Устройство для измерения электрической энергии Советский патент 1990 года по МПК G01R22/00 

мощности с началом периода контро- лируемой сети блоком 13, Вновь введенные блоки позволяют сформировать в блоке 16 памяти сдвинутые на четверть периода значения напряжения, при перемножении которых на значения тока, взятые без сдвига во времени, получают величину реактивной мощности. Сдвиг на четверть периода осуществляется с помощью счетчика 14, комбинационного сумматора 15 и логи ческого элемента 19, которые соот- ветствукщим образом формируют адреса записи данных, поступакщих на вход блока 16 памяти, 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при построении счетчиков электрической энергии многофазной сети. Целью изобретения является расширение области применения путем измерения реактивной электроэнергии многофазной сети и повышение точности. В устройство, содержащее N измерительных преобразователей 2.1-2.N тока и напряжения 1,1-N, мультиплексоры 3,4, блок 5 определения знака, аналого-цифровой преобразователь 6, включающий регистр 7 последовательных приближений, цифроаналоговый преобразователь 8 и компаратор 9, блок 10 обработки информации, источник 11 опорного напряжения и блок 12 выработки и хранения, дополнительно введены блок 13 умножения частоты, счетчик 14, комбинационный сумматор 15, блок 16 памяти, цифроаналоговый преобразователь 17, блок 18 выработки-хранения и логический элемент 19. Повышение точности достигнуто за счет синхронизации преобразования мощности с началом периода контролируемой сети блоком 13. Вновь введенные блоки позволяют сформировать в блоке 16 памяти сдвинутые на четверть периода значения напряжения, при перемножении которых на значения тока, взятые без сдвига во времени, получают величину реактивной мощности. Сдвиг на четверть периода осуществляется с помощью счетчика 14, комбинационного сумматора 15 и логического элемента 19, которые соответствующим образом формируют адреса записи данных, поступающих на вход блока 16 памяти. 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при построении счетчиков электрической энергии многофазной сети.

Цель изобретения - расширение области применения путем измерения реактивной электроэнергии многофазной сети и повышение точности

На фиг,1 приведена блок-схема устройства; на фиг,2 (а-Ь) и 3 (а-Ь) алгоритмы работы блока обработки информации.

Устройство для измерения активной и реактивной электрической энергии (фиг,1) содержит измерительные преобразователи 1,1-1,п напряжения, измерительные преобразователи 2в12,п тока (например, трансформаторы напряжения и трансформаторы тока) мультиплексоры 3 и 4, блок 5 определения знака,аналого-цифровой преобразователь 6, включаюций регистр 7 последовательных приближений, цифроанало.говый преобразователь 8 и компаратор 9, блок 10 обработки информации, источник 11 опорного напряжения, блок 12 выборки и хранения блок 13 умножения частоты, счетчик 14, комбинационный сумматор 15, блок 16 памяти, второй цифроакалоГовый преобразователь 17, второй блок 18 выборки и хранения информации и логаческий элемент 19 о

Выходы измерительных преобразователей ,К 1-1,п и измерительных преобразователей 2,1-2,п. подключены к входам мультиплексоров 3 и 4 соответственно, выход мультиплексора 3 подключен к входу блока 5 определения знака (например, компаратор с нулевым порогом срабатывания) и к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6, информационные выходы регистра 7 последовательных приближений подключены к входам цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 8, выход которого подключен к второму входу компаратора 9, первый вход которого является входом АЦП 6, выход компаратора 9 подключен к информационному входу регистра 7 последователных приближений, информационные выходы которого являются информационными выходами АЦП 6 и подключены к информационным входам блока 10 обработки информации, причем вход Старт регистра последовательных приближений соединен с третьим выходом блока 10 обработки информации, второй вход которого подключен к выходу Завершение преобразования регистра 7 последовательных приближений, к входу опорного напряжения ЦАП 8 подключен выход мультигшексора 4, к дополнительному входу которого подключен вькод источника опорного .напряжения, к входу которого подклкгчек выход блока 5 определения знака, выход которого подключен также к входу блока обработки информации, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам мультиплексоров 3 и 4 соответственно, пятый выход блока 10 обработки информации подключен к управлякщему входу блока 12 выборки и хранения, выход которого подключен к первому дополнительному входу мультцплексора 3, к другому входу блока 12 зыборки-хранения подключен выход ЦАП 8, i выход измерительного преобразователя 1,1 соединен с входом блока 13 умножения частоты, выход которого соединен с четвертым входом блока Ю обработки информации, выход счетчика 14 соединен с входом комбинационного сумматора 15, выход которого соединен с адресными входами блока 16 памяти, управляющий вход которого

