Устройство для измерения и контроля параметров электрооборудования Советский патент 1987 года по МПК H02H3/38 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для измерения и контроля парамеров электрооборудования, в частности в качестве комплексного устройства защиты и автоматики электрических ситем.

Целью изобретения является повьше ние быстродействия и увеличение точности.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - функциональные схемы блока обработки входных сигналов и измерителя параметров} на фиг. 3 - функциональные схемы блока междуфазных составляющих и бло ка симметричных составляющих; на фиг. 4 - функциональная схема контроля сопротивления на фиг. 5 - характеристика срабатывания- функциональной схемы контроля сопротивления на фиг. 6 - погрешности в определении комплексной амплитуды тока.

Устройство содержит входные преобразователи ток - напряжение 1 и напряжение - напряжение 2, блоки 3 обработки входных сигналов, блоки 4 междуфазных составляющих, блоки 5 симметричных составляющих, блок 6 определения параметров, блок 7 сравнения, логический блок 8, генератор 9 синусоидальных сигналов и блок 10 управления. Связь 2 выходов блока 10 управления с входами блоков обработки входных сигналов 3 показана в виде управляющей шины,

Каждьй блок 3 обработки входных сигналов содержит (фиг. 2) два перемножителя 11, сумматоры 12 и 13 и две схемы 14 интегрирования.

Схема интегрирования 14 (фиг. 2) состоит из входного сопротивления R1, подключенного к первым измерительным входам входйых аналоговых ключей П1 всех п каналов интегрирования; второй и третий /измерительные входы входного аналогового ключа каждого канала интегрирования подключены соответственно к шунтирующему резистору Р2 и входу инвертирующего усилителя 15, в обратную связь которого подключен конденсатор С, а вЫход инвертирующего усилителя 15 подключен к первому измерительному входу выходного аналогового ключа П2, второй и третий измерительные входы которого подключены соответственно к шунтирующе

0

5

5

му резистору R2 и к общему для всех каналов узлу, являющемуся выходом схемы 14 интегрирования, а управляющие входы входного и выходного аналоговых ключей П1 и П2 п-го канала интегрирования подключены соответственно к (2п-1) и 2п входам блока 10 управления. С помощью блока 10 управления осуществляются режимы интегрирования, рабочий, и создания нулевых начальных условий в каналах схем 14 интегрирования. Основу блока 10 управления может составлять генератор тактовых сигналов или использование вместо последнего напряжений с выхода генератора 9 синусоидальных сигналов с последующим преобразованием их в блоке 10 управления в прямоугольную форму.

Блок 6 определения параметров содержит унифицированные измерители параметров, число которых зависит от числа измеряемых параметров. Измеритель 16 параметров (фиг. 2) содержит перемножители 17-22, перемножитель- делитель 23, сумматоры 24-28, звено 29 для извлечения квадратного корня, делители 30 и 3.1, причем оба входа

перемножителей 17 и 18 подключены соответственно к первому и второму входу измерителя 16 параметров, а их выходы связаны с входами сумматора 24, подключенного к входу звена 29

5 для извлечения квадратного корня, выход которого является выходом измерителя 16 параметров; перемножители 19, 20, 31 и 22 подключены соответственно к второму и третьему, пер0 вому и четвертому входам измерителя 16 параметра, а выходы перемножителей 19-32 подключены соответственно к сумматорам 25 и 26, выходы которых являются выходами измерителя 16 пара5 метров, а также подключены к первым входам соответствующих делителей 30 и 31, вторые входы которых связаны с выходом сумматора 24, а выходы являются выходами измерителя 16 парамет0 ров; первые два входа перемножителя- делителя 23 подключены к третьему, а первый и второй входы сумматоров 27 и 28-к четвертому входу измерителя 16 параметров; кроме того, вход пеg ремножителя-делителя 23 подключен -к выходу сумматора 27, являющемуся выходом измерителя 16 параметров, а первый вход сумматора 27 связан с выходом перемножителя-делителя 23.

313

Блок 4 междуфазных составляющих и блок 5 симметричных составляющих содержат соответственно сумматоры 32- 37 и 38-43.

Схема 44 контроля сопротивления . блока. 7 сравнения содержит п каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных сумматоров 45, нуль-индикатора 46, подключенного вы- ходом к соответствующему входу логического элемента И 47.

