СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР КАЧЕСТВА И УЧЕТА РАСХОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 2005 года по МПК G06F17/18 

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники и может быть использовано в электроэнергетике для учета расхода электроэнергии при ее различном качестве.

Известно устройство для измерения параметров качества напряжения [1], содержащее измерительные органы, элементы запрета, элементы запуска, временные устройства, счетчики электрической энергии.

Недостатками аналога являются сложность, низкая надежность, недостаточно высокая точность, большие размеры и вес, обусловленные тем, что его блок определения гистограммы отклонений напряжения содержит в каждом канале механические временные устройства, выполненные на синхронных двигателях, для подсчета числа оборотов которых использованы счетные механизмы от электросчетчиков, и выполненные на электромеханических реле элементы запуска, а каждый канал для учета расхода электроэнергии выполнен на электромеханических счетчиках электроэнергии.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является статистический анализатор качества напряжения [2], содержащий токовый вход и вход напряжения, счетчик электроэнергии со встроенным датчиком импульсов, преобразователь переменного напряжения в постоянное, блок определения гистограммы отклонений напряжения, группу счетчиков импульсов для учета расхода электроэнергии при различных отклонениях напряжения, причем блок определения гистограммы отклонений напряжения содержит генератор импульсов выборки, n (где n - число уровней анализа отклонений напряжения) элементов И и n счетчиков импульсов.

Техническая задача, решаемая изобретением - упрощение анализатора и повышение его надежности.

Указанная техническая задача решается благодаря тому, что в статистический анализатор качества напряжения, содержащий токовый входной зажим и входной зажим напряжения, преобразователь переменного напряжения в постоянное, генератор импульсов выборки/счетчик импульсов, первый - четвертый элементы И, счетчик электроэнергии со встроенным датчиком импульсов, токовый вход и вход напряжения которого подключены к соответствующим входным зажимам анализатора, входной зажим напряжения соединен со входом преобразователя переменного напряжения в постоянное, дополнительно введены цифровой блок памяти, SR-триггер, первый и второй D-триггеры, регистр, элемент ИЛИ, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов и аналого-цифровой преобразователь, информационный вход которого подключен к выходу преобразователя переменного напряжения в постоянное, а информационный выход соединен с информационным входом регистра, выход которого соединен с группой младших разрядов адресного входа цифрового блока памяти, выход которого соединен с информационным входом счетчика импульсов, выход которого соединен с информационным входом цифрового блока памяти, выход генератора импульсов выборки соединен со входом управления записью регистра и с тактовым входом первого D-триггера, информационный вход которого объединен с информационным входом второго D-триггера и подключен к шине единичного потенциала, выход счетчика электроэнергии со встроенным датчиком импульсов соединен с тактовым входом второго D-триггера, вход установки нуля которого подключен к выходу второго элемента И, второй вход которого объединен со вторым входом четвертого элемента И и подключен к инверсному выходу SR-триггера, прямой выход которого соединен со старшим разрядом адресного входа цифрового блока памяти и объединенными вторыми входами третьего и первого элементов И, выход последнего соединен со входом установки нуля первого D-триггера, прямой выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен через четвертый элемент И к прямому выходу второго D-триггера, а выход элемента ИЛИ соединен с тактовым входом счетчика импульсов, выход генератора тактовых импульсов соединен с тактовым входом распределителя импульсов, выходы которого соединены, соответственно, первый - со входом управления записью счетчика импульсов, второй - с объединенными третьими входами третьего и четвертого элементов И, третий - со входом управления записью цифрового блока памяти и первыми объединенными входами первого и второго элементов И, четвертый - с тактовым входом SR-триггера.

Существенными отличиями предлагаемого технического решения являются введение новых элементов в схему анализатора (цифрового блока памяти, SR-триггера, первого и второго D-триггеров, регистра, элемента ИЛИ, генератора тактовых импульсов, распределителя импульсов и аналого-цифрового преобразователя), организация новой структуры анализатора и введение новых связей между элементами его схемы; при этом достигается существенное уменьшение общего числа компонентов элементной базы анализатора и сокращение числа связей между элементами. Эти существенные отличия обеспечивают достижение положительного эффекта - упрощения и повышения надежности анализатора.

На чертеже представлена схема анализатора.