подключен к четвертому выходу блока Ю обработки информации, информационные входы блока 16 памяти подключены к информационным выходам АЦП 6, а информационные выходы - к информационным входам ЦАП 17, вход опорного напряжения которого подключен к выходу мультиплексора 4, а выход - к входу блока 18 выборки-хранения, управляющий вход которого подключен к пятому выходу блока 10 обработки информации и к входу счетчика 14, а выход соединен с вторым дополнительным входом мультиплексора 3, второй выход 15

блока 10 обработки информации подключен к входу логического элемента 19, выход которого соединен с вторым входом комбинационного сумматора 15,

Устройство работает следующим об разом.

Один цикл работы устройства соответствует одному периоду следования импульсов на выходе блока 13 умножения частотьь, который синхронизирует работу блока 10 обработки информации. Период следования выходных импульсов блока 13 умножения частоты равен Tj,/K, где Т (- - период напряжения на выходе измерительного преобразователя 1,1, а К - коэффициент умножения частоты, В течение каждого цикла работы устройства с помощью мультиплексоров 3 и 4 производится опрос п измерительных преобразователей напряжения и тока соответственно

После приема синхронизирующего импульса с выхода блока 13 умножения частоты блок 10 обработки информации вырабатывает адрес,поступающий на входы управления мультиплексоров 3 и 4, В результате этого выходной сигнал измерительного преобразователя 1,1 напряжения через мультиплексор 3 поступает на вход блока 5 определения знака и на вход АЦП 6 (первый вход компаратора), а выход источника опорного напряжения через мультиплексор 4 подключается к входам опорного напряжения ЦАП 8 и ЦАП 17. Блок 5 .определения знака переключает источник 11 опорного напряжения на полярность, соответствующую полярности входного преобразователя 1,1,

Затем блок 10 обработки информации вырабатывает импульс, который поступает на стартовый вход регистра 7 последовательных приближений, в результате чего входное напряжение

преобразователя 1«1 преобразуется в цифровой код. По окончании преобразования блок 10 обработки информации принимает сигнал о завершении преобразования с выхода Завершение преобразования регистра 7 последовательных приближений и сигнал знака измеряемой величины преобразователя 1 с выхода блока 5 определения знака,

Далее блок 10 обработки информации вьщает импульс записи на управляющий вход блока 16 памяти, в ресоответствует напряжению на выходе измерительного преобразователя 1, записывается в ячейку памяти блока 16 памяти. При этом адрес ячейки определяется кодом на выходе комбинационного Сумматора, который равен сумме кодов на выходе счетчика 14 и логического элемента 19 Объем памяти М блока памяти определяется количест-

25 вом входных измерительных преобразователей п и коэффициентом умножения частоты К блока 13 умножения частоты и равен М п«К, обеспечивая возмож- ность записи кодов напряжений с выходов измерительных преобразователей 1,1-1вП за К циклов измерения в течение одного периода напряжения на выходе преобразователя 1,1, Если на управляющем входе мультиплексора 4

5с содержится код, соответствующий выдаче на его выход опорного напряжения с выхода источника 11 опорного :i напряжения, то на выходе логического элемента 19 формируется код М/4а

40 Во всех остальных случаях код на выходе логического элемента 19 равен нулю,Таким образом, после 1-го импульса с выхода блока 13 умножения частоты при подключении т-го измерк45 тельного преобразователя напряжения к выходу мультиплексора 3 и под1слючении выхода источника 11 опорного напряжения к выходу мультиплексора 4 на адресных входах блока 16 памяти форни

50 РУется код + га + М/4, где Р адрес ячейки блока 16 памяти, в кото- ,рую записывается код напряжения с га-го измерительного преобразователя напряжения на 1-м цикле измерения

