ЕЛЕКТРОНСКОМ ФАКУЛТЕТУ У НИШУ ОБРАЗАЦ ЗА ПРИЈАВУ ТЕХНИЧКОГ РЕШЕЊА У складу са одредбама Правилника о поступку и начину вредновања, и квантитавном исказивању научноистраживачких резултата истраживача, који је донео Национални савет за научни и технолошки развој Републике Србије («Службени гласник РС», бр. 38/2008) достављам следеће податке. Обавезни подаци: Aутор/аутори решења: Марко Димитријевић, Борисав Јовановић, Ванчо Литовски, Предраг Петковић Назив техничког решења: Виртуелни инструмент за анализу нелинеарних потрошача у електроенергетској мрежи Категорија техничког решења (навести према одредбама Правилника садржаним у НАПОМЕНИ*): прототип, нове методе, софтвер, инструмент, нове генске пробе, микроорганизми и сл. нова метода - M85 За кога је решење рађено и у оквиру ког пројекта МНТР: Техничко решење је реализовано у ЛЕДА Лабораторији Електронског факултета Универзитета у Нишу. Ово решење проистекло је из рада на пројекту НАПРЕДНЕ ТЕХНОЛОГИЈЕ ЕЛЕКТРОНСКОГ МЕРЕЊА, УПРАВЉАЊА И КОМУНИКАЦИЈЕ НА ЕЛЕКТРИЧНОЈ ДИСТРИБУТИВНОЈ МРЕЖИ, који финансира Министарство за науку Републике Србије под шифром ТР32004. Ко решење користи тј. ко је прихватио примењује решење: Решење се користи у Лабораторији за пројектовање електронских кола на Електронском факултету у Нишу за потребе корисника истраживања EWG огранак Ниш. Година када је решење урађено: 2011.-2015. Како су резултати верификовани (од стране кога тела) Решење је верификовао корисник истраживања EWG огранак Ниш, а затим је прихваћено од стране ресорног Министарства за науку и технолошки развој Републике Србије усвајањем завршног извештаја са пројекта под називом НАПРЕДНЕ ТЕХНОЛОГИЈЕ ЕЛЕКТРОНСКОГ МЕРЕЊА, УПРАВЉАЊА И КОМУНИКАЦИЈЕ НА ЕЛЕКТРИЧНОЈ ДИСТРИБУТИВНОЈ МРЕЖИ '', под шифром ТР32004.
На који начин се резултати користе Реализовани инструмент се користи за мерење параметара који карактеризују нелинеарне потрошаче активне, реактивне, привидне и снаге изобличења, фактора снаге, THD I и THD V, као и реактивне снаге израчунате према алтернативним дефиницијама. Решења примењена у реализацији виртуелног инструмента прихваћена су и имплементирана у интегрисаном колу за мерење потрошње електричне енергије ИМПЕГ3. Област на коју се техничко решење односи Техничко решење се односи на област мерења и карактеризације нелинеарних потрошача у електроенергетској мрежи. Проблем који се техничким решењем решава Решава се проблем одређивања параметара нелинеарних потрошача у реалном времену, а флексибилност решења омогућава имплементацију доданих функција за одређивање и других параметара. Уградњом у интегрисано коло за мерење потрошње електричне енергије омогућено проширење функционалности будућих електронских бројила опцијом мерења параметара нелинеарних потрошача у тачки прикључка на електроенергетску мрежу. Стање решености тог проблема у свету Анализа нелинеарних оптерећења захтева специјалну опрему и инструменте, који постоје на тржишту. Основини недостаци ових инструмената јесу висока цена, релативно компликована примена и нефлексибилност потреба за мерењем нових параметара захтева нови инструмент, а тиме и додатна улагања. Ауторима није познато да је било који произвођач интегрисаних кола намењених за примену у електронским бројилима објавио да располаже опцијом карактеризације нелинеарних потрошача. Објашњење суштине техничког решења и детаљан опис са карактеристикама, укључујући и пратеће илустрације и техничке цртеже Функције хардверског слоја виртуелног инструмента за анализу нелинеарних оптерећења [1] су аквизиција и кондиционирање, као и хармонијска анализа сигнала. 1. Аквизиција и кондицирање сигнала Подсистем за аквизицију је хардверски подсистем који се састоји од изолованих аквизиционих модула који врше кондиционирање и A/D конверзију тренутних вредности електричних величина, FPGA интегрисаног кола и интерфејса за рачунар (контролер). Резолуција A/D конверзије је 24-битна, брзина одабирања 50 ksa/s. За реализацију подсистема за аквизицију употребљени су изоловани аквизициони модули National Instruments NI9225 [2] и NI9227 [3].
