Многоканальная микропроцессорная система контроля и регистрации потерь электроэнергии в присоединениях распределительного устройства Ермакова-Горобца Российский патент 2017 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, а также 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 неучетом 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, многовходовой аналоговый коммутатор, входной преобразователь, третий приемопередатчик, через который выход порта D микроконтроллера соединен с входом цифрового индикатора, выходы первого - n-го датчиков тока соединены соответственно с первым - n-м информационными входами многовходового аналогового коммутатора, выход которого через входной преобразователь соединен с портом A микроконтроллера, а выходы первого - n-го датчиков температуры проводников присоединений соединены соответственно с первым - n-м разрядами порта C микроконтроллера; входной преобразователь содержит двухполупериодный прецизионный усилитель и буферный масштабный усилитель, вход которого подключен ко входу входного преобразователя, а выход через двухполупериодный прецизионный усилитель соединен с выходом входного преобразователя.

Существенными отличиями предлагаемой системы являются введение дополнительных элементов (второго - n-го датчиков тока, второго - n-го датчиков температуры проводников присоединений, многовходового аналогового коммутатора, входного преобразователя, 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; на фиг.2 представлен один из возможных вариантов реализации схемы входного преобразователя.

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

Входной преобразователь 4 (фиг.2) содержит двухполупериодный прецизионный усилитель 16 и буферный масштабный усилитель 17, вход которого подключен ко входу входного преобразователя 4, а выход через двухполупериодный прецизионный усилитель 16 соединен с выходом входного преобразователя 4. Схемы буферного масштабного усилителя 17 и двухполупериодного прецизионного усилителя 16 общеизвестны, в частности, в качестве их реализаций 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.

Выходное напряжение ДТ 1-2 первого - n-го присоединений распределительного устройства (РУ), пропорциональное токам нагрузки I(t) присоединений, поступает соответственно на первый - n-й информационные входы многовходового аналогового коммутатора 3.

Датчики тока 1-2, которые могут быть, в частности, 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 7 аналого-цифрового преобразователя (АЦП) во входном преобразователе 4 используется буферный масштабный усилитель 17 (фиг.2), имеющий большой коэффициент усиления 15-80 (выбираемый в зависимости от модификации используемого МК 7). Во ВП 4 также используется двухполупериодный прецизионный усилитель 16 для преобразования двухполярного синусоидального сигнала ДТ 1 - 2 в однополярный.

Путем смены кода на выходе порта G «001-010-011- 100-101…» МК 7, соединенного с управляющим входом АК 3, датчики тока 1-2 с достаточно высокой скоростью поочередно подключаются к входу АЦП МК 7 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

ΔP=I²R, (1)

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=R₀+αR₀(Θ_тэ-Θ₀), (2)

где α - температурный коэффициент сопротивления ТЭ; имеет значение для меди α_м=0,0041°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 8-9 температуры проводников присоединений, сопротивление R проводника каждого присоединения рассчитывается в МК 7 по формуле (2), а значение потерь ΔP_i определяется по формуле (1).

Управление работой системы осуществляется следующим образом.

Через одинаковые интервалы времени ΔT=1 мин приемопередатчиком 11 с выхода порта D в ЦИ 13 записываются усредненные за минуту значения потерь мощности ΔP_i, которые в дальнейшем отображаются на цифровом индикаторе 13, непрерывно обновляясь каждую минуту.

Приемопередатчик 12 один раз в час размещает в очередных ячейках ПЗУ 14: дату; час; значение потерь ΔP_i; во всех присоединениях РУ и т.д.

В том случае, если доступ к проводникам присоединений отсутствует, датчиком 5 один раз в минуту измеряется температура окружающей среды Θ_окр, а температура проводников Θ_i определяется из дифференциального уравнения нагрева по следующей формуле [6]

где - 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 являются ее более широкие функциональные возможности. Схема системы ориентирована на применение современной микроэлектронной основы - микроконтроллеров.

Источники информации

1. Патент 2380715 РФ, MПK GOIR 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, предназначено для вычисления и индикации усредненной на 1-минутном интервале мощности потерь электроэнергии, а также может быть использовано в качестве многоканального счетчика-регистратора потерь электроэнергии в нескольких присоединениях распределительного устройства. Техническим результатом является обеспечение возможности непрерывного контроля и регистрации усредненных значений мощности потерь электроэнергии в присоединениях распределительного устройства. Он достигается тем, что система содержит первый - n-й (где n - число присоединений распределительного устройства) датчики тока (ДТ) 1-2 присоединений распределительного устройства, многовходовой аналоговый коммутатор (AK) 3, входной преобразователь (ВП) 4, датчик 5 температуры окружающей среды (ДТОС), генератор 6 прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер (МК) 7, первый - n-й датчики 8-9 температуры проводников присоединений, первый 10, второй 11 и третий 12 приемопередатчики, цифровой индикатор (ЦИ) 13, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 14, компьютер 15. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Многоканальная 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 В которого подключен к выходу датчика температуры окружающей среды, тактовый вход подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера соединены соответственно Е - 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, входной преобразователь, многовходовой аналоговый коммутатор, второй - n-й датчики температуры проводников присоединений, третий приемопередатчик, через который выход порта D микроконтроллера соединен с входом цифрового индикатора таким образом, что третий приемопередатчик выполнен с возможностью записывать с выхода порта D микроконтроллера в цифровой индикатор для их отображения усредненные за минуту значения мощности потерь электроэнергии в присоединениях распределительного устройства, выходы первого - n-го датчиков тока соединены соответственно с первым - n-м информационными входами многовходового аналогового коммутатора, выход которого через входной преобразователь соединен с портом А микроконтроллера, а выходы первого - n-го датчиков температуры проводников присоединений соединены соответственно с первым - n-м разрядами порта С микроконтроллера, выход порта G которого соединен с управляющим входам многовходового аналогового коммутатора 3.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что входной преобразователь содержит прецизионный выпрямитель и буферный усилитель, вход которого подключен ко входу входного преобразователя, а выход через прецизионный выпрямитель соединен с выходом входного преобразователя.