Анализатор содержит токовый входной зажим 1 и входной зажим 2 напряжения, к которым подключены соответствующие входы счетчика 3 электроэнергии (СЭ) со встроенным датчиком импульсов, входной зажим 2 напряжения соединен со входом преобразователя 4 переменного напряжения в постоянное (ППНП), выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя 5 (АЦП), информационный выход которого соединен с информационным входом регистра 6, выход которого соединен с группой младших разрядов адресного входа цифрового блока 7 памяти (ЦБП), выход которого соединен с информационным входом счетчика 8 импульсов (СИ), выход которого соединен с информационным входом ЦБП 7, генератор 9 импульсов выборки (ГИВ), выход которого соединен со входом управления записью регистра 6 и с тактовым входом первого D-триггера 10, информационный вход которого объединен с информационным входом второго D-триггера 11 и подключен к шине единичного потенциала, выход СЭ 3 соединен с тактовым входом второго D-триггера 11, вход установки нуля которого подключен к выходу второго элемента И 12, второй вход которого объединен со вторым входом четвертого элемента И 13 и подключен к инверсному выходу SR-триггера 14, прямой выход которого соединен со старшим разрядом адресного входа ЦБП 7 и объединенными вторыми входами третьего 15 и первого 16 элементов И, выход последнего соединен со входом установки нуля первого D-триггера 10, прямой выход которого соединен с первым входом третьего элемента И 15, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ 17, второй вход которого подключен через четвертый элемент И 13 к прямому выходу второго D-триггера 11, а выход элемента ИЛИ 17 соединен с тактовым входом СИ 8, выход генератора 18 тактовых импульсов (ГТИ) соединен с тактовым входом распределителя 19 импульсов (РИ), выходы которого соединены, соответственно, первый - со входом управления записью СИ 8, второй - с объединенными третьими входами третьего 15 и четвертого 13 элементов И, третий - со входом управления записью ЦБП 7 и первыми объединенными входами первого 16 и второго 12 элементов И, четвертый - с тактовым входом SR-триггера 14.

В ЦБП 7 анализатора накапливается информация для построения гистограммы отклонений напряжения и учета расхода электроэнергии, соответствующего каждому разряду гистограммы: 1) в ячейках ЦБП 7 с адресами 10000-11111 хранится информация для построения гистограммы; 2) в ячейках ЦБП 7 с адресами 00000-01111 хранятся данные по учету расхода электроэнергии.

Границы разрядов гистограммы задаются с помощью АЦП 5 - в рассматриваемом примере число разрядов гистограммы 16 и они могут быть измерены 4-разрядным АЦП 5.

Частота выходных прямоугольных импульсов напряжения СЭ 3 пропорциональна мощности, потребляемой из контролируемой сети.

Используемый в анализаторе ГИВ 9 выполняется кварцевым, его частота может быть задана равной 1 Гц.

Частота ТГИ 18 может быть нестабильной и задается в интервале от 1 кГц до 10 МГц.

В ППНП 4 [3, 4] осуществляется выделение из кривой переменного напряжения сети u(t) низкочастотной составляющей отклонений δU_t (t) действующего значения напряжения

где U(t) - действующее значение напряжения сети в текущий момент времени t;

U_н(t) - номинальное значение напряжения сети.

Напряжение U₄ с выхода ППНП 4 подается на информационный вход АЦП 5 и преобразуется им в двоичный код, например, 0010.

Этот код прикладывается к группе младших разрядов адресного входа ЦБП 7.

Поступающие ежесекундно с выхода ГИБ 9 импульсы осуществляют i-тую выборку отклонений напряжения, при которой в первый D-триггер 10 вписывается единицы, в регистр 6 - код с выхода АЦП 5 (в рассматриваемом примере код 0010).

Поступающие с варьируемой частотой с выхода СЭ 3 импульсы переводят второй D-триггер 11 в единичное состояние при подсчете каждого j-того кванта расходуемой электроэнергии.

Частота ГТИ 18 на 3-5 порядков выше частоты импульсов ГИБ 9 и СЭ 3. Импульсы с выхода ГТИ 18 поступают на вход РИ 19, по выходам которого непрерывно сканируют управляющие сигналы. SR-триггер 14 по окончании каждого цикла работы РИ 19 изменяет свое состояние на противоположное, способствуя поочередному снятию информации с первого 10 и второго 11 D-триггеров.

