ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01R21/133 

Изобретение относится к цифровой контрольно-измерительной технике и может быть использовано при построении измерителей активной мощности и энергии сигналов переменного тока в системах автоматического контроля, регулирования и управления.

Известно устройство для измерения активной мощности переменного тока, в котором производится спектральный анализ входных периодических сигналов, вычисляется активная мощность каждой гармоники и мощность в цепи определяется как сумма мощностей всех входящих в состав сигнала гармоник [1] Однако реализация такого измерителя требует большого количества аппаратных затрат.

Известен цифровой измеритель активной мощности переменного тока, в котором сигналы, пропорциональные напряжению и току в исследуемой сети, преобразуются в код n раз за период, мгновенные значения перемножаются в цифровой форме, накапливаются и усредняются [2] Однако данный измеритель имеет низкое быстродействие, связанное с вычислением значения активной мощности только один раз за период входного сигнала.

Известен цифровой измеритель активной мощности, содержащий два преобразователя напряжения в код, блок выделения периода, умножитель частоты, цифровой блок перемножения, блок управления, регистровый блок типа FIFO, комбинационный вычитатель и накапливающий сумматор [3] Информационный вход второго преобразователя напряжения в код является входом цифрового измерителя для напряжения и соединен со входом блока выделения периода, а вход первого преобразователя напряжения в код является входом измерителя для напряжения, пропорционального току в сети. Выход блока выделения периода соединен со входом умножителя частоты, выход которого соединен с запускающими входами первого и второго преобразователей напряжения в код, выходы готовности которых соединены с первым и вторым входами блока управления и входами приема первого и второго сомножителей блока перемножения. Информационные выходы первого и второго преобразователей напряжения в код соединены с первыми и вторыми входами сомножителей блока перемножения, информационные выходы которого соединены со входами данных регистрового блока типа FIFO и со входами уменьшаемого вычитателя, входы вычитаемого которого соединены с выходами данных регистрового блока типа FIFO, а выходы соединены с информационными входами сумматора, выходы данных которого являются информационными выходами цифрового измерителя активной мощности. Выход блока управления соединен со входами синхронизации регистрового блока и накапливающего сумматора, вход сброса которого соединен с одноименным входом регистрового блока типа FIFO и является входом запуска цифрового измерителя активной мощности.

Это устройство наиболее близко по техническому решению к изобретению и поэтому рассматривается в качестве прототипа.

Недостатком прототипа являются высокие аппаратные затраты, необходимые при анализе сильно искаженных сигналов. В этом случае требуется большое количество отсчетов для операции усреднения при вычислении активной мощности. Аппаратные затраты при реализации цифрового измерителя активной мощности таких сигналов определяются в основном объемом регистрового блока типа FIFO, число ячеек памяти которого будет велико.

Задача изобретения уменьшение аппаратных затрат при разработке цифрового измерителя активной мощности для анализа сильно искаженных сигналов путем снятия зависимости объема FIFO от числа отсчетов в периоде входного сигнала.

Задача решается и благодаря тому, что в цифровой измеритель активной мощности, содержащий, как и прототип, два преобразователя напряжения в код, цифровой блок перемножения, блок выделения периода, умножитель частоты, блок управления, регистровый блок типа FIFO, комбинационный вычитатель и накапливающий сумматор, причем информационный вход второго преобразователя напряжения в код является входом цифрового измерителя для напряжения и соединен со входом блока выделения периода, а вход первого преобразователя напряжения в код является входом цифрового измерителя для напряжения, пропорционального току в сети, выход блока выделения периода соединен со входом умножителя частоты, выход которого соединен со входами запуска первого и второго преобразователей напряжения в код, выходы готовности которых соединены с первым и вторым входами блока управления и входами приема первого и второго сомножителей блока перемножения, информационные выходы первого и второго преобразователей напряжения в код соединены соответственно с первыми и вторыми входами сомножителей блока перемножения, выходы данных регистрового блока типа FIFO соединены со входами вычитаемого комбинационного вычитателя, выходы которого соединены с информационными входами первого накапливающего сумматора, выходы данных которого являются информационными выходами цифрового измерителя активной мощности, вход сброса накапливающего сумматора соединен с одноименным входом регистрового блока типа FIFO и является входом запуска цифрового измерителя активной мощности, дополнительно, в отличие от известного устройства, введены второй накапливающий сумматор и счетчик по модулю К, причем информационные выходы блока перемножения соединены со входами данных второго сумматора, выходы которого соединены со входами данных регистрового блока типа FIFO и входами уменьшаемого комбинационного вычитателя, первый выход блока управления соединен со входом синхронизации второго сумматора, а второй со счетным входом счетчика по модулю К, выход переполнения которого соединен со входами синхронизации регистрового блока типа FIFO, первого сумматора и со вторым входом сброса второго сумматора, первый вход сброса второго накапливающего сумматора и вход сброса счетчика по модулю К соединены со входом запуска цифрового измерителя активной мощности.

