Устройство для контроля показателей качества электроэнергии Советский патент 1991 года по МПК G01R19/00 

«г

сь

ч ел ю о

Изобретение относится к измерениям в энергетике и может быть использовано при контроле показателей качества электрической энергии постоянного напряжения: коэффициента пульсации, отклонения и колебания напряжения, а также коэффициента амплитуды и коэффициента формы напряжения. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, а именно обеспечениеизмеренияи контроля коэффициента формы и коэффициента амплитуды исследуемого напряжения. Устройство содержит задатчик 1 моментов измерения, преобразователь 2 мгновенных значений напряжения в цифровой код, задатчик 3 номинальных значений напряжения, блок 4 управления, блоки 5 и 6 выделения соответственно максимального и минимального кодов, квадраторы 7 и 8, арифметические блоки 9 и 10, суммирующий счетчик 11, блок 12 извлечения квадратного корня, логометр 13 и блок 14 индикации. Поставленная цель достигается тем, что арифметические блоки реализуют операции усреднения и вычитания усредненных кодов, что позволяет вычислять коэффициент пульсации, отклонения и колебания напряг жения относительно номинального значения. 6 ил.

Фиг.1

Изобретение относится к измерениям в энергетике и может быть использовано при контроле показателей качества электрической энергии постоянного напряжения - коэффициента пульсации, отклонения и колебания напряжения, а также коэффициента амплитуды и коэффициента формы напряжения,

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, а именно обеспечение измерения и контроля коэффициента формы и коэффициента амплитуды исследуемого напряжения.

Суть определения основного ряда показателей качества электроэнергии заключается в том, что

00

ui Л0

+ 2u2xi , О)

где Ux - среднеквадратическое значение исследуемого напряжения;

Uxo средневыпрямленное значение исследуемого напряжения;

Uxi - среднеквадратическое значение I- й гармонической составляющей исследуемого напряжения.

По определению коэффициент пульсации определяется из выражения

Кп

(2)

С учетом (1) выражение (2) принимает

вид

Кп

V - ui

Ux

хо

Отклонения и колебания напряжения определяются из выражений

ДУ

UH

UH

Диакс UMHH UH

где UH - номинальное значение напряжения;

имакс максимальное значение исследуемого напряжения;

UMHH - минимальное значение исследуемого напряжения.

Коэффициент формы и коэффициент амплитуды являются показателями качества электроэнергии неосновного ряда. Указанные коэффициенты определяются из выражений

Ux

КФ

КА

Uxo

Цмакс

Ux

(6) (7)

На фиг 1 представлена функциональная схема устройства для контроля показателей качества электроэнергии; на фиг. 2-4 - временные диаграммы работы устройства в

I, II и III режимах соответственно; на фиг. 5 - функциональная схема первого арифметического блока, на фиг. 6 - функциональная схема второго арифметического блока. Устройство для контроля показателей

качества электроэнергии (фиг. содержит задатчик 1 моментов измерения, преобразователь 2 мгновенных значений напряжения в цифровой код, задатчик 3 номинальных значений напряжения, блок 4

управления, блоки 5 и 6 выделения максимального и минимального кодов соответственно, первый 7 и второй 8 квадраторы, второй арифметический блок 9, арифметический блок 10, суммирующий счетчик 11,

блек 12 извлечения кеадрагного корня, ло- гометр 13 и блок 14 индикации.

Блок 4 управления предназначен для управления работой задатчиков 1 и 3 и арифметических блоков 9 и 10 и выполнен в

виде генератора тактовых импульсов.

Первый арифметический блок 10 (фиг, 5) предназначен для выполнения операций

усреднения - У N кодов, поступивших с

n 1

выхода квадратора 7, а также для выполнения операции вычитания кодов.

