Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Osprzęt kablowy
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Tygodniowy pomiar częstotliwości napięcia sieciowego - eksperyment.

TechEkspert 18 Wrz 2017 23:22 5013 10
  • Tygodniowy pomiar częstotliwości napięcia sieciowego - eksperyment.
    W temacie:Upały i zapotrzebowanie na moc można znaleźć ciekawe informacje o funkcjonowaniu krajowego systemu energetycznego. W warunkach domowych można rejestrować wahania napięcia sieciowego, które mają charakter lokalny. Czy w warunkach amatorskich można zbadać wahania częstotliwości 50Hz w sieci, które powinny mieć charakter ogólnopolski i mają związek z aktualnym stanem KSE? Trafiłem na opracowanie Rynek energii w Polsce w 2015, minimalna częstotliwość w 2015r. wynosiła 49,962Hz a maksymalna 50,065Hz. Widać że obecnie częstotliwość napięcia sieciowego jest bardzo stabilna dla przykładu w 1990r. Fmin wynosiła 48,700Hz, a Fmax 50,410Hz. Aby zmierzyć tak małe odchyłki trzeba dysponować stabilnym źródłem częstotliwości wzorcowej, czy w warunkach domowych jest to w ogóle możliwe?

    Nie posiadam wzorca rubidowego 10MHz ale trafiłem na temat: Wzorzec czasu GPS na module FGPMMOPA6C opisujący wykorzystanie odbiornika GPS a konkretnie sygnału 1PPS, jest to sygnał prostokątny o okresie 1 sekundy. Jak stabilny jest sygnał 1PPS w posiadanym odbiorniku GPS nie wiem, ale spróbowałem wykorzystać sygnał 1PPS w eksperymentalnej rejestracji częstotliwości sieci. Okres zliczania impulsów z sieci ustawiłem na 1000 impulsów PPS z GPS co daje długość pomiaru ponad 16 minut, oraz teoretyczną rozdzielczość 1mHz (0,001Hz) natomiast dokładność jest nieznana i w zasadzie trudno powiedzieć co będzie wynikiem, zbadanie stabilności częstotliwości napięcia sieciowego czy stabilności sygnału PPS w posiadanym module.

    Efekt tygodniowej rejestracji średniej częstotliwości sieciowej w odstępach 1000s wygląda tak:
    Tygodniowy pomiar częstotliwości napięcia sieciowego - eksperyment.
    I już widać, że wynik jest raczej mało prawdopodobny, odchyłka 1Hz jest mało prawdopodobna w zestawieniu z danymi za 2015r. Na stronie Zapotrzebowanie KSE dostępne są dane o zapotrzebowaniu na moc w KSE w odstępach 15min:
    Tygodniowy pomiar częstotliwości napięcia sieciowego - eksperyment.
    Efekty pomiarów zostały poprawione w drugim podejściu do eksperymentu pomiarowego: Pomiar częstotliwości sieci z wykorzystaniem GPS+Arduino.

    Zestawienie zebranych danych z danymi o zapotrzebowaniu na moc w KSE:
    Tygodniowy pomiar częstotliwości napięcia sieciowego - eksperyment.

    Widać pewną zależność, największe zmiany na + występują przy silnym spadku zapotrzebowania na moc. Wygląda na to, że mimo że wartości częstotliwości są mało wiarygodne to same momenty odchyłki są skorelowane ze zmianami krajowego zapotrzebowania na moc. W przypadku soboty i niedzieli zmiany nie jest to takie czytelne, ale od poniedziałku do piątku wyraźnie widać tą zależność. Gdy usuniemy z wykresu wartości powyżej 50,4Hz (i sztucznie zastąpimy wartością 50Hz) dodatkowo widać dzienne cykliczne zmiany zarejestrowanej częstotliwości:
    Tygodniowy pomiar częstotliwości napięcia sieciowego - eksperyment.

    Jestem bardzo ciekawy Waszego komentarza do tego eksperymentu, może ktoś potrafi zaprezentować lepsze metody i wyniki pomiaru lub może podzielić się posiadanymi ciekawymi informacjami lub pomiarami dotyczącymi KSE ew. lokalnych systemów?

    Dla zabawy dodałem także rejestrację wartości napięcia sieciowego, co ma charakter wyłącznie lokalny związany z mocą pobieraną z transformatora 15/0,4kV. Wyniki nie są szczególnie interesujące, jednak pokazują dobowe wahania napięcia sieciowego:
    Tygodniowy pomiar częstotliwości napięcia sieciowego - eksperyment.

    Metody zastosowane przy próbie rejestracji częstotliwości napięcia sieciowego.

    Wykorzystałem płytkę Arduino mini pro 3.3V 8MHz ATMega328, mimo że zgadzam się w wielu aspektach z tematem: Nie używaj Arduino w zastosowaniach profesjonalnych! to właśnie do takich zastosowań typu eksperyment/zabawa/prototypowanie/proof of concept, Arduino (i każda inna dobra platforma z dużą ilością bibliotek) uważam za idealną (a już szczególnie przy całkowicie rozrywkowych tematach typu sprawdzanie po jakim czasie słońce skasuje EPROM ;) ).

