Устройство для вычисления параметров трехфазной сети Советский патент 1988 года по МПК G06F15/56 

Изобретение отнбсится к вычислительной технике и может быть использовано для измерения действующих значений и начальных углов сдвига фаз фазных (линейных) гармоник Напряжений и/или токов и их симметричных составляющих, действующих значений напряжений и/или токов, активной и реактивной мощности гармоник активной мощности в каждой фазе трехфазной сети, в частности для определения показателей качества электрической энергии (отклонение напряжения, коэффициенты несинусоидальности и неуравновешенности напряжений трехфазной сети), нормируемых ГОСТ 13109-67.

Цель изобретения - повышение точности, быстродействия и расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения определения действующих значений гармоник фазных напряжений и токов, их симметричных составляющих, активных и реактивных мощностей гармоник, действующих напряжений и токов и активных мощностей в, каждой фазе.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства;на фиг. 2 и 3 - временные диграммы, поясняющие его работу на фиг. 4 - схема блока синхронизации; на фиг. 5 - блок-схема алгоритма работы вычислительного блока.

Устройство содержит делитель 1 напряжения, коммутатор 2, аналого- цифровой преобразователь (АЦП) 3, преобразователь 4 тока в напряжение, коммутатор 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, блок 7 умножения, постоянный запоминающий узел (ПЗУ) 8, регистр 9, блок 10 суммирования, запоминающий узел (ЗУ) 11, вычислительный бл ок 12, умножитель 13 частоты, блок 14 управления, мультиплексор 15, блок 16 индикации, пульт 17 управления, регистры 18 и 19, умножитель 20, шинный формирователь (Ф) 21, арифметико-логический узел (АЛУ) 22, запоминающий узел (ЗУ) 23, микропроцессор 24, постоянный запоминающий узел (ПЗУ) 25, запоминающий узел (ЗУ) 26, параллельные программируемые интерфейсы 27-30, счетчики 31 и 32, генератор 33 тактовых импульсов, элементы И 34-41, шифраторы 42 и 43 кодов операций.

0

5

0

5

0

5

Устройство работает следующим образом.

С помощью блока 12 с пульта 17 считывается код номера гармоники (НГ), равный К, который через интерфейс 27 заносится в микропроцессор 24.Затем код К из микропроцессора 24 через интерфейс 29 поступает на вход регистра 9 и заносится в него.

Входные фазные, напряжения Ujj, U-, Uj и фазные токи i, ig, ij, с помощью делителя 1 и преобразователя 4, соответственно преобразуется в напряжения номинального уровня (в конкретной разработке 5В).Одно из фазных напряжений, например U, поступает на вход умножителя 13, который умножает частоту входного сигнала в N раз, где N 2 - коэффициент умножения частоты; m - количество разрядов счетчика 32 (фиг. 4). С выхода умножителя 13 снимаются импульсы (фиг. 2), период следования которых равен T/N. где Т - период входного сигнала. Эти импульсы запускают АЦЦ 3 и 6 и блок 14. Последний формирует сигналы управления коммутаторами 2 и 5 ША1 Км 2,5; ША2 Км2, 5 (фиг. 4), которые изменяются после каждого выходного импульса умножителя 13. При этом через коммутаторы 2 и 5 на входы АЦП 3 и 6 подаются одновременно напряжения, пропорциональные Uy( , 1д после 0,4... N -4 импульсов умножителя 13; Ug, i,

0

5

0

5

.j, после 1,5... N - 3 импульсов умножителя 13; Up, i после 2,6..; N - 2 импульсов умножителя .13 (фиг. 3).

Эти сигналы при помопш АЦП 3 и 6 преобразуются после п-го импульсаё умножителя 13 (п 0,1,..., N-1) в соответствующие им коды. С целью минимизации аппаратурных затрат коэффициент N выбран равным 2, поэтому после 3,7,..., п-1 импульсов умножителя 13 никаких преобразований в АЦП 3 и 6 и операций в АЛУ 22 не производится.