Рассмотрим очередной цикл работы РИ 19.

Появляющийся на первом выходе РИ 19 импульс вписывает из ячейки ЦБП 7 с адресом 10010 (при единичном состоянии SR-триггера 14) в СИ 8 информацию n_2(i-1), накопленную в результате предыдущего статистического анализа отклонений напряжения в разряде гистограммы номер 0010.

Импульсом со второго выхода РИ 19 стробируются элементы И 13 и 15. В том случае, если перед этим циклом работы РИ 19 произошла очередная выборка отклонений напряжения, то D-триггер 10 находится в единичном состоянии. При этом импульс со второго выхода РИ 19 проходит последовательно через элементы И 15 и ИЛИ 17 на тактовый вход СИ 8, увеличивая его содержимое n_2(i-1)

на единицу, которое становится равным

Импульс с третьего выхода РИ 19, проходя через элемент И 16, устанавливает в нулевое состояние D-триггер 10, а также воздействуя на вход управления записью ЦБП 7, возвращает в его ячейку с адресом 10010 увеличенную на единицу информацию n_2i.

Импульсом с четвертого выхода РИ 19 SR-триггер 14 опрокидывается в нулевое состояние.

Появляющийся в следующем цикле работы на первом выходе рИ 19 импульс вписывает из ячейки ЦБП 7 с адресом 00010 (SR-триггер 14 теперь находится в нулевом состоянии) в СИ 8 информацию m₂(j-1), которая накоплена в результате предыдущего учета расхода электроэнергии при отклонениях напряжения, соответствующих разряду гистограммы номер 0010.

Импульсом со второго выхода РИ 19 стробируется элемент И 13. В том случае, если перед этим циклом работы РИ 19 на выходе СЭ 3 появился очередной импульс, то D-триггер 11 находится в единичном состоянии. При этом импульс со второго выхода РУ 19 проходит последовательно через элементы И 13 и ИЛИ 17 на тактовый вход СИ 8, увеличивая его содержимое m_2(j-1) на единицу, которое становится равным

Импульс с третьего выхода РИ 19, проходя через элемент И 12, устанавливает в нулевое состояние D-триггер 11, а также воздействуя на вход управления записью ЦБП 7, возвращает в его ячейку с адресом 00010, увеличенную на единицу информацию m_2j.

Импульсом с четвертого выхода РИ 19 SR-триггер 14 опрокидывается в единичное состояние и т.д.

В тех циклах работы РИ 19, в которых D-триггеры 10 и 11 находятся в нулевом состоянии, импульсами с третьего выхода РИ 19 в соответствующие ячейки ЦБП 7 из СИ 8 возвращается информация n_ki или m_kj (где k - код на выходе АЦП 5, соответствующий номеру разряда гистограммы) без изменений, т.е. без увеличения на единицу.

После окончания измерений, которые продолжаются время Т (сутки, неделю, месяц), по содержимому ячеек ЦБП 7 с адресами 10000-11111 строится гистограмма отклонений напряжения δU_t, ординаты каждого k-го разряда которой определяются формулой

где n_k - содержимое k-й ячейки ЦБП 7 в области 10000-11111;

N - суммарное содержимое ячеек ЦБП 7 с адресами 10000-11111;

Т - время измерений, выраженное в секундах;

f₉ - частота ГИВ 9.

По содержимому ячеек ЦБП 7 с адресами 00000-01111 определяется количество отпущенной потребителю электроэнергии, соответствующее каждому k-му разряду гистограммы отклонений напряжения

где С₃ - цена выходного импульса СЭ 3, кВт*ч/импульс;

m_k - содержимое k-й ячейки ЦБП 7 в области 00000-01111.

По суммарному содержимому ячеек ЦБП 7 с адресами 00000-01111 может быть определено общее количество электроэнергии W, отпущенной потребителю за время измерений Т, а также количество электроэнергии W, израсходованной потребителем при допустимых по ГОСТ 13109-97 отклонениях напряжения и W_НД - при недопустимых отклонениях напряжения.

После окончания измерений по гистограмме выполняется проверка соответствия отклонений напряжения в сети нормативам ГОСТа, а по значениям W_Д и W_НД осуществляется расчет стоимости израсходованной потребителем электроэнергии.