Входные преобразователи 1 и 2, блоки 3 обработки входных сигналов, ге-- нератор 9 синусоидальных сигналов, блок 10 управления, блоки 4 мелодуфазных составляющих, блоки 5 симметричных составляющих, блок 6 определения параметров, блок 7 сравнения, логический блок 8 могут быть выполнены по любому известному принципу, в том числе с помощью аналоговых и цифровых интегральных схем (операционных усилителей, аналоговых перемножителей, аналоговых коммутаторов и логических микросхем).

Устройство работает следующим образом.

С выходов входных преобразователей 1 ток - напряжение и напряжение - напряжение 2, подключаемых к измери- тельньм трансформаторам, сигналы поступают на первые входы перемножителей 11 и на инвертирующие входы сумматоров 12 и 13 блока 3 обработки входных сигналов. Кроме того, на вто-. рые входы перемножителей 11 поступают синусоидальные напряжения промышленной частоты с выходов генератора

9 синусоидальных сигналов, а на вторые входы сумматоров 12 и 13 поступают напряжения с выходов перемножителей 11. С помощью схем 14 интегрирования и схемы 10 управления производятся интегрирование напряжений на выходах сумматоров 12 и 13 за период промышленной частоты Т,, 2 1 и передача полученных напряжений на входы блоков 4 междуфазных составляющих, блоков 5 симметричных составляющих и блока 6 определения параметров. Напряжения на первом и втором выходах блока 3 обработки входных сигналов при частоте генератора 9 синусоидальных сигналов, равной промышленной, и при его выходных напряжениях, пропорциональных синусу и косинусу указанной частоты - т.с

С i(t)coso td-t-Ki 3 i(t)dt

ю

15

0

5

0

, A(iUoT)(0,Tj ;

TOт,

ир КтГкЛ i(t)sinu;tdt-Kj5 i(t)dtj «

со.

,B(I.J,,T, )-КзА(0,Т.) .

где Кт(К„) - результирующий коэффициент передачи измерительного трансформатора тока напряжения и входного преобразователя ток-напряжение, напряжение-напряжение J г,- К| - коэффициент передачи сумматоров 12 и 13 по инвертирующим входам} К Kj - коэффициенты передачи

сумматоров 12 и 13 по не- инвёртирующим входам;

А(Ч,ТО).

B(UV,TC),

А(О,ТО) - соответственно активная и реактивная составляющие текущей спектральной плотности в-ходного сигнала на промышленной частоте и активная составляющая на нулевой частоте.

Если первичный ток (напряжение) содержит кроме полезного сигнала про- мьшшенной частоты его гармоники и свободную апериодическую составляющую

i(t)I,5C09(4t-V)-Io« cos(klt,,

-

I

тк

где

1,. V4.

«.с, /. соответственно амплитуды -и начальные фазы полезного сигнала и его к-й гармоники;

1,, и - начальное значение и коэффициент затухания апериодической состав- ;

.ляющей,

то напряжения на выходах блока 3

обработки входных сигналов

55

-,-К.к,-|е.1.соз ,.1Л-Ь - -|.|„-). .( )Ь

,K,.I.(-|--i bg;r) (1 - ) .

При К

К

То

К,,8

К.

в2+иг2

KB w -Tj- j -j- выходные напряжения блоко

3 обработки входных сигналов пропорциональны соответственно активным и реактивным составляющим комплексных амплитуд соответствующих первичных фазных токов напряжений,

В действительности В известно приближенно, но предел его измерения не следует ожидать большим. На фиг.6 приведены погрешности в определении комплексной амплитуды тока в экспоненциальной форме при 1о f s f О (кривые 1 и 3) и Vi (кривые 2 и 4). Причем кривые 1 и 2 соответствуют случаю, когда К Kj

О, а кривые 3 и 4 - когда К, К рассчитаны для 0 50 с .

Для измерения ортогональных составляющих комплексных амплитуд высших гармоник токов и напряжений необходимо использовать генератор 9 синусоидальных сигналов с частотой3 равной частоте исследуемой гарконики.

