СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР КАЧЕСТВА ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 1997 года по МПК G01R19/165 

Изобретение относится к технике электроизмерений, может быть использовано для контроля качества электроэнергии, например для статистического контроля отклонений напряжения, и является усовершенствованием известного устройства, описанного в авторском свидетельстве СССР N 1223156, кл. G 01R 19/165, 21.06.84.

По основному изобретению известен статистический анализатор качества параметров электрической энергии, содержащий преобразователь, многопредельный блок сравнения с n выходами и n каналов, состоящих из счетчиков и коммутаторов, блок управления и блок статистической обработки, состоящий из линейных индикаторов.

Недостатком известного устройства являются ограниченные функциональные возможности, так как устройство позволяет формировать только гистограмму распределения отклонений напряжения и не позволяет аппаратурным путем определять численные значения статистических моментов: математического ожидания и дисперсии, например, отклонений напряжения.

Решение технической задачи, а именно расширение функциональных возможностей устройства, достигается тем, что в статистический анализатор качества параметров электрической энергии, содержащий преобразователь входного сигнала в постоянное напряжение, выход которого соединен с входом многопредельного блока сравнения с n выходами, n каналов, состоящих из счетчиков и соединенных с их входами коммутаторов, блок управления и блок статистической обработки, состоящий из линейных индикаторов, каждый из которых подключен к выходу одного из счетчиков, введены блок вычисления статистических моментов, информационный вход которого объединен с входом многопредельного блока сравнения, а вход управления подключен к выходу блока управления, и задатчик интервалов выборки, связанный с входом блока управления, причем блок вычисления статистических моментов выполнен в виде двух элементов задержки, трех групп элементов И, двух триггеров, двух квадратов, двух сумматоров кодов, счетчика числа выборок, двух схем умножения кодов, схемы вычитания кодов, реверсивного счетчика, двух схем деления кодов и преобразователя мгновенных значений напряжения в цифровой код, информационный вход которого является информационным входом блока вычисления статистических моментов, вход управления которого объединен со счетным входом сложения реверсивного счетчика, входом счетчика числа выборок, входом первого элемента задержки, входом запуска преобразователя мгновенных значений напряжения в цифровой код, выходом связанного с первым входом первой группы элементов И, второй, третий входы и выход которого соединены с выходом первого элемента задержки, выходом первого триггера и входом первого сумматора, объединенного с входом первого квадратора, выходом подключенного к входу второго сумматора, выход которого и выход первого сумматора подключены соответственно к второму входу первой схемы умножения кодов и первому входу второй группы элементов И, второй вход которой объединен с вторым входом третьей группы элементов И и подключен к выходу второго триггера, вход сброса которого объединен с входом сброса первого триггера, счетным входом вычитания реверсивного счетчика и присоединен к выходу второго элемента задержки, входом объединенного с входом установки второго триггера и подключенного к выходу переполнения счетчика числа выборок, информационный выход которого подключен одновременно к входу делителя первой схемы деления кодов, первому входу второй схемы умножения кодов и первому входу первой схемы умножения кодов, выходом присоединенной к первому входу третьей группы элементов И, выход которой связан с входом уменьшаемого схемы вычитания кодов, входом вычитаемого и выходом подключенной соответственно к выходу второго квадратора и входу делимого второй схемы деления кодов, входом делителя связанной с выходом второй схемы умножения кодов, а выходом объединенной с вторым выходом блока вычисления статистических моментов, первый выход которого объединен с выходом первой схемы деления кодов, вход делимого которой объединен с входом второго квадратора и подключен к выходу второй группы элементов И, причем выход реверсивного счетчика присоединен к второму входу второй схемы умножения кодов.

Сущность изобретения состоит в расширении функциональных возможностей путем преобразования мгновенных значений напряжения, пропорционального контролируемому, в цифровые коды, последующей обработке этих кодов и автоматическом вычислении значений математического ожидания и дисперсии отклонений напряжения. Заявляемое техническое решение отличается от известного устройства тем, что дополнительно содержит блок вычисления статистических моментов, состоящий из двух элементов задержки, трех групп элементов И, двух триггеров, двух квадраторов, двух сумматоров, счетчика числа выборок, двух схем умножения кодов, схемы вычитания кодов, реверсивного счетчика, двух схем деления кодов и преобразователя мгновенных значений напряжения в цифровой код, а также задатчик интервалов выборки и соответствующие связи. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения с другими решениями показывает, что в научно-технической литературе не обнаружено устройств с такой совокупностью новых блоков, их конструктивным выполнением и соответствующими связями. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Суть измерения статистических моментов состоит в следующем.