55 (номер цикла измерения равен порядковому нойеру импульса, поступившего с блока 13 умножения частоты с начала периода напряжения на выходе измерительного преобразователя 1,1); зультате вьпсодной код АЦП 6, который 1 номер цикла измерения, 0(1 (К-1); п - количество входньпс измерительных преобразователей напряжения; та - номер опрашиваемого измерительного преобразователя напряжения; 1 т jfn; М - объем памяти блока 16 памяти, М ПКо Во всех остальных случаях на выход логического элемента 19 поступает код О и поэтому адрес ячейки блока 16 памя ти определяется выражением Р 1«п + Шо Полная перезапись всех ячеек памяти блока 16 памяти осу ществляется в течение одного периода напряжения на выходе измерительного преобразователя 1,1, Поэтому сдвиг -fM/A в области адресов блока 16 памяти при записи в него кодов напряжения с выходов преобразователей 1„1-1„п соответствует сдвигу +Тр/4 во временной области, так как при последующем чтении ячеек блока 16 памяти этот сдвиг в области адресов равен нулю. Далее блоком 10 обработки информации вырабатывается адрес, поступающий на управляющие входы мультиплек сора 4, В результате выходной сигнал преобразователя 2,1 подключается к входам опорного напряжения ЦАП 8 и ДАЛ 17, На выходе ЦАП 8 появляется аналоговое напряжение, пропорциональ ное произведению цифрового кода напряжения измерительного преобразовате ля 1.1 напряжения и аналогового сигн ла с выхода измерительного преобразователя 2,1 тока, т,е, сигнал, пропорциональный мгновенной активной мо ности Р ,(t) U,(t) i/t)o Одноврем но- с этим на выходе ЦАП 17 появля ется аналоговое напряжение, пропорциональное произведению цифрового кода с выхода блока 16 памяти и ана логового сигнала с выхода измерител ного преобразователя 2,1 тока. Сдви в области адресов блока 16 памяти р вен нулю, поэтому на его выходе поя ляется код напряжения измерительного преобразователя 1,1, который сдв нут на относительно текущего значения тока. Таким образом, сигна на выходе ЦАП 17 пропорционален мгн венной реактивной мощности q(t) (../4)i,(t)o Блок 10 обработ гки информации вырабатывает управляю щий сит-ная, в результате чего выход ные аналоговые напряжения ЦАП 8 и . ЦАП 17 запоминаются в блоках выборки и хранения 12 и 18 соответственно, а к выходному коду счетчика 14 прибавляется единица, После этого блок 10 обработки информации вырабатывает адрес, поступающий на управлякяцие вхбды мультиплексоров 3 и 4в В результате выходной сигнал блока 12 выборки-хранения через мультиплексор 3 поступает на вход блока 5 определения знака и на вход АЦП 6, а выход источника 11 опорного напряжения через мультиплексор 4 подключается к входу опорного напряжения ЦАП 8 и входу опорного , напряжения ЦАП 17, Блок 5 переключает источник опорного напряжения на полярность, аналогичную полярности сигнала блока 12 выборки и хранения. Блоком 10 обработки информации вырабатывается сигнал,, поступающий на стартовый вход регистра 7 последовательных приближений, в результате чего выходной сигнал блока 12 выборки-хранения преобразуется в цифровой код, После получения сигнала о завершеНИИ преобразования с выхода-регистра 7 последовательных приближений блоком 10 обработки информации принимается код, пропорциональный измеренной активной мощности, а также сигнал знакд с выхода блока 5 определения знака, соответствующий полярности измеренного тока. Блоком 10 обработки информации определяется значение расхода активной энергии. Значение активной энергии за некоторый промежуток времени определяется по выражению i W Ji(t) u (t)dt JP(t)dt, 0. . - с где P(t) - мгновенное значение мощности, снимаемое с выхода блока 12 выборки и хранения. Так как в предлагаемом устройстве производится преобразование информации в цифровом виде, то расход активной энергии за время Т определяется , j, ( где К .