Блок 10 содержит элементы 15-17 задержки записи кодов, узел 18 усреднения

кодов в виде последовательно соединенных групп 19 элементов И, сумматора 20 кодов, группы 21 элементов И и схемы 22 деления суммы кодов на число измерений, триггер 23, счетчик 24 числа измерений, узел 25 выбора режима измерения, счетчик 26 на п импульсов, счетчик 27 на 2п импульсов, элемент ИЛИ 28, группу 29 элементов И, узел 30 вычитания кодов и кнопку 31 Запуск. Второй арифметический блок 9 (фиг. 6)

предназначен для выполнения операций усреднения кодов, поступивших с выходов блоков 5 и 6 соответственно, а также для выполнения операции вычитания усредненных кодов. Блок 9 содержит узлы усреднения максимальных кодов 32 и минимальных кодов 33, выполненные аналогично узлу 18, элементы 34-36 задержки, узел 37 выбора режима измерения, счетчик 38 на п импульсов, триггер 39, группы 40 и 41 элементов И,

счетчик 42 числа измерений и узел 43 вычитания кодов.

Блок 10 имеет входы 44-46 и выход 47, а блок 9 - входы 48-50 и выход 51, причем входы 44 и 48 блоков 9 и 10 являются управляющими и подключены к выходу блока 4

правления. Входы 45 и 46 блока 10 подклюены соответственно к выходам первого 7 и торого 8 квадраторов, а входы 49 и 50 блока - к выходам блоков 5 и 6 выделения кодов оответственно.

Счетчики 24 и 42 числа измерений выполнены на п измерений и имеют кодовый выход числа измерений и выход переполнения счетчика.

Узлы 25 и 27 выбора режима измерения выполнены в виде трехпозиционного переключателя, позволяющего осуществить выбор: режима I - измерение коэффициента пульсации (верхнее положение подвижных контактов); режима II - измерение отклонений и колебаний напряжени, (среднее полоение подвижных контактов); режима III - измерение коэффициента формы и коэффициента амплитуды (нижнее положение повижных контактов).

Узлы 18, 32 и 33 усреднения кодов работают следующим образом (фиг. 3 и 4).

Коды, пропорциональные квадрату напряжения (для узла 18) или значению напряжения (для узлов 32 и 33), поступают на вход сумматора 20 через группу 19, только при наличии на первом входе элементов И группы 19 сигнала логической единицы и поступлении управляющего импульса по входу 44 через элемент 15 на второй вход элементов группы 19. При поступлении п импульсов в сумматоре 20 накапливается сумма

nn

2 Mr кодов или Ј NJ (для узлов 32 и 33). Код

11 1

этой суммы поступает через элемент группы 21 на первый вход счеты 22 только при появлении на первом входе элементов И группы 21 разрешающего импульса. На втором входе схемы 22 присутствует код числа п измерений, поступающий с кодового выхода счетчика 24. В результате деления в схеме 22 кода суммы на код числа измерений завершается выполнение алгоритма усред1 п1 п

ненных кодов - Nr или -- N, (для

п, 1

п,1

узлов 32 и 33).

Первый арифметический блок 10 (фиг. 3) работает следующим образом.

В исходном состоянии сумматор 20узла 18, триггер 23 и счетчики 24, 26 и 27 находятся в нулевом состоянии. В режиме I измерения коэффициента пульсации (верхнее положение подвижных контактов узла 25) при нажатии на кнопку 31 импульсом по S-входу триггер 23 переводится в единичное состояние. С приходом первого управляющего импульса по входу 44 узел 18 начинает выполнение алгоритма усреднения кодов

(момент хз на фиг. 2), поступающих по входу 45. Одновременно с этим управляющие импульсы поступают на вход счетчика 24 числа измерений и счетчика 26 импульсов. Счетчик 24 подсчитывает импульсы и при достижении числа п, равного числу измерений, формирует на выходе переполнения импульс, который по R-входу переводит в нулевое состояние триггер 23, отключающий

0 вход 45. При этом на кодовом выходе счетчика 24 присутствует код числа измерений. После выполнения операции деления в схеме 22 завершается алгоритм усреднения кодов. Одновременно с этим при достижении

5 числа п импульсов счетчик 26 формирует на выходе импульс, который через элемент ИЛИ 28 и элемент 17 поступает на первый вход элементов И группы 29. С приходом этого разрешающего импульса присутству0 ющий на втором входе элементов И группы 29 код вводится в узел 30 вычитания кодов (момент ts). В результате выполнения операции вычитания на выходе 47 появляется код разности (момент te).