Сущность изобретения состоит в запоминании сумм групп отсчетов мгновенных значений активной мощности за период входного сигнала и в вычислении активной мощности после получения группы отсчетов путем прибавления полученной текущей сурьмы группы отсчетов к предыдущему значению результата и вычитания из нее самой "давней" с последующим усреднением.

Введение новых элементов второго накапливающего сумматора, формирующего суммы групп отсчетов, и счетчика по модулю К, вырабатывающего равномерные сигналы синхронизации через время , где Т период входного сигнала, n - количество отсчетов за период, и К количество отсчетов в группе; а также введение новых связей позволяет обеспечить суммирование значения группы из К отсчетов мгновенной мощности и корректировать этой величиной общий результат измерения. Таким образом, результат измерения формируется не после каждого отсчета, а после группы из К отсчетов. В известных технических решениях такого подхода к данной задаче, а также совокупности признаков, реализующих этот подход, не обнаружено.

На фиг. 1 изображена функциональная схема цифрового измерителя активной мощности.

Цифровой измеритель активной мощности содержит два преобразователя напряжения в код (ПНК) 1 и 2, блок выделения периода (БВП) 3, умножитель частоты (УЧ) 4, цифровой блок перемножения 5, блок управления (БУ) 6, регистровый блок типа FIFO 7, комбинационный вычитатель 8, два накапливающих сумматора 9 и 10 и счетчик 11 по модулю К, причем информационный вход ПНК 2 является входом цифрового измерителя для напряжения и соединен со входом БВП 3, а вход ПНК 1 является входом цифрового измерителя для напряжения, пропорционального току в сети, выход БВП 3 соединен со входом УЧ 4, выход которого соединен со входами приема первого и второго сомножителей блока перемножения 5, информационные выходы ПНК 1 и 2 соединены соответственно с первыми и вторыми входами сомножителей блока перемножения 5, информационные выходы которого соединены со входами данных сумматора 10, выходы которого со единены со входами данных регистрового блока 7 и входами уменьшаемого комбинационного вычитателя 8, выходы данных регистрового блока 7 соединены со входами вычитаемого комбинационного вычитателя 8, выходы которого соединены с информационными входами накапливающего сумматора 9, выходы данных которого являются информационными выходами цифрового измерителя активной мощности, первый выход блока управления 6 соединен со входом синхронизации сумматора 10, а второй выход блока 6 соединен со счетным входом счетчика 11 по модулю К, выход переполнения которого соединен со входами синхронизации регистрового блока 7, комбинационного вычитателя 8 и со вторым входом сброса сумматора 10, вход сброса накапливающего сумматора 9 соединен с одноименными входами регистрового блока 7, счетчика 11 по модулю К и с первым входом сброса накапливающего сумматора 10 и является входом запуска цифрового измерителя активной мощности.