Напряжения с выходом первых трех блоков 3 обработки входных сигналов,, подключенных к вьпсодным преобразователям 1 ток - напряжениеJ и с выходов трех других блоков 3 обработки входных сигналов, подключеннь х входами к выходам входных преобразователей 2 напряжение - напряжение, поступают на входы соответствующих блоков 4 междуфазных составляющих и блоков 5 симметричных составляющих (фиг. 1 и 3), Напряжения на выходах сумматоров ,32-37 блока 4 междуфазных составляющих пропорционально соответственно активным и реактивным составляющим комплексных амплитуд первичных междуфазных токов напряжений

Напряжения на выходах сумматоров блока 5 симметричных составляющих пропорциональны активным и реактивным составляющим первичных токов напряжений нулевой, обратной и прямой последовательностей. д в

U,g5l,

1 « о с

(.-vi,,);

Коэффициенты передач сумматоров 38-43 выбираются согласно выражениям (1)-(6).

Напряжения с выходов блоков 3 обработки входных сигналов блоков 4 междуфазных составляющих и блоков 5 симметричных составляющих поступают на входы соответствующих измерителей 16 параметров блока 6 определения параметров.

Выходные напряжение измерителей 16 параметров пропорциональны амплитудам первичных фазных, междуфазных и симметричных составляющих токов и напряжений, активным и реактивным сопротивлениям и т.д.

Перечисленные параметры определяются в блоке 6 определения параметров с помощью реал:изации аналоговыми перемножителями сигналов и операционными усилителями: действий умножения, деления, извлечения квадратного корня, суммирования и т.д. над входными сигналами. Возможны другие реализации.

.Для опред(2ления напряжений, пропорциональных активному Р и реактивному X сопротивлениям, используются перемножители 17-22, сумматоры 24- 26 и делители 30 и 31 (фиг. 2).

55

На входы перемножителей 17 и 18, работающих в режиме квадратора, поступают соответственно напряжения, пропорциональные первичным активному Imc, и реактивному . токам, а вы71343494

перемножителей 17 и 18 подклюк соответствующим входам сумма- . 24,, напряжение на выходе котороопорционально квадрату первичтока

н ж н м з ду хо

12 +

та

12

На выходы перемножителей 19 и 20 поступают напряжения, пропорциональные первичным активному напряжению , и реактивному току , реактивному напряжению , и активному току . Выходы перемножителей 19 и 20 связаны соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами сумматора 25, напряжение на выходе которого пропорционально реактивной мощности

Uzr Q и„, 1,и 1„з1п ,

где

,-iiугол между током и напряжением.

С помощью перемножителей 21 и 22, на входы которых поступают напряжения, пропорциональные соответственно первичному активному току , и напряжению Uma реактивному току Ivnf и напряжению U,np, и сумматора 26, подключенного входами к выходам перемножителей 21 и 22, получаем напряжение, пропорциональное реактивной мощности

и,, Р

- тч Yr,t

и„1„соз У .

Выходы сумматоров 25 и 26 связаны с первыми входами делителей 30 и 31, вторые входы которых подключены к выходу сумматора 24. Напряжения на выходах делителей 30 и 31 пропорциональны соответственно активному R и активному X сопротивлениям

и Х Zsinr; U3,

Э 1„J-.v

ZCOS ,

В результате промежуточных операций определения активного R и реактивного X сопротивлений на выходах сумматоров 25 и 26 имеем соответственно активную Р и реактивную Q мощности, а на выходе сумматора 24 - квадрат амплитуды тока 1,. Для опре40

50

В устройстве предпагается исполь зовать схему 44 контроля сопротивле ния с характеристикой срабатывания виде многоугольника.При этом она со держит m каналов.по числу сторон ха рактеристики срабатывания, каждый из которых состоит из последователь

45 включенных сумматоров 45 (фиг. 4), на первые два входа поступают напряжения, пропорциональные соответственно активному R и реактивному X сопротивлениям, третий вход которого подключен к источнику постоянног напряжения, и нулЬ-индикатор 46, под ключенный входом к соответствующему входу логического злемента И 47.

Уравнение каждой стороны характе

деления напряжения, пропорционального ристики срабатьтания в координатной амплитуде первичного тока 1„, испольплоскости X, R имеет вид X - K,R - Х О,

зуется звено извлечения квадратного корня 29, подключенное входом к выходу сумматора 24.