Блок 14 вырабатывает также сигналы управления вводом информации в регистры 18 и 19 и ЗУ 11 и 23 (Зп Рг 18, Зп Рг 19, Зп ЗУ 11, Зп ЗУ 23), сигналы управления выводом информации из АЦП 3 и 6, ПЗУ 8, формирователя 21, регистра 9 (Чт АЦП 3, Чт АЦП 6, Чт ПЗУ 8 (sin), Чт ПЗУ 8 (cos)

Чт ШФ 21, Чт Рг 9), сигналы управления АЛУ 22,сигналы управления адресом ЗУ 1 и 23 (СШ ЗУ 23) и адресом коммутаторов 2 и 5 (ШАКМ).

Блок 14 работает следующим образом. Каждый выходной импульс умножителя 13 сбрасывает счетчик 31, при этом сигнал Рб принимает значение логического О, элемент И 34 открывается и тактовые импульсы (ТИ) генератора 33 поступают на счетный вход счетчика 31.После того, как на счетный вход счетчика 31 поступит тридцать два импульса, на выходе Рб установится логическая 1 элемент И 34 закроется и счет прекратится. Сигналы Рб поступают на счетный вход счетчика 32, поэтому его состояние соответствует номеру п импульса умножителя 13. Выходные состояния счетчиков 31 и 32 используются для формирования сигналов

управления. Для минимизации аппаратурных затрат используются два элемента И 35 и 36, с помощью которых формируются сигналы Q и Q (фиг. 3) принимающие значения логической 1 при четырех последних и четерех первых состояниях счетчика 32 соответственно:

Первые шестнадцать состояний счетчика 31 не используются, так как этот интервал времени t (фиг. 2) необходим для преобразования в АЦП 3 и 6 входных сигналов в код. При по мощи элементов И 37 - 41 формируются следующие сигналы управления,временные диаграммы которых приведены на фиг. 2 и 3.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для измерения действую- ПЦ1Х значений и начальных углов сдвига фаз фазных (линейных) гармоник напряжений и/или токов и их симметричных составляющих, действзжщих значений напряжений и/или токов, активной и реактивной мощности гармоник, активной мощности в каждой фазе трехфазной сети, в частности для определения показателей качества электрической энергии, нормируемых ГОСТ 13109-67. Цель изобретения - повышение точности, быстродействия и расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности определения действующих значений гармоник фазовых напряжений и токов, их симметричных состанляюпщх,активных и реактивных мощностей гармоник, действующих напряжений и токов и активных мощностей в кгикдой фазе. С этой целью в устройство, содержащее постоянный запоминающий узел, коммутатор 2, делитель 1 напряжения, умножитель 13 частоты, блок 14 управления,аналого- цифровой преобразователь 3, блок 7 умножения, блок 10 суммирования, запоминающий узел 11 и,вычислительный блок 12, введены мультиплексор 15, регистр 9, коммутатор 5, аналого- цифровой преобразователь 6 и преобразователь 4 тока в напряжение. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. (Л 00 О) OHie.

(Рр VP, VP,,VP, V

Р,4 ) / Р5 ИТИ;

(р; V р; V Р« V Pg v Р,о V Р,, ) л Р5 л ТИ; (РО VP, ,V PgV P,,vP,,v p,. )A P5 МП;

ЗпЗУП (Pj V P,VP, VP,VP3 ,, )Л P5 Л (Q2AQ1) Д .Q ., Л ТИ, ЧтАЦПЗ (РО V Р,„ V Р,) л Р5 Л (Q2 лд); ЧтПЗУ (sin) (Р, V Р) Л Р5 Л (Q2 Q1);

ЧтПЗУ (cos) (Pj V Pg) А PJ А(Q2 Л Q1);

ЧтШФ21 (, V Р P..VP, ) Р5 (Q2AQ1); ЧтРг9 Рр Л Р5; (Z Y) (Р,

РЗ V

Р, V,PJ Д Р5 Л(02 AQI);

(Z X) ((Р V Р V Pg V P,,v Р Л Р5 Л (Q2 Л Q1)V

V(P, Л Р5 Л Q,)) Л0„;

ША1 (, VP,,vP,5 ) Л P5A(Q, л О,); ША2 (РТ V Р, V Р„ V Р, Л Р5 Л (ОдД Q,) ; ШАЗ (PJ V Р4 V P,vF3)A Р5 Л (Q,Q,); ША4 (PjVP V P,v PjV P,,v P,v P,P Л P5 Л0,л Q,; ША5 (PiV P V P/V PgV p,V P,,,vP,j) A P5 Л Q,A Q,,

НИИ коммутаторов 2 и 5 в АЦП 3 и 6

где Р/ - состояние четырех младших разрядов счетчика 31.