Цифровой измеритель активной мощности построен на известных элементах и узлах. В качестве ПНК 1 и 2 могут быть использованы однокристальные аналого-цифровые преобразователи К111ЗПВ1, БВП 3 может быть реализован на одном компараторе, например, 521САЗ. УЧ 4 может иметь различные варианты реализации. Один из них приведен в [7, рис. 1] В качестве блока перемножения 5 можно использовать микросхемы К1802ВРЗ и др. БУ 6 представляет собой два последовательно соединенных одновибратора (микросхемы К155АГ1), первый из которых запускается при присутствии одновременно двух входных сигналов, причем, если ПНК 1 и 2 реализованы на микросхемах К111ЗПВ1, то входные сигналы для К155АГ1 должны быть проинвертированы, так как сигнал готовности у К111ЗПВ1 инверсный. Выход этого одновибратора является первым выходом блока управления 6. Сигнал с этого выхода подается на вход второго одновибратора, выход которого является вторым выходом БУ 6. Регистровый блок типа FIFO 7 может быть построен по схеме, приведенной в [4, с. 416, рис. 13.8,г] В качестве регистров в такой схеме могут быть использованы, например, регистры К155ИР13, выходы сброса которых объединены между собой и являются входом сброса регистрового блока типа FIFO 7. Вычитатель 8 реализуется на основе сумматора [5, с. 139, рис. 9-15, а] накапливающий сумматор 9 на сумматоре и регистре [6, с. 196, рис. 11.14]
Схема сумматора 10 приведена на фиг. 2. Он реализован на элементе "И" 12 например, микросхема К155ЛИ1 и накапливающем сумматоре 13, который аналогичен сумматору 9. Построение счетчиков по произвольному модулю К (блок 11) приведено в [8, с. 265-270] Пример построения такого счетчика [8, с. 265, рис. 9.81]
Цифровой измеритель активной мощности работает следующим образом.

По поступлению сигнала "ПУСК" обнуляются регистровый блок 7, счетчик 11 по модулю К и накапливающие сумматоры 9 и 10.

БВП 3 и УЧ 4 формируют на своих выходах прямоугольные импульсы, временной интервал между которыми равен периоду входного сигнала Т_вх для БВП 3 и Т_вх/n для УЧ 4, где n коэффициент умножения УЧ 4, который равен числу отсчетов в периоде. С целью упрощения выполнения операции 1/n при вычислении где P_j j-е мгновенное значение активной мощности, а Р активная мощность, число n выбирается из ряда чисел 2¹, где l любое целое положительное число. При этом операция cводится к сдвигу величины на 1 разрядов вправо.

Каждый импульс с выхода УЧ 4 запускает одновременно ПНК 1 и ПНК 2, которые преобразуют мгновенные значения напряжения и тока в код. По окончанию преобразования на выходе ПНК 1 появляется код , a на выходе ПНК 2 , где j номер отсчета мгновенных значений, а N_i и N_u коды мгновенных значений тока и напряжения соответственно. Одновременно ПНК 1 и ПНК 2 выдают сигналы готовности данных, по которым заносятся в блок перемножения 5.

Через время задержки срабатывания блока перемножения 5 код отсчета мгновенного значения активной мощности появляется на входе данных накапливающего сумматора 10. Окончанием импульса с первого выхода БУ 6, который формируется по поступлению сигналов готовности от ПНК 1 и ПНК 2 и заканчивается через интервал времени, больший чем время срабатывания блока перемножения 5, код добавляется в накапливающий сумматор 10. Так как первоначальное содержимое сумматора равнялось 0, то код заносится в накапливающий сумматор 10. Импульс со второго выхода БУ 6 поступает в счетчик 11 по модулю К через время, достаточное для срабатывания накапливающего сумматора 10 и увеличивает его содержимое на 1.

Число К выбирается таким образом, чтобы число отсчетов за период входного сигнала N было кратно К. На этом первый цикл вычисления заканчивается. Следующий цикл запускается очередным импульсом с выхода УЧ 4, по окончанию которого в сумматоре будет сформирована величина . После выполнения К циклов в накапливающем сумматоре 10 будет сформирована сумма группы из К отсчетов мгновенных значений активной мощности:

Это значение поступает на вход данных регистрового блока 7 и на вход уменьшаемого вычитателя 8. Так как после запуска содержимое регистрового блока типа FIFO 7 равно 0, то на выходе вычитателя 8 также появится код
При этом окончанием импульса со второго выхода БУ 6, длительность которого больше времен срабатывания сумматора 10 и вычитателя 8, вместе взятых, переполняется счетчик 11. Сигналом переполнения счетчика код, накопленный в сумматоре 10, заносится в первый регистр регистрового блока 7 и в накапливающий сумматор 9. Так как первоначальное состояние сумматора 9 было равно 0, то на его выходе появляется код Сумматор 10 сигналом со счетчика 11 обнуляется, подготавливаясь к новому циклу из К вычислений. На этом заканчивается обработка первой группы из К отсчетов. Очередным импульсом с УЧ 4 запускается следующий цикл измерений.