5В режиме II измерения отклонений и

колебаний напряжения (среднее положение подвижных контактов узла 25) при нажатии на кнопку 31 импульсом по S-входу триггер 23 переводится в единичное состояние (мо0 мент хз фиг. 3). Далее узел 18 выполняет алгоритм усреднения кодов аналогично описанному в режиме I. Однако после прихода п управляющих импульсов на входе счетчика 27 импульс отсутствует и, следовательно,

5 на первом входе элементов И группы 29 присутствует сигнал запрета записи кода. При поступлении на вход счетчика 27 2п управляющих импульсов на его выходе формируется импульс, поступление которого

0 через элемент ИЛИ 28 и элемент 17 на первый вход элементов И группы 29 разрешает запись кода, поступившего по входу 46 в узел 30 вычитания (момент tn). В оезультате выполнения операции вычитания на выходе

5 47 появляется код разности (момент ш).

В режиме III измерения коэффициента формы и коэффициента амплитуды (нижнее положение подвижных контактов узла 25) импульсы управления накапливаются в

0 счетчике 24. Однако суммирование кодов, выполненное в узле 18, не производится, поскольку на первом входе элементов И группы 19 присутствует сигнал уровня логического нуля. С приходом на вход счетчика

5 24 n-го импульса на его выходе формируется сигнал, который переводит по S-входу триггер 23 в единичное состояние. При этом по каждому управляющему импульсу, начиная с ( 1)-го, узел 18 начинает суммирование кодов, поступающих по входу

45 {момент te на фиг. 4), а счетчик 24 - счет импульсов.

Выполнение алгоритма усреднения в узле 18 аналогично описанному в режимах I и II.

Поскольку, в течение всего времени 2Т0 на первом входе элементов И группы 29 присутствует логический нуль, то поступление кода по входу 46 в узел 30 запрещено и на выходе 47 повторяется выходной код уз- ла 18 (момент tg).

Второй арифметический блок 9 (фиг. 6) работает следующим образом.

В исходном состоянии сумма горы узлов 32 и 33, счетчики 38 и 42 и триггер 39 нахо- дятся в нулевом состоянии. В режиме I узел 37 выбора режима (верхнее положение подвижных контактов) отключает вход 48, и блок 9 в работе устройства не участвует.

В режиме II (среднее положение по- движных контактов) управляющие импульсы по входу 48 через элемент 34 и контакты узла 37 поступают на вход счетчика 38, где за время Т0 накапливается п импульсов. При достижении числа п импуль- сов на выходе счетчика 38 формируется импульс переполнения, который переводит триггер 39 в единичное состояние. Наличие на первых входах узлов 32 и 33 и элемента И 40 логической единицы позволяет с при ходом (п+1)-го импульса начать выполнение алгоритма усреднения (момент te на фиг. 3) в узлах 32 и 33 и подсчет импульсов счетчиком 42.

При накоплении в счетчике 42 числа п импульсов на выходе переполнения счетчика формируется сигнал, который через элемент 35 разрешает выполнение операции деления в узлах 32 и 33 (операция завершается в момент tio). Одновременно с этим сигнал переполнения через контакты узла 37 и элемент 36 поступает на первый вход элементов И группы 41 и разрешает (момент tio) ввод кода по первому входу блока 43 вычитания кодов. В результате выполнения операции вычитания на выходе 51 присутствует (момент tia) код разности выходных кодов узлов 32 и 33.

