МНОГОМЕРНЫЙ СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР ВЫБРОСОВ И ПРОВАЛОВ НЕСТАЦИОНАРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G06F17/18 

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, предназначено для одновременного получения семейств функций распределения длительности превышения уровней анализа выбросами и провалами напряжения при различных значениях отклонений напряжения и может быть использовано в электроэнергетике для контроля качества электроэнергии при стационарном и нестационарном (относительно среднего значения) напряжении в промышленных электрических сетях и оценки его влияния на различное электрооборудование.

Известен многоуровневый статистический анализатор длительности выбросов и провалов напряжения /1/, содержащий одновибраторы, блоки памяти, счетчики, генератор прямоугольных импульсов, элементы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ключ, триггеры, дешифратор, компаратор, двухпозиционный переключатель, аналого-цифровой преобразователь.

Недостатком аналога являются узкие функциональные возможности - он предназначен для исследования только стационарных случайных процессов изменения напряжения и накапливает ложные результаты при анализе нестационарных случайных процессов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является анализатор длительности выбросов и провалов напряжения /2/, содержащий выпрямительный элемент, нуль-орган, формирователь модуля, компараторы, счетчики, блоки памяти, элемент И, элемент НЕ, одновибратор, регистр, триггер и распределитель уровней.

Недостатком прототипа также являются узкие функциональные возможности - он предназначен для исследования только стационарных случайных процессов изменения напряжения и накапливает ложные результаты при анализе нестационарных случайных процессов.

Техническая задача, решаемая изобретением - расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности исследования нестационарных случайных процессов.

Указанные технические задачи решаются благодаря тому, что в анализатор длительности выбросов и провалов напряжения, содержащий первый нуль-орган, первый формирователь модуля, n (где n - число уровней анализа амплитуды выброса или глубины провала напряжения) аналоговых компараторов, n+1 двоичных счетчиков, многоканальный коммутатор, первый и второй цифровые блоки памяти, двоично-десятичный счетчик, распределитель уровней, регистр, цифровой компаратор, триггер, генератор прямоугольных импульсов, первый и второй одновибраторы, элемент И, элемент НЕ, преобразователь переменного напряжения в постоянное, вход которого соединен со входной клеммой анализатора, прямой выход первого нуль-органа соединен со старшим разрядом второй группы разрядов информационного входа регистра и первым управляющим входом первого формирователя модуля, второй управляющий вход которого подключен к инверсному выходу первого нуль-органа, а выход соединен с объединенными входами n аналоговых компараторов, инверсные выходы каждого из которых соединены соответственно со входами установки нуля n двоичных счетчиков, выходы которых соединены соответственно с информационными входами многоканального коммутатора, выход которого соединен с информационным входом первого цифрового блока памяти, с первой группой разрядов информационного входа регистра и первым входом цифрового компаратора, выход которого соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен с входом управления записью регистра и через элемент НЕ - с входом установки единицы триггера, инверсный выход которого соединен со входом установки нуля распределителя уровней, тактовый вход которого подключен к выходу второго генератора прямоугольных импульсов, выходы которого соединены соответственно первый - со входом управления записью двоично-десятичного счетчика, второй - с тактовым входом двоично-десятичного счетчика, третий - с входом управления записью второго цифрового блока памяти, четвертый - с входом установки нуля триггера, выход первого генератора прямоугольных импульсов соединен с объединенными тактовыми входами n+1 двоичных счетчиков и с прямым входом первого одновибратора, прямой выход которого соединен с вторым входом элемента И и инверсным входом второго одновибратора, инверсный выход которого соединен с входом управления записью первого цифрового блока памяти, выход которого соединен с вторым входом цифрового компаратора, выход (n+1)-го двоичного счетчика соединен с управляющим входом многоканального коммутатора, адресным входом первого цифрового блока памяти и младшими разрядами второй группы разрядов информационного входа регистра, выход которого соединен с адресным входом второго цифрового блока памяти, выход которого соединен с информационным входом двоично-десятичного счетчика, выход которого соединен с информационным входом второго цифрового блока памяти, дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь, второй формирователь модуля, второй нуль-орган, фильтр нижних частот и фильтр верхних частот, вход которого объединен с входом фильтра нижних частот и подключен к выходу преобразователя переменного напряжения в постоянное, а выход соединен с объединенными входом первого нуль-органа и информационным входом первого формирователя модуля, выход фильтра нижних частот соединен с объединенными входом второго нуль-органа и информационным входом второго формирователя модуля, первый управляющий вход которого объединен с старшим разрядом третьей группы разрядов информационного входа регистра и подключен к прямому выходу второго нуль-органа, инверсный выход которого соединен со вторым управляющим входом второго формирователя модуля, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, информационный выход которого соединен с младшими разрядами третьей группы разрядов информационного входа регистра; формирователь модуля содержит первый и второй коммутаторы и инвертор, вход которого объединен с информационным входом первого коммутатора и подключен к информационному входу формирователя модуля, первый управляющий вход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора, выход которого объединен с выходом второго коммутатора и соединен с выходом формирователя модуля, второй управляющий вход которого соединен с управляющим входом второго коммутатора, информационный вход которого подключен к выходу инвертора.

