Måleapparater: Samplefrekvens, datalagring og andre betraktninger
Når problemer skal undersøkes i elkraftverdenen, er det behov for å gjøre målinger. Ved å være bevisst hva et gitt måleapparat kan og ikke kan måle, vil feilsøkingsprosessen gå lettere ved at man velger rett apparat til rett formål. Dette er kanskje spesielt viktig når man jobber i en bedrift hvis hovedgeskjeft er spenningskvalitetsmålinger, men det vil også gagne alle andre som skal bedrive generell feilsøking.
Samplefrekvens
Det er mye om de ulike måleinstrumentene som ikke fortelles gjennom en oppramsing av samplefrekvenser, men det er et greit sted å begynne. Samplefrekvensen forteller hvor mange målepunkter apparatet måler per sekund. I Europa er har vi en nettfrekvens på 50 Hz, som altså sier at spenningens sinuskurve gjentar seg selv 50 ganger i sekundet. Da får vi antall målepunkt per periode ved å dele samplefrekvensen på 50.
Som et eksempel sampler en Cesinel MEDCAL NT på 32 kHz. Når vi deler på 50 finner vi at den sampler 640 målepunkter per periode.
En frekvens på 32 kHz innebærer for øvrig ikke at vi kan måle signaler på 32 kHz. Nyquist-kriteriet sier (litt forenklet) at bare signaler opptil halvparten av måleapparatets samplingfrekvens kan måles nøyaktig. I tillegg vil den virkelige verdens begrensninger og kompromisser gjøre at reell måleevne reduseres en god del videre, og det er derfor viktig å vite opp til hvilke frekvenser det aktuelle måleapparatet kan måle pålitelig. Cesinel oppgir på sine hjemmesider at et MEDCAL NT-apparat kan måle opp til 63. overharmoniske spenningskomponent, som er et signal på 3,15 kHz. Og dessuten: Ved måling av strøm vil denne vanligvis ha sin egen samplefrekvens som ligger enda lavere enn spenningens samplefrekvens.
Ulike løsninger for datalagring
En av de viktigste begrensningene til alle nettloggere er utfordringen med å lagre nødvendig data. Om vi har et måleapparat som sampler høyt nok til å registrere et viktig høyfrekvent fenomen, er det ikke mye verdt om ikke målingen tas vare på. Jo raskere et apparat sampler, jo mer data vil potensielt genereres per sekund. Datalagringsutfordringen løses i hovedsak på tre forskjellige måter: Apparatet kan kun tillate stikkprøver, eller så lagrer det statistiske gjennomsnittsverdier, eller så lagrer det rubbel og bit som kontinuerlige verdier. Her finnes det delvis overlapp for enkelte apparater.
Stikkprøver
Oscilloskop og lignende stikkprøve-apparater har ingen nevneverdig intern lagring. Et oscilloskop vil til gjengjeld ha en uslåelig samplefrekvens, og muliggjør måling av veldig høyfrekvente hendelser med god oppløsning. Dette kan vise generell kurveform for periodiske signaler, eller det kan vise startstrømmer, transiente overspenninger og andre kortvarige hendelser ved hjelp av en triggergrense. Denne type måling er mest egnet for konstante eller veldig regelmessige hendelser, siden vi bare får målt en veldig kort stund. I enkelte case vil imidlertid dette være nok, og skopet kan gi verdifull informasjon som ikke en vanlig nettlogger ville fanget opp.
Statistiske verdier med triggede målinger
De fleste nettloggere mellomlagrer et kort tidsvindu med måledata for å kunne beregne statistiske gjennomsnittsverdier for strøm, spenning, THD, flimmer og andre relevante parametere, også er det disse statistiske verdiene som tas vare på til senere analyse. I tillegg vil viktige hendelser som over- og underspenninger merkes, og vi vil avhengig av apparatet kunne få ekstra informasjon om tiden rundt disse hendelsene.