Сигналы (), () с помощью шифратора 43 преобразуются в коды операций, зависящие от конкретного типа микросхем,используемых в АЛУ22. При этом шифратор 43 построен таким образом, что при одновременном отсутствии этих сигналов, он вырабатывает код операции ().

В соответствии с приведенными временными диаграммами (фиг. 2 и 3) после п-го выходного импульса JTMHO- жителя 13 устройство функционирует следующим образом. В результате преобразования в код выходных напряже-1

хранятся коды ир„, 1р„, дс принимает значения А,В,С

где F

50

55

На вход управления выводом информации регистра 9 поступает сигнал ЧтРг9 (фиг. 2). Так как сигнал Чт ШФ21 отсутствует, то код номе-; ра гармоники К с выхода регистра 9 поступает на входТЛУ22, на другой вход которого с выхода ЗУ23 поступает код Vii текущей фазы К-й гармоники. Эти коды суммируются в АЛУ22, и результат - новое значение текущей фазы а FK - заносится в ту же ячейку ЗУ23. Этот код после п-го импульса умножителя частоты равен

-К.

хранятся коды ир„, 1р„, принимает значения А,В,С

где F

На вход управления выводом информации регистра 9 поступает сигнал ЧтРг9 (фиг. 2). Так как сигнал Чт ШФ21 отсутствует, то код номе-;- ра гармоники К с выхода регистра 9 поступает на входТЛУ22, на другой вход которого с выхода ЗУ23 поступает код Vii текущей фазы К-й гармоники. Эти коды суммируются в АЛУ22, и результат - новое значение текущей фазы а FK - заносится в ту же ячейку ЗУ23. Этот код после п-го импульса умножителя частоты равен

-К.

Одновременно на вход управления выводом информации АЦП 3 поступает сигнал ЧтАЦПЗ, а на вход синхронизации ввода информации регистра

18сигнал ЗпРг18, При этом выходной код АЦП 3 заносится в регистр 18

При следующем состоянии счетчика 31 на вход управления АЛУ22 поступает код операции (), при этом с выхода ЗУ23 через АЛУ22 на адресный вход узла 8 поступает код i . С выхода узла 8 (в зависимости от того, какой сигнал поступил на его вход управления) снимается код sin - или cos VK В данном случае на вход управления ПЗУ8 поступает сигнал ЧтПЗУ8 (sin), а на вход регистра

19- сигнал ЗпРг19. Соответственно код sin ц sin

2Я

К

с выхоN

да узла 8 заносится в регистр 19. Теперь в блоке 7 имеется два сомножителя: и, р и sinv «Их произведени с выхода умножителя 20 при следующем состоянии счетчика 31, когда есть сигнал ЧтШФ21, поступает на вход АЛУ22. На другой вход с выход ЗУ23 подается код Ьр синусной составляющей К-й гармоники напряжения коды суммируются, а результат - новое значение b р - заносится ту же ячейку ЗУ23в

При следующем состоянии счетчика 31 с выхода ЗУ23 выводится код ц j который поступает на адресный вход узла 8. Но в этом случае на вход управления узла 8 поступает сигнал ЧтПЗУ8 (cos), поэтому в регистр

19 заносится код cos v cos

2li

tj-K. Произведение кодов при следующем состоянии счетчика 31 суммируется с выводимым из ЗУ23 кодом а :f косинусной составляющей К-й гармоники напряжения фазы F, а результат

ар, +

и

Fn

COS

2 Ж

заносится в ту же ячейку ЗУ23.

