Apparecchiatura per la conferma metrologica di misuratori di potenza ed energia elettrica

Author(s):
M. Luiso - SECONDA UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI NAPOLI

Industry:
Energy/Power, ATE/Instrumentation

Products:
CompactRIO, LabVIEW, Real-Time Module

The Challenge:
Realizzare un dispositivo di misura per la conferma metrologica in campo di “contatori di energia elettrica” che lavorano in regime deformato, verificando che siano conformi alle direttive europee per la misura della potenza elettrica.

The Solution:
La soluzione adottata prevede l’utilizzo di un CompactRIO, completo di RT Controller, RIO chassis e moduli analogici di I/O, programmato opportunamente con software conforme alle ultime normative per la misura di potenza. L’”interfaccia” analogica con lo strumento sottoposto a conferma metrologica è costituita da amplificatori di potenza e trasduttori di corrente e tensione.

Il numero crescente di carichi non lineari e sbilanciati sulla rete elettrica rende le definizioni "classiche" per le grandezze di rete non più adatte a descrivere correttamente lo stato del sistema, ad analizzare i flussi di potenza e quindi a tariffare correttamente i consumi. Nelle più recenti normative sui contatori di energia sono state sviluppate nuove definizioni delle grandezze di rete, e richiedono prestazioni molto più elevate agli strumenti di misura. In questo lavoro viene presentata l'implementazione di uno strumento portatile di riferimento conforme agli ultimi standard per misure di potenza e si illustrano le principali caratteristiche dell’hardware realizzato e software implementato.
Qualsiasi strumento di misura e di monitoraggio necessita di calibrazione dopo un certo periodo di attività, al fine di garantire l’incertezza di misura dichiarata. Notevole vantaggio si può trarre da periodiche verifiche tra due successive calibrazioni: in tal modo si possono identificare eventuali malfunzionamenti inaspettati prima della successiva calibrazione ed evitare invalidazioni delle misure effettuate nel periodo di calibrazione. Mentre quest’ultima deve essere effettuata esclusivamente in un laboratorio accreditato, la conferma metrologica può essere eseguita da uno strumento portatile, verificato che la sua incertezza di misura sia compatibile con quella della specifica applicazione. Se i risultati delle prove effettuate si mantengono nei limiti allora lo strumento ha mantenuto il livello di incertezza dichiarato nel periodo successivo all’ultima calibrazione (o conferma metrologica). Se i risultati delle prove eccedono i limiti, bisogna allora indagare sulle cause di malfunzionamento ed in tal caso lo strumento deve essere inviato allo specifico laboratorio.
In questo lavoro viene presentato uno strumento portatile per la conferma metrologica dei misuratori di potenza ed energia elettrica. Il cuore del dispositivo è costituito da un CompactRIO: nella configurazione utilizzata esso prevede il Controller Real-Time 9102, lo chassis 9004 con otto slot per inserire i vari moduli di I/O, un modulo 9215 di quattro ingressi analogici simultanei a 100 kHz per canale, ±10 V, 16 bit di risoluzione, un modulo 9263 di uscite analogiche a 100 kHz per canale, ±10 V, 16 bit di risoluzione. Il tutto è equipaggiato da amplificatori di potenza, per generare tensioni fino a 240 VRMS e correnti fino a 5 ARMS, e da trasduttori di tensione e di corrente per portare il segnale ad un livello compatibile con i moduli di ingresso del sistema di acquisizione CompactRIO.
Il CompactRIO è uno strumento general purpose programmabile per la propria specifica applicazione: esso può essere programmato con LabVIEW, con cui si sviluppano strumenti virtuali (Virtual Instruments, VI). Il controller real time 9102 incorpora un sistema operativo LabVIEW RT e viene programmato tramite un collegamento Ethernet da un PC host, con sistema operativo Windows, su cui gira LabVIEW.
Con un hardware siffatto, il confronto con lo strumento da confermare può essere eseguito o con segnali generati appositamente o con lo stesso segnale della rete elettrica a cui è collegata l’apparecchiatura.