Nøyaktig hva som beregnes til å være et “viktig” avvik som må tas vare på slik at ingeniøren kan studere den i etterkant, varierer mellom måleapparater, og kan ofte stilles inn av brukeren. De fleste nettloggere tillater at brukeren stiller inn triggergrenser som sier når apparatet skal loggføre ekstra nøye. Eksempelvis vil A-Eberle sin “PQ-Box 300” mellomlagre spenningens kurveform, og har dermed de nyeste sekundene av den lagret til enhver tid. Hvis en hurtig transient gjør at RMS-spenningen kortvarig overstiger en viss forhåndsinnstilt triggergrense, vil apparatet loggføre dette som en hendelse og lagre kurveformen for samme tidsperiode permanent for akkurat dette øyeblikket.
En utfordring ved innstilling av triggergrenser er at de kan settes for høyt eller for lavt til å fange opp det man er interessert i. Om vi f.eks. mistenker spenningsdipper for å være et problem, vil en for lav grense registrere så mange hendelser at apparatets lagringskapasitet fylles opp på kort tid, og en for høy grense vil gjøre at apparatet ikke lagrer noen ting.
Kontinuerlige målinger
En siste kategori med måleinstrumenter har som mål å lagre rubbel og bit i et kontinuerlig datasett, slik at analytikeren ikke skal trenge å være redd for at apparatet har gått glipp av noe viktig. Dette kan være spenningstransienter like innenfor triggergrensen eller andre hendelser som apparatet ikke var innstilt til å fange opp, men som raskt ville fanget øyet til en analytiker som kikker på målingen i etterkant. Ulempen med kontinuerlig måling er at dette fort genererer uhåndterlige datamengder. I praksis kan det derfor ikke måles kontinuerlig over lengre perioder, men det finnes noen ulike tilnærminger til hvordan vi kan få målt så mye som mulig av det vi ønsker.
Noen apparater løser datalagringsutfordringen ved å la brukeren selv stille inn samplefrekvens og hvilke typer beregnede verdier som ønskes lagret, sånn at målingen kan tilpasses hvert enkelt formål. Dewesofts “SIRIUSi” er et eksempel på et slikt apparat. Det kan stilles inn til å lagre kontinuerlig og svært høyoppløst informasjon om strøm og spenning for et kort tidsrom, eller det kan omprogrammeres til å oppføre seg som en mer tradisjonell nettlogger som lagrer statistiske verdier såfremt ingen definerte triggergrenser overskrides. Et eksempel på bruk kan være å sette den til å logge statistisk i MEDCAL-stil frem til en spesifikk hendelse vi forventer (spenningstransient, unormalt høy THD, etc), og ved den gitte hendelsen vil den permanent lagre et ønsket antall minutter før og etter hendelsen med høyoppløst, kontinuerlig kurveform for strøm og spenning.
Elspec er en leverandør av nettloggere som skiller seg fra sine konkurrenter ved å benytte en spesiell måleteknikk og komprimeringsalgoritme. Grovt forklart går dette ut på at nettloggeren deres antar at signalet som skal måles er sinusformet, og lagrer kun avviket fra denne sinuskurven. Avvikene hentes ut ved hjelp av såkalt Fourier-transformasjon som oversetter alle kurveformer til et sum av ulike sinuskurver med ulik størrelse og frekvens, som så komprimeres. Når måledataene skal analyseres, pakkes de komprimerte verdiene ut igjen og legges på den grunnleggende sinuskurven. Verdier som beregnes på grunnlag av rådataen (THD, kurveform for individuelle overharmoniske, etc.) kan enten ferdigbehandles i måleapparatet, eller regnes ferdig på en datamaskin i etterkant. Dette er ofte veldig praktisk og tillater lagring av store datamengder over lang tid, samtidig som man i prinsippet kan se hele kurveformen for alle tidspunkt. Noen ulemper ved løsningen er at kortvarige, transiente hendelser kan “glattes ut” av datakomprimeringen, og dermed ikke bli registrert godt nok. Datamengden vil også øke med mengden støy, og ved høye nok THD-nivåer vil kurveformen til slutt bli så forvrengt at apparatet ikke lenger skjønner at det er en grunnleggende sinuskurve der nede i bunnen, noe som potensielt kan gjøre at apparatet ikke måler rett lenger.
