Устройство для автоматического контроля показателей качества электроэнергии Советский патент 1992 года по МПК G01R19/00 

XJ XJ XI

О

ю

Фиг.1

Изобретение относится к измерениям в энергетике и может быть использовано при контроле показателей качества электроэнергии постоянного напряжения - коэффициента пульсации, отклонения и колебания напряжения и является усовершенствованием известного устройства, описанного в а.с. № 815644, G 01 R 19/00, 1979.

Целью изобретения является повышение точности определения отклонения напряжения.

Сущность изобретения состоит в повышении точности определения отклонения напряжения путем выделения и фиксации в ячейке логометра кода, пропорционального разности среднеквадратического и номинального значений напряжения, что позволяет исключить погрешность определения отклонения напряжения, обусловленную несовершенством измерительного алгоритма.

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

00

Ux2 Uxo2+ ЈихЛ

I 1

(1)

где Ux - среднеквадратическое значение контролируемого напряжения;

Uxo - средневыпрямленное значение контролируемого напряжения;

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

По определению коэффициент пульсации определяется из выражения

00k

2

Kn (2)

К r-v

I

U,

С учетом (1) выражение (2) принимает

вид

Ум 2-м 2

V - Ux Uxo

Ml -II

Uxo

Отклонения и колебания определяются из выражений

ди-Ц-

5U

UH

Unax Umln

СЕ

где Umax и Umin - максимальное и минимальное значение контролируемого напряжения.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для автоматического контроля показателей качества электроэнергии; на фиг.2 - временные диаграммы работы устройства I (а) и II (б) режимах соответственно; на фиг.З - функциональная схема первого сумматора.

Устройство для автоматического контроля показателей качества электроэнергии {фиг. 1) содержит задатчик 1 моментов измерения, выход которого соединен с первым

входом преобразователя 2 мгновенных значений напряжения в цифровой код, второй вход которого соединен с задатчиком 3 номинальных значений напряжения, блок 4 управления своим выходом соединен с вхо0 дами задатчиков 1 и 3, блоки 5 и 6 выделения максимального и минимального кодов, своими входами объединены с входом квадратора 7 и выходом преобразователя 2 мгновенных значений напряжения в цифро5 вой код, квадратор 8, сумматор 9, первым и вторым входами соединен с выходами блоков 5 и 6 выделения максимального и минимального кодов соответственно, сумматор 10, дополнительным входом уменьшаемого,

0 синхровходом, входом уменьшаемого, дополнительным входом вычитаемого и входом вычитаемого соединенный соответственно с выходом преобразователя 2, выходом блока 4 управления, выходом

5 квадратора 7, входом и выходом квадратора 8, суммирующий счетчик 11, входом соединенный с входом квадратора 7. а выходом с входом квадратора 8, блок 12 извлечения квадратного корня, входом присоединен0 ный к выходу сумматора 10, логометр 13, первый вход, второй вход, дополнительный вход и выход которого связаны соответственно с дополнительным выходом сумматора 10, выходом блока 12 извлечения

5 квадратного корня, выходом сумматора 9, входом квадратора 8 и входом блока 14 индикации,

Блок 4 управления предназначен для управления работой задатчиков 1, 3 и сум0 матора 10 и выполнен в виде генератора тактовых импульсов.

Первый сумматор 10 (фиг.З) предназначен для выполнения операций усреднения 1 -1 п

5 п 2 N| (в режиме I) либо - У NI кодов п i 1п t

(в режиме II).

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

g кодов, в виде групп 19-21 элементов И, группы 22 элементов ИЛИ, сумматора 23 кодов, счетчика 24 поступивших кодов, элемента 25 задержки и схемы 26 деления кодов, триггеры 27 и 28, узел 29 выбора

- режима измерения, счетчик 30 на п импульсов, счетчик 31 на 2п импульсов, четыре группы 32-35 элементов И, два узла 36 и 37 вычитания кодов и кнопка 38 запуск.

Блок 10 имеет входы 39-43 и выходы 44-45, причем синхровход 39 является управляющим и подключен к выходу блока 4 управления. Вход 40 уменьшаемого и дополнительный вход 41 уменьшаемого сумматора 10 подключены соответственно к выходу первого квадратора 7 и выходу преобразователя 2 мгновенных значений напряжения в цифровой код. Дополнительный вход 42 вычитаемого и вход 43 вычитаемого сумматора 10 связаны соответственно с выходом суммирующего счетчика 11 и выходом второго квадратора 8, а выход 44 и дополнительный выход 45 - с входом блока 12 извлечетп квадратного корня и первым входом логометра 13 соответственно.

