Интегрални схеми за интелигентни енергийни мрежи

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2011

  Непрекъснато растящите нужди от електроенергия, създаваните от това екологични проблеми и все по-отчетливо проявяващите се недостатъци на основните начини за нейното производство поставят сериозни проблеми в глобален мащаб. Затова, неслучайно една от важните задачи на съвременната енергетика е по-ефективното производство, пренос и разпределение на електроенергията към консуматорите, заедно със сигурното и безаварийно действие на енергийните системи. Решаването й наложи бързо развитие не само на концепциите за реализация на интелигентните енергийни мрежи (Smart Grid) SG, но и на необходимите им електронни прибори и елементи. Макар и последните да са в начален етап, вече има разработени и пуснати на пазара конкретни интегрални схеми (ИС). Първата и най-голяма група, на която е отделено и най-много място в статията, са специализираните ИС за т. нар. интелигентни електромери. В реализацията им се използва и втората група на универсалните ИС, които не са разработени специално за SG, а имат и множество други приложения. В начален етап на своето развитие е третата група на ИС за контрол на параметрите на енергийните мрежи (Power-Grid Monitoring).

Концепцията Smart Grid
Основните функции на SG, които ги правят “интелигентни”, са непрекъснат контрол на качеството на произвежданата и доставяна електроенергия, автоматично включване и изключване на консуматори с цел избягване на върховите натоварвания, съхраняване на енергията при свръхпроизводство, защита от повреди на съоръженията и измерване на консумираната енергия. Всичко това изисква измерване чрез сензори на параметрите на мрежите, предаване на данните по жичен или безжичен път към съответния център и при нужда - изпращане от него към консуматорите на данни, например за цената на електроенергията. Вече са разработени принципите, позволяващи на потребителите да управляват чрез Интернет електрическите уреди в дома си.
Особено сериозно внимание се обръща на прецизното и сигурно измерване на консумираната електроенергия, което заедно с всички описани функции, се осигурява от електронни възли, задължително реализирани на основата на ИС.

Структура на електронните електромери
Масовото използване на електронните електромери (Electronic Meter) се наложи през последните десетина години, за което свидетелства фактът, че само една от водещите компании е произвела над 200 милиона специализирани ИС за тях. На фиг. 1 е дадена обобщената структура на еднофазен електронен електромер, като с прекъсната линия са дадени незадължителните блокове, а консуматорите се свързват между клеми 1 и 2. Аналогична е структурата на трифазните електромери, но те следят напреженията и токовете на трите фази. Сензорът за ток (токов трансформатор, резистор или бобина на Роговски) измерва тока на фазовия проводник L и показва полученото напрежение на блока за измерване ЕМС. Вече има ИС за електромери, които могат да работят и с di/dt токови сензори, позволяващи измерване на ток в по-широки граници от токовите трансформатори при по-малко тегло и цена. В електромерите за регистриране на опит за кражба на електроенергия (Anti-tamper, Tamper Detection) токов сензор CSN се поставя и в нулевия проводник N, като при разлика в токовете на двата проводника между 10 и 100 mA (в зависимост от електромера) се получава алармен сигнал. Също такъв сензор може да се постави и в нулевия проводник на трифазните електромери за мрежи тип "звезда".
