УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 1995 года по МПК G01R11/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для построения счетчиков электрической энергии.

Известен сумморазностный стохастический ваттметр, содержащий преобразователи тока и напряжения, два сдвоенных компаратора, цифроаналоговый преобразователь.

Известен счетчик электроэнергии, содержащий преобразователи тока и напряжения, два компаратора, цифроаналоговый преобразователь, накапливающий сумматор.

Однако известный ваттметр и счетчик характеризуются ростом времени измерения и снижением точности при увеличении динамического диапазона изменения входного сигнала тока или напряжения при наличии ограничений на время измерения.

Применение стохастического преобразования для измерения электрических величин требует большого количества оценок измеряемых величин, которое определяется требуемой точностью и значением измеряемой величины. Рассмотрим процесс получения оценки нормированной постоянной величины х, принимающей значения на отрезке [0,1] Вспомогательная случайная величина S является равномерно распределенной в том же интервале. Тогда несмещенная оценка величины х может быть получена следующим образом:
, (1) где N число измерений. При этом значение оценки входного сигнала определяется по формуле
= s≅s>

_x^x, (2) где s реализация случайной величины S. Дисперсия полученной оценки составит [4]
D[] σ²= (3) Относительная методическая погрешность оценки для данного числа измерений составит
δ α (4) где α определяется значением доверительной вероятности. При малых значениях х выражение (4) может быть заменено приближенным выражением
δ ≃ (5) При заданном значении δ δ_о из (5) получаем выражение для требуемого количества измерений
N≃ (6)
Полученное выражение (6) показывает, что требуемое число измерений возрастает при уменьшении величин х и заданной погрешности δ_о. В тоже время длительность интервала измерения и определяемое им число измерений могут быть ограничены. Это может быть вызвано несколькими причинами: ограниченная длительность измеряемого процесса; конечная величина интервала стационарности измеряемого процесса; периодичность последовательности псевдослучайных чисел; ограничения, накладываемые на число измерений, связанные с накоплением погрешности в измерительном канале и на стадии обработки.

Таким образом, для некоторых измеряемых процессов получение требуемого числа измерений может оказаться невозможным, а относительная погрешность известных ваттметра и счетчика будет недопустимо велика. Для уменьшения требуемого числа измерений предлагается изменить интервал распределения случайной величины S на [0,r] где 0<r<1. В этом случае оценка измеряемой величины х будет определяться выражением
= , (7) где N' количество измерений. Дисперсия этой оценки
D[] σ′²= (8) откуда при малых х требуемое число отсчетов при заданной относительной методической погрешности δ_о
N′≃ (9) следовательно, значение верхней границы измененного диапазона составит
r≃ < 1. (10)
Следовательно, при малых значениях измеряемой величины уменьшение интервала распределения вспомогательной случайной величины позволяет уменьшить число отсчетов, необходимое для достижения заданной точности. Уменьшение числа отсчетов означает уменьшение требуемого интервала стационарности входного сигнала, что повышает точность измерителя и расширяет область его применения.

Цель изобретения повышение точности измерения и расширение области применения устройства для измерения электрической энергии.

Цель изобретения достигается тем, что в устройство для измерения электрической энергии, содержащее преобразователи тока и напряжения, входы которых являются входами устройства, а выходы соединены с первыми входами двух компараторов, вторые входы которых соединены с выходом цифроаналогового преобразователя, введены сумматор, выход которого соединен со входом цифроаналогового преобразователя, регистр смещения, выход которого соединен с первым входом сумматора, регистр маски, выход которого соединен со вторым входом элемента И, регистр случайных чисел, выход которого соединен с первым входом элемента И. Дополнительно введен блок обработки информации, первый и второй входы которого соединены выходами двух компараторов, третий вход соединен с выходом сумматора, первый выход соединен со входом отсчетного устройства, второй со входом регистра смещения, третий выход соединен со входом регистра маски, а четвертый выход со входом регистра случайных чисел.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства для измерения электрической энергии; на фиг.2, 3 приведен алгоритм работы блока обработки информации.