При состоянии счетчика 31 Р5 Л Р5 на управляющий вход АЦП 6 поступает сигнал ЧтАЦПб,а на вход регистра 18 - сигнал ЧтРг18, код ip заносится в регистр 18.

Происходит подсчет синусной d рц, и косинусной сF составляющих К-й

FK

с составляющими bj Рк

27 К„

dp + 1р„ sin

п

Fk

Ср -Ь 1

FK

sin - Кг

Затем на управляющий вход АЦПЗ поступает сигнал ЧтАЦП2, а на входы регистров 18 и 19 -сигналы ЗпРг18 и ЗпРг19 одновременно (фиг. 2). Следовательно, на выходе

умножителя 20 получается код U

Fn

который суммируется с выводимым из ЗУ23 кодом Up квадрата действующего значения напряжения фазы Результат

р

и

и.и

Fn

заносится в ту же ячейку ЗУ23.

Аналогично при состоянии счетчи- 5 ка 31 Р5ЛР в регистры 18 и 19 из

п

АЦПб заносится код ip., а при состо. t

сумс кодом I

янии счетчика 31 код i.

мируется

квадрата дей5

0

5

0

5

0

ствующего значения тока фазы F , а результат заносится в ЗУ23.

При состоянии счетчика 31 Р5Лр в регистр 18 из АЦПЗ заносится код Up, код i р„ ранее занесен в регистр 19. Произведение этих кодов суммируется с кодом Рр активной мощности в фазе F, который выводится из ЗУ23,а результат снова заносится в ЗУ23.

.В начале периода при п 0,1,2 сигнал Q f, 1. Поэтому на вход Т ЛУ22 поступает код операции (Z X) , т.. е. вместо суммирования выходного кода блока 7с содержимым соответствующей ячейки ЗУ23 производится пропускание выходного кода блока 7 на вход ЗУ23 и занесение его в требуемую ячейку. Таким образом происходит как бы начальная установка ячеек ЗУ23.Аналогично при п О и состоянии счетчик;а 31 Р5 л Р код операции АЛУ22 (Z X), поэтому в ячейку,в которой хранится ц,, заносится код К..

В конце периода входного сигнала при п N-A, N-3, N-2 сигнал Q 1, а в ячейках ЗУ23 хранятся коды ар|, Ьрц, Ср , d р ц косинусных и синусных составляющих напряжения и тока К-й

71376104

гармоники, UF ; I квадратов действующих значений напряжений и токов Рр: активной мощности фазы F которые равны:

рг, cos К„, -Ьр,

.,-- f . 0 „ , --J

2 if sin -й- К„, с

N

Fk

Чп

VCOS -: К„, dp -TIip sin ,)

F

,„, it 2 i; , р.

рг, ч.

где суммирование ведется по п 0,4 ,..., N-4 для фазы А, п 1,5, ,..., N-3 для фазы В, п 2,6, ,..., N-2 для фазы С.

Когда в ячейки ЗУ23 записываются последние значения кодов указанных параметров,сигнал Q 1 который поступает на вход мультиплексора 15, подключает адресный вход ЗУ11 к адресному входу ЗУ23, одновременно блок 14 формирует сигналы ЗпЗУ11 (фиг. 2), поэтому эти параметры одновременно записываются в ЗУ23 и ЗУ11 в ячейки с одинаковыми номерами.,

Информация из ЗУ11 переписывается в блок 12 при условии Q, 0. Одновременно с накоплением новой информации о параметрах трехфазной сети в ЗУ23 блок 12 производит обработку и представление полученной из ЗУ11 информации, которой достаточно для получения большого количества параметров трехфазной сети.

В частности, блок 12 вычисляет действующие значения К-й гармоники напряжения и тока в фазе F

К„ VJ

г.Г7Г -

, ;(1)

-Fk

-KI с. + d,, (2)

ск

- а + - где Ку, Kj - масштабные коэффици- 6 8 6

нты,учитывающие коэффициенты передачи де-1 1 лителя 1 ,преобразова- з к

8

теля 4, АЦП 3 и 6 и т.д., их активную PFK и реактивную QFK .мбщности:

. F

xdpit);

(3)

10

2 2

)

F ЫТГ F -

(4)

угол сдвига фазы ( между током и напряжением

(Гр, arct (Q,/Pp, ), (5) действукнцие значения напряжений

и

в фазе F

р и токов 1р, активную мощность

и.