Преимуществами предлагаемого анализатора по сравнению с известными являются более простая и более надежная схема, меньшие размеры и вес. Схема анализатора может быть выполнена на интегральных микросхемах отечественного производства.

Источники информации

1. Литвак В.В., Прокопчик В.В. Способ измерения параметров качества напряжения //Труды Томского политехнического ин-та. - 1973. - Т. 202. - С.21-23.

2. А.с. 1073777 СССР, МКИ G 06 F 15/36. Статистический анализатор качества напряжения /В.Ф.Ермаков и В.Н.Никифорова. - 1984, Бюл. N 6 (прототип).

3. Ермаков В.Ф., Хамелис Э.И. Быстродействующий преобразователь переменного напряжения в постоянное //Изв. вузов. Электромеханика. - 1989. - N 11. - С.64-67.

4. Ермаков В.Ф., Кушнарев Ф.А., Приз М.В., Прокопенко А.Г., Решетников Ю.М., Семыкин К.В., Федоров B.C. Интерфейсы переменного напряжения микроэлектронных устройств релейной защиты, автоматики и контрольно-измерительных приборов //Материалы II между нар. науч.-практич. конф. "Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах", г.Новочеркасск, 25 ноября 2001 г.: В 6 частях /Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ООО НПО "ТЕМП", 2001. - Ч. 6. - С.45-47.

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники и может быть использовано в электроэнергетике для учета расхода электроэнергии при ее различном качестве. Техническим результатом является упрощение анализатора и повышение его надежности. Технический результат достигается благодаря тому, что анализатор содержит токовый входной зажим и входной зажим напряжения, счетчик электроэнергии (СЭ) со встроенным датчиком импульсов, преобразователь переменного напряжения в постоянное, аналого-цифровой преобразователь, регистр, цифровой блок памяти (ЦБП), счетчик импульсов, генератор импульсов выборки, первый и второй D-триггеры, первый, второй, третий и четвертый элементы И, SR-триггер, элемент ИЛИ, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов. 1 ил.

Статистический анализатор качества и учета расхода электроэнергии, содержащий токовый входной зажим и входной зажим напряжения, преобразователь переменного напряжения в постоянное, генератор импульсов выборки, счетчик импульсов, первый-четвертый элементы И, счетчик электроэнергии со встроенным датчиком импульсов, токовый вход и вход напряжения которого подключены к соответствующим входным зажимам анализатора, входной зажим напряжения соединен со входом преобразователя переменного напряжения в постоянное, отличающийся тем, что в него дополнительно введены цифровой блок памяти, SR-триггер, первый и второй D-триггеры, регистр, элемент ИЛИ, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов и аналого-цифровой преобразователь, информационный вход которого подключен к выходу преобразователя переменного напряжения в постоянное, а информационный выход соединен с информационным входом регистра, выход которого соединен с группой младших разрядов адресного входа цифрового блока памяти, выход которого соединен с информационным входом счетчика импульсов, выход которого соединен с информационным входом цифрового блока памяти, выход генератора импульсов выборки соединен со входом управления записью регистра и с тактовым входом первого D-триггера, информационный вход которого объединен с информационным входом второго D-триггера и подключен к шине единичного потенциала, выход счетчика электроэнергии со встроенным датчиком импульсов соединен с тактовым входом второго D-триггера, вход установки нуля которого подключен к выходу второго элемента И, второй вход которого объединен со вторым входом четвертого элемента И и подключен к инверсному выходу SR-триггера, прямой выход которого соединен со старшим разрядом адресного входа цифрового блока памяти и объединенными вторыми входами третьего и первого элементов И, выход последнего соединен со входом установки нуля первого D-триггера, прямой выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого через четвертый элемент И подключен к прямому выходу второго D-триггера, а выход элемента ИЛИ соединен с тактовым входом счетчика импульсов, выход генератора тактовых импульсов соединен с тактовым входом распределителя импульсов, выходы которого соединены соответственно первый - со входом управления записью счетчика импульсов, второй - с объединенными третьими входами третьего и четвертого элементов И, третий - со входом управления записью цифрового блока памяти и первыми объединенными входами первого и второго элементов И, четвертый - с тактовым входом SR-триггера.