- коэффициент умножения частоты входного сигнала; 1 ц - шаг дискретизации (время цикла измерения); Np(l Тц) - кодовое значение мгн венной мощности в мо мент времени i-T . Суммирование кодовых значений мгн венной мощности осуществляется с уче том знака в блоке 10 обработки ийформации. После этого блоком 10 об1работки информации вырабатывается ад рес, поступающий на управляющие входы мультиплексоров 3 и 4в В результате этого выходной сигнал блока 18 выборки и хранения поступает на вход АЦП 6 (первый вход компаратора 9 ) и на вход блока 5 определения знака, а выход источника 11 опорного напряжения по-прежнему подключен через мультиплексор 4 к входу опорного напряжения ЦАП 8 и входу опорно го напряжения ЦАП 5 опреде.ления знака переключает источ. ник опорного напряжения на по- лярность, аналогичную полярности сигнала блока 18 выборки и хранения. Блок 10 обработки информации выдает сигнал на стартовый, вход регистра 7 последовательных приближений, в результате чего сигнал блока 18 выбо ки и хранения преобразуется в цифровой код. Блок 10 обработки информации полу чает сигнал о завершении преобразова ния с выхода регистра 7 последовател ных приближений и принимает: код, про порциональный измеренной реактивной мощности, а также сигнал знака с выхода блока 5 определения знака, Далее блоком 10обработки информации определяется значение реактивной знергиив Значение реактивной энергии за промежуток времени Т для синусоидального напряжения с периодом Т определяется выражением Wjj Ji(t)u(t - Тс/4) dt о I q(t) dt. где q(t) - мгновенное значение реактивной мощности, снимаемо с выхода блока 18 выборки и хранения, , Выражение для реактивной энергии за время Т записывается в цифровом виде следующим образом: Wfl т, N(I.T), где N (1 Tj) кодовое значение мгновенной мощности в мо мент времени 1 Тц. Суммирование кодов мгновенной мощности дает в итоге значение-реактивной энергии. После этого управляющим сигналом блока 10 обработки информации блоки 12 и 18 выборки и хранения переводятся в режим выборки. Измерение активной и реактивной электрической энергии по другим измерительным каналам осуществляется анштогично, Все действия блока 10 обработки информации отражены в двух вариантах алгоритма. Первый вариант алгоритма (фиг,2) предусматривает прием блоком 10 обработки информации сигнала о завершении преобразования с выхода регистра 7 последовательных приближений (операции 6, 14, 23 первого варианта алгоритма). Во втором вари- ., анте алгоритма (фиг.З) не предусматривается прием блоком 10 обработки ин- формации сигнала Завершение преобразования с выхода регистра 7 последовательных приближений. Предполагается, что за время чтения и запоминания знака напряжения или тока (операции 5, 12, 20 второго варианта алгоритма ) аналого-цифровой преобразователь 6 завертит преобразование входной аналоговой величины в цифровую, I Таким образом, в устройстве расширена область применения и повышена точность измерения активной мощности. Расширение области применения обусловлено тем, что наряду с измерением активной электроэнергии можно измерять и реактивную, что позволяет получать более полную информацию об энергетических процессах в иогофазных сетях. Устройство также может быть использовано либо для измерения активной энергии, либо для измереьшя реактивной энергии, Повьшение точности обусловлено тем, что моменты взятия выборок напряжений и токов во всех п фазах жестко синхронизированы с периодом напряжения первой фазы (выходной сигнал измерительного преобазователя 1,1)о Это позволяет повысить точность измерения мгновенной активной и реактивной мощности.