8

Для определения амплитуды первичного напряжения используются перемножитель-делитель 23 и сумматоры 27 и 28, причем на входы для умножения перемножителя-делителя 23 поступает напряжение, пропорциональное первичному активному напряжению, а вход для деления связан с выходом сумматора 28, на первые и вторые входы последнего поступают соответственно напряжения, пропорциональные реактивному напряжению и напряжению с выхода сумматора 27, первый вход которого связан С выходом перемножителя-делителя 23, а второй подключен к первому входу сумматора 28. Напряжение на выходе сумматора 27

и

и

2Е.,+и

и„

0

5

0

0

Напряжение с выходов блока 6 определения параметров поступают на соответствующие входы блока 7 сравне5 ния, который содержит в общем случае схемы контроля тока (фазного, междуфазного, обратной, нулевой, прямой последовательности), напряжения, сопротивления, мощности и т.д., а также схему определения места повреждения.- Наличие в схеме полной информации о сопротивлении обеспечивает возможность получения сложных характеристик срабатывания простым способом без использования частотно-зависимых цепей как у традиционных реле сопротивления.

В устройстве предпагается использовать схему 44 контроля сопротивления с характеристикой срабатывания в виде многоугольника.При этом она содержит m каналов.по числу сторон ха- рактеристики срабатывания, каждый из которых состоит из последовательно

5 включенных сумматоров 45 (фиг. 4), на первые два входа поступают напряжения, пропорциональные соответственно активному R и реактивному X сопротивлениям, третий вход которого подключен к источнику постоянного напряжения, и нулЬ-индикатор 46, подключенный входом к соответствующему входу логического злемента И 47.

Уравнение каждой стороны характе-ристики срабатьтания в координатной

плоскости X, R имеет вид X - K,R - Х О,

где - угловой коэффициент наклона i-й прямой, равный тан 1343494 0

генсу ее наклона tg У к осиблока 3 обработки входных сигналов абсцисс;(фиг. 2). Так использование предло- Х - координата точки пересече-женной схемы 14 интегрирования позвонил i-й прямой оси ОХ.ляет повысить быстродействие устрой- Попадание комплексного сопротив-ства до 20 мс, а использование под- ления в область срабатывания соот-ключения неинвертирующих входов сум- ветствует выполнению следующих не-маторов 12 и 13 к входным преобразова- равенств:талям 1 и 2 - измерять его параметры

10электрооборудования, у которого из а (X - Rtg - Х) (7)вестно отношение его активного сопротивления к реактивному, практически

. а(Х - Rtg i - Xj) О; (8)без погрешностей.

, г, it -у п, /Q4Использование предложенных блоков

i З 5 междуфазных составляющих и блоков

ч п f f симметричных составляющих позволяет

а V. - Ktg 4 i) и )значительно упростить устройство (отпадает необходимость в использовании

дополнительных блоков обработки входа(Х - Rtg Лп- Х) О,20 ных сигналов), а также позволяет избежать дополнительной задержки при

где а - 1,измерении параметров электрооборудов результате чего срабатывают нуль-вания вследствие отсутствия в указаниндикаторы 46 всех каналов и логи-ных блоках частотно-зависимых цепей,

ческий элемент И 47.25 До этой же причине схемы контроля

На фиг. 4 и 5 приведены соответ-параметров блока сравнения также не ственно функциональная схема 44 конт-вносят задержку при контроле пара- роля сопротивления и ее характеристи-метров электрооборудования, ка срабатывания в виде четырехугольника. При этом коэффициенты переда-30 Формул а изобретения чи трех входов сумматора 44 равны соответствующим постоянным коэффициен-1. Устройство для измерения и там неравенств (7)-(10).контроля параметров электрооборудова- С помощью измеренных значений сое-ния, содержащее три выходных преобра- тавляющих комплексного сопротивления35 зователя ток-напряжение и три входных можно также реализовать схемы конт-преобразователя напряжение-напряже- роля сопротивления с характеристикойние, каждый из которых подключен сво- срабатывания в виде окружности, эл-им выходом к входу соответствующего яипса и т.д.блока обработки входных сигналов, а