Per comprendere le metodologie di programmazione del CompactRIO, bisogna sapere che la sua unità centrale, il controller, comunica con i moduli di I/O presenti nello chassis tramite un bus PCI ed un chip FPGA. Questo gestisce l’I/O del sistema, fungendo da intermediario tra il controller ed i moduli di I/O.
Per questo, per poter sviluppare un’applicazione con il CompactRIO, bisogna prevedere almeno due VI: uno per il chip FPGA ed uno per il controller. Il VI per il chip FPGA viene realizzato con LabVIEW FPGA Module un modulo software di LabVIEW. La comunicazione tra il PC host ed il controller, in fase di programmazione, viene gestita in modo automatico da un altro modulo software di LabVIEW, il LabVIEW Real-Time Module.
Nell’implementazione del presente strumento, al chip FPGA è stato demandato esclusivamente il compito di comunicare con i moduli, lasciando tutta l’elaborazione dei segnali al controller.
Il VI del controller è diviso in due sezioni. Nella prima di esse, l’utente immette nel front-panel i parametri delle due forma d’onda di tensione e corrente da generare come segnali di stimolo per l’apparecchiatura da verificare. Le forme d’onda sono segnali armonici, con la fondamentale costituita da una sinusoide a frequenza variabile tra 42.5 e 57.5 Hz (come previsto dalla IEC EN 61000-4-30) ed armoniche pari e dispari. Il numero di componenti armoniche è arbitrario per ciascuno dei due segnali e di ognuna di esse si può scegliere ampiezza e fase. Fissati questi parametri, mediante un VI incluso nel pacchetto LabVIEW si generano i vettori delle due forme d’onda e si scrivono nei blocchi di memoria del chip FPGA, tramite un indirizzamento sequenziale. La sezione del VI FPGA preposta alla generazione dei segnali preleva semplicemente gli elementi del vettore dalla memoria del chip e li passa al modulo di uscita 9263, venendo essi poi amplificati dagli amplificatori di potenza.
La seconda sezione del VI del controller riceve i campioni dei segnali di ingresso dal chip FPGA, campioni che il VI FPGA preleva dal modulo di ingresso e immette in una coda (FIFO, First In First Out); tale coda si svuota dei vecchi campioni man mano che il controller li acquisisce. Con i campioni dei due ingressi si effettua la misura di potenza ed in particolare, quella di potenza attiva (P), potenza apparente (S) e fattore di potenza (PF, Power Factor) dato dal rapporto tra P ed S (come previsto dallo standard IEEE 1459-2000).
Dato che i segnali della rete elettrica possono avere frequenza oscillante, per una corretta misura della potenza c’è bisogno di sincronizzarsi con la frequenza di rete. La soluzione qui adottata prevede la valutazione degli attraversamenti dello zero; c’è bisogno, tuttavia, di un filtraggio digitale passa-basso a causa dell’inevitabile rumore sovrapposto al segnale che crea degli attraversamenti spuri. Inoltre, effettuando un’interpolazione tra i due campioni tra cui c’è stato attraversamento si può migliorare la stima del periodo di almeno due cifre significative.
Conosciuto il periodo, il calcolo della potenza attiva e dei valori efficaci di tensione e corrente, richiesti per calcolare la potenza apparente, viene effettuato secondo le classiche formula di Eulero o dei Trapezi, con la possibilità di mediare su più periodi: eseguendo anche qui la stessa interpolazione si migliora il risultato della misurazione di almeno due cifre significative.
I dati della misurazione così eseguita vengono, dunque, scritti in un file di testo sulla memoria flash del controller e possono essere prelevati dal PC host tramite un qualsiasi client FTP.
Infine, potendo tale strumento lavorare in modalità stand-alone, all’atto della misura sul campo esso non richiede la presenza di un PC host, ma, provvisto di un collegamento internet, un operatore remoto può comunque ricevere i risultati della misura.

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M. Luiso
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Tel: 081-5010-348
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