СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01R21/133 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения потребления энергии в цепях переменного тока с периодическим характером изменения тока и напряжения.

Известен способ определения потребления энергии в цепях переменного тока [1].

Способ предусматривает одновременную выборку мгновенных значений тока и напряжения в исследуемой цепи, которую периодически повторяют через интервал времени, соответствующий углу фазового сдвига 90^o, преобразование выборок в цифровые сигналы, пропорциональные выбранным мгновенным значениям тока и напряжения, запоминание этих сигналов и вычисление мгновенных значений мощности.

Для определения потребления энергии полученные значения мощности усредняются в течение заданного интервала времени.

Основными недостатками данного способа являются низкое быстродействие, так как наименьшее время измерения энергии составляет 1/4 периода входного сигнала, и низкая точность, так как в течение периода входного сигнала производится всего по четыре выборки значений тока и напряжения. Кроме того, при определении потребления энергии в многофазных цепях замеры мгновенных значений токов и соответствующих им напряжений требуется производить одновременно во всех цепях, что усложняет реализацию способа.

Устройство для осуществления данного способа содержит датчики тока и напряжения, подключенные ко входам аналого-цифровых преобразователей, соединенных через мультиплексор и операционный блок с процессором.

Кроме этого, к блоку управления подключены генератор опорной частоты, ключ и интегратор [1].

Выборки мгновенных значений тока и напряжения датчики подают на аналого-цифровые преобразователи, преобразующие их в цифровые сигналы. Сигналы обрабатывают в процессоре, после чего в операционном блоке вычисляют мгновенные значения мощности и усредняют их в интеграторе для получения суммарного потребления энергии в исследуемой цепи в течение заданного интервала времени.

Основным недостатком известного устройства является то, что для определения потребления энергии в многофазных цепях согласно известному способу [1], предусматривающему одновременное проведение замеров мгновенных значений тока и напряжения во всех исследуемых цепях, требуется количество аналого-цифровых преобразователей, равное количеству исследуемых цепей, что усложняет алгоритм вычислений и схему управления.

Следствием этого является снижение быстродействия и надежности.

Известен способ определения потребления энергии в цепях переменного тока [2].

Данный способ является наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков и выбран в качестве прототипа.

Прототип, аналогично заявляемому изобретению, включает поочередную выборку через определенные интервалы времени мгновенных значений тока и напряжения в исследуемой цепи, преобразование выборок в цифровые сигналы, пропорциональные выбранным значениям, занесение их в память и вычисление мгновенных значений мощности с последующим усреднением в течение заданного интервала времени.

В отличие от заявляемого технического решения в известном способе сигнал напряжения рассматривают как синусоиду, интегрируют и определяют максимум. Напряжение, соответствующее моменту измерения сигнала тока, вычисляют путем интерполяции по синусоидальной кривой, полученной при интегрировании. Возможность поочередной выборки мгновенных значений тока и напряжения упрощает процедуру реализации известного способа, вместе с тем, для компенсации погрешности измерений, возникающей вследствие неодновременности выборки, необходимо производить сложные вычислительные операции, что снижает быстродействие и точность.

Помимо этого, в прототипе отсутствуют процедуры, компенсирующие погрешность, возникающую из-за наличия постоянных составляющих в измеренных сигналах тока и напряжения, а также процедуры настройки интервала времени между выборками тока и напряжения с учетом нелинейных искажений в исследуемой цепи, что отрицательно влияет на точность определения потребления энергии.

Для реализации прототипа используется устройство, содержащее аналогично заявляемому датчики тока и напряжения, выходы которых подключены ко входу аналогового коммутирующего мультиплексора, соединенного через аналого-цифровой преобразователь с процессором. К процессору также подключены запоминающее устройство и операционный блок [2].

Устройство [2] является наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков и выбрано в качестве прототипа.