a) b) Слика 1 Повезивање једног канала NI9225 аквизиционог модула: а) без референтне тачке; б) са референтном тачком NI9225 је аквизициони модул са три аквизициона напонска канала за симултано одабирање брзином 50 ksa/s и 24-битном резолуцијом. Максимални напон изолације између аквизиционог канала и масе је 600 V RMS. Опсег мерења је 300 V RMS. Могу се повезати сигнали са референтном тачком или без референтне тачке, диференцијално (слика 1). Табела 1 Улазне карактеристике NI 9225 и NI 9227 модула Параметар NI9225 NI9227 Број канала 3 4 Резолуција 24 24 Фреквенција сампловања (fs) [KS/s] Главна временска база min 1.613 1.613 max 50 50 опсег 50/n n=1,2,,31 50/n n=1,2,,32 f M 12.8 12.8 Тачност ±100ppm ±100ppm Улазна импеданса 1 MΩ 12 mω Улазни шум (50 KS/s) 2.2 mv 400 μa Коефицијент скалирања 50.66 μv/lsb 1.785397 μa/lsb Улазна импеданса сваког канала (између тачака AI+ и AI-) је 1 МΩ. Детаљне карактеристике модула су дате у табелама.
Табела 2 Прецизност аквизиционих модула Параметар NI9225 NI9227 гејн ±10 ppm/c ±21 ppm/ C Стабилност офсет ±970 μv ±51 μa/ C шум 0.045 0.035 Фаза нелинеарност 0.11 0.11 Кашњење 38.4/fs + 2.6 μs 38.4/fs + 2.2 μs Преслушавање (1 KHz) -95 db -90 db alias-free 0.456 fs 0.456 fs Пропусни опсег -3Db префилтер 50KS/s 24.56 KHz 24.56 KHz f 0.453 fs 0.453 fs Passband flatness ±100 mdb max ±100 mdb max f 0.547 fs 0.547 fs Stopband потискивање 100 db 100 db CMRR (fin=50hz) -104 db -100 db SFDR (1 KHz, -60 dbfs) -128 dbfs -128 dbfs THD (1 KHz) -95 db -105 db NI9227 је аквизициони модул са четири аквизициона струјна канала за симултано одабирање брзином 50 ksa/s и 24-битном резолуцијом. Максимални напон изолације између аквизиционог канала и масе је 250 V RMS. Улазна импеданса канала је 12 mω. Опсег мерења свих канала је 5 A RMS. Слика 5.2 Канали за аквизицију NI9225 и NI9227 Сигнали који се доводе на улаз аквизиционог канала се кондиционирају, филтрирају и доводе на улаз 24-битног сигма-делта A/D конвертора (слика 2). Канали су у потпуности независни и међусобно изоловани, чиме је омогућена симултана аквизиција три напонска и четири струјна сигнала.
x(t) s + - Integrator Komparator f OS Decimator f S X n 1-bit DAC Слика 3 Сигма-делта аналогно-дигитални конвертор Сигма-делта A/D конвертор се састоји из интегратора, компаратора, једнобитног дигитално-аналогног конвертора (DAC) повезаног у петљи негативне повратне спреге и децимационог филтра (слика 3). На улаз интегратора се доводи разлика улазног сигнала x t и излаза DAC. Сигнал на излазу интегратора се упоређује у компаратору са ( ) референтним сигналом, чиме се добија један бит. Фреквенција којом се одабира сигнал f OS је 256 пута већа од минималне фреквенције дефинисане Шенон-Најквистовим критеријумом. Низ битова са излаза компаратора се доводи на улаз децимационог филтра, који усредњава и смањује број одмерака, при чему се добија 24-битни дигитални сигнал фреквенције f S. Децимациони филтар има функцију филтра пропусника ниских фреквенција, који смањује шум квантизације и алиасинг. Дециматор је реализован као FIR филтар са граничном фреквенцијом једнаком 0.47f S. Пропусни опсег целокупног аквизиционог канала приказан је на слици 4. 0.025 Slabljenje (db) 0.000 0.025 0.050 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 f/f S Слика 4 Пропусни опсег канала Сигма-делта ADC користи интерну основну временску базу (Master Time Base) чија је фреквенција f M =12.8 MHz. Основна временска база се може синхронизовати са базом других аквизиционих модула, чиме се постиже синхронизовано одабирање различитих сигнала и минимални jitter. Оверсемплинг фреквенција f OS, се може изабрати у зависности од потребне брзине одабирања, тако да дигитални сигнал на излазу децимационог филтра X n има брзину fm fs =, n = 1, 2,...,31. (1) 256 n У реализацији је као оверсемплинг фреквенција кориштена интерна основна временска база без делитеља, заједничка за оба аквизициона модула. Дигитални сигнал на излазу ADC-а је 50 KS/s, што одговара пропусном опсегу улазног сигнала од 25 KHz. Сигма-делта ADC, примењујући оверсемплинг метод аквизиције, има неколико предности, као што је ефикасно елиминисање алијасинга. Одабирање представља модулацију улазног сигнала носачима фреквенција n f OS, n = 1, 2,3,.... Посматрано у фреквенцијском домену, спектар одабираног сигнала се на фреквенцијској оси понавља са
