0 07:5 0 08:3 0 09:1 0 02-0 1 09 :50 t Pst Przyrząd 1 Przyrząd 2 Przyrząd 3 Przyrząd 4 Przyrząd 5

Rys. 2.12 Przebieg zmian Pst dla pierwszej grupy przyrządów – powiększony fragment z Rys. 2.11

01-3 1 15 :50 16:3 0 17:1 0 17:5 0 18:3 0 19:1 0 19:5 0 20:3 0 21:1 0 21:5 0 22:3 0 23:1 0 23:5 0 00:3 0 01:1 0 01:5 0 02:3 0 03:1 0 03:5 0 04:3 0 05:1 0 05:5 0 06:3 0 07:1 0 07:5 0 08:3 0 09:1 0 02-0 1 09 :50 _t Pst Przyrząd 1 Przyrząd 2 Przyrząd 3 Przyrząd 4 Przyrząd 5 Przyrząd 6 Przyrząd 7 Przyrząd 8 Przyrząd 9 Przyrząd 10

Rys. 2.14 Przebieg zmian Pst dla drugiej grupy przyrządów 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 01-3 1 15 :50 16:3 0 17:1 0 17:5 0 18:3 0 19:1 0 19:5 0 20:3 0 21:1 0 21:5 0 22:3 0 23:1 0 23:5 0 00:3 0 01:1 0 01:5 0 02:3 0 03:1 0 03:5 0 04:3 0 05:1 0 05:5 0 06:3 0 07:1 0 07:5 0 08:3 0 09:1 0 02-0 1 09 :50 t Pst Przyrząd 6 Przyrząd 7 Przyrząd 8 Przyrząd 9 Przyrząd 10

Rys. 2.15 Przebieg zmian Pst dla drugiej grupy przyrządów – powiększony fragment z rysunku

2.13

Analiza przedstawionych wykresów pozwala stwierdzić, że przyrządy z pierwszej grupy wykazują zbieżność we wskazaniach zmian Pst, natomiast w grupie drugiej wskazania przyrządu (8) wyraźnie

wyprzedzają wyniki pozostałych przyrządów. Powodem takich rozbieżności może być błąd w oprogramowaniu przyrządu, polegający na tym, że przedział pomiarowy nie był stały, ale zmienia się

w granicach od 9 do 11 minut1. Rozsynchronizowanie przyrządu następowało po około 24h od początku

pomiaru.

W przypadku przyrządu (6) rejestracja kończy się o godzinie 9:10 04-02. Liczba dziesięciominutowych wyników otrzymanych dla Pst wynosi 699, co stanowi 69,35 % z zakładanych

10082 wyników.

Wyniki wskazań Pst przyrządów (2), (3), (5), (7), (8), (9), (10) są zbliżone. Wartości Pst otrzymane

na wyjściu przyrządu nr 6, są dwukrotnie większe od wskazań większości przyrządów. Różnice w wartościach Pst otrzymano również w przypadku przyrządów (1) i (4). Na wyjściu przyrządu (1)

uzyskano wartości Pst będące połową wartości wyników otrzymanych w przypadku pozostałych

przyrządów. Wskazania przyrządu (4) są mniejsze o około 30 % w porównaniu z wspomnianą wcześniej grupą urządzeń.

1

Takie zachowanie przyrządu zostało zauważone także w trakcie wykonywania testów laboratoryjnych

2

Aby porównać wskazania wszystkich przyrządów biorących udział w pomiarze, w tabeli 2.6 podano różnice pomiędzy największą i najmniejsza wartością Pst otrzymaną przez przyrządy biorące

udział w eksperymencie. Przedział czasu w trakcie którego porównywano otrzymane wartości Pst

wybrano uwzględniając opisane powyżej, przesunięcie wskazań Pst na wyjściu przyrządu (8), oraz

ograniczony zakres pomiarowy przyrządu (6). Przyjęto, że okresem tym będą pierwsze 24 godziny pomiaru.