Датчики осуществляют выборку мгновенных значений тока и напряжения в исследуемой цепи. Аналоговый коммутирующий мультиплексор, подключенный к выходам датчиков, задает последовательность выборки, интервал времени между выборками и подает аналоговые сигналы на вход аналого-цифрового преобразователя, где они преобразуются в цифровые сигналы, пропорциональные выбранным значениям тока и напряжения. Процессор считывает и обрабатывает выходные данные аналого-цифрового преобразователя и передает их в запоминающее устройство, после чего в операционном блоке вычисляют мгновенные значения мощности и определяют потребление энергии путем усреднения мгновенных значений мощности в течение заданного интервала времени.

Наличие в прототипе аналогового коммутирующего мультиплексора позволяет поочередно осуществлять выборки мгновенных значений тока и напряжения во всех исследуемых цепях, что делает достаточным включение в схему устройства одного аналого-цифрового преобразователя даже в случае определения потребления энергии в многофазных цепях.

Однако, в известном устройстве отсутствуют узлы, необходимые для определения потребления энергии в цепях переменного тока с нелинейными искажениями. Кроме того, недостатком известного устройства является наличие сложного узла (быстродействующего операционного блока), осуществляющего компенсацию погрешностей, возникающих из-за неодновременного считывания сигналов тока и напряжения.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать способ определения потребления энергии в цепях переменного тока путем введения процедуры изменения последовательности выборки, учета постоянных составляющих сигналов тока и напряжения и настройки интервала времени между выборками тока и напряжения, что позволит повысить точность определения потребления энергии, а также усовершенствовать устройство для осуществления указанного способа за счет включения в него узлов, управляющих последовательностью выборки и задающих исходные данные для компенсации погрешностей, возникающих из-за неодновременного считывания сигналов тока и напряжения, что позволит повысить точность определения потребления энергии.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения потребления энергии в цепях переменного тока, включающем поочередную выборку через заданные интервалы времени мгновенных значений тока и напряжения в исследуемой цепи, преобразование выборок в цифровые сигналы, пропорциональные выбранным значениям, запоминание полученных цифровых сигналов, вычисление мгновенных значений мощности с последующим усреднением в течение заданного интервала времени, согласно изобретению последовательность выборки мгновенных значений тока и напряжения периодически изменяют на обратную, а потребление энергии определяют по формулам:

где W_а - потребление активной энергии;
W_р - потребление реактивной энергии;
K - масштабный коэффициент;
Δt - период изменения последовательности выборки;
α = 2n-1 - номера нечетных выборок тока и напряжения;
u(t) - мгновенные значения напряжения;
t_α - моменты времени нечетных выборок тока и напряжения;
i(t) - мгновенные значения тока;
τ - интервал времени между выборками тока и напряжения;
β = 2n - номера четных выборок тока и напряжения;
t_β - моменты времени четных выборок тока и напряжения;
W - угловая частота переменного тока,
при этом последовательность выборки мгновенных значений тока и напряжения изменяют на обратную четное число раз.

Помимо этого, интервал времени между выборками тока и напряжения настраивают с учетом коэффициентов нелинейных искажений и номера наивысшей гармоники в исследуемой цепи так, чтобы погрешности определения потребления активной и реактивной энергий не превышали допустимых значений в соответствии с неравенствами:
wτ < π/2μ; (4)

где μ - номер наивысшей гармоники в исследуемой цепи;
δ_a - относительная погрешность определения потребления активной энергии;
K_ниа - коэффициент нелинейных искажений по активной мощности;
δ_aдоп - допустимая относительная погрешность определения потребления активной энергии;
δ_p - относительная погрешность определения потребления реактивной энергии;
K_нир - коэффициент нелинейных искажений по реактивной мощности;
δ_pдоп - допустимая относительная погрешность определения потребления реактивной энергии.