Предназначението на сензора VS е да измерва мрежовото напрежение. Входовете на ЕМС могат да са несиметрични или диференциални. В някои електромери между сензорите и ЕМС се поставят допълнителни усилватели, означавани с AFE (от Analog Front End) или PGA (от Programmable Gain Amplifier) със същите възможности за входовете. Чрез тактови импулси от осцилатора OSC (в някои електромери той е часовник за реално време RTC), подавани на вход CLK на ЕМС през определени интервали от време (обикновено няколко десети от ms), напреженията от трите сензора се измерват едновременно (важно специфично изискване към електромерите) и се преобразуват в числа. Чрез умножаване на числата, съответстващи на напреженията от CSL и VS, се получават моментните стойности на активната мощност, които се натрупват в регистър. При напълването му се получава импулс, отговарящ на определена стойност на активната енергия Еа, който постъпва в друг регистър със съдържание, съответстващо на консумираната до момента енергия. Измерва се и фазовата разлика j на тока спрямо напрежението на консуматора, използвана по три начина. Стойност |j|<90° означава консумиране на активна енергия от мрежата, а |j|>90° - подаване на активна енергия в нея, т. е. устройството между точки 1 и 2 работи като генератор. Това е съществено за консуматори със собствени алтернативни източници на енергия, които в определени периоди могат да доставят енергия в мрежата. Второто използване на j е за изчисляване на sinj и определяне на моментните стойности на реактивната мощност. При това те са положителни при индуктивен характер на консуматорите и отрицателни при капацитивен характер. Консумираната реактивна енергия Er се определя, както Еа от съдържанието на друг регистър. Съдържанията на регистрите за Еа и Er се подават на изчислителния блок Calc, който е микроконтролер, цифров сигнален контролер (DSC) или цифров сигнален процесор (DSP). Той изчислява моментните стойности на привидната мощност на основата на известната от електротехниката зависимост и ги натрупва в регистър за определяне на привидната енергия Еарр. Третото използване на j е за изчисляване на фактора на мощност cosj.
Освен тези величини, съвременните електромери могат да измерват още средноквадратичните стойности на напрежението и тока на консуматорите, и да следят за качеството на подаваната им електроенергия. Последното се осигурява чрез измерване на мрежовата честота, регистриране на токове над допустимите за електромера, на отскоци и пропадания на напрежението и времето, през което са настъпили. За избягване на грешно отчитане на консумация на енергия при липса на консуматор (Meter Creep) се предвижда автоматично прекратяване на измерването, когато една от енергиите за определено време стане по-малка от определена стойност (No-load Power Threshold). В някои ИС (например дадената в ред 3 на табл. 1) тя се програмира. Наличието на поне част от тези допълнителни възможности определя термина многофункционално измерване (Multifunction Metering).
Блокът Calc изпраща измерваните данни към дисплея Display, на чийто екран във всеки момент от времето се получават една след друга или едновременно измерваните величини, а за работата му също са необходими тактови импулси от OSC. В зависимост от вида на връзката му с Calc, съществуват две основни разновидности електромери. Първата условно може да бъде наречена електромери с паралелно свързване, тъй като връзката е паралелна шина, по която се предават двоични числа за стойностите на енергиите. Екранът като правило е течнокристален индикатор. При електромерите с последователно свързване по един проводник се предават импулси, всеки от които съответства на определено количество енергия и постъпването му с Display увеличава младшия разред на изписаното число с 1. Самото число обикновено се формира чрез електромеханичен брояч или такъв, задвижван от стъпков електродвигател, но може да се използва и течнокристален индикатор. Паметта МЕМ съществува само в някои електромери, като може да е Flash, SRAM или EEPROM, като обикновено използваните комбинации са първите две или и трите. Обемите на паметите зависят от модела на електромера. В някои електромери е предвидена възможност за измерване на околната температура чрез блока TS и също като опция е блокът SmC, в който се поставя смарт карта. В някои страни тя се ползва за предплатена консумация – в нея се зарежда необходимата сума и след изчерпването й електромерът автоматично изключва захранването на консуматорите.
Блокът Comm е за едно- или двупосочна връзка на електромера с околния свят, като изпраща данни за измерваните величини (най-малко за консумираната електроенергия) и евентуално получава други данни или управляващи сигнали. Неговата връзка с Calc се осъществява обикновено чрез някой от популярните интерфейси, например SPI, I2C или UART. Голямо е практическото разнообразие на връзките на блока с външния свят – чрез интерфейсите RS-232 или RS-485, безжично (RF) в един от нелицензираните обхвати 433 MHz, 868 MHz, 2,4 GHz или 5,8 GHz (в зависимост от страната, за която е предназначен електромерът) или ползване за целта на електрическата мрежа (Powerline Communication, PLC). Има електромери с комбинация от два способа – безжично предаване на данни и приемане чрез PLC на управляващи сигнали. Съществуват и модели за оптична връзка с инфрачервен лъч. Блокът PS е за осигуряване на стабилизираните постоянни напрежения на останалите блокове, като обикновено те са отделни за аналоговата и цифровата част и може да са с еднаква стойност. Има и електромери с едно захранващо напрежение.
