ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И РЕГИСТРАЦИИ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ПРИСОЕДИНЕНИЯХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2015 года по МПК G06F17/18 

Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, предназначено для вычисления и индикации усредненной на 1-минутном интервале мощности потерь электроэнергии и может быть использовано в качестве многоканального счетчика-регистратора потерь электроэнергии в присоединениях распределительного устройства.

Аналогом предлагаемого технического решения является счетчик потерь электроэнергии [1], содержащий генератор прямоугольных импульсов, компьютер, таймер, таймер-часы, датчик тока, аналого-цифровой преобразователь, функциональный преобразователь, накапливающий сумматор, индикатор, блок деления, постоянное запоминающее устройство, приемопередатчик, первый и второй счетчики, первый и второй одновибраторы.

Недостатками аналога являются невысокая точность, обусловленная не учетом зависимости активного сопротивления токоведущих элементов электрооборудования от температуры нагрева (погрешность по этой причине может достигать 40% [2]), а также узкие функциональные возможности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является счетчик потерь электроэнергии с индикацией потерь мощности (варианты) [3], содержащий датчик тока, микроконтроллер, регистр, цифровой индикатор, датчики температуры окружающей среды и электрооборудования, генератор прямоугольных импульсов, первый и второй приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство, компьютер.

Недостатком прототипа являются узкие функциональные возможности.

Техническая задача, решаемая изобретением, - расширение функциональных возможностей системы за счет возможности непрерывного контроля и регистрации мощности потерь электроэнергии в нескольких присоединениях распределительного устройства.

Указанная техническая задача решается благодаря тому, что в счетчик потерь электроэнергии с индикацией потерь мощности (варианты), содержащий первый датчик тока, датчик температуры окружающей среды, первый датчик температуры проводника присоединения, генератор прямоугольных импульсов, цифровой индикатор, первый и второй приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство, компьютер, микроконтроллер, порт B которого подключен к выходу датчика температуры окружающей среды, тактовый вход подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера соединены соответственно E - через первый приемопередатчик с входом постоянного запоминающего устройства, F - через второй приемопередатчик с входом компьютера, дополнительно введены второй - n-й (где n - число присоединений распределительного устройства) датчики тока, второй - n-й датчики температуры проводников присоединений, первый - n-й буферные масштабные усилители, многовходовой аналоговый коммутатор, двухполупериодный прецизионный выпрямитель, третий приемопередатчик, через который выход порта D микроконтроллера соединен с входом цифрового индикатора, выходы первого - n-го датчиков тока через первый - n-й буферные масштабные усилители соединены соответственно с первым - n-м информационными входами многовходового аналогового коммутатора, выход которого через двухполупериодный прецизионный выпрямитель соединен с портом A микроконтроллера, а выходы первого - n-го датчиков температуры проводников присоединений соединены соответственно с первым - n-м разрядами порта C микроконтроллера, выход порта G которого соединен с управляющим входом многовходового аналогового коммутатора.

Существенными отличиями предлагаемой системы являются введение дополнительных элементов (второго - n-го датчиков тока, второго - n-го датчиков температуры проводников присоединений, первого - n-го буферных масштабных усилителей, многовходового аналогового коммутатора, двухполупериодного прецизионного выпрямителя, третьего приемопередатчика), а также организация его новой структуры и введение новых связей между элементами. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - расширения функциональных возможностей устройства за счет возможности непрерывного контроля и регистрации мощности потерь электроэнергии в нескольких присоединениях распределительного устройства.

Схема системы приведена на фиг.1.

Схема системы (фиг.1) содержит первый - n-й (где n - число присоединений распределительного устройства) датчики тока (ДТ) 1-2 присоединений распределительного устройства, первый - n-й буферные масштабные усилители (БМУ) 3-4, многовходовой аналоговый коммутатор (АК) 5, двухполупериодный прецизионный выпрямитель (ДПВ) 6, датчик 7 температуры окружающей среды (ДТОС), генератор 8 прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер (МК) 9, первый - n-й датчики 10-11 температуры проводников присоединений, первый - третий приемопередатчики 12-14, цифровой индикатор (ЦИ) 15, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 16, компьютер 16. Выходы первого - n-го датчиков 1-2 тока через первый - n-й буферные масштабные усилители 3-4 соединены соответственно с первым - n-м информационными входами много входового аналогового коммутатора 5, выход которого через двухполупериодный прецизионный выпрямитель 6 соединен с портом A микроконтроллера 9, порт B которого подключен к выходу датчика 7 температуры окружающей среды, тактовый вход подключен к выходу генератора 8 прямоугольных импульсов, выходы первого - n-го датчиков 10-11 температуры проводников присоединений соединены соответственно с первым - n-м разрядами порта C микроконтроллера 9, выходы портов которого соединены соответственно D - через третий приемопередатчик 13 с входом цифрового индикатора 15, E - через первый приемопередатчик 12 с входом постоянного запоминающего устройства 16, F - через второй приемопередатчик 13 с входом компьютера 17, G - с управляющим входом многовходового аналогового коммутатора 5.