Кроме этого, в устройство для осуществления указанного выше способа, содержащее датчики тока и напряжения, выходы которых подключены к аналоговым входам аналогового коммутирующего мультиплексора, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен ко входу процессора, согласно изобретению вводятся регистр четности выборок и измеритель частоты, причем регистр четности выборок имеет прямую и обратную связь с процессором, а его выход подключен к адресному входу аналогового коммутирующего мультиплексора, вход измерителя частоты соединен с выходом датчика напряжения, а выход с входом процессора, а регистр четности выборок включает реверсивный счетчик, два дешифратора и RS-триггер, при этом вход реверсивного счетчика соединен с выходом процессора и RS-триггера, а выход - с адресным входом аналогового коммутирующего мультиплексора и выходами дешифраторов, выходы которых подключены к входам RS-триггера, а выход RS-триггера - к входу процессора.

На фиг. 1 и 2 графически отображена последовательность выборки мгновенных значений тока и напряжения, реализуемая соответственно прототипом и заявляемым способом.

При этом наличие интервала времени τ между выборками тока и напряжения вносит дополнительную погрешность при определении потребления энергии. Величина этой погрешности эквивалентна фазовому сдвигу, создаваемому неучтенным импедансом в исследуемой цепи.

В предлагаемом изобретении для компенсации этой погрешности предлагается периодически изменять последовательность выборки мгновенных значений тока и напряжения на обратную (фиг. 2). В этом случае всю совокупность выборок можно разбить на две последовательности - прямую и обратную. Выборки прямой последовательности отмечены точками, а выборки обратной последовательности - крестиками на кривых тока и напряжения. Как видно из фиг. 2, изменение последовательности выборок эквивалентно чередованию положительных и отрицательных углов сдвига между соседними мгновенными значениями тока и напряжения.

Осуществляя предельный переход Δt _→ 0, n _→ ∞ в выражениях (1) и (2), получим:

где t₁ и t₂ - начальный и конечный моменты времени выборки на интервале времени усреднения.

Раскладывая функции u(t), i(t) в ряды Фурье на промежутке (-кπ, +кπ) c учетом ортогональности системы тригонометрических функций, получим:

где T = t₂ - t₁ - величина интервала усреднения;
m - номер гармоники;
P_m - истинная активная мощность m-й гармоники на интервале усреднения;
Q_m - истинная реактивная мощность m-й гармоники на интервале усреднения.

Так как Sin x = - Sin(-x), Cos x = Cos(-x), то выражения (9) и (10) приводятся к виду:

Последние выражения можно преобразовать к виду:

В реальных электрических цепях энергетический спектр ограничен гармоникой с номером μ ≠ ∞, коэффициенты нелинейных искажений по активной K_ниа по реактивной K_нир мощностям также ограничены требованиями к качеству электроэнергии

Интервал времени τ между замерами токов и напряжений настраивается так, чтобы при определении энергии в исследуемой цепи учитывались все гармоники до μ включительно wτ < π/2μ. (4)
Следовательно, с ограниченной точностью вторыми слагаемыми в формулах (13) и (14) можно пренебречь:

При этом относительные погрешности δ_a и δ_p не превысят

Таким образом, определенные по формулам (1) и (2) значения энергии равны истинным с точностью, определяемой неравенствами (5), (6):

где W_а - истинное значение потребления активной энергии;
W_р - истинное значение потребления реактивной энергии.

Таким образом, потребление энергии, определенное согласно заявляемому способу, соответствует истинной величине потребления энергии в цепи.

Изменение последовательности выборки мгновенных значений тока и напряжения на обратную четное число раз позволяет исключить погрешность, обусловленную наличием непарного слагаемого в выражениях (1) и (2), что способствует повышению точности определения потребления энергии.