Если случайный процесс изменения напряжения U_x(t) представить совокупностью мгновенных значений i-ых реализаций U_xi(t), то для определения математического ожидания M[U(t)] и дисперсии D[U(t)] отклонений напряжения можно использовать линейные несмещенные оценки , формируемые из дискретных выборок реализации U_xi(t) случайного процесса U_x(t).

Для построения оценок воспользуемся методом моментов, который в качестве оценки для математического ожидания отклонений напряжения дает выборочное среднее

где N_i цифровой код i-ой реализации мгновенного значения напряжения U_xi(t),
m объем выборки,
а для дисперсии отклонений напряжения выборочную дисперсию

Однако оценка (2) не является несмещенной. Смещение оценки для дисперсии дает систематическую погрешность измерения этой характеристики.

Оценка для дисперсии будет несмещенной, если математическое ожидание этой оценки совпадает с истинным значением дисперсии D. Можно показать, что
.

Для построения несмещенной оценки дисперсии отклонений напряжения выразим оценку (2) через второй начальный момент и введем поправочный коэффициент в виде числа Тогда получим

Оценка (3) для дисперсии отклонений напряжения будет несмещенной и, следовательно, состоятельной.

На фиг. 1 представлена функциональная схема статистического анализатора качества параметров электрической энергии, на фиг. 2 функциональная схема блока вычисления статистических моментов.

Статистический анализатор качества параметров электрической энергии содержит преобразователь 1 входного сигнала в постоянное напряжение, выход которого соединен с входом многопредельного блока 2 сравнения с n выходами, n каналов, состоящих из счетчиков 3 и соединенных с их входами коммутаторов 4, блок 5 управления, блок 8 статистической обработки, задатчик 10 интервалов выборки и блок 11 вычисления статистических моментов.

Многопредельный блок 2 сравнения выполнен из формирователя 6 шкалы опорных напряжений с n выходами и n пороговых элементов 7 с прямым и инверсным выходами, первый вход каждого из которых подключен к одному из выходов формирователя 6 шкалы опорных напряжений, а вторые объединены с входом многопредельного блока 2 сравнения.

Коммутаторы 4 выполнены в виде трехвходовых элементов И, первый вход каждого из которых подключен к инверсному выходу порогового элемента 7 данного канала, второй вход к прямому выходу порогового элемента старшего по шкале опорных напряжений канала, а третьи входы элементов И соединены с выходом блока 5 управления. Блок 5 управления может быть выполнен, например, в виде управляемого генератора тактовых импульсов.

Блок 8 статистической обработки предназначен для формирования гистограммы и состоит из линейных индикаторов 9, каждый из которых подключен к одному из счетчиков 3.

Задатчик 10 интервалов выборки служит для регулирования интервалов выборки и может быть выполнен, например, в виде таймера, выход которого подключен к входу блока 5 управления.

Блок 11 вычисления статистических моментов (фиг.2) реализует алгоритмы (1) и (3) получения оценок для математического ожидания и дисперсии отклонений напряжения. Вход управления и информационный вход блока 11 связаны соответственно с выходом блока 5 управления и выходом преобразователя 1. Блок 11 вычисления статистических моментов содержит преобразователь 12 мгновенных значений напряжения в цифровой код, первый элемент задержки 13, первый триггер 14, первую группу 15 элементов И, счетчик 16 числа выборок, первый квадратор 17, первый сумматор 18 кодов, второй сумматор 19 кодов, второй элемент задержки 20, второй триггер 21, первую схему 22 умножения кодов, вторую группу 23 и третью группу 24 элементов И, реверсивный счетчик 25, второй квадратор 26, схему 27 вычитания кодов, вторую схему 28 умножения кодов, первую схему 29 и вторую схему 30 деления кодов.

Триггеры 14 и 21 выполнены в виде RS-триггеров. Первая группа 15 элементов И имеет три входа, а вторая и третья группы 23 и 24 элементов И - два входа. Счетчик 16 числа выборок выполнен на m импульсов и имеет кодовый выход и выход переполнения счетчика.