    Arduino pracowało z zasilaniem 3.3V co pozwoliło na bezpośrednie podłączenie adaptera karty micro SD (CS-10, DI-11(MOSI), DO-12(MISO), SCLK-13(SCK)), na karcie co 1000s zapisywane były dane o zarejestrowanej częstotliwości. Dla krótszych odcinków rejestracji zamiast karty SD można wykorzystać wbudowaną pamięć EEPROM mikrokontrolera, tutaj przykład wykorzystania EEPROM w Arduino: Rejestracja tętna podczas snu - Arduino nano. Sygnał PPS z GPS trafiał na wejście INTO (D2) uruchamiając obsługę przerwania. Impulsy 50Hz trafiają na wejście licznika T1 (D5) a stan licznika jest zapamiętywany i zerowany co 1000 impulsów na INT0. Dodatkowo logowane jest napięcie na wejściu A0 (ustawione na ok. 600mV przy nap. odniesienia 1.1V). Źródłem informacji o napięciu sieciowym jest transformator o napięciu jałowym na wtórnym uzwojeniu około ~13V. Poniżej układ dostarczający informację o napięciu oraz impulsy 50Hz:
    Tygodniowy pomiar częstotliwości napięcia sieciowego - eksperyment.

    Schemat po poprawce:
    Tygodniowy pomiar częstotliwości napięcia sieciowego - eksperyment.
    Dodany kondensator 100nF na wejściu bramki U1 ogranicza zakłócenia.

    Tak to wygląda po połączeniu na płytce stykowej:
    Tygodniowy pomiar częstotliwości napięcia sieciowego - eksperyment.

    Ponieważ rejestracja ma trwać tydzień, warto podłączyć wyświetlacz LCD aby mieć kontrolę nad poprawnością pracy urządzenia:
    Tygodniowy pomiar częstotliwości napięcia sieciowego - eksperyment.

    Kod programu:
    Kod: c
    Zaloguj się, aby zobaczyć kod


    Mimo że cały "eksperyment" pomiaru częstotliwości napięcia sieciowego miał charakter dość mało poważny to związany jest z dość ciekawymi tematami m.in dokładnych wzorców częstotliwości, oraz zjawisk w KSE. Czy odbiornik GPS lub inne urządzenie może być stabilnym wzorcem częstotliwości w warunkach amatorskich?

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    TechEkspert
    Redaktor
    Offline 
    Specjalizuje się w: elektronika, mikrokontrolery, rozwiązania it
    TechEkspert napisał 2677 postów o ocenie 1794, pomógł 6 razy. Jest z nami od 2014 roku.
  • Osprzęt kablowy
  • #2
    504d
    Poziom 10  
    Jakiś czas temu trafiłem na niemiecką stronę gdzie onlinie można zobaczyć częstotliwość sieci energetycznej w Europie ( http://www.mainsfrequency.com ). Postanowiłem wtedy porównać wskazania ze stronki ze wskazaniami częstościomierza i co ciekawe wyniki pomiarów zgadzały się z dokładnością do 0,01 Hz. Do pomiarów użyłem częstościomierza HAMEG HM8122 podłączonego do sieci zasilającej za pomocą transformatorka 230 / 9.
  • #3
    djbpm
    Poziom 21  
    Najprawdopodobniej twój pomiar obarczony jest sporym błędem, ponieważ wykres pokazuje, że częstotliwość średnio wynosi ponad 50,2 Hz. Mam zegarek taktowany 50Hz z sieci, i chodzi dokładnie, tzn przestawiam go tylko 2 razy w roku na zmianę czasu, lub gdy braknie prądu. Odchyłka 50,2 oznaczałaby, że każdej doby zegarek spieszyłby się ponad 5 minut.
    1440 minut na dobę * 50,2/50 = 1445,76.
  • Osprzęt kablowy
  • #4
    TechEkspert
    Redaktor
    @504d nie wiedziałem że jest taka strona http://www.mainsfrequency.com z wynikiem pomiaru częstotliwości online, widzę że też korzystają z GPS.
    @djbpm zegarki wykorzystujące 50Hz do odmierzania czasu były kiedyś dość popularne, w skali roku mogłyby nawet służyć do określenia średniej rocznej częstotliwości. Być może błąd pomiaru ma stały osfet? gdyż widoczna jest korelacja z danymi z KSE.

    Jest też strona pokazująca częstotliwość w Szwajcarii: https://www.swissgrid.ch/swissgrid/en/home/experts/topics/frequency.html
    Coś też było dla Europy: http://mainsfrequency.eu/ ale nie działa.

    Polska strona tego typu chyba nie powstała.
  • #5
    djbpm
    Poziom 21  
    Cytat:
    Być może błąd pomiaru ma stały osfet?