В частных случаях, при наличии помех в измерительных каналах, для компенсации незначительных погрешностей, обусловленных смещением средних значений тока и напряжения, потребление активной энергии W_na может определяться по формуле:

Наличие в заявляемом устройстве для осуществления предложенного способа регистра четности выборок позволяет осуществлять изменение последовательности выборки мгновенных значений тока и напряжения на обратную. Выход регистра четности выборок подключен ко входу аналогового коммутирующего мультиплексора, задающего последовательность выборки. Регистр четности выборок имеет также прямую и обратную связь с процессором, подающим на его вход импульсные управляющие сигналы. В свою очередь, с выхода регистра четности выборок на вход процессора поступают данные о количестве четных и нечетных выборок.

Измеритель частоты снимает с выхода датчика напряжения сигнал напряжения, преобразует его и передает в центральный процессор, который определяет угловую частоту переменного тока, являющуюся исходной величиной для определения потребления энергии.

Пример конкретного исполнения заявляемого устройства представлен на фиг. 3.

Устройство содержит датчики тока 1 и напряжения 2. Их выходы подключены к входу аналогового коммутирующего мультиплексора 3, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя 4, выход которого, в свою очередь, подключен к входу процессора 5. Процессор 5 имеет прямую и обратную связь с регистром четности выборок 6, включающим реверсивный счетчик 7, дешифраторы первого и второго переключающих адресов 8 и 9 соответственно и RS-триггер 10. Импульсивный вход реверсивного счетчика 7 соединен с выходом процессора 5, а выход, кодирующий адрес измерительного канала, с адресным входом мультиплексора 3 и со входами дешифраторов 8 и 9, выходы которых, в свою очередь, подключены к парафазным входам RS-триггера 10, соединенного своим выходом с управляющими входами счетчика 7 и процессора 5.

Вход измерителя частоты 11 подключен к выходу датчика напряжения 2, а выход - ко входу процессора 5.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Через заданные интервалы времени процессор 5 вырабатывает импульсный сигнал на своем выходе. Реверсивный счетчик 7 суммирует или вычитает эти сигналы в зависимости от уровня 1/⊘ сигнала на его управляющем входе. Счетчик 7 имеет 2n+2 устойчивых состояния, два из которых, соответствующие адресам "⊘" и "2n+1", не отображаются ни в один из адресов 1, 2, 3,., 2n измерительных каналов. Адреса "⊘" и "2n+1" распознаются соответственно дешифраторами 8 и 9. При распознавании дешифратором соответствующего адреса на его выходе появляется сигнал, изменяющий состояние и выход RS-триггера 10 на противоположные. При этом счетчик 7 изменяет направление счета импульсов на противоположное.

Этим достигается периодическое изменение последовательности выборки мгновенных значений тока и напряжения на обратную.

Сигнал с выхода RS-триггера подается на вход процессора 5, где задается согласно уровню сигнала "1" или "⊘" знак "+" или "-" при вычислении реактивной энергии.

Датчики тока 1 и напряжения 2 через интервалы времени, задаваемые процессором 5, осуществляют выборку мгновенных значений тока и напряжения в исследуемой цепи. Аналоговый коммутирующий мультиплексор 3, получающий управляющие сигналы реверсивного счетчика 7, задает последовательность выборки и подает аналоговые сигналы на вход аналого-цифрового преобразователя 4, где они преобразуются в цифровые сигналы, пропорциональные выбранным значениям тока и напряжения.

Выходные сигналы аналого-цифрового преобразователя 4 и измерителя частоты 11 считываются, обрабатываются и заносятся во внутреннюю память процессором 5, который производит вычисление потребления энергии в соответствии с заявляемым способом.

С помощью персонального компьютера была создана модель устройства, реализующего заявляемый способ со следующими параметрами:
схема исследуемой цепи - трехфазная четырехпроводная;
режим нагрузки - симметричный;
частота переменного тока в цепи, Гц - 50;
интервал времени между выборками тока и напряжения, τ , мкс - 30;
период изменения последовательности выборки, Δt, мс - 2,5.

Величины относительных погрешностей при сравнении результатов вычислений, полученных с использованием модели и рассчитанных аналитически в цепях синусоидальных и несинусоидальных токов и напряжений, представлены в таблице.