В режиме III измерения коэффициента формы и коэффициента амплитуды (нижнее положение подвижных контактов узла 37) работа арифметического блока 9 аналогична работе этого блока в режиме И за исключением того, что при накоплении в счетчике 42 числа п импульсов (фиг. 4) сигнал переполнения счетчика не проходит через контакты узла 37 на вход элемента 36. В результате этого на первом входе элементов И группы 41 присутствует запрещающий сигнал, а выходной код узла 33 не

проходит на первый вход узла 43. При этом выходной код узла 32, поступивший на второй вход узла 43, повторяется (момент ts) на выходе 51.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

В исходном состоянии блок 10 подготовлен к измерению, суммирующий счетчик 11 установлен в нулевое состояние, ячейки логометра 12 очищены, исследуемый сигнал на выходе устройства отсутствует.

В режиме I исследуемое напряжение поступает на вход преобразователя 2,

По команде с блока 4 задатчик 1 выдает за время Т0 число импульсов, равное п (фиг. 2), запускающих преобразователь 2 в моменты времени

I tr n где i 1, 2п.

С приходом с задатчика 1 каждого из п импульсов на вход преобразователя 2 осуществляется его запуск на преобразование мгновенного значения исследуемого напряжения в цифровой код NI. Эти коды поступают на выходы суммирующего счетчика 11 и квадратора 7. За время измерения Т0 в суммирующем счетчике 11 образуется код, пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения

1

То

1

Uxo - / Uxi(t)dts-L 2 Ni, (8)

о о | 1

где Uxi(t) - мгновенное значение исследуемого напряжения.

Этот код поступает в ячейку логометра 13 и фиксируется в ней (моменту). Одновременно с этим коды NI поступают в квадратор 7 (момент t2). После возведения в квадраторе 7 коды NI поступают на вход 45 блока 10. За время поступления п управляющих импульсов на выходе узла 18 образуется код, пропорциональный квадрату текущего среднеквадратического значения исследуемого напряжения (момент t4)

ux2 -f-T/u2xl(t)dtS-iЈ

о 0II j - 1

В тот же момент времени t4 код суммирующего счетчика 11 возводится в квадрат в квадраторе 8 и по входу 46 вводится в блок 10 на вычитание (момент ts). В результате выполнения операции вычитания на выходе 47 образуется код (момент te), пропорциональный сумме квадратов действующих значений гармоник переменной составляющей напряжения.

После извлечения квадратного корня в блоке 12 извлечения квадратного корня код фиксируется в ячейке логометра 13 (момент

t). Далее в логометре 13 осуществляется деление кода, пропорционального корню квадратному из суммы квадратов действующих значений гармоник, на код, пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения, и в блоке 14 индикации фиксируется значение коэффициента пульсации.

В режиме II устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии блоки 9 и 10 подготовлены к измерению, суммирующий счетчик 11 в нулевом состоянии. По команде блока 4 управления задатчик 1 выдает за время первого цикла п импульсов на запуск преобразователя 2, а задатчик 3 номинальных значений напряжения выдает номинальное значение исследуемого сигнала. Преобразователь 2 преобразует значения номинального сигнала UHi в цифровые коды NHI, которые поступают в счетчик 11, начиная с момента t2 (фиг. 3), где за время Т0 измерения образуется код, пропорциональ1 п

ный номинальному напряжению - Т NH|.

п i i

Полученный результат фиксируется в лого- метре 13 (момент t4).

Одновременно с этим преобразованием возведенные в квадрат в квадраторе 7 номинальные коды N Н) с момента гз поступают на вход 45 блока 10 для выполнения алгоритма усреднения. В результате выполнения алгоритма усреднения кодов (момент ts) на выходе узла 18 образуется код, про- порциональный квадрату номинального напряжения - Ј NHJ. П i -- 1

I 1

С приходом (rn-l)-ro импульса с задатчи- ка 1 (момент te) начинается второй цикл из- мерения длительностью То, в котором коды мгновенных значений исследуемого напряжения NI с момента t поступают в суммирующий счетчик 11, где к моменту tg

1 п

образуется код - 2 NI. Этот код возвоn i 1

дится в квадрат (момент tg) в квадраторе 8 и по входу 46 вводится в момент tn в блок 10 на вычитание. В результате выполнения в блоке 10 операции вычитания на выходе 47 образуется код (момент из), пропорциональный квадрату отклонений исследуемого напряжения. После извлечения квадратного корня в блоке 12 код фиксиру- ется в ячейке логометра 13 (момент ш). Да- .лее в логометре 13 осуществляется деление кода, пропорционального разности исследуемого и номинального напряжений, на код, пропорциональный номинальному значению напряжения, и в блоке 14 фиксируется отклонение исследуемого напряжения AV.