Блок 11 имеет информационный вход 31, вход 32 управления, первый из которых объединен с входом многопредельного блока 2 сравнения, а второй вход 32 подключен к выходу блока 5 управления, и выходы 33, 34. Выход 33 объединен с выходом первой схемы 29 деления кодов, а второй с выходом второй схемы 30 деления кодов.

Блок 11 вычисления статистических моментов работает следующим образом.

В исходном состоянии триггеры 14 и 21, счетчики 16 и 25, сумматоры 18 и 19 находятся в нулевом состоянии. Блок 11 подготовлен к выполнению процедуры измерения, состоящей на m циклов.

При поступлении сигнала ПУСК на S-вход триггера 14 осуществляется его перевод в единичное состояние, обеспечивая присутствие логической "1" на третьем входе группы 15 элементов И. С приходом первого из m импульсов по входу 32 на вход управления преобразователя 12 осуществляется его запуск на преобразование мгновенного значения напряжения, присутствующего на входе 31, в цифровой код N₁.

Одновременно с этим импульс управления поступает на вход элемента 13, вход счетчика 16 и счетный вход сложения реверсивного счетчика 25. Импульс управления повторяется на выходе элемента 13 и поступает на второй вход первой группы 15 элементов И с временной задержкой, равной времени преобразования мгновенного значения напряжения U₁(t) в цифровой код N₁, осуществляемый в преобразователе 12. С приходом первого из импульсов управления на второй вход первой группы 15 элементов И код N₁ повторяется на ее выходе и вводится одновременно в квадратор 17 и сумматор 18 кодов. После выполнения операции квадрирования в квадраторе 17 код N₁ ² вводится во второй сумматор 19. При этом в счетчике 16 и реверсивном счетчике 25 записывается единица. Первый цикл процедуры измерения завершен.

Через время, определяемое задатчиком 10, его выходной импульс осуществляет запуск блока 5 управления во втором цикле процедуры измерения. Работа блока 11 во втором и последующих циклах процедуры измерения происходит аналогично описанной в первом цикле.

За время T поступления m импульсов в сумматоре 18 будет накоплена сумма , а в сумматоре 19 , первая из которых поступает на первый вход второй группы 23 элементов И, а вторая на второй вход первой схемы 22 умножения кодов.

При достижении числа m импульсов, равного объему выборки, в счетчике 16 и реверсивном счетчике будет зафиксирован код числа m. При этом на кодовом выходе счетчика 16 будет присутствовать код числа m, а на выходе переполнения будет сформирован импульс, который установит по S-входу второй триггер 21 в единичное состояние и через элемент 20 задержки поступает на счетный вход вычитания реверсивного счетчика 25, на выходе которого будет присутствовать код числа (m-1). В то же время код числа m одновременно поступает на первые входы умножения схем 22, 28 умножения и вход делителя первой схемы 29 деления кодов. В результате выполнения операции умножения, осуществляемой схемой 22, на ее выходе появляется код числа , который поступает на первый вход третьей группы 24 элементов И. При этом логическая "1", поступив с выхода триггера 21 на первые входы групп 23 и 24 элементов И, разрешает, во-первых, поступление кода суммы в квадратор 26 и вход делимого схемы 29 деления кодов, а во-вторых, разрешает поступление кода на вход уменьшаемого схемы 27 вычитания. Кроме этого, импульс переполнения счетчика 16 через элемент 20 задержки переводит по R-входу триггеры 14 и 21 в нулевое состояние.

Код числа (m-1) с выхода реверсивного счетчика 25 поступает на второй вход второй схемы 28 умножения кодов. В результате выполнения операции умножения схемой 28 на ее выходе появляется код числа m(m-1), который поступает на вход делителя второй схемы 30 деления кодов.

Одновременно с этим в результате выполнения операции квадрирования, осуществляемой квадратором 26, на его выходе будет зафиксирован код числа , который поступает на вход вычитаемого схемы 27 вычитания. После выполнения операции вычитания кодов, реализуемой схемой 27 вычитания, на вход делимого второй схемы 30 деления поступает код числа . Далее в схеме 29 осуществляется деление кода на код числа m и на выходе 33 фиксируется значение оценки математического ожидания отклонений напряжения.