Результаты цифрового моделирования заявляемого способа подтверждают, что с увеличением интервала усреднения погрешность определения энергии стремится к нулю.

Источники информации:
1. Патент России N 2039358, G 01 R 21/06, 09.07.95.

2. Акцептованная заявка Японии N 5075269, G 01 R 21/133, 20.10.93.

Способ предполагает осуществление двух последовательностей выборок мгновенных значений токов и напряжений в исследуемой цепи, прямой и обратной, периодически сменяющих друг друга. Мгновенные значения токов и напряжений преобразовывают в цифровые сигналы, запоминают и вычисляют мгновенные значения мощности с последующим усреднением в течение заданного интервала времени по расчетным формулам. Устройство для осуществления способа содержит датчики тока и напряжения, выходы которых подключены к аналоговым входам аналогового коммутирующего мультиплексора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу процессора, регистр четности выборок, имеющий прямую и обратную связь с процессором и подключенный своим выходом к адресному входу аналогового коммутирующего мультиплексора, измеритель частоты, соединенный своим входом с выходом датчика напряжения, а выходом - с входом процессора. Техническим результатом является повышение точности измерения потребления энергии. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ определения потребления энергии в цепях переменного тока, включающий поочередную выборку через заданные интервалы времени мгновенных значений тока и напряжения в исследуемой цепи, преобразование выборок в цифровые сигналы, пропорциональные выбранным значениям, запоминание полученных цифровых сигналов, вычисление мгновенных значений мощности с последующим усреднением в течение заданного интервала времени, отличающийся тем, что последовательность выборки мгновенных значений тока и напряжения периодически изменяют на обратную, а потребление энергии определяют по формулам

где W_а - потребление активной энергии;
W_р - потребление реактивной энергии;
K - масштабный коэффициент;
Δt - период изменения последовательности выборки;
α = 2n-1 - номера нечетных выборок тока и напряжения;
u(t) - мгновенные значения напряжения;
t_α - моменты времени нечетных выборок тока и напряжения;
i(t) - мгновенные значения тока;
τ - интервал времени между выборками тока и напряжения;
β = 2n - номера четных выборок тока и напряжения;
t_β - моменты времени четных выборок тока и напряжения;
w - угловая частота переменного тока. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что последовательность выборки мгновенных значений тока и напряжения изменяют на обратную четное число раз. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что интервал времени между выборками тока и напряжения настраивают с учетом коэффициентов нелинейных искажений и номера наивысшей гармоники в исследуемой цепи так, чтобы погрешности определения потребления активной и реактивной энергий не превышали допустимых в соответствии с неравенствами

где μ - номер наивысшей гармоники в исследуемой цепи;
K_ниа - относительная погрешность определения активной энергии;
δ_aдоп - коэффициент нелинейных искажений активной мощности;
δ_aдоп - допустимая относительная погрешность определения активной энергии;
δ_p - относительная погрешность определения реактивной энергии;
K_нир - коэффициент нелинейных искажений реактивной мощности;
δ_pдоп - допустимая относительная погрешность определения реактивной энергии. 4. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее датчики тока и напряжения, выходы которых подключены к аналоговым входам аналогового коммутирующего мультиплексора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу процессора, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит регистр четности выборок и измеритель частоты, причем регистр четности выборок имеет прямую и обратную связь с процессором, а его выход подключен к адресному входу аналогового коммутирующего мультиплексора, вход измерителя частоты соединен с выходом датчика напряжения, а выход - с входом процессора. 5. Устройство по п.4 для осуществления способа по п.1, отличающееся тем, что регистр четности выборок включает реверсивный счетчик, два дешифратора и RS-триггер, при этом вход реверсивного счетчика соединен с выходом процессора и RS-триггера, а выход - с адресным входом аналогового коммутирующего мультиплексора и входами дешифраторов, выходы которых подключены к входам RS-триггера, а выход RS-триггера - к входу процессора.