Существенными отличиями предлагаемого анализатора являются введение аналого-цифрового преобразователя, второго формирователя модуля, второго нуль-органа и фильтров нижних и верхних частот, а также новая организация связей между элементами анализатора. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - расширение функциональных возможностей анализатора за счет возможности исследования нестационарных случайных процессов.

На фиг.1 представлена схема анализатора, на фиг.2 - схема формирователя модуля, на фиг. 3 показаны процессы изменения напряжения на выходах преобразователя переменного напряжения в постоянное и фильтров нижних и верхних частот.

Анализатор (фиг.1) содержит входную клемму 1, соединенную со входом преобразователя 2 переменного напряжения в постоянное (ППНП), выход которого соединен с объединенными входами фильтра верхних частот (ФВЧ) 3 и фильтра нижних частот (ФНЧ) 4, выход которого соединен с объединенными информационным входом второго формирователя 5 модуля (ФМ) и входом второго нуль-органа (НО) 6, прямой выход которого соединен с старшим разрядом третьей группы разрядов информационного входа регистра 7 и первым управляющим входом второго ФМ 5, второй управляющий вход которого подключен к инверсному выходу второго НО 6, а выход соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8, информационный выход которого соединен с младшими разрядами третьей группы разрядов информационного входа регистра 7, старший разряд второй группы разрядов которого объединен с первым управляющим входом первого ФМ 9 и подключен к прямому выходу первого НО 10, вход которого объединен с информационным входом первого ФМ 9 и подключен к выходу ФВЧ 3, а инверсный выход соединен со вторым управляющим входом первого ФМ 9, выход которого соединен с объединенными входами n (где n - число уровней анализа амплитуды выброса или глубины провала напряжения) аналоговых компараторов (АК) 11-12, инверсные выходы каждого из которых соединены соответственно со входами установки нуля n двоичных счетчиков 13-14, выходы которых соединены соответственно с информационными входами многоканального коммутатора 15, выход которого соединен с информационным входом первого цифрового блока 16 памяти (ЦБП), с первой группой разрядов информационного входа регистра 7 и первым входом цифрового компаратора (ЦК) 17, выход которого соединен с первым входом элемента И 18, выход которого соединен с входом управления записью регистра 7 и через элемент НЕ 19 - с входом установки единицы триггера 20, инверсный выход которого соединен со входом установки нуля распределителя 21 уровней (РУ), тактовый вход которого подключен к выходу второго генератора 22 прямоугольных импульсов (ГПИ), выходы которого соединены соответственно первый - со входом управления записью двоично-десятичного счетчика 23, второй - с тактовым входом двоично-десятичного счетчика 23, третий - с входом управления записью второго ЦБП 24, четвертый - с входом установки нуля триггера 20, выход первого ГПИ 25 соединен с объединенными тактовыми входами n+1 двоичных счетчиков 11-12, 26 и с прямым входом первого одновибратора 27, прямой выход которого соединен с вторым входом элемента И 18 и инверсным входом второго одновибратора 28, инверсный выход которого соединен с входом управления записью первого ЦБП 16, выход которого соединен с вторым входом ЦК 17, выход (n+1)-го двоичного счетчика 26 соединен с управляющим входом многоканального коммутатора 15, адресным входом первого ЦК 16 и младшими разрядами второй группы разрядов информационного входа регистра 7, выход которого соединен с адресным входом второго ЦБП 24, выход которого соединен с информационным входом двоично-десятичного счетчика 23, выход которого соединен с информационным входом второго ЦБП 24.