Р.

(6)

(7) (8)

5

0

В последних формулах в левой части результат измерения, а в правой части одинаково с ним обозначенный код, переписываемый из ЗУ11 в блок 12,

По косинусным и синусным составляющим фазных токов и напряжений блока 12 определяются косинусные и синусные составляющие напряжений и токов прямой (а, , Ь, с+, d.k) обратной (а , Ь , c.,d-|k) и .нулевой (а OJL, b (, , с д, , d ) симметричных последовательностей К-й гармоник: .

45

4(1

3 Л 6,8к - 5

0

Уз

Ь к

b«k - :; b

6 - 6

к - Ч X1 U

t D

(9)

et(

(10),

6

- -4- b

b.K

V3

0

6К

J 3

йк

1 3

9

К . 6 Зек

АК

А 6

-6 Ьбк

Ck

1 6

СИ

дк

Bk

137610410

параметра ИП.Этот код анализиру(11) ется в микропроцессоре 24 и определяется начальный адрес соответствующей подпрограммы,которая используется для вычисления параметра на основе информации, переписанной из ЗУ 11 .

Например, если код ИП соответствует индикации угла сдвига фазы между напряжением и током прямой последовательности, то сначала по формулам (9),(10) и кодам а , Ъ

(12)acKl(13)

10

fx. +k

Ok

АК

fb,

b,,.(U)

Величины с.ц, d + K , с . d определяются по аналогичОх 0

ным зависимостям путем замены составляющих а на с, Ъ на d.

Затем по косинусным и синусным составляющим симметричных последовательностей в блоке 12 по формулам, I аналогичным (1) - (5), определяются действующие значения К-х гармоник напряжений и токов, их активные и реактивные мощности, углы сдвига фазы между соответствующими токами и напряжениями.

Вычислительный блок 12 взаимодействует с остальными узлами устройства в соответствии с алгоритмом, блок-схема которого приведена на фиг. 5. Микропроцессор 24 через интерфейс 30 опрашивает сигнал 0 на входе последнего.Если Q 1, т.е происходит запись новой информации в ЗУ11 и его вход подключен к входу ЗУ23, то блок 12 переходит в режим ожидания тока, сигнал Q не станет равным О.

После того, как сигнал Q Q (признак готовности данных) микрон процессор 24 переписывает-информацию из ЗУ11 в ЗУ26, которое входит в состав блока 12. При этом на выходе ША интерфейса 30 поочередно выставляются адреса ячеек ЗУ11,в которых хранятся коды а 1, b к,. . . , Р.. Так как сигнал 0 О, то адресный ЗУ1 1 подключается к выходу интерфейса 30, а содержимое ячеек ЗУ11 через интерфейс 30 сначала заносится в микропроцессор 24, а затем с его выхода в ЗУ26.

После окончания перезаписи информации из ЗУ1Г происходит считывание с пульта 17 кода индицируемого

Например, если код ИП соответствует индикации угла сдвига фазы между напряжением и током прямой последовательности, то сначала по формулам (9),(10) и кодам а , Ъ

определяются составляющие а.

fx. +k

ПО этим же фор.муда;4,И ,кодам с.,;, d определяются составляющие с.ц , d, которые используются для подсчета величин Р+ц, Q(: по формулам (3) и (4), которые, в свою очередь, используются для получения окончательного результата по формуле (5).

Результат вычисления параметра через интерфейс 28 заносится в блок 16. Затем с пульта 17 считывается код номера гармоники НГ, который заносится сначала в микропроцессор 24, а -затем через интерфейс 29 поступает на вход регистра 9. Для исключения сбоев в работе устройства этот код заносится в регистр 9 толь ко в конце периода входного сигнала по обратному фронту сигнала Q , который поступает на вход записи информации в регистр 9.