Устройство для измерения электрической энергии содержит преобразователь 1 тока и преобразователь 2 напряжения, выходы которых соединены соответственно с первыми входами компаратора 3 и компаратора 4, вторые входы которых соединены с выходом цифроаналогового преобразователя 5, а выходы с первым и вторым входами блока 11 обработки информации. Вход цифроаналогового преобразователя 5 соединен с выходом сумматора 9, который соединен с третьим входом блока 11 обработки информации, первый выход которого соединен со входом отсчетного устройства 12, второй выход блока 11 обработки информации соединен с входом регистра 8 смещения, выход которого соединен с вторым входом сумматора 9, первый вход которого соединен с выходом элемента И 6, первый вход которого соединен с выходом регистра 10 случайных чисел, а второй с выходом регистра 7 маски. Выходы регистра 7 маски и регистра 10 случайных чисел соединены соответственно с третьим и четвертым выходами блока 11 обработки информации.

Блок 11 обработки информации может быть реализован на однокристалльной микроЭВМ, например 1816ВЕ51 или 1850ВЕ651. Преобразователи 1 и 2 представляют собой трансформаторы тока и напряжения соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Цикл работы устройства состоит из двух процедур: процедуры определения диапазона изменения входных сигналов тока и напряжения, и процедуры измерения электрической энергии. Процедура определения диапазона состоит в приближенном определении амплитуд входных сигналов тока и напряжения. Процедура измерения энергии состоит в реализации алгоритма стохастического измерения энергии. Длительности процедуры определения диапазона и процедуры измерения энергии зависят от формы и статистических характеристик входных сигналов тока и напряжения.

Процедура определения диапазона состоит из двух процедур: процедуры определения начала периода входного сигнала, и процедуры приближенного определения амплитуды входного сигнала. Процесс определения начала периода входного сигнала реализуется следующим образом. Блок 11 обработки информации заносит в N-разрядный регистр 8 смещения и в N-разрядный регистр 10 случайных чисел нулевое значение, а в N-разрядный регистр 7 маски двоичное число, содержащее в каждом разряде логические 1. Тогда на выходе элемента И 6 появляется нулевое значение, на выходе сумматора 9 также появляется нулевое значение, а на выходе цифроаналогового преобразователя 5 появляется близкий к нулю аналоговый сигнал, подаваемый на вторые входы компаратора 3 и компаратора 4. Определение амплитуд входных сигналов тока и напряжения производится раздельно во времени. Опишем процедуру определения амплитуды входного сигнала тока.

Поступающий с выхода преобразователя 1 на первый вход компаратора 3 преобразованный сигнал тока сравнивается с выходным сигналом цифроаналогового преобразователя 5. Результат сравнения в виде логического сигнала поступает с выхода компаратора 3 на первый вход блока 11 обработки информации, ожидающий появления периода фронта на этом входе, что свидетельствует о начале периода входного сигнала. Аналогичная процедура определения начала периода имеет место и для входного сигнала напряжения за исключением того, что сравнение входного сигнала напряжения и выходного сигнала цифроаналогового преобразователя 5 осуществляется на компараторе 4, а блок 11 обработки информации, ожидает появления переднего фронта с выхода компаратора 4 на втором входе. По окончании процедуры определения начала периода блок 11 обработки информации начинает реализацию процедуры приближенного определения амплитуды входных сигналов тока и напряжения.

Рассмотрим процедуру определения амплитуды входного сигнала тока. Блок 11 обработки информации последовательно заносит в регистр 10 случайных числе числа ζ_i= 2ⁱ, где i=1.N, представляет собой номер итерации, а N разрядность регистров 7, 8, 10 и цифроаналогового преобразователя 5. Поскольку в регистре 7 маски во всех разрядах записаны логические 1, а в регистре 8 смещения хранится нулевое значение, то число ζ_i поступает на вход цифроаналогового преобразователя 5 без изменений и преобразуются в аналоговый сигнал u=u_e2^ζ_i, где u_e единица младшего разряда цифроаналогового преобразователя 5. Сигнал u с выхода цифроаналогового преобразователя 5 поступает на второй вход компаратора 3, где сравнивается со входным сигналом тока, поступающим с выхода преобразователя тока 1 на первый вход компаратора 3. Результат сравнения с выхода компаратора 3 поступает на первый вход блока 11 обработки информации, который в случае превышения входным сигналом тока сигнала u заносит в регистр 10 случайных чисел следующее число ζ_i+1 и описанная выше процедура повторяется. Если входной сигнал не превышает сигнала u поступающего с выхода цифроаналогового преобразователя 5, то блок 11 обработки информации контролирует время Δ t в течение которого входной сигнал не превышает сигнала u. Если значение Δ t превышает величину T/4, где Т в случае периодического входного сигнала представляет собой значение периода, то процедура определения амплитуды входного сигнала тока считается завершенной. Результатом работы процедуры определения амплитуды входного сигнала тока является количество К_i итераций, совершенных в процессе измерения амплитуды входного сигнала тока. Процедура определения амплитуды входного сигнала напряжения реализуется аналогично и отличается от описанной тем, что сравнение проводится на компараторе 4, а результате сравнения поступает на второй вход блока 11 обработки информации. Результатом работы процедуры определения амплитуды входного сигнала напряжения является количество К_u итераций, совершенных в процессе измерения амплитуды входного сигнала напряжения. Полученные значения К_i и К_u запоминаются блоком 11 обработки информации. Приближенные значения амплитуд тока и напряжения K_i и K_u, представленные в виде количества итераций, определяют значения соответствующих масок ζ_mⁱ и ζ_m^u, которые определяются по следующим формулам: _mⁱ=2^Ki-1
ζ_m^u= 2^Ku-1 (11) и в двоичном виде представляют собой числа с соответственно К_i-1 и K_u-1 ненулевыми младшими разрядами.