    @TechEkspert Offset nie, ale raczej przemnożenie.
    Zły może być wzorzec czasu, lub kod. Stawiam raczej na kod:
    Kod: c
    Zaloguj się, aby zobaczyć kod

    W wyżej oznaczonym miejscu zerujesz rejestr TCNT1=0; który pomiędzy odczytem 2 linijki wyżej tmp=TCNT1; mógł zostać zmieniony, i ten cykl zostaje zgubiony. Przerób kod tak, aby nie trzeba było resetować (zapisywać) tego rejestru wcale. W przerwaniu odejmuj od obecnej wartości poprzednią wartość.
  • #6
    TechEkspert
    Redaktor
    @djbpm rzeczywiście to nie wygląda na stały osfet tylko na akumulację błędów i rzeczywiście jednym z powodów może być kod.

    Co do modyfikacji licznika T1 od momentu jego odczytu do zerowania może się zdarzyć że zgubi się jeden impuls,
    natomiast dzieje się to w raz w całym cyklu pomiarowym (1000 impulsów PPS i ~50000 impulsów z sieci) także teoretyczny wpływ może być na poziomie +/- 0,001Hz.
    Pomysł z T1 tylko do odczytu jest fajny, ale szukam tutaj znacznie grubszego błędu rzędu 0,2Hz.

    Nie dawało mi to spokoju i podałem idealny sinus 50Hz z generatora o amplitudzie zbliżonej do tej z tranformatora.
    I tu niespodzianka, wynik 50,216Hz.
    Podałem prostokąt 50Hz na wejście bramki U1 i bingo wyniki:
    50002
    49999
    50000

    Problem jest w obwodzie R7-D1-R1-D6-R2-R3-D2, któremu w ogóle nie poświęcałem uwagi.
    R7 został na etapie testów i zabezpieczał przed zwarciem, D1, D2 wiadomo prostownik jednopołówkowy,
    R1-R2 dzielnik napięcia,
    D6 ograniczenie napięcia na wypadek przepięcia, awarii itp,
    R3 na wypadek gdyby D6 nie zadziałało.

    Podejrzałem przebieg wyjściu bramki U2,
    oczywiście 50Hz i nic podejrzanego, ale wygląda na to że w ciągu ~16min na 50000 impulsów pojawia się 200 dodatkowych impulsów (~0,4%),
    być może jakieś zakłócenia, jakieś szpilki napięciowe, może oscylacje czyli jeżeli ktoś chciałby powtórzyć eksperyment należy zrobić dobry układ przekazujący impulsy z sieci. Może warto zajrzeć jak jest to zrealizowane w zegarkach elektronicznych taktowanych napięciem sieciowym?


    Ok, mam rozwiązanie,
    na wejściu bramki U1 dodałem kondensator 100nF,
    efekt sygnał z generatora: 49999
    sygnał z transformatora sieciowego 50018,
    chyba problem rozwiązany.
    Dodałem zmieniony schemat.
  • #7
    jariko
    Poziom 15  
    Ja mam jeden z najdokładniejszych mierników częstotliwości sieci. Jest zamontowany w kuchence Mastercook. A tak na poważnie w dzisiejszych czasach zegary napędzane częstotliwością sieci chodzą bardzo dokładnie. Pewnie średnia częstotliwość dobowa jest dokładna i wynosi 50Hz. Dawno minęły czasy gdzie te zegarki rozjeżdżały się po parę minut dziennie.
  • #8
    TechEkspert
    Redaktor
    @jariko testuje się właśnie układ z dodanym kondensatorem, wstępne wyniki potwierdzają zaskakującą stabilność częstotliwości sieci. W weekend pewnie wrzucę jakieś wyniki.
  • #9
    jariko
    Poziom 15  
    Panowie odnośnie sieci 230V nurtuje mnie inny problem i on chyba jest dużo poważniejszy niż testy parametrów. Chodzi mi o elektroniczny pomiar naszymi licznikami energii. Teoretycznie licznik powinien liczyć energię czynną i przy rzeczywistych obciążeniach robi to pewnie w miarę dokładnie. Nawet jak ten "sinus" napięcia odbiega od sinusoidy. Ale jeżeli mamy w większości zasilacze impulsowe zwłaszcza od "oszczędnych" żarówek to te pomiary już dla mnie nie są przekonujące. Kiedyś się śmiałem z urządzeń podłączanych do gniazdka, które niby wprowadzają "oszczędności" że są naciąganiem klientów. Ale jak się by dobrze zbadało współpracę takiego "filtra" z pomiarem licznika energii to już nie śmieszy a wzbudza zainteresowanie. Niestety nie mam możliwości podłączenia starego licznika mechanicznego za moim układem pomiarowym dla porównania wskazań a to jest pierwsze co trzeba by sprawdzić. Może ktoś z kolegów zrobił by takie doświadczenie i się podzielił wnioskami?
  • #10
    TechEkspert
    Redaktor
    @jariko to jest ciekawa sprawa, ale również nie mam możliwości porównania wskazań licznika mechanicznego z elektronicznym, chętnie zobaczyłbym wyniki takich eksperymentów.

    Zasilacze z APFC całkiem nieźle kształtują prąd tak aby był zbliżony do sinusa w fazie z napięciem,
    natomiast proste zasilacze impulsowe mniejszej mocy bez APFC a zresztą... sami zobaczcie,
    kiedyś przygotowałem o tym materiał porównawczy:

    Link
  • #11
    TechEkspert
    Redaktor