Одновременно с этим, начиная с момента t, коды NI поступают в блоки 5 и 6 выделения максимального -и минимального кодов соответственно, где осуществляется сравнение кодов с номинальным кодом и выделение максимального NMBKCI и минимального NMHHI кодов.

Коды Ммакс поступают на вход 49, а коды NMKHI на вход 50 блока 9. К моменту времени ш на выходе 51 образуется код, пропорциональный разности максимального и минимального значений напряжения, который фиксируется в логометре 13 (момент 112). После выполнения в логометре 13 операции деления этого кода на значение номинального кода в блоке 14 индикации фиксируется результат, соответствующий колебанию исследуемого напряжения д V.

В режиме 111 устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии блоки 9 и 10 подготовлены к измерению, суммирующий счетчик 11 в нулевом состоянии. По команде блока 4 управления задатчик 1 выдает за время То первого цикла п импульсов (фиг. 4) на запуск преобразователя 2, а задатчик 3 выдает номинальное значение исследуемого сигнала. Преобразователь 2 преобразует мгновенные значения номинального сигнала UHi в цифровые коды NHi, которые поступают в счетчик 11, где за время То измерения образуется код, пропорциональный номинальному напряже1 п нию - Мнь, фиксируемый в ячейке

n i 1 логометра 13.

С приходом (п+1)-го импульса с задатчи- ка 1 (момент ta) начинается второй цикл измерения длительностью Т0, в котором коды мгновенных значений исследуемого напряжения Nj с момента t4 поступают в суммирующий счетчик 11, где к моменту t образуется код, пропорциональный средне- выпрямленному значению напряжения, фиксируемый в ячейке логометра 13. Одновременно с этим преобразованием коды NJ, поступившие на вход квадратора 7, возводятся в квадрат и поступают с момента te на вход 45 блока 10 для выполнения алгоритма усреднения. В момент времени tg на выходе 47 блока 10 появляется код, пропорциональный квадрату действующего значения выпрямленного напряжения, подаваемого на вход блока 12. После извлечения квадратного корня в блоке 12 код, пропорциональный среднеквадратическому значению напряжения, в момент tio фиксируется в свободной ячейке логометра 13, Далее в последнем осуществляется деление данного кода на код, пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения, и в блоке 14 индикации фиксируется результат, соответствующий коэффициенту формы исследуемого напряжения.

Одновременно с этим преобразованием с момента t4 коды NI поступают в блоки 5 и 6 выделения максимального и минимального кодов соответственно, где осуществляется сравнение кодов с номинальным кодом и выделение максимального ММакс и минимального NMMH кодов. Эти коды поступают соответственно на входы 49 и 50 блока 9, В результате преобразования кодов в блоке 9 в момент времени te на выходе 51 присутствует код, пропорциональный максимальному значению исследуемого напряжения, фиксируемый а свободной ячейке логометра 13. В результате выполнения в логомет- ре 13 операции деления (момент ш) кода, пропорционального максимальному значению напряжения, на код, пропорциональный среднеквадратическому значению напряжения, в блоке 14 фиксируется результат, соответствующий коэффициенту амплитуды исследуемого напряжения. Формула изобретения Устройство для контроля показателей качества электроэнергии, содержащее лого- метр, блок индикации, преобразователь мгновенных значений напряжения в цифровой код, первый квадратор, первый арифметический блок, блок извлечения квадратного корня, задатчик номинальных значений напряжения, задатчик моментов измерения, блок управления, суммирующий счетчик, второй квадратор, блоки выделения максимального и минимального кодов и второй арифметический блок, вход преобразователя мгновенных значений является информационным входом устройства, а выход подключен к счетному входу суммирующего счетчика, входам блоков выделения минимального и максимального кодов и входу первого квадратора, выход которого соединен с входом уменьшаемого первого арифметического блока, вход вычитаемого и выход которого соединены соответственно с выходом второго квадратора, входом блока извлечения квадратного корня, выход которого соединен с входом делимого логометра, выход и вход делителя которого соединены соответственно с входом блока индикации и выходом второго арифметического блока, входы уменьшаемого и вычитаемого которого соединены с выходами блоков выделения максимального и минимального кодов соответственно, выход суммирующего счетчика соединен с входом второго квадратора, отличающееся тем, . что, с целью расширения функциональных