Схемы буферных масштабных усилителей 3-4 и двухполупериодного прецизионного выпрямителя 6 общеизвестны, в частности, в качестве их реализации могут быть использованы схемы, описанные в [4, 5] и изображенные на рисунках 1.3 и 2.49 [4], 13.7 и 52.15 [5].

Система (фиг.1) работает следующим образом.

Выходные напряжения ДТ 1-2 первого - n-го присоединений распределительного устройства (РУ), пропорциональные токам нагрузки I(t) присоединений, через первый - n-й БМУ 3-4 поступают соответственно на первый - n-й информационные входы многовходового аналогового коммутатора 5.

Датчики тока 1-2, которые, в частности, могут быть выполнены на измерительных шунтах, включенных в цепь вторичной обмотки измерительных трансформаторов тока, обеспечивают выходной сигнал низкого уровня (номинальное значение 75 мВ). Для согласования уровня сигнала ДТ 1-2 с рабочим диапазоном встроенного в МК 9 аналого-цифрового преобразователя (АЦП) используются БМУ 3-4, имеющие большой коэффициент усиления 15-80 (выбираемый в зависимости от модификации используемого МК 9). Двухполупериодный прецизионный выпрямитель 6 используется для преобразования двухполярного синусоидального сигнала ДТ 1-2 в однополярный.

Путем смены кода на выходе порта G «001-010-011-100-101 …» МК 9, соединенного с управляющим входом АК 5, датчики тока 1-2 с достаточно высокой скоростью поочередно подключаются к входу АЦП МК 9 таким образом, чтобы получать цифровые коды токов нагрузки присоединений РУ 50-100 раз за период. Эти коды возводятся в квадрат, а суммы квадратов накапливаются в n ячейках в течение 1 мин.

Как известно, потери мощности в токоведущих элементах (ТЭ) определяются по формуле

$$\Delta P=I^{2}R,\left(1\right)$$

где I(t) - изменяющийся во времени ток нагрузки, протекающий по ТЭ;

R - сопротивление ТЭ.

При упрощенных расчетах сопротивление R принимается неизменным во времени и равным сопротивлению R₀ при температуре окружающей среды Θ₀=20°C или сопротивлению при другой фиксированной температуре.

Точное значение сопротивления R в функции от температуры Θ_ТЭ ТЭ определяется по формуле

$$R=R_0+\alpha R_0\left({\Theta }_{ТЭ}-{\Theta }_0\right),\left(2\right)$$

где α - температурный коэффициент сопротивления ТЭ; имеет значение для меди α_м=0,004°C^-1, алюминия α_a=0,0044°C^-1, стали α_ст=0,006°C^-1.

При наличии доступа к ТЭ их температура Θ_0i определяется с помощью датчиков 10-11 температуры проводников присоединений; сопротивление R_i проводника каждого присоединения рассчитывается в МК 9 по формуле (2), а значение потерь ∆P_i определяется по формуле (1).

Управление работой системы осуществляется следующим образом.

Через одинаковые интервалы времени ∆T=1 мин приемопередатчиком 13 с выхода порта D в ЦИ 15 записываются усредненные за минуту значения потерь мощности ∆P_i, которые в дальнейшем отображаются на цифровом индикаторе 15, непрерывно обновляясь каждую минуту.

Приемопередатчик 14 один раз в час размещает в очередных ячейках ПЗУ 16: дату; час; значение потерь ∆P_i во всех присоединении РУ и т.д.