Формирователи модуля 5 и 9 идентичны, ФМ 5 (фиг.2) содержит первый 29 и второй 30 коммутаторы и инвертор 31, вход которого объединен с информационным входом первого коммутатора 29 и подключен к информационному входу ФМ 5, первый управляющий вход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора 29, выход которого объединен с выходом второго коммутатора 30 и соединен с выходом ФМ 5, второй управляющий вход которого соединен с управляющим входом второго коммутатора 30, информационный вход которого подключен к выходу инвертора 31.

Анализатор выполнен многоканальным. Диапазон изменения низкочастотной медленно изменяющейся нестационарной составляющей отклонений напряжения равномерно разбивается границами разрядов АЦП 8. Уровни срабатывания АК 11-12 равномерно разбивают диапазон изменения амплитуды выбросов и провалов напряжения, квантователями длительности выбросов и провалов напряжения выше различных уровней анализа являются двоичные счетчики 13-14. Далее в качестве примера рассматривается 16384-канальный анализатор, имеющий одинаковое число квантов отклонений (как выше, так и ниже номинального уровня U_н), а также амплитуды и длительности выбросов и провалов напряжения n=16. Число каналов определяется по формуле: 2•n•2•n•n=16384.

Для повышения точности измерения длительности выбросов и провалов напряжения используются 8-разрядные счетчики 13-14, выходы четырех старших разрядов каждого из которых соединены соответственно с информационными входами коммутатора 15.

Счетчик 26 выполнен 4-разрядным.

Генератор 25 выполняется кварцевым.

Частота генератор 22 (которая может быть нестабильной) должна быть на 1-2 порядка выше частоты ГПИ 25.

Поле разрядов информационного входа регистра 7 разбито на три группы: первую - группу младших разрядов, отображающих длительность выбросов и провалов напряжения (в рассматриваемом примере включает четыре двоичных разряда); вторую - группу средних разрядов, отображающих амплитуду выбросов и провалов напряжения (включает пять разрядов); третью - группу старших разрядов, отображающих значение отклонений напряжения (включает пять разрядов - четыре отображают модуль отклонений и один отображает их знак).

Фильтры ФВЧ 3 и ФНЧ 4 имеют одинаковую частоту среза 0,1 Гц.

Анализатор работает следующим образом.

С помощью ППНП 2 осуществляется преобразование переменного напряжения сети u(t) в постоянное, пропорциональное действующему значению анализируемого напряжения за вычетом его номинального уровня: U₂(t)=U(t)-U_н.

Напряжение U₂ подается на входы фильтров ФНЧ 4 и ФВЧ 3.

Из суммарного сигнала U₂(t) с помощью ФНЧ 4 выделяется низкочастотная составляющая отклонений напряжения δU. При положительных отклонениях δU напряжение U₄ без изменений пропускается через ФМ 5 на вход АЦП 8; напряжение прямого выхода НО 6 равно единице - измеряемые статистики накапливаются в областях ЦБП 24 с адресами 10000000000000-11111111111111. В конкретном рассматриваемом на фиг.3 примере значение разрядов третьей группы разрядов информационного входа регистра 7 равно 10001. Следовательно, для рассматриваемого на фиг.3 примера измеряемые статистики будут накапливаться в областях ЦБП 24 с адресами 10001000000000-10001111111111.

Из суммарного сигнала U₂(t) с помощью ФВЧ 3 выделяется высокочастотная составляющая резкопеременных изменений напряжения - выбросов и провалов. При выбросах напряжения сети выходное напряжение ФВЧ 3 U₃ положительно, оно без изменений пропускается блоком 9 на входы АК 11-12; напряжение прямого выхода НО 10 равно единице, измеряемые статистики накапливаются в ячейках ЦБП 24 с адресами ХХХХХ100000000 - ХХХХХ111111111 (где Х - произвольное значение разряда). Для рассматриваемого на фиг.3 примера измеряемые статистики будут накапливаться в областях ЦБП 24 с адресами 10001100000000 - 10001111111111.