возможностей, выход блока управления соединен с синхровходами первого и второго арифметических блоков, управляющие входы которых являются первыми и вторыми управляющими входами устройства, при

0 этом первый арифметический блок содержит три элемента задержки, узел усреднения кодов, триггер, счетчик числа измерений, узел выбора режима измерения, счетчик п импульсов, счетчик 2п импульсов,

5 элемент ИЛИ, группу элементов И, узел вычитания кодов и кнопку Запуск, выход которой соединен с входом запуска узла выбора режима измерения, первый и второй выходы запуска которого соединены между

0 собой и подключены к входу установки триггера, вход сброса и выход которого соединены с выходом сброса узла выбора режима и входом разрешения узла усреднения, синх- ровход, информационный вход, вход дели5 теля и выход которого соединены соответственно с выходом первого элемента задержки, синхровходом узла выбора режима измерения, счетным входом счетчика, входом уменьшаемого первого арифметиче0 ского блока, выходом счетчика, входом делимого делителя, вход делителя и выход которого соединены соответственно с выходом группы элементов И и выходом первого арифметического блока, выход переполне5 ния счетчика числа измерений соединен с вторым входом узла выбора режима измерения и входом второго элемента задержки, выход которого соединен с входом фиксации результата узла усреднения кодов,

0 счетные входы счетчиков п и 2п импульсов соединены соответственно с первым ивто- рым синхровыхдцами узла выбора режима измерения, а выходы переполнения -с входами элемента ИЛИ, выход которого соеди5 нен с входом третьего элемента задержки, выход которого соединен с первыми входами группы элементов И, вторые входы которых являются входом вычитаемого первого арифметического блока, а второй арифмети0 ческий блок содержит узел усреднения мак- симальных кодов, узел усреднения минимальных кодов, три элемента задержки, узел выбора режима измерения, счетчик п импульсов, триггер, две группы элементов

5 И, счетчик числа измерений и узел вычитания кодов, выход которого является выходом второго арифметического блока, а вход уменьшаемого и вход вычитаемого соединены соответственно с выходом узла усреднения максимальных кодов и выходами

групп элементов И, первые входы которых соединены с выходами узла усреднения минимальных кодов, а вторые входы - с выходом третьего элемента задержки, вход которого соединен с выходом фиксации результата узла выбора режима измерения, синхровход которого соединен с выходом первого элемента задержки, вход которого является синхровходом второго арифметического блока, синхровход узла выбора режима измерения соединен со счетным входом счетчика п импульсов, первым входом элемента И, синхровхода- ми узлов усреднения максимального и минимального кодов, информационные

«t,

I.

lUL

Риг 2 M

0

5

входы которых являются соответственно входами уменьшаемого и вычитаемого второго арифметического блока, а входы разрешения подключены к выходу триггера и второму входу элемента И, выход которого соединен со счетным входом счетчика числа измерений, информационный выход которого соединен с входом делителя узлов усреднения максимального и минимального кодов, вход фиксации результатов которых соединен с выходом второго элемента задержки и входом фиксации результата узла выбора режима измерения, выход переполнения счетчика числа измерений соединен с входом второго элемента задержки,

41

t

-

If

t

-

i