Описаното дотук действие съответства на широко използваното наименование автоматично измерване (Automatic Meter Reading) AMR. Все по-често към него се прибавят споменатото изпращане на данни към електромера за текущата цена на електроенергията, с което шината между Calc и Comm и тази от Comm към външния свят стават двупосочни. Освен това, електромерът може да изпраща сведения за настъпила повреда в консуматорите, както и служебна информация за по-добро осъществяване на връзките. Това е т. нар. съвременна измервателна инфраструктура (Advanced Metering Infrastructure) AMI.
Сред последните новости в областта на комуникациите са европейският интерфейс M-Bus (от Meter Bus) за предаване на данни от измерители на произволен вид енергия (топлинна, електрическа и т.н.) и от сензори, както и безжичната система, разработена съвместно от компаниите Microchip и Google с блокова схема на фиг. 2. В нея uC1 и uC2 могат да са микроконтролери PIC24 или PIC32, както и някои от цифровите сигнални контролери dsPIC DSC на фирмата, които работят със ZigBee. С RF1 и RF2 са означени приемо-предавателите MRF24J40 за обхвата 2,4GHz, а за RF3 има две възможности – едната е за осигуряване на безжична връзка според стандарта IEEE802.11WiFi чрез модула MRF24WB0M, а другата е за Ethernet чрез един от контролерите ENC28J60 или ENC28J600. И в двата случая чрез безплатния програмен продукт Google Power Meter, означен на фиг. 2 като GPM, може на персонален компютър да се получи в графичен вид промяната на консумацията в даден период от време.

Еднофазни електромери
Реализират се по два начина, като първият е чрез специализирани ИС, които в зависимост от производителя включват различни части на блокове EMC, Calc и LCD (без дисплея), а в някои случаи – и блокове VR и TS (за измерване на температурата на самата ИС). В табл. 1 са дадени основните параметри на такива ИС, като dE е типичната относителна грешка на измерване на енергия, която обикновено е еднаква за Еа и Er, но има ИС с по-голяма (обикновено 2 пъти) грешка на Er. Величината fH е горната гранична честота на усилвателите на напреженията от сензорите за ток и напрежение. Аналогично, dU и dI са относителните грешки при измерване на напрежение на мрежата и тока на консуматорите, а dj представлява фазовата разлика между едновременно измерваните стойности на тока и напрежението. При мрежова честота 50 Hz разликата във времената между двете измервания е Dt[ms]=55,6dj[°C]. Значителна част от ИС имат възможност за цифрово калибриране (Digital Calibration) след монтажа им в електромера, с цел частично компенсиране на производствените толеранси и съответно повишаване на точността на измерванията. Максимално допустимото напрежение от сензорите за ток и напрежение е отбелязано с Uimax, като при ползването на каталози трябва да се внимава, защото то може да не е еднакво за входовете на всички сензори. Динамичният обхват (Dynamic Range) DR е на входните напрежения и чрез него може да се изчисли минималното напрежение от сензорите Uimin за нормална работа на ИС. Например при Uimax=0,5 V и DR=1000:1 се получава Uimin=0,5 mV. Полезно е да се има предвид, че dE намалява със стесняване на динамичния обхват. Величината GPGA представлява коефициентът на усилване на PGA (тиретата в таблицата показват липсата на PGA), а dG е неговият производствен толеранс.
Постоянното захранващо напрежение за аналоговата част на ИС е с индекс AVDD, а това за цифровата част – с DVDD. Липсата на последното означава, че ИС се захранва само с напрежението UAVDD. Консумираните постоянни токове от всяка част са със същите индекси. Полезно е да се има предвид, че в каталозите на ИС се дават подробни сведения за принципа на действие, включващ това за блоковете и времедиаграмите на работа. Значителна част от ИС осигуряват измервания в съответствие с различни стандарти, което се отбелязва в каталозите и е предимство. Особено съществен е възприетият в Европейския съюз IEC62053 Class 0.2, според който относителната грешка при измерване на напреженията и токовете трябва да е 0,2% от номиналната им стойност, а dj да е не по-голяма от 0,1%.