Импульсы ГПИ 25 непрерывно поступают на тактовые входы счетчиков 13-14, однако при отсутствии выбросов (или провалов) напряжения содержимое счетчиков 13-14 остается нулевым, поскольку к их входам установки нуля приложено единичное напряжение с инверсных выходов АК 11-12. Четырехразрядный счетчик 26 циклически изменяет свое состояние, в каждом такте генератора 25 также запускаются одновибраторы 27 и 28, однако информация в ЦБП 24 не накапливается, а содержимое ячеек ЦБП 16 поддерживается нулевым.

При превышении выбросом напряжения первого уровня анализа (в момент времени t₁ на фиг.3) срабатывает АК 11 (опорный уровень которого равен первому уровню анализа), его выходное напряжение становится равным нулю. Счетчик 13 начинает заполняться и, подсчитывая импульсы ГПИ 25, определяет длительность Т₁ превышения выбросом первого уровня анализа.

В очередном цикле работы счетчика 26 при его выходном коде 0000 на выходе коммутатора 15 появляется отличное от нуля содержимое счетчика 13, равное 0001, которое превышает нулевое содержимое ячейки ЦБП 16 с адресом 0000. На выходе ЦК 17 появляется единичное напряжение, открывая элемент И 18 для импульса одновибратора 27, который записывает в регистр 7 код 10001100000001, а также опрокидывает в единичное состояние триггер 20. Импульсом с выхода одновибратора 28 в ячейку 0000 ЦБП 16 записывается код 0001.

Поскольку со входа установки нуля РУ 21 снимается единичное напряжение, то он выходит из состояния покоя и по его выходам начинает сканировать управляющее напряжение, осуществляя следующий короткий цикл операций.

С приходом на тактовый вход РУ 21 очередного импульса с выхода ГПИ 22 на первом выходе РУ 21 появляется управляющий сигнал, который записывает в двоично-десятичный счетчик 23 выборку, накопленную в результате предыдущего анализа в ячейке ЦБП 24 с адресом 10001100000001. В следующем такте импульсом со второго выхода РУ 21 содержимое счетчика 23 увеличивается на единицу, после чего импульсом с третьего выхода РУ 21 эта информация возвращается в ЦБП 24 по тому же адресу. Импульс с четвертого выхода РУ 21 переводит триггер 20 в нулевое состояние, возвращая таким образом распределитель в состояние покоя.

В процессе дальнейшего нарастания длительности выброса Т₁ выше первого уровня анализа выходной код счетчика 13 становится равным 0010 - в очередном цикле работы счетчика 26 на единицу увеличивается статистика, накапливаемая в канале ЦБП 24 с адресом 10001100000010 и т.д.

В случае превышения выбросом напряжения второго уровня анализа (в момент времени t₂ на фиг.3) начинает нарастать содержимое одного из счетчиков 13-14, измеряющего длительность Т₂. При увеличении содержимого этого счетчика до значения 0001 в очередном цикле работы счетчика 26 на единицу увеличивается статистика, накапливаемая в канале ЦБП 24 с адресом 10001100100001 и т.д.

При снижении напряжения счетчики 13-14 обнуляются напряжением с инверсных выходов отпускающих компараторов 11-12, ячейки ЦБП 16 также последовательно обнуляются и накопление информации в ЦБП 24 прекращается.

При появлении провала напряжения сети на прямом выходе НО 10 появляется "0", а блок 9 инвертирует отрицательное напряжение с выхода ФВЧ 3 - в результате на выходы АК 11-12 подается положительное напряжение, как и при анализе выбросов.

При анализе провалов напряжения анализатор работает так же, как и при анализе выбросов, только информация накапливается в каналах ЦБП 24 с адресами ХХХХХ000000000 - ХХХХХ011111111.

Преимуществами предлагаемого анализатора по сравнению с известными являются расширение функциональных возможностей за счет возможности исследования нестационарных случайных процессов. Схема устройства реализуется на интегральных микросхемах.

Список использованных источников информации:
1. Патент 2054195 РФ, кл. G 06 G 17/18, 1996.

2. А.с. 1674156 СССР, кл. G 06 G 17/18, 1991(прототип).