Формула изобретения

Устройство для измерения электри ческой энергии по авт.ев,№ 1257542, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения и повышения точности, в него введены блок умножения частоты, счетчик, комбинационный сумматор, блок памяти, второй цифрозналоговый преобразователь, второй блок выборки и хранения и логический элемент, причем выход первого измерительного преобразователя напряжения соединен с входом блока умножения частоты, выход которого соединен с четвертым входом блока обработки информации, выход счетчика соединен с входим комбинационного сумматора, второй вход которого через логический элемент соединен с

С

НАЧАЛО

Инициализация переменных:

вторым вьзсодом блока обработки информации, выход комбинационного сумма тора соединен с адресным входом блока памяти, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока обработки информации, информационный вход блока памяти подключен к выходу регистра последовательных приближений, а вьссод - к информационному входу второго цифроаналогового преобразователя, вход опорного напряжения которого подключен к выходу второго мультиплексора, а выход - к входу второго блока выборки и хранения информации, управлякщий вход : которого соединен с входом счетчика и с управляющим входом первого блока выборки и хранения информации, а выход соединен с вторым дополнительным входом первого мультиплексора.

Ч

7

Вьщача сигнала записи , кода напряжения в блок 16 памяти

Выдача кода канала напря жения на мультиплексор 3 Ввдача кода канала опорного напряжения на мультиплексор

J,

Вцдача сигнала СТАРТ на регистр 7 последовательных приближений

Л.

Выдача кода канала тока на мультиплексор 4

л:

Временная задержка для аналогового умножения Выдача сигнала ХРАНЕНИЕ на блоки 12и 18 выборки и. хранения и на счетный вход счетчика 14

{Снятие сигнала СТАРТ

r-S Чтение и запоминание знака напряжения

S1

Прием сигнала Завершение преобразования с выхода регистра 7 последовательных приближений I

2 ЧТх

..

Выдача кода канала блока 12 выборки и хранений на мультиплексор 3 Выдача кода канала опорного напряжения на мультиплексор 4 :

3 11

Фаг,2а

-2}

Снятие сигнала СТАРТ

22-

Чтение знака тока Эпределение знака произведения напряжения и тока

Прием сигнала Завершение преобразования с выхода регистра 7 последовательньк приближений

L

Чтение и запоминание мгновенной мощности

-25

Модификация переменных

26

Выдача сигнала ВЫБОША на блоки 12 и 18 выборки и хранения

6 Ч

-11

Вьщача сигнала СТАРТ на регистр 7 последовательных приближений

fZLСнятие сигнала СТАРТ

Чтение знака тока Определение знака произведения напряжения и тока

I-/

Прием сигнала Завершение преобразования с выхода регистра 7 последовательных приближений

-iS-I

Чтение и запоминание мгновенной мощности

rt2yВШттание значения гновенной мощности из накоппенного значения

Фиг. 2 8

произведения напряжения и

-fdТ7

Прибавление значеВычитание значения мгновенной мощносния мгновенной МОП ти из наности к накопленного аначенж копленному значении

-Ш

зьщача кода канала блока 18 выборки и хранения на мультиплексор 3 Зыдача кода канала опорного напряжения на мультиплексор 4

X

г-20

Выдача сигнала СТАРТ на регистр 7 последовательных приближений

. ача кода канала Haiiряжения на йултиплексор 3

Выдача сигнала СТАРТ на регистр 7 последовательных приближений

1

Снятие сигнала СТАРТ

Ь

Временная задержка для аналогового умножения Задача сигнала ХРАНЕНИЕ на блоки 12 и 18 выборки и хранения и на счетный вход счетчика 14

J.

Выдача кода канала блока 12 выборки и хранение на мультиплексор 3 Вьщача кода канала опорного напряжения на мультиплексор 4

05 1тение и запоминание )нака напряжения

S1

Зьщача сигнала записи вгода напряжения в блок

Го памяти

J

ГВкдача кода канала тока ita мультиплексор 4

10

Вьщача

сигнала СТАРТ на 7 последовательрегистр

ных приближений

Снятие сигнала СТАРТ

Чтение знака тока Определение знака произIведения напряжения и 7ока

-wПвтение и йапоминание мгноивенной мощности

3 17

19Г&шяча сигнала СТАРТ на регистр 7 последователь ньк приближений

13

снятие сигнала СТАРТ

-20Чтение знака тока Определение знака произведения напряжения и токг

о:

г-//

Чтение и зaпo мнaниe значения мгновенной мощности

11 --

йвдаиа кода канала блока 18 выборки и хранения на мультиплексор 3 Вццача кода канала опор«ого напряжения на мультиплексор 4

Т.

ЫодИ({икация переменных:

1;Код счетчика

з:

Г-&

Вфага сигнала ВЫБОРКА на блоки 12 и 18 выбор)П( и хранения

Фие.36

г25Прибавление значения мгновенной мощности к накоп ленному значению

Вычитание значения мгновенной мощности из накопленного значения

Фаг. 38