Дадените в редове 1-4 интегрални схеми са с паралелно свързване, а тези от редове 1 и 5-7 са с възможност за откриване на кражби. Изходните данни на ИС от ред 1 могат да се предават чрез един от интерфейсите SPI, I2C и UART. С голяма степен на интеграция е ИС от ред 2, която съдържа AFE, бърза и оперативна памет, блоковете VR и TS на фиг. 1 и драйверите на блока Driver, позволяващи работа с 8-цифров течнокристален индикатор. Специфични особености са наличието на блок за двупосочна оптична връзка чрез инфрачервен лъч и възможността за работа с батерия с напрежение между 2 и 3,8 V. Следващата ИС (ред 3) е със същите вградени блокове както предната, но няма инфрачервен интерфейс и е с вграден осцилатор. Интересна е ИС от ред 4, тъй като освен мрежовото напрежение и неговата честота измерва поотделно токовете на 8 консуматори и изчислява техния cosj и консумираните три вида енергии. Подобна е 78М6612, но тя е за два консуматора.
В редове 4-7 са ИС с последователен изход, като тeзи в редове 3 и 4 включват блоковете VR и TS на фиг. 1. Специфични особености на ИС от ред 5 са вграденият OSC (външно се свързва само кварцовият резонатор) и интерфейсът SPI. Дадената в ред 6 ИС е предназначена само за измерване на активна енергия, съдържа блоковете VR и OSC от фиг. 1 и непосредствено може да захранва стъпков електродвигател. Със същата структура и почти същите параметри е STPM01 на ST Microelectronics, но тя може да измерва още реактивна и активна мощност и средноквадратичните стойности на тока и напрежението, но без да захранва стъпков електродвигател.
Освен чрез специализирани ИС, еднофазни електромери могат да се реализират и с помощта на подходящи микроконтролери, включващи блоковете ЕМС и Calc на фиг. 1, а понякога и драйверите за течнокристалния индикатор в Display. Един пример е 8-разредният S08GW на Freescale с входове за два сензора и драйвер за 256-сегментен дисплей. Друг пример е PIC18F87J72 на Microchip с възможност за свързване с външния свят чрез интерфейсите USB и RS-232 и чрез SPI с памет EEPROM. Външният вид на електромер с този микроконтролер е показан на фиг. 3. Трети пример е ЕВ773 на NXP, който е с 32-разреден изчислителен блок, вградени бърза и оперативна памет и осцилатор, заедно с 25 универсални извода, които могат да се програмират като входове и изходи (GPIO) и интерфейси I2C и SPI. Задължително е използването на външни AFE.
Заслужава да бъде отбелязана и серията MSP430FE423/5/7 от три микромощни (3V; 0,4 mA) микроконтролера на Texas Instruments, разработена специално за реализация на еднофазни електромери. Всеки от микроконтролерите съдържа блок с AFE за обработка на сигнали (Embedded Signal Processing), flash и оперативна памет, осцилатор и интерфейси SPI и USART. Освен микроконтролера, електромерът включва 6-разреден дисплей, кварцов резонатор и десетина пасивни елементи, като CSL представлява резистор.
Също за еднофазни електромери може да се използва интегралната схема МСР3901 на Microchip, наречена от производителя двуканален AFE и съдържаща във всеки канал PGA и аналоговоцифров преобразувател, като изходът е реализиран с интерфейса SPI.
Трифазни електромери
Този тип електромери също могат да се реализират със специализирани ИС или с подходящи микроконтролери. При това е възможно да се използват три ИС за еднофазни електромери. По-често се използват специализирани ИС с три канала, всеки от които измерва величините на една от фазите. В зависимост от модела, изходните числа съответстват на величините във всяка от фазите или на общата консумирана енергия или енергии в трите. Обикновено, всяка ИС позволява измерване в няколко от възможните конфигурации на трифазните мрежи, които са отбелязани в каталога. Особеност е, че dj представлява фазовата разлика между измерваните токове на трите фази.