Узел 29 выбора режима измерения (фиг.З) выполнен в виде двухпозицинного переключателя, позволяющего осуществить выбор режима I - измерения коэффициента ульсации (верхнее положение подвижных контактов); режима II - измерение отклонений и колебаний напряжения (нижнее положение подвижных контактов)

Узел 18 усреднения кодов (фиг.3) выполнен в виде трех групп 19-21 элементов И, группы 22 элементов ИЛИ, сумматора 23 кодов, счетчика 24 поступивших кодов, элемента 25 задержки и схемы 26 деления кодов, выход которой является выходом узла 18 усреднения кодов, синхровход, первый вход разрешения, первый информационный вход, второй вход разрешения и второй информационный вход которого присоединены соответственно к счетному входу счет- чика 24 поступающих кодов, объединенному с первыми входами первой и второй групп 19 и 20 схем И, второму входу, третьему входу первой группы 19, второму и третьему входам второй группы 20. Выходы групп 19 и 20 связаны с соответствующими входами группы 22 элементов ИЛИ, выходом подключенной к входу сумматора 23, выход которого соединен со вторым входом группы 21. первым входом связанной с выходом переполнения счетчика 24 через элемент 25 задержки. Счетчик 24 поступивших кодов выполнен на п измерений (кодов) и имеет выход переполнения, являющийся выходом управления триггерами узла 18, и кодовый выход . подключенный к входу делителя схемы 26 деления кодов, вход делимого которой связан с выходом группы 21 элементов И.

Узел 18 усреднения кодов позволяет осуществлять алгоритм усреднения кодов, поступивших по первому (режим I) или второму (режим I) информационным входам.

Узел 18 усреднения кодов работает следующим образом. В исходном состоянии сумматор 23 кодов и счетчик 24 установлены 6 нуль.

Коды, пропорциональные квадрату напряжения (режим I) или значению напряжения (режим II), поступают на вход сумматора 23 через блоки 19 и 22 (режим I) или блоки

5 20 и 22 (режим II). только при наличии на вторых входах блока 19 (режим I) или блока 20 (режим II) сигнала логической единицы и поступлении управляющего импульса по синхровходу узла 18.

0 При поступлении п импульсов в суммап

торе 23 будет накоплена сумма NI коi 1

п

дов или Ј Mi (для режима или II 51 1

соответственно) Одновременно с этим на кодовом выходе счетчика 24 будет присутствовать код числа п, поступающий на вход делителя схемы 26, а на выходе переполне- 0 ния счетчика 24 сформируется импульс.

пп

Код суммы NI или NI поступит

рез группу 21 элементов U, на входделимо- 5 госхемы26топько при появлении на первом входе группы 21 разрешающего импульса, пришедшего через элемент 25 задержки с выхода переполнения счетчика 24.

В результате деления в схеме 26 кода Q суммы на код числа измерений будет завершено выполнение алгоритма усреднения

1 п1 п

кодов - Т Nr или - Т NJ (для режиni 1ni 1

мое I или I соответственно)

5 Первый сумматор 10 (фиг.З) работает следующим образом. В исходном состоянии сумматор 23, счетчик 24 узла 18, триггеры 27 и 28. счетчики 30 и 31 находятся в нулевом состоянии.

0 В режиме I измерения коэффициента пульсации (верхнее положение подвижных контактов узла 29) при нажатии на кнопку 38 импульсом по S-входу триггер 27 будет переведен в единичное состояние. С прихо5 дом первого управляющего импульса по синхровходу 39 узел 18 с временной задержкой, равной суммарному времени выполнения преобразований в преобразователе 1 и квадраторе, начнет выполнение алгорит0 ма усреднения кодов (момент t3 на фиг.2,а), поступающих по входу 40. Одновременно с этим, управляющие импульсы поступают на вход счетчика 30 импульсов. При достижении числа п импульсом переполнения счет5 чика 18 через узел 29 выбора

режима будет переведен в нулевое состояние по R-входу триггер 27, отключающий вход 40. Одновременно с этим при достижении числа п импульсов счетчик 30