два бочна опсега, симетрично у односу на скуп фреквенција n fos. У случају да је фреквенција одабирања мања од двоструке вредности пропусног опсега сигнала који се одабира, доћи ће до преклапања спектара, односно алиасинга. Алијасинг се манифестује као шум и изобличење сигнала. У циљу елиминисања преклапања спектара, пре одабирања се приступа филтрирању улазног сигнала аналогним филтром пропусником ниских фреквенција, чиме се ограничава његова горња гранична фреквенција, а самим тим и пропусни опсег. Примењени филтар мора бити изузетно селективан, што је тешко за реализацију. Избором фреквенције одабирања која је знатно већа од фреквенције дефинисане Шенон-Најквестовим критеријумом, елиминише се потреба за комплексним решењима селективних аналогних филтара. 2 Хармонијска анализа Функција FPGA (Field Programming Gate Array) кола је одређивање фундаменталне фреквенције, хармонијску анализу тренутних вредности струја и напона, односно одређивање амплитуда и фаза хармоника. Систем је реализован помоћу Xilinx Vitex-II FPGA интегрисаног кола, са 3 милиона логичких гејтова. FPGA се налази на National Instruments PXI-7813R картици повезаној на NI-8014 PXI контролер, преко PCI интерфејса. Радни такт FPGA кола је фреквенције 40 MHz. Картица има 160 бидирекционих дигиталних канала, која подржавају 3.3 V, 5 V, LVTTL и TTL логичке нивое. Подржано је 160 бројача резолуције 64 бита и фреквенције 40 MHz, са максималном грешком 100 ppm. На картици се налази 196 KB меморије, а укупан број DMA канала је 3. Configuration Control Flash Memory Connector 0 (DIO) Connector 1 (DIO) Connector 2 (DIO) Connector 3 (DIO) Digital I/O (40) Digital I/O (40) Digital I/O (40) Digital I/O (40) FPGA Data/Address/Control RTSI Bus PXI Local Bus Bus Interface Control Address/Data RTSI/PXI Triggers PCI/PXI/CompactPCI Bus Слика 5 PXI-7813R картица са FPGA Бидирекциони канали су подељени у четири групе, од којих свака чини посебан физички конектор. Преко једног 40-битног конектора, на картицу је повезано кућиште за проширење НИ 9151, у коме се налазе NI9225и NI9227аквизициони модули (слика 5). FPGA је повезан са PXI контролером преко PCI магистрале. Уграђено FPGA коло извршава три паралелна процеса. Функција првог процеса је контрола аквизиције сигнала. Процес се извршава у петљи која се понавља у временским интервалима једнаким целобројном умношку трајања циклуса основног такта. Брзина одабиранаја сигнала је једнака фреквенцији понављања петље за аквизицију.
Слика 6 Блок дијаграм петље за контролу аквизиције сигнала, сигнали се преносе путем DMA FIFO регистара ка наредном степену обраде Параметар који одређује трајање циклуса петље, односно брзину аквизиције, може се мењати у току извршавања процеса. Аквизиција свих напонских и струјних сигнала је симултана. Један одмерак сваког сигнала се одабира у једној итерацији петље преко 24- битног I/O канала. Вредности одабраних вредности сигнала се уписују у FIFO регистре ради хармонијске анализе или DMA преноса ка наредном степену обраде (слика 6). Дигитализовани сигнали су интерпретирани као означени 24-битни рационални бројеви са фиксном децималном тачком (Signed Fixed-Point Data). Слика 7 Неитеративни део Герцеловог алгоритма, за један напонски канал, V 1 Други процес (слика 7) обезбеђује хармонијску анализу одабираних сигнала извршавањем Герцеловог алгоритма. Итеративни део алгоритма се извршава на блоку од 2000 одмерака, што при максималној брзини одабирања одговара трајању сигнала у временском домену од 40 ms. Реални и имагинарни део спектра се израчунавају у неитеративном делу алгоритма (једначина 2) : (N 1) (N 2) 2πk Re( X k ) = Sk Sk cos N (2) (N 2) 2πk Im ( X k ) = Sk sin. N 2πk Вредности функција sin N и 2πk cos су смештене у блок меморији (lookup табела). N Трећи процес има функцију преноса података са FPGA на подсистем за обраду података. Пренос се врши преко три 64-битна DMA канала. У једном циклусу процеса се може пренети 192 бита.