В табл. 2 са основните параметри на специализирани ИС, като тази в ред 1 е за мрежи тип звезда и измерва активната и реактивната енергия на всяка от фазите заедно с тока на нулевия проводник, които се получават на течнокристален индикатор. Тя е с възможност за регистриране на кражби, има вградени VR, OSC и TS, 32-разреден блок ЕМС, бърза и оперативна памет. Чрез външна батерия могат да се запазват резултатите от измерванията при липса на мрежово напрежение.
Подобна е ИС от ред 2, чиято особеност са четирите работни режима с различна постояннотокова консумация и измерване на различни параметри в тях. Консумацията е най-голяма при измерване на общите три енергии и отделно на активната и реактивната енергия на основния хармоник (50 Hz). Схемата може да работи и с електромеханични броячи. Останалите ИС в таблицата са предназначени само за работа с електромеханични броячи и стъпкови електродвигатели. Схемата в ред 3 също е с 4 режима и може да измерва общите активна и реактивна енергия заедно с мрежовата честота, cosj и ефективните стойности на напреженията и токовете на фазите.
Пример за подходящ микроконтролер е 32-разредният MCF51EM на Freescale Semiconductor с възможност за регистриране на опит за кражба. Той съдържа четири 16-разредни АЦП, flash памет, RTC и драйвери за 8-разреден LCD индикатор. Възможни са приложения и в еднофазни електромери. Специфична е ИС STPMC1 на STMicroelectronics, предназначена за еднофазни и трифазни електромери и изискваща външни аналоговоцифрови преобразуватели за напреженията от сензорите. Може да измерва активна и реактивна енергия, ефективна и моментна стойност на напрежението и тока на всяка от фазите, и на изхода й да се свързва стъпков електродвигател.

Интегрални схеми за контрол на параметрите на енергийни мрежи
Основният вид трифазни електроразпределителни мрежи е тип звезда и техните системи за контрол на първо място трябва да измерват напреженията и токовете на фазите и тока на нулевия проводник с относителна грешка в съответствие със споменатия стандарт IEC62053. Освен него съществува специфичен европейски стандарт EN50160, според който честотата трябва да се измерва на всеки 10 s, бавните промени на напрежението, дисбалансът между фазите и коефициентът на нелинейни изкривявания (THD) на 10 минути и отскоци на напрежението до 1,5 kV, негови пропадания под 85% от номиналната стойност и прекъсвания (под 1%) на всеки 10 ms. За оценка на THD, стандартът налага в общ случай измерване до 25-та хармонична, а при наличие на електродвигатели и захранвания с накъсване на тока (Switching Power-Supply Driver) – до 127-та. За осигуряване на тези изисквания трябва динамичният обхват:
DR = 20 lg(Upeak/(0,01xdUxUnom))
да е не по-малък от 90 dB. Последното означава, че при отскок Upeak=1,5 kV и номинално напрежение Unom=220 V грешката на измерването ще е dU»0,02%.
Идея за структурата на система за контрол е дадена на фиг. 4 без блока за постояннотоково захранване, като за простота е показано само свързването на една от фазите. Напреженията във вторичните намотки на напрежителния VТ и токовия СТ трансформатор са обикновено с амплитуда 5 или 10 V. Нискочестотните филтри (например МАХ7422 на MAXIM) с гранична честота няколко kHz се поставят за премахване на евентуални смущения от електрическата мрежа. Блокът ADC е с 4-8 АЦП с едновременно квантоване (Simultaneous Sampling) и разредност 14-24b. Специално за целта е разработен МАХ11046. За нормалната работа на ADC е необходим източник на опорно напрежение REF, а при желание за калибриране се прибавя блок DP от цифрови потенциометри. То може да се извършва не само при пускане на системата в действие, но и периодично (например чрез вграден алгоритъм), с което се поддържа голяма точност. Процесорът CPU обработва числата от ADC, като изчислява параметрите на мрежата и предава данните. За галваничното му разделяне от драйвера DR се използва блокът ISOL, реализиран например със Si8410 или друг представител на серията на Silicon Labs или ADuM1250. Драйверът осигурява обмена на данни с външни устройства. За връзка по електрическата мрежа може да се използват модеми от типа AMIS-30585, AMIS-49587 или NCS5650 на ON Semiconductor, а за безжична връзка в 2,4 GHz-овия обхват – JN5148-001 на NXP.

Top