Процедура измерения электрической энергии представляет собой совокупность процедуры начальной установки, процедуры вычисления оценки мощности и процедуры определения электрической энергии.

Процедура начальной установки состоит в том, что в регистр маски 7 заносится значение маски ζ_mⁱ,a в регистр 8 смещения значение Δ смещения, определяемого следующим образом. Для знакопеременных входных сигналов цифроаналоговый преобразователь 5 должен работать в двуполярном режиме. При этом, если на входе цифроаналогового преобразователя 5 подан код ζ" то на его выходе появится сигнал
X(ζ″) u. (12) Пусть блок 11 обработки информации заносит в регистр 10 случайных чисел псевдослучайное число ζ, которое поступает на первый вход элемента И 6, на второй вход которого с выхода регистра 7 маски поступает значение некоторой маски ζ_m. После выполнения операции поразрядного логического умножения, на выходе элемента И 6 появляется значение ζ"= ζ ζ_m, поступающее на первый вход сумматора 9, на второй вход которого поступает значение Δ0. Тогда на выходе цифроаналогового преобразователя 5 появится смещенный в область отрицательных значений сигнал, определяемый по (12). Чтобы исключить отрицательное смещение и обеспечить симметричность диапазона изменения случайного сигнала относительно нуля необходимо определить такое значение смещения Δ в выражении
ζ " ζ ζ_m+ Δ (13) чтобы выполнялись соотношения
X(ζ_max)= u_e
X(ζ_min)= u_e (14) при ζ_max=2^K-1 и ζ_min=0 для некоторого значения амплитуды К. Решая уравнения (14) совместно с уравнением (12) получим для некоторого К
Δ . (15) Подставив (15) в (13) и подставив полученное выражение для ζ" в формулу (12), получим следующее значение сигнала на выходе цифроаналогового преобразователя 5:
X ζ_m- u_e, (16) которое, как и требовалось, удовлетворяет требованиям (14) симметрии диапазона изменения случайного сигнала относительно нуля. В соответствии с (15) получаем выражения для расчета смещений для сигналов тока Δ _i и напряжения Δ _u
Δ_i= .

Δ_u= (17) Процедура начальной установки завершается занесением в регистр 8 смещения значения Δ _i.

Процедура генерации псевдослучайных чисел состоит в том, что блок 11 обработки информации программно генерирует псевдослучайное число ζ заносит его в регистр 10 случайных чисел. Существует значительное количество алгоритмов генерации псевдослучайных последовательностей. В качестве одной из возможных реализаций может быть взят, например, мультипликативный генератор равномерно распределенных псевдослучайных чисел, обладающий приемлемыми характеристиками.