Krav for å måle i henhold til FoL
Nettselskapene plikter å sørge for akseptabel leveringskvalitet ved kundenes tilknytningspunkt, etter parametere slik de er gitt i Forskrift om Leveringskvalitet i kraftsystemet (FoL). Disse parameterne inkluderer følgende:
– Frekvens
– RMS-spenning
– Kortvarige over- og underspenninger, og spenningssprang
– Flimmer
– Usymmetri (for trefasemålinger)
– THD og individuelle overharmoniske
– Transiente overspenninger
– Interharmoniske og overlagret signalspenning (ingen krav for disse to med mindre noe fastsettes for det spesifikke tilknytningspunktet)
FoL spesifiserer videre (i §4-3) at målingen skal gjøres etter kravene som den internasjonale elektrotekniske kommisjonen (IEC) setter i relevante standarder. Fra NVEs veileder til FoL oppgis det at måleinstrumentet må være et klasse A-instrument slik det er definert i IEC 61000-4-30. Leverandører av de mest brukte klasse A-nettloggerne i Norge har programmert inn en såkalt FoL-sjekk i sin analysesoftware, sånn at man raskt kan få oversikt over hvorvidt FoL overholdes eller ikke.
Et særnorsk krav fra FoL er at det må måles spenningsverdier hvert minutt, fordi kravet til langsomme spenningsvariasjoner er spesifisert med denne oppløsningen. Dette begrenser utvalget av tilgjengelige apparater noe, fordi det er vanligere å tilby 10-minutters gjennomsnitt.
Målinger som går utover det som kreves i FoL
Kravene som stilles direkte i FoL og indirekte via henvisning til IEC 61000-standarden er et godt rammeverk som fanger opp mye, men enkelte problemer krever blant annet høyere samplingrate enn hva som står i forskriften. Blant annet kan supraharmonisk støy (2-150 kHz) på høyere frekvenser enn hva som kreves målt føre til problemer, som interferens med andre apparater.
Et eksempel på dette viste seg da nettkunder på flere nettstasjoner i Bjugn i Trøndelag opplevde problemer med forskjellige typer forbrukerelektronikk som korrelerte med produksjon fra en vindturbin fra Blaaster for noen år siden. Her samplet de innledende spenningskvalitetsmålingene for lavt til å oppdage omfanget av den overharmoniske støyen. Diagrammet nedenfor viser et eksempel fra en annen måling med samme situasjon: Mye overharmoniske i den delen av spekteret som ikke er forskriftsmessig pålagt å måle, og som bare ble oppdaget fordi det har blitt benyttet et mer avansert måleapparat enn hva som er påkrevd i FoL.
Et klasse A-instrument krever heller ikke lagring av kurveform før og etter hendelser, og fravær av dette gjør hendelsesanalyse vanskeligere. Erfaringsmessig har det også vist seg at nettloggere med høyere samplingfrekvens enn hva som kreves for et klasse A-instrument får med seg viktige spenningstransienter og andre kortvarige hendelser som ellers ikke ville blitt oppdaget.
Konklusjonen
Budskapet i denne posten er er ikke at alle som skal feilsøke et problem bør bære med seg avanserte måleinstrumenter med høy brukerterskel og sekssifret prislapp hver gang de skal ut på oppdrag, men at de ved å kjenne til sine måleinstrumenters evner og begrensninger vil kunne velge riktig apparat til formålet, og bruke det valgte apparatet bedre. Hvis det etter en måling skulle vise seg at apparatet ikke oppdaget noe nyttig til feilsøkingen, vil man med kunnskap om hva man faktisk har målt og ikke målt, kunne vite bedre hva neste steg i feilsøkingsprosessen bør være.
Om du vil lese mer om måleinstrumenter, har vi en tidligere artikkel fra 2017 som går gjennom en del av samme tema med en litt annen innfallsvinkel. Den kan leses her.
Teksten fra denne artikkelen er basert på et utdrag fra Håndbok i EMC-problemer som gir praktisk fagkunnskap og anbefalinger til problemløsning basert på det toårige forskningsrådsprosjektet EMC i Smarte Nett, og som publiseres senere denne måneden. Om du ønsker mer informasjon om denne kan du melde deg på vårt nyhetsbrev eller ta kontakt på post@pqa.no.