Схемы контроля тока напряжения ре-40 два выхода каждого упомянутого блока

ализуются с помощью одного- компара-связаны с соответствующими входами

тора, а схемы контроля мощности и ееблока определения параметров, под- составляющих представляют собой част- ключенного выходами к соответстзуюный случай схемы 44 контроля сопро-щим входам блока сравнения, выходы котивления.45 торого связаны с входами логическоВыходы блока 7 сравнения подключе- го блока, отличающееся ны к соответствующим входам логическо- тем, что, с целью повьшения быстрого блока 8, с. помощью которого опре-действия и увеличения точности, вве- деляется последовательность работыдены генератор синусоидальных сигна- и времени срабатывания как по отдель- gg лов блок управления, два блока ным параметрам,так и устройства вмеждуфазньгх составляющих и два блока целом, а также подаются соответствую- симметричных составляющих, при этом щие управляющие выходные воздействияпервый и второй выходы генератора (на отключение, на сигнал и т.д.).синусоидальных сигналов и 2п вьгходов Таким образом, повьщ1ение быстро-gg блока управления подключены к входам действия и увеличение точности пред-каждого блока обработки входных сиг- лагаемого устройства по сравнению сналов, первьй и второй блоки междуизвестным достигается в основном зафазных составляющих, а также первьй счет использования предлагаемогои второй блоки симметричных состав

ляющих, соединенных каждый своими шестью входами соответственно с выходами трех блоков обработки входных сигналов, а шесть выходов каждого из блоков симметричных составляющих и шесть выходов каждого из блоков междуфазных составляющих подключены к соответствующим входам блока определения параметров.

2, Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок обработки входных сигналов содержит два перемножителя, два сумматора и две схемы интегрирования, при этом первые входы пер.емножителей соединены между собой и подключены к выходу соответствующего входного преобразователя ток-напряжение, вторые входы певого и второго перемножителей подклю чаны соответственно к первому и второму выходам генератора синусоидальных сигналов, первые входы перемножителей подключены к неинвертирую- пщм входам двух сумматоров, инвертирующие входы каждого из которых соединены с выходом соответствующего перемножителя, выходы первого и второго сумматоров подключены к первьш входам соответственно первой и второй схемы интегрирования, выходы которых являются выходами блока обработки входных сигналов, а каждая схема интегрирования содержит входной

Фиг. 1

0

5

„

5

0

резистор, первы; вывод которого является входом схемы интегрирования, второй вывод каждого входного резистора подключен к входу соответствующего канала интегрирования, соединенных параллельно, при этом каждьп из п-каналов интегрирования состоит из последовательно включенных входного аналогового ключа, инвертирующего усилителя, вькодного аналогового ключа, при этом в обратную связь инвертирующего усилителя включен конденсатор, а также шунтирующий резистор соответствующие измерительные входы входного из выходного аналоговых ключей, управляющие входы которых подключены соответственно к (2п-1) и 2п выходам схемы управления.

3,Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок междуфазных составляющих содержит шесть сумматоров, выходы которых являются выходами блока междуфазных составляющих, а инвертирующие входы - соответствующими входами указанного блока.

4.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок симметричных составляющих содержит шесть сумматоров, выходы которых являются выходами блока симметричных состав- ляющ1 х, а инвертирующие входы - соответствующими входами указанного блока.

Xf Физ.5

,%

10 20 30 50 SO 70 60 90 100 yJ/ H

20 дО 4в SO 60 7S 80 90 Ю6 у9,С-/

Фиг. S

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для измерения и контроля параметров электрооборудования, в частности в качестве комплексного устройства защиты и автоматики электрических систем. Целью изобретения является по- повышение быстродействия и увеличения точности. Цель достигается введением в. устройство блока 3 обработки входных сигналов. Использование предложенной схемы 14 позволяет повысить быстродействие устройства до 20 мс, а подключение неинвертирующих входов сумматоров 12 и 13 к входньм преобразователям 1 и 2 позволяет измерять параметры электрооборудования, у которого известно отношение его актив-- ного сопротивления к реактивному, практически без погрешностей. 3 з.п. ф-лы, 6 ил. с: S сл оо СО J о 4i. Фиг.1

Составитель К.Шилан Редактор Л.Гратилло Техред Л.Сердюкова

4832/53 Тираж 617

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Корр Подп

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Корректор А. Тяско Подписное