Процедура вычисления оценки мощности состоит в том, что блок 11 обработки информации генерирует случайное число ζ_i, которое заносится в регистр 10 случайных чисел, и с выхода этого регистра поступает на первый вход элемента И 6, на котором происходит выполнение операции логического умножения числа ζ_i на значение маски тока ζ_mⁱ, хранящейся в регистре 7 маски: _ζi'=ζ_i& ζ_mⁱ. Результат умножения ζ_i' с выхода элемента И 6 поступает на первый вход сумматора 9, где происходит суммирование ζ_i' со значением смещения для сигнала тока Δ _i: ζ_i"=ζ _i'+ Δ _i. Результат сложения ε_i" поступает на вход цифроаналогового преобразователя 5 и на третий вход блока 11 обработки информации, где запоминается. Соответствующий ζ_i" аналоговый сигнал х_i с выхода цифроаналогового преобразователя 5 поступает на второй вход компаратора 3, на первый вход которого с выхода преобразователя 1 поступает сигнал тока i. Компаратор 3 реализует следующую функцию сравнения:
m_i= . (18)
Значение m_i с выхода компаратора 3 поступает на первый вход блока 11 обработки информации и запоминается. Затем блок 11 обработки информации заносит в регистр 7 маски значение маски для сигнала напряжения ζ_m^u, в регистр 8 смещения смещение для сигнала напряжения Δ _u, a в регистр 10 случайного числа случайное число ζ_u, которое с выхода этого регистра поступает на первый вход элемента И 6, на котором происходит выполнение операции логического умножения числа ζ_u на значение маски напряжения ζ_m^u, хранящейся в регистре 7 маски: ζ_u'= ζ_u& ζ_m^u. Результат умножения ζ_u' с выхода элемента И 6 поступает на первый вход сумматора 9, где происходит суммирование ζ_u' со значением смещения для сигнала напряжения Δ _u: ζ_u"= ζ_u'+ Δ _u. Результат сложения ζ_u" поступает на вход цифроаналогового преобразователя 5 и на третий вход блока 11 обработки информации, где запоминается. Соответствующий ζ_u' аналоговый сигнал х_u с выхода цифроаналогового преобразователя 5 поступает на второй вход компаратора 4, на первый вход которого с выхода преобразователя 2 поступает сигнал напряжения u. Компаратор 4 реализует следующую функцию сравнения:
m_u= (19)
Значение m_u с выхода компаратора 5 поступает на второй вход блока 11 обработки информации и запоминается. Затем блок 11 обработки информации вычисляет оценку активной мощности по формуле
(k) ,. (20)
Значение (k) используется для вычисления значения энергии за цикл работы устройства. В процессе выполнения процедуры определения электрической энергии за цикл производится вычисление значения
W(k) 2(k), (21) где K_i(k), K_u(k) амплитуды тока и напряжения соответственно на k-м цикле работы устройства;
М количество оценок активной мощности осуществленных в течение процедуры измерения электрической энергии.

Цикл работы устройства завершается вычислением блоком 11 обработки информации суммарного значения W_s(k) энергии, представляющего собой сумму значения W(k) энергии за k-й цикл работы устройства и значения W_s(k-1) энергии, накопленного в течение предшествующих k-1 циклов работы устройства:
W_s(k)=W_s(k-1)+W(k). (22)
Блок 11 обработки информации выдает импульсный сигнал на вход счетного устройства в случае выполнения условия W_s(k)≥ ≥ W_o, где W_o пороговое значение, определяемое ценой деления отсчетного устройства 12.

Алгоритм работы блока 11 обработки информации приведен на фиг.2, 3.

Реализация устройства не вызывает технических трудностей, поскольку все узлы описанного устройства реализуются на серийно выпускаемых элементах.

Использование: в электроизмерительной технике, может быть использовано для построения счетчиков электрической энергии. Сущность изобретения: устройство содержит преобразователи тока и напряжения, два компаратора, цифроаналоговый преобразователь, сумматор, элемент И, регистр маски, регистр случайных чисел, регистр смещений, блок обработки информации и отсчетное устройство. Устройство позволяет повысить точность измерений и расширить область применения за счет реализации стохастического способа измерения электрической энергии, что обеспечивает возможность изменения диапазона значений равномерно распределенных псевдослучайных чисел в зависимости от амплитуд входных сигналов тока или напряжения. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, содержащее преобразователи тока и напряжения, первый и второй компараторы, цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго компараторов, первые входы которых соединены соответственно с выходами преобразователей тока и напряжения, отличающееся тем, что в него введены элемент И, регистр маски, регистр смещения, сумматор, регистр случайных чисел, блок обработки информации и отсчетное устройство, вход которого соединен с первым выходом блока обработки информации, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго компараторов, выход сумматора соединен с входом цифроаналогового преобразователя и третьим входом блока обработки информации, второй выход которого через регистр смещения соединен с вторым входом сумматора, первый вход которого соединен с выходом элемента И, первый и второй входы которого соединены соответственно через регистр случайных чисел и регистр маски с соответствующими четвертым и третьим выходами блока обработки информации.