Вместе с тем в схеме 30 выполняется деление кода числа на код числа m(m-1) и на выходе 34 фиксируется значение оценки дисперсии отклонений напряжения. Процедура измерения завершена.

Статистический анализатор качества параметров электрической энергии работает следующим образом.

Входной сигнал преобразуется преобразователем 1 в постоянное напряжение, которое пороговыми элементами 7 сравнивается со шкалой опорных напряжений, формируемых формирователем 6. Сравнение входного сигнала производится со всеми опорными напряжениями одновременно. Пороговые элементы 7 при условии превышения уровня выходного напряжения преобразователя 1 соответствующих опорных напряжений формируют сигнал, например, логической "1" на прямом выходе и логического "0" на инверсном выходе. На выходах пороговых элементов 7, для которых уровень их входного напряжения меньше опорного напряжения, на прямом выходе формируется сигнал логического "0", а на инверсном логической "1".

Задатчик 10 интервалов выборки выдает за время T процедуры измерения число m импульсов на запуск блока 5 управления в моменты времени
,
где i 1, 2, m.

Блок 5 управления формирует уровни напряжения, принимающие поочередно значения логического "0" и логической "1". Коммутаторы 4, выполненные в виде элемента И, формируют сигналы с уровнем логического "0", если на всех входах присутствуют сигналы уровня логического "0", и логической "1", если хотя бы на одном из входов сигнал с уровнем логической "1".

Счетчики 3 подсчитывают количество импульсов, имеющих уровни логического "0", поступающих с коммутаторов 4. Уровни логического "0" присутствуют на всех входах только того элемента И, который соединен с инверсным выходом порогового элемента 7, опорное напряжение которого является наибольшим из всех опорных напряжений, меньших выходного напряжения преобразователя 1.

Поскольку блок 5 управления формирует импульсное напряжение с изменяющимися логическими уровнями, на вход счетчика 3 в соответствующем канале поступают импульсы, количество которых за определенный период времени указывает на то, что в этот период времени уровень контролируемого напряжения находится между уровнем наибольшего опорного напряжения из всех подключенных к сработавшим пороговым элементам 7 и следующим по величине в сторону увеличения опорным напряжением. На входах всех трехвходовых элементов И, подключенных к инверсным выходам пороговых элементов 7 с меньшими напряжениями, не может быть одновременно сигналов с уровнем логического "0", так как на их входы, подключенные к прямым входам сработавших пороговых элементов 7, постоянно подаются сигналы с уровнем логической "1". Таким образом, импульсы с уровнем логического "0" фиксируются только счетчиком 3, связанным с пороговым элементом 7, имеющим опорное напряжение, наиболее близкое снизу к выходному напряжению преобразователя 1, пропорциональному входному сигналу. При изменении уровня входного сигнала, приводящем к изменению выходного напряжения преобразователя 1 по сравнению с опорными напряжениями формирователя 6, сигналы с уровнем логического "0" появляются на всех входах одновременно у другого трехвходового элемента И и работает другой счетчик 3. Выходные сигналы со счетчиков 3 поступают на линейные индикаторы 9, которые представляют информацию, накопленную в каждом счетчике в визуальной форме, а все вместе они формируют гистограмму распределения амплитуды входного сигнала по фиксированным уровням за определенный период T времени процедуры измерения, отражающую качество входного сигнала.

Одновременно с этим постоянное напряжение, пропорциональное входному сигналу U_x(t), с выхода преобразователя 1 поступает на информационный вход 31 блока 11 вычисления статистических моментов, а на его управляющий вход 32 поступают импульсы управления различного уровня, формируемые блоком 5 управления.

В результате выполнения в блоке 11 вычисления статистических моментов алгоритмов (1) и (3) к окончанию времени T процедуры измерения на выходе 33 и выходе 34 будут присутствовать коды оценок соответственно математического ожидания

и дисперсии

отклонений напряжения, характеризующих совместно с гистограммой качество входного сигнала. Процедура измерения статистических моментов завершается.

Таким образом, введение в известный статистический анализатор качества параметров электрической энергии блока вычисления статистических моментов, задатчика интервалов выборки и соответствующих связей позволяет не только формировать гистограмму, но и представлять в цифровой форме оценки математического ожидания и дисперсии отклонений напряжения, что подтверждает решение технической задачи, заключающейся в расширении функциональных возможностей.