По окончанию следующей группы из К вычислений переместится во второй регистр регистрового блока 7, а запишется в первый регистр. При этом в сумматоре 9 будет сфоpмиpована величина . После выполнения n/K групп вычислений регистровый блок типа FIFO 7 заполнится и будет хранить все n/K сумм групп по К отсчетов за весь период. Первая же сумма появится на его выходе, так как регистровый блок 7 содержит n/K регистров. В накапливающем сумматоре 9 при этом будет сформирована сумма

где Z номер группы из К отсчетов.

Но так как n=2¹, и операция a/n, где а любое число, есть сдвиг числа а на 1 разрядов вправо, что не изменяет вид кода, а равносильно перемещению запятой, то

причем младшие 1 разрядов представляют дробную часть значения Р.

После обработки n+K отсчетов на вход уменьшаемого вычитателя 8 подается код , а на вход вычитаемого с выхода регистрового блока 7. В итоге после окончания (n+K)-го цикла в накапливающем сумматоре 9 будет сформирована сумма

Значение активной мощности не зависит от момента начала снятия отсчетов, то

заносится в первый регистр регистрового блока типа FIFO 7, а в последний (n/K)-й переписывается и он появляется на выходе регистрового блока 7, и так далее.

Таким образом, после снятия каждой группы из К отсчетов N_i и N_u коppектиpуется значение Р в зависимости от значений сумм групп отсчетов активной мощности.

Предлагаемый измеритель формирует на своем выходе каждое новое значение активной мощности через время t K*T_вх/n. Это позволяет уменьшить объем используемого FIFO. Если входной сигнал требует примерно 2¹³ 8192 восьмиразрядных отсчетов за период, то объем FIFO в прототипе составит 8192 х 8 8 Килобайт; в предлагаемом же устройстве при К выбранном 256 объем FIFO равен 32 х 64 64 байта. Таким образом, объем FIFO сократится в 128 раз. При этом сохраняется следящий режим работы, и результат получают 32 раза за период.

Изобретение может быть использовано при построении измерителей активной мощности и счетчиков энергии сигналов переменного тока для сильно искаженных сигналов. Устройство содержит преобразователи напряжения в код 1, 2, блок выделения периода 3, умножитель частоты 4, блок перемножения 5, блок управления 6, регистровый блок типа F1FO 7, комбинационный вычитатель 8, накапливающие сумматоры 9, 10, счетчик 11. 2 ил.

Цифровой измеритель активной мощности, содержащий два преобразователя напряжения в код, цифровой блок перемножения, блок выделения периода, умножитель частоты, блок управления, регистровый блок типа FIFO, комбинационный вычислитель и накапливающий сумматор, причем информационный вход второго преобразователя напряжения в код является входом цифрового измерителя для напряжения и соединен с входом блока выделения периода, а вход первого преобразователя напряжения в код является входом цифрового измерителя для напряжения, пропорционального току в сети, выход блока выделения периода соединен с входом умножителя частоты, выход которого соединен с входами запуска первого и второго преобразователей напряжения в код, выходы готовности которых соединены с первым и вторым входами блока управления и входами приема первого и второго сомножителей блока перемножения, информационные выходы первого и второго преобразователей напряжения в код соединены соответственно с первым и вторым входами сомножителей блока перемножения, выходы данных регистрового блока типа FIFO соединены с входами вычитаемого комбинационного вычитателя, выходы которого соединены с информационными входами первого накапливающего сумматора, выходы данных которого являются информационными выходами цифрового измерителя активной мощности, вход сброса накапливающего сумматора соединен с одноименным входом регистрового блока типа FIFO и является входом запуска цифрового измерителя активной мощности, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй накапливающий сумматор и счетчик по модулю К, причем информационные выходы блока перемножения соединены с входами данных второго сумматора, выходы которого соединены с входами данных регистрового блока типа FIFO и входами уменьшаемого комбинационного вычитателя, первый выход блока управления соединен с входом синхронизации второго сумматора, а второй выход блока управления со счетным входом счетчика по модулю К, выход переполнения которого соединен с входами синхронизации регистрового блока типа FIFO, первого сумматора и с вторым входом сброса второго сумматора, первый вход сброса второго накапливающего сумматора и вход сброса счетчика по модулю К соединены с входом запуска цифрового измерителя активной мощности.