35 Формула изобретения

0

5

0

5

1 Устройство для вычисления параметров трехфазной сети, содержащее постоянный запоминаюп;ий узел, делитель напряжения, вход которого является первым информационным входом устройства, выходы делителя напряжения соединены с информационными входами первого коммутатора и с входом умножителя частоты соответственно, выход которого соединен с входом запуска блока управления и с запускающим входом первого аналого- цифрового преобразователя,информационный вход которого соединен с выходом первого коммутатора, вькод первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первым информационным входом блока умножения, выход которого соединен с первым информационным входом блока суммирования, выход которого соединен с информационным входом запоминающего узла.выход которого соединен с информационным входом вычислительного блока, второй информационный вход вычислительного блока является входом исходных данных устройства, управляющие входы первого коммутатора, блока суммирования, управляющие входы блока умножения и запоминающего узла соединены с соответствующими выходами блока управления, о т л и ч а- ю щ ее с я тем,что, с целью повышения точности, быстродействия и расширения функциональных возможностей устройства за счет обеспечения определения действующих значений гармоник фазных напряжений и токов, их симметричных составляющих,активных и реактивных мощностей гармоник,действующих напряжений и токов и активных мощностей в каждой фазе, в него введены мультиплексор, регистр,вторые коммутатор и аналого-цифровой преобразователь и преобразователь

тока в напряжение, вход которого яв-25 входом первого элемента И, выходы

ляется вторым информационным входом устройства, а выход соединен с информационным входом второго коммутатора выход которого соединен с информационным входом второго аналого-цифрового преобразователя, запускающий вход которого соединен с выходом умножителя частоты, а выход соединен с вторым информационным входом блока умножения,третий информационный вход которого соединен с выходом пос тоянного запоминающего узла, адресный вход которого соединен с выходом блока суммирования, информационные входы регистра и мультиплексора соединены с выходами данных и адреса вычислительного блока соответственно, выход регистра соединен с вторьм информационным входом блока суммирования, выход мультиплексора соединен с адресным входом запоминающего узла, управляющие входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей, постоянного запоминающего узла, регистра,вход записи регистра,вход признака готовности данных вычисли

0

5

0

тельного блока и управляющие входы мультиплексора и второго коммутатора соединены с соответствующими выходами блока управления.

30

35

40

45

50

разрядов второго счетчика, начиная с третьего, соединены с входами шестого элемента И и с инверсными входами седьмого элемента И соответственно выход которого соединен с первым входом восьмого элемента ИЛИ, выходы с первого по четвёртый первого шифратора кодов операций соединены с вторыми входами с второго по пятый элементов И соответственно, пятый выход соединен с первым входом второго шифратора кодов операций, шестой выход подключен к второму входу восьмого элемента И, выход которого соединен с вторым входом второго шифратора кодов операций, выход шестого элемента И соединен с третьим входом пятого элемента И, выходы первого шифратора кодов операций с седьмого по семнадЪ.атьй,выходы с второго по щестой элементов И, выход второго шифратора кодов операций и выходы первого и второго разрядов второго счетчика являются выходами блока, вход которого соединен с ус- тановочньм входом первого счетчика.

fc 1 а

;|;|ct) $ $5 t «

: 5

i

k1

0

л

k1

к

5 1

«ci

1 5 «

Фиг.З

(J8)

U9)

(Zj; (П)

(гу;

(3J (5)

(5)

(в) (2/;

or

Wi/ АЛУ22 (22)

ША ЗУ 23 (23)

}(2,5;

Фиг.

С Начало О

а

/Считыёанае признака 1 2д на Входе 30/

Да

Нет

читыоание 3 // ШАЗУ 11: А UAK

IUAK 50 -9-2

гм 25

1ШАЗУ PC PC - 30 - 2 Р - 5i/ 25

1

1С штырание с шндицируемого {метра /7 ,. 27 -

i

Анализ кода определение Ha uMHozo адреса подпрограммы дычисления соотоет- стдунлцего парамегл- ра

Вычисление параметра с использованием формул (П ... (15J

1

Выбод результата X oь fucAeнuя на 1 28 - Ю

Сцаты8ание с 77 мда

но мера гармоники

ГНГ

i

IЗанесение кода //Г д регистр 3

( Конец J

Фиг. 5