Изобретение относится к технике электроизмерений и может быть использовано для контроля качества электроэнергии, например для статистического контроля отклонений напряжения. Устройство содержит преобразователь входного сигнала в постоянное напряжение, многопредельный блок сравнения, каналы, состоящие из счетчиков и коммутаторов, блок управления, блок статистической обработки, задатчик интервалов выборки и блок вычисления статистических моментов. Многопредельный блок сравнения выполнен в виде формирователя шкалы опорных напряжений и пороговых элементов. Блок статистической обработки состоит из линейных индикаторов. Блок вычисления статистических моментов содержит преобразователь мгновенных значений напряжения в цифровой код, первый элемент задержки, первый триггер, первую группу элементов И, счетчик числа выборок, первый квадратор, первый сумматор кодов, второй элемент задержки, второй триггер, первую схему умножения кодов, вторую и третью группы элементов И, реверсивный счетчик, второй квадратор, схему вычитания кодов, вторую схему умножения кодов, первую и вторую схемы деления кодов, информационный вход, вход управления и выходы. Решение технической задачи достигается введением блока вычисления статистических моментов, задатчика интервалов выборки и соответствующих связей. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Статистический анализатор качества параметров электрической энергии, содержащий преобразователь входного сигнала в постоянное напряжение, выход которого соединен с входом многопредельного блока сравнения с n выходами, n каналов, состоящих из счетчиков и соединенных с их входами коммутаторов, блок управления и блок статистической обработки, состоящий из линейных индикаторов, каждый из которых подключен к выходу одного из счетчиков, коммутаторы выполнены в виде трехвходовых элементов И, первый вход каждого из которых соединен с инверсным выходом данного канала многопредельного блока сравнения, второй вход с прямым выходом старшего по шкале опорных напряжений канала многопредельного блока сравнения, третьи входы коммутаторов объединены и подключены к выходу блока управления, отличающийся тем, что в него введен задатчик интервалов выборки, связанный с входом блока управления, и блок вычисления статистических моментов, информационный вход которого объединен с входом многопредельного блока сравнения, а вход управления подключен к выходу блока управления. 2. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что блок вычисления статистических моментов выполнен в виде двух элементов задержки, трех групп элементов И, двух триггеров, двух квадраторов, двух сумматоров кодов, счетчика числа выборок, двух схем умножения кодов, схемы вычитания кодов, реверсивного счетчика, двух схем деления кодов и преобразователя мгновенных значений напряжения в цифровой код, информационный вход которого является информационным входом блока вычисления статистических моментов, вход управления которого объединен с счетным входом сложения реверсивного счетчика, входом счетчика числа выборок, входом первого элемента задержки и входом запуска преобразователя мгновенных значений напряжения в цифровой код, выходом связанного с первым входом первой группы элементов И, второй, третий входы и выход которого соединены с выходом первого элемента задержки, выходом первого триггера и входом первого сумматора, объединенного с входом первого квадратора, выходом подключенного к входу второго сумматора, выход которого и выход первого сумматора подключены соответственно к второму входу первой схемы умножения кодов и первому входу второй группы элементов И, второй вход которой объединен с вторым входом третьей группы элементов И и подключен к выходу второго триггера, вход сброса которого объединен с входом сброса первого триггера, счетным входом вычитания реверсивного счетчика и присоединен к выходу второго элемента задержки, входом объединенного с входом установки второго триггера и подключенного к выходу переполнения счетчика числа выборок, информационный выход которого подключен одновременно к входу делителя первой схемы деления кодов, первому входу второй схемы умножения кодов и первому входу первой схемы умножения кодов, выходом присоединенной к первому входу третьей группы элементов И, выход которой связан с входом уменьшаемого схемы вычитания кодов, входом вычитаемого и выходом подключенной соответственно к выходу второго квадратора и входу делимого второй схемы деления кодов, входом делителя связанной с выходом второй схемы умножения кодов, а выходом объединенной с вторым выходом блока вычисления статистических моментов, первый выход которого объединен с выходом первой схемы деления кодов, вход делимого которой объединен с входом второго квадратора и подключен к выходу второй группы элементов И, причем выход реверсивного счетчика присоединен к второму входу второй схемы умножения кодов.