Meranie spotreby elektrickej energie a vyhodnocovanie úspor

Náš zámer pri meraní spotreby elektrickej energie a vyhodnocovaní úspor je, pomocou elektronického zariadenia, získať namerané údaje s presnosťou 1%, v dynamickom rozsahu záťaže 100 : 1. Pri nominálnom prúde ~5A je maximálne vyhodnotené napätie ~10A. Celkový rozsah merania je ~10mA až ~10A s rozlíšením ~1mA. Rozsah v ktorom požadujeme presnosť merania 1% je ~100mA až ~10A. Nominálne merané napätie je ~230V s toleranciou -20% +10%, rozsah ~184V až ~253V s rozlíšením ~0,1V. Nominálna frekvencia siete je 50Hz merateľná v rozsahu 45Hz až 55Hz.

Požiadavka na kalibráciu prúdu je iba v jednom rozsahu (jednobodová). Z nameraných údajov vyhodnocujeme charakter a kvalitu záťaže (Power Factor, jalový príkon). Následne spracovaním nameraných údajov získame ekonomické údaje súvisiace s úsporou elektrickej energie. Návrh riešenia vychádza z aplikačnej poznámky firmy Atmel. Meranie spotreby elektrickej energie a vyhodnocovanie úspor je vhodné hlavne pri výmene osvetľovacej technológie. Meracie zariadenie komunikuje s Android aplikáciou cez bezdrôtové rozhranie Bluetooth low energy.

Meranie spotreby elektrickej energie: striedavý prúd I jednotka [A] v rozsahu ~0,01A až ~10A, nominálne ~5A. Meraná hodnota je vyhodnotená metódou „true RMS“ (Root Mean Square): I_RMS = √((k=1∑^k=N i_k²) / N). i_k: vzorky prúdu analógovo digitálneho prevodníka (10bit.). Každá vzorka sa softvérovo upravuje IIR filtrom (horná priepust), čím sa odstráni jednosmerná zložka signálu „DC-offset“. N: Počet vzoriek prúdu za vyhodnocovaciu periódu (1s.), normalizačná konštanta (4432 @50Hz, MCU – oscilátor 7,3728MHz). Pri maximálnej frekvencií siete 55Hz získame a spracujeme až 39. harmonickú „sínusového“ priebehu prúdu. IIR filter: Y(n) = 0,996*Y(n-1) + 0,996*X(n) – 0,996*X(n-1).

Segment FW pre IIR filter:

• Sample[Index]. PreviousFiltered = Sample[Index].Filtered;
• TempL = 255 * (long)Sample[Index].Filtered;
• TempL = TempL8;
• TempI = Sample[Index].Fresh - Sample[Index].Previous;
• TempL = TempL + 255 * (long)TempI;
• Sample[Index].Filtered = TempL;

Vzorka prúdu sa softvérovo upravuje lineárnou interpoláciou – prepočet hodnoty prúdu tak, aby hodnota prúdu zodpovedala v okamžiku zberu napäťovej vzorky (zber prúdovej vzorky sa „časovo“ posunie), tým sa kompenzuje fázový posuv napätia a prúdu.

Segment FW pre lineárnu interpoláciu prúdovej vzorky:

• TempL= Sample[Index].Filtered-Sample [Index].PreviousFiltered;
• TempL= TempL * CalCoeff.PCC[Index];
• TempL= TempL>>16;
• Sample[Index].Calibrated= Sample[Index].Filtered-TempL;

Hodnota prúdu I_RMS sa vyhodnocuje každú prevádzkovú sekundu. HW rozhranie pre meranie prúdových vzoriek analógovo digitálnym prevodníkom mikroprocesora ATmega328.

Striedavé napätie U jednotka [V] v rozsahu ~184V až ~253V (-20% až +10%), nominálne ~230V. Meraná hodnota je vyhodnotená metódou „true RMS“ (Root Mean Square): U_RMS = √((k=1∑^k=N u_k²) / N). u_k: Vzorky napätia analógovo digitálneho prevodníka (10bit.). Každá vzorka sa softvérovo upravuje IIR filtrom (horná priepust), čím sa odstráni jednosmerná zložka signálu „DC-offset“ (analogický s výpočtom prúdovej vzorky - popis v kapitole 1.1.a). N: Počet vzoriek napätia za vyhodnocovaciu periódu (1s.), normalizačná konštanta (4432 @50Hz, MCU – oscilátor 7,3728MHz). Pri maximálnej frekvencií siete 55Hz získame a spracujeme až 39. harmonickú „sínusového“ priebehu napätia.