В том случае, если доступ к проводникам присоединений отсутствует, датчиком 7 один раз в минуту измеряется температура окружающей среды Θ_окр, а температура проводников Θ_i определяется из дифференциального уравнения нагрева по следующей формуле [6]

$$\tau \cdot \frac{d\Theta }{dt}+\Theta =K_R\cdot \left({\Theta }_{номi}-{\Theta }_0\right)\cdot \left[\frac{I_i^2}{I_{номi}^2}\right]+{\Theta }_{окр},\left(3\right)$$

где $$K_R\left(\Theta \right)=\frac{1}{1+\alpha \left({\Theta }_{ном}-{\Theta }_0\right)}\left[1+\alpha \left(\Theta -{\Theta }_0\right)\right]$$ - коэффициент изменения сопротивления проводников в функции от температуры;

Θ_номi - номинальная длительно допустимая температура i-го проводника;

I_номi - номинальный ток проводника i-го присоединения;

I_i - среднеквадратическое значение тока нагрузки i-го присоединения.

Преимуществом предлагаемого изобретения по сравнению с известными аналогами является его более широкие функциональные возможности. Схема системы ориентирована на применение современной микроэлектронной основы - микроконтроллеров.

Источники информации

1. Патент 2380715 РФ, МПК G01R 19/02, G01R 11/00, 2008.

2. Осипов Д.С. Учет нагрева токоведущих частей в расчетах потерь мощности и электроэнергии при несинусоидальных режимах систем электроснабжения: Автореф. дис. … канд. техн. наук. - Омск, 2005.

3. Патент 2449356 РФ, МПК G06F 17/18, 2012, 5 независимый пункт формулы (прототип).

4. Применение интегральных схем: Практическое руководство: В. 2 кн.: Пер. с англ. / П. Брэдшо, С. Гош, X. Олдридж и др.; Под ред. А. Уильямса. - М.: Мир, 1987: Кн. 1. - 432 с.

5. Граф Р. Электронные схемы: 1300 примеров: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 688 с.

6. Гудзовская В.А., Ермаков В.Ф., Балыкин Е.С., Зайцева И.В. Математическая модель процесса изменения температуры нагрева проводника // Изв. вузов. Электромеханика. - 2012. - №2. - С.42-43.

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, в частности к интеллектуальной микропроцессорной системе контроля и регистрации потерь электроэнергии в присоединениях распределительного устройства. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей системы за счет возможности непрерывного контроля и регистрации мощности потерь электроэнергии в нескольких присоединениях распределительного устройства. Технический результат достигается благодаря тому, что система содержит первый - n-й (где n - число присоединений распределительного устройства) датчики тока присоединений распределительного устройства, первый - n-й буферные масштабные усилители, многовходовой аналоговый коммутатор, двухполупериодный прецизионный выпрямитель, датчик температуры окружающей среды, генератор прямоугольных импульсов, микроконтроллер, первый - n-й датчики температуры проводников присоединений, первый, второй и третий приемопередатчики, цифровой индикатор, постоянное запоминающее устройство, компьютер. 1 ил.

Интеллектуальная микропроцессорная система контроля и регистрации потерь электроэнергии в присоединениях распределительного устройства, содержащая первый датчик тока, датчик температуры окружающей среды, первый и второй приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство, компьютер, генератор прямоугольных импульсов, цифровой индикатор, первый датчик температуры проводника присоединения, микроконтроллер, порт B которого подключен к выходу датчика температуры окружающей среды, тактовый вход подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера соединены соответственно E - через первый приемопередатчик с входом постоянного запоминающего устройства, F - через второй приемопередатчик с входом компьютера, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены второй - n-й (где n - число присоединений распределительного устройства) датчики тока, второй - n-й датчики температуры проводников присоединений, первый - n-й буферные масштабные усилители, многовходовой аналоговый коммутатор, двухполупериодный прецизионный выпрямитель, третий приемопередатчик, через который выход порта D микроконтроллера соединен с входом цифрового индикатора, выходы первого - n-го датчиков тока через первый - n-й буферные масштабные усилители соединены соответственно с первым - n-м информационными входами многовходового аналогового коммутатора, выход которого через двухполупериодный прецизионный выпрямитель соединен с портом A микроконтроллера, а выходы первого - n-го датчиков температуры проводников присоединений соединены соответственно с первым - n-м разрядами порта C микроконтроллера, выход порта G которого соединен с управляющим входом многовходового аналогового коммутатора.