Tab. 2.6 Porównanie wskazań Pst wszystkich przyrządów

L1 L2 L3

∆Pst max 14,52 13,24 13,81

∆Pst min 0,12 0,11 0,12

Różnica we wskazaniach przyrządów większa niż 13 wynika z rozbieżności wyników pomiaru między przyrządami (1) i (6).

W tabeli 2.7 zamieszczono graniczne różnice wskazań otrzymanych w tym samym czasie jedynie dla przyrządów (2), (3), (5), (7), (8), (9) i (10). Różnice między wskazaniami poszczególnych przyrządów są teraz znacznie mniejsze, ale nadal znaczące.

Tab. 2.7 Porównanie wskazań Pst przyrządów (2), (3), (5), (7), (8), (9), (10)

L1 L2 L3

∆Pst max 1,02 1,36 2,50

∆Pst min 0,05 0,03 0,03

2.2.2 Długookresowy wskaźnik wahań napięcia P

Przebieg zmian Plt, wraz z powiększeniami wybranych fragmentów zamieszczono na rysunkach

2.16 – 2.21.

Analiza wykresów pozwala stwierdzić, że tendencje zmian Plt są zachowane. Widać wyraźnie

efekt, o którym była mowa w przypadku zmian Pst, a mianowicie przesunięcie w czasie wyników

otrzymanych na wyjściu przyrządu (8) w stosunku do wyników pozostałych przyrządów.

Wskazania Plt uzyskane na wyjściu przyrządu (6) stanowią blisko 70% (58 wyników)

z zakładanych 84 dwugodzinnych okresów pomiarowych ze względu na mniejszą pojemność pamięci przyrządu. Stąd też „zarejestrowane” wskazanie Plt = 0 na rysunku 2.21 dla przyrządu (6).

Wyniki wskazań Plt przyrządów (2), (3), (5), (7), (8), (9) i (10) są zbliżone. Wartości Plt otrzymane

na wyjściu przyrządu (6), są miejscami dwukrotnie większe od wskazań pozostałych przyrządów.

Różnice w wartościach Plt otrzymano również w przypadku przyrządów (1) i (4). Na wyjściu przyrządu

(1) otrzymano wartości Plt będące połową wartości otrzymanych w przypadku pozostałej grupy

przyrządów. Wyniki wskazań w przypadku przyrządu (4) są mniejsze o około 30 % w porównaniu z dominującą grupą mierników.

Aby porównać wskazania wszystkich przyrządów biorących udział w teście w tabeli 2.8 przedstawiono różnice pomiędzy największą i najmniejsza wartością Plt. Przedział czasu w trakcie

którego porównywano otrzymane wartości Plt wybrano uwzględniając opisane wcześniej przesunięcie

wskazań Plt na wyjściu przyrządu (8), oraz ograniczony zakres pomiarowy przyrządu (6). Przyjęto że

okresem tym będą podobnie jak w przypadku porównania wskazań Pst, pierwsze 24 godziny pomiaru.

Tab. 2.8 Porównanie wskazań Plt wszystkich przyrządów

L1 L2 L3

∆Plt max 9,30 9,33 9,32

∆Pst min 0,21 0,24 0,25

Różnica wskazań przyrządów wynosząca ponad 9 wynika z rozbieżności wskazań pomiędzy przyrządem (1) i (6).

Tab. 2.9 Porównanie wskazań Plt przyrządów (2), (3), (5), (7), (8), (9), (10)

L1 L2 L3

∆Plt max 0,83 0,77 0,74

∆Pst min 0,04 0,04 0,04

W tabeli 2.9 zamieszczono porównanie wskazań otrzymanych w tym samym czasie jedynie dla przyrządów (2), (3), (5), (7), (8), (9) i (10). Przy takim zestawieniu maksymalne różnice wskazań Plt dla