Hodnota napätia U_RMS sa vyhodnocuje každú prevádzkovú sekundu. HW rozhranie pre meranie napäťových vzoriek analógovo digitálnym prevodníkom mikroprocesora ATmega328.

Vyhodnotenie nameraných hodnôt elektrickej energie:

• Činný príkon (activ power) P jednotka [W]: P = (k=1∑^k=N (uk * ik) ) / N. uk, ik: vzorky napätia a prúdu analógovo digitálneho prevodníka. N: Počet vzoriek napätia a prúdu za vyhodnocovaciu periódu (1s.), normalizačná konštanta (4432 @50Hz). K akumulovaným vzorkám pričítame zanedbateľný „Offset“ (binárne číslo: 0x80) pre potlačenie bieleho šumu pri veľmi malých signáloch.
• Celkový príkon (apparent Power) Pa jednotka [VA]: Pa = U * I.
• Jalový príkon (reactive Power) Pr jednotka [VAr]: Pr = √(Pa² - P²).
• Power Factor PF bez jednotky, hodnota v rozsahu 0 až 1.0: PF = P / Pa.
• Spotreba elektrickej energie W kumulatívny údaj, jednotka [kWh]: W = ∑^t=(t+1) (Pt / (1000 * 3600)). Pt: Činný príkon. - Index t: vyhodnocovací čas v sekundách. Hodnota W sa trvalo zapisuje do „persistentnej“ elektronickej pamäte každú prevádzkovú minútu.
• Priemerný hodinový príkon AHAP jednotka [W]: AHAP = W / t. t: prevádzkový čas v hodinách.

Vyhodnotenie úspor elektrickej energie:

• Kumulatívne počítanie prevádzkovej doby t v hodinách [hod.]: Hodnota t sa trvalo zapisuje do „persistentnej“ elektronickej pamäte každú prevádzkovú minútu (prevedené na prevádzkové hodiny).
• Kumulatívne náklady na spotrebu elektrickej energie COSTS v eurách (€): COSTS = W * Tariff. Tariff prvý zadávací parameter: Sadzba elektrickej energie v eurách (€). Tariff je 1.zadávací parameter. Parameter je uložený v „persistentnej“ pamäti mikroprocesora, podľa potreby sa priebežne aktualizuje. Hodnota COSTS sa trvalo zapisuje do „persistentnej“ elektronickej pamäte každú prevádzkovú hodinu, prípadne môže obsahovať aj údržbárske náklady.
• Úspornosť napájanej technológie ECONOMY v percentách [%]: ECONOMY = 100 - (100 * AHAP / AHAP_orig). AHAP_orig druhý zadávací parameter: Priemerný hodinový príkon pôvodnej technológie. Do vyhodnocovania sa zadáva ako konštanta vyčítaná z technickej špecifikácie, alebo nameraná hodnota priemerného hodinového príkonu pôvodnej technológie. Zadáva sa iba raz pri spustení novej technológie, prípadne sa vyhodnotí ako parameter AHAP pri prevádzkovaní pôvodnej technológie. Parameter je uložený v „persistentnej“ pamäti mikroprocesora. Kladná hodnota: parametra ECONOMY vyjadruje percentuálnu úsporu aktuálnej technológie oproti pôvodnej. Záporná hodnota: nám udáva percentuálne o koľko je aktuálna technológia menej úspornejšia oproti pôvodnej.
• Hodinová úspora napájanej technológie ECO v percentách [%]: ECO = AHAP / AHAP_orig . ECO: sa používa ako pomocný parameter pre nasledujúce ekonomické výpočty.
• Hodinová úspora napájanej technológie SAVE v eurách (€): SAVE = COSTS * (1 – ECO). SAVE: sa používa ako pomocný parameter pre nasledujúce ekonomické výpočty.
• Návratnosť investície ROI v hodinách [hod.]: ROI = PRICE / SAVE. PRICE tretí zadávací parameter: Nákupná cena technológie. Parameter je uložený v „persistentnej“ pamäti mikroprocesora.
• Čistý zisk po dobu životnosti investície CASH v eurách (€): CASH = (LIFETIME – ROI) * SAVE. LIFETIME štvrtí zadávací parameter: Technická životnosť technológie v hodinách. Parameter je uložený v „persistentnej“ pamäti mikroprocesora.
• Ročný percentuálny výnos z investície UROK+ v percentách [%]: UROK₊ = (CASH / COSTS) * (LIFETIME / 8760) * 100.