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, предназначено для одновременного получения семейств функций распределения длительности превышения уровней анализа выбросами и провалами напряжения при различных значениях отклонений напряжения и может быть использовано в электроэнергетике для контроля качества электроэнергии при нестационарном напряжении в промышленных электрических сетях и оценки его влияния на различное электрооборудование. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности исследования нестационарных случайных процессов. Технический результат достигается за счет того, что анализатор содержит входную клемму, преобразователь переменного напряжения в постоянное, фильтры верхних и нижних частот, формирователи модуля, нуль-органы, регистр, аналого-цифровой преобразователь, n (где n - число уровней анализа амплитуды выброса или глубины провала напряжения) аналоговых компараторов, n+1 двоичных счетчиков, многоканальный коммутатор, цифровые блоки памяти, цифровой компаратор, элемент И, элемент НЕ, триггер, распределитель уровней, генераторы прямоугольных импульсов, двоично-десятичный счетчик, одновибраторы. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Многомерный статистический анализатор выбросов и провалов напряжения, содержащий первый нуль-орган, первый формирователь модуля, n (где n - число уровней анализа амплитуды выброса или глубины провала напряжения) аналоговых компараторов, n+1 двоичных счетчиков, многоканальный коммутатор, первый и второй цифровые блоки памяти, двоично-десятичный счетчик, распределитель уровней, регистр, цифровой компаратор, триггер, первый и второй генераторы прямоугольных импульсов, первый и второй одновибраторы, элемент И, элемент НЕ, преобразователь переменного напряжения в постоянное, вход которого соединен с входной клеммой анализатора, прямой выход первого нуль-органа соединен со старшим разрядом второй группы разрядов информационного входа регистра и первым управляющим входом первого формирователя модуля, второй управляющий вход которого подключен к инверсному выходу первого нуль-органа, а выход соединен с объединенными входами n аналоговых компараторов, инверсные выходы каждого из которых соединены со входами установки нуля с первого по n-й двоичных счетчиков, соответственно, выходы которых соединены соответственно с информационными входами многоканального коммутатора, выход которого соединен с информационным входом первого цифрового блока памяти, с первой группой разрядов информационного входа регистра и первым входом цифрового компаратора, выход которого соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен с входом управления записью регистра и через элемент НЕ - с входом установки единицы триггера, инверсный выход которого соединен со входом установки нуля распределителя уровней, тактовый вход которого подключен к выходу второго генератора прямоугольных импульсов, а выходы распределителя уровней соединены соответственно первый - со входом управления записью двоично-десятичного счетчика, второй - с тактовым входом двоично-десятичного счетчика, третий - с входом управления записью второго цифрового блока памяти, четвертый - с входом установки нуля триггера, выход первого генератора прямоугольных импульсов соединен с объединенными тактовыми входами n+1 двоичных счетчиков и с прямым входом первого одновибратора, прямой выход которого соединен с вторым входом элемента И и инверсным входом второго одновибратора, инверсный выход которого соединен с входом управления записью первого цифрового блока памяти, выход которого соединен со вторым входом цифрового компаратора, выход (n+1)-го двоичного счетчика соединен с управляющим входом многоканального коммутатора, адресным входом первого цифрового блока памяти и младшими разрядами второй группы разрядов информационного входа регистра, выход которого соединен с адресным входом второго цифрового блока памяти, выход которого соединен с информационным входом двоично-десятичного счетчика, выход которого соединен с информационным входом второго цифрового блока памяти, отличающийся тем, что в него дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь, второй формирователь модуля, второй нуль-орган, фильтр нижних частот и фильтр верхних частот, вход которого объединен с входом фильтра нижних частот и подключен к выходу преобразователя переменного напряжения в постоянное, а выход соединен с объединенными входом первого нуль-органа и информационным входом первого формирователя модуля, выход фильтра нижних частот соединен с объединенными входом второго нуль-органа и информационным входом второго формирователя модуля, первый управляющий вход которого объединен с старшим разрядом третьей группы разрядов информационного входа регистра и подключен к прямому выходу второго нуль-органа, инверсный выход которого соединен со вторым управляющим входом второго формирователя модуля, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, информационный выход которого соединен с младшими разрядами третьей группы разрядов информационного входа регистра. 2. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что каждый из формирователей модуля содержит первый и второй коммутаторы и инвертор, вход которого объединен с информационным входом первого коммутатора и подключен к информационному входу соответствующего формирователя модуля, первый управляющий вход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора, выход которого объединен с выходом второго коммутатора и соединен с выходом соответствующего формирователя модуля, второй управляющий вход которого соединен с управляющим входом второго коммутатора, информационный вход которого подключен к выходу инвертора.