сформирует на выходе импульс переполнения, который через элемент 17 поступит на первые входы элементов И групп 34 и 35, разрешая ввод кодов, присутствующих на вторых входах групп 34 и 35, в узел 37 вычи- тания (момент ts). Причем на втором входе группы 34 присутствует результат усреднения кодов, поступивших с информационного выхода узла 18, а на втором входе группы 35 - код, поступивший по входу 43. В резуль- тате выполнения операции вычитания в узле 37 на выходе 44 сумматора 10 появится код разности (момент to). Поскольку в течение времени Т0 на первых входах элементов И групп 32 и 33 будет присутствовать лот- ческий ноль, то поступление кодов по входу 42 и выходу узла 18 на соответствующие входы узла 18 на соответствующие входы узла 36 будет запрещено,

В режиме II измерения отклонений и колебаний напряжения (нижнее положение подвижных контактов) импульсы управления поступают через элемент 15 задержки на вход счетчика 24 узла 18 и, одновременно, через узел 29 на вход счетчика 31. Коды по входэм-40 и 41 не поступают в узел 18, поскольку на вторых входах элементов И групп 19 и 20 узла 18 отсутствуют разрешающие сигналы При достижении числа п импульсов счетчик 24 формирует на выходе переполнения импульс, который через узел 29 переводит в единичное состояние по S- входу триггер 28, разрешающий выполнение алгоритма усреднения кодов, поступающих по входу 41.

Одновременно с этим в счетчике 31 будет накоплено п импульсов. Импульс переполнения на выходе счетчика 31 сформирован не будет в силу того, что счетчик выполнен на 2п импульсов.

С приходом (п+1)-го управляющего импульса по синхровходу 39 узел 18с выдержкой времени определяемой элементом 15, начнет выполнение алгоритма усреднения кодов, поступающих по входу 41 (момент te на фиг. 2,6). Одновременно с этим управляющие импульсы продолжают поступать на вход счетчика 31. При достижении числа 2п счетчик 31 формирует на выходе импульс переполнения, который с временной задер- жкой, равной времени преобразования в преобразователе 1 и узле 18, переводит по R-входу в нулевое состояние триггер 28, отключающий вход 41.

Кроме того, импульс переполнения с выхода счетчика 31 через элемент 16 поступит на первые входы групп 32 и 33 элементов И, разрешив (момент ts) ввод кодов, присутствующих на вторых входах групп 32 и 33, соответственно, в узел 36 вычитания.

Причем на втором входе группы 32 присутствует код, поступивший по входу 42, а на втором входе группы 33 - код результата усреднения в узле 18,

После выполнения в узле 36 операции вычитания, на выходе 45 появится код разности (момент tg). Поскольку в течение всего времени 2 Т0 на первых входах элементов И групп 34 и 35 будет присутствовать логический ноль, то поступление кодов по входу 43 в узел 37 будет запрещено, а выходной код узла 18 не пройдет на первый вход узла 37.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом. В исходном состоянии сумматоры 9 и 10 подготовлены к измерению, суммирующий счетчик 11 установлен в нулевое состояние, ячейки логометра 13 очиш,ены, исследуемый сигнал на входе устройства отсутствует.

В первом режиме исследуемое напряжение поступает на вход преобразователя 2.

По команде с блока 4 управления задат- чик 1 выдает за время Т0 измерения число п импульсов на запуск преобразователя 2 (фиг. 2, а)

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

Uxo - / Uxi(t)dt -I i Ni,

I о оn

где Uxi(t) - мгновенное значение исследуемого напряжения.

Этот код поступает в ячейку логометра 13 и фиксируется в ней. Одновременно с этим коды NI поступают в квадратор 7.

После возведений в квадрат коды Ni2no- ступают по входу 40 (фиг.З) в сумматор 10. За время Т0 на выходе узла 18 сумматора 10 образуется код, пропорциональный квадрату среднеквадратического значения выпрямленного напряжения

Ux2 - f /°

о о

В тот же момент времени и код суммирующего счетчика 11, возводится в квадрат в квадраторе 8 и вводится по входу 43 (фиг.З) в блок 10 на вычитание (момент ts). В результате выполнения операции вычитания на выходе 44 образуется код, пропорциональный сумме квадратов среднеквадратичеMdt-ljN,2

ских значений гармоник переменной составляющей напряжения. После извлечения квадратного корня в блоке Т2 извлечения квадратного корня код фиксируется в ячейке логометра 13. Далее и логометре 13 осуществляетсяделениекода, пропорционального корню квадратному из суммы квадратов среднеквадратических значений гармоник, на код, пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения, и в блоке 14 индикации фиксируется значение коэффициента пульсации.

Во втором режиме устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии сумматоры 9, 10 подготовлены к измерению, суммирующий счетчик 11 находится в нулевом состоянии.

По команде блока 4 управления задат- чик 1 выдает за время Т0 первого цикла п импульсов на запуск преобразователя 2, а задатчикЗ номинальных значений напряжения выдает номинальное значение исследу- емого сигнала. Преобразователь 2 преобразует значения номинального сигнала Uni в цифровые коды NHi, которые поступают на суммирующий счетчик 11, начиная с момента t2 (фиг. 2,6). За время Т0 в счетчике 11 образуется код, пропорциональный

1 п номинальному напряжению - NHI фикn i 1

сируемый в логометре 13 (момент t). При этом суммирующий счетчик 11 отключается, С приходом (п+1)-го импульса с задатчи- ка 1 (момент ts) начинается второй цикл измерения длительностью Т0. в котором коды мгновенных значений исследуемого напряжения NI по входу 41 поступают в сумматор 10. За время Т0 второго цикла измерения на выходе узла 18 сумматора 10 образуется код, пропорциональный среднеквадратиче- скому значению выпрямленного напряжения

Ux /U..

который вводится в узел 36 сумматора 10 на вычитание, В результате выполнения операции вычитания на выходе 45 сумматора 10 образуется код, пропорциональный разности среднеквадратического значения выпрямленного и номинального (хранящегося в суммирующем счетчике 11) напряжений. Этот результат фиксируется в логометре 13, в котором осуществляется деление кода, пропорционального разности среднеквадратического значения выпрямленного и номинального напряжений на код, пропорциональный номинальному напря0

5

жению. Результат значения отклонения напряжения фиксируется в блоке 14 индикации. Одновременно с этим, начиная с момента te, коды NI поступают в блок 5 и 6 выделения максимального i минимального кодов соответственно, где осуществляется сравнение кодов с номинальным кодом и выделение максимального Nmaxi и минимального Nmini кодов. Эти коды поступают на входы сумматора 9, где за время Т0 образуются коды, пропорциональные максимальному

Umax

J То

То

Y- / Umaxl (t) dt - X Nmaxl

I 1

и минимальному значению напряжения 1 т°1

Umln V- / Umini (t)dt -J- Ј Nr о О

П, 1

0

5

0

5

0

После вычитания сумматором 9 из максимального кода минимального в логометре 13 фиксируется код, пропорциональный разности максимального и минимального значений исследуемого напряжений, который после деления на значение номинального кода фиксируется в блоке 14 индикации как колебание исследуемого напряжения.

Оценим точность, достигаемую заявляемым устройством, по сравнению с устройством-прототипом.

Для режима измерения отклонения напряжения, согласно алгоритму (2), реализуемого средствами прототипа, требуются нелинейные блоки 7, 8 и 12, наличие которых обуславливает погрешность измерения. Для этого же режима, согласно другому алгоритму, требуется только управляемый сумматор 10, выполненный согласно описанию.

Кроме того, погрешность измерения отклонений напряжения устройством-прототипом и заявляемым устройством обусловлена неравенством

45

VUX2-UH2 (Ux UH) или

V

V(2Nl-2) NHi)(2 Ni+JL NH()

i 1

i 1

v

(,) Vl(Ј N,-ЈNHI)

i 1

тогда

Ч

i i

2 (Ni+NHl) о-Мн.)

Таким образом, выполнение сумматора 10 и введение соответствующих связей позволяет повысить точность определенияотклонениянапряжения

2 (NI + NHI)

раз.

2 (NI-NHI)

i 1

Формула изобретения

счетчика 2 п и счетным входом счетчика п импульсов, выходом подключенного через третий элемент задержки к первым входам третьей и четвертой групп элементов И, выход каждой из которых соединен с соответствующим входом второго узла вычитания, выход которого является выходом первого сумматора, вход вычитаемого, дополнительный вход вычитаемого, вход уменьшаемого и дополнительный вход уменьшаемого которого соединены соответственно с вторым входом четвертой группы элементов И, вторым входом первой группы элементов И, первым и вторым информационными входами узла усреднения, выходом связанного с

вторыми входами второй и третьей групп элементов И, узел усреднения кодов содержит три группы элементов И, сумматор кодов, группу элементов ИЛИ, счетчик поступающих кодов, элемент задержки и

схему деления кодов, выход которой является выходом узла усреднения кодов, синхровход. первый вход разрешения, первый информационный вход, второй вход разрешения и второй информационный вход которого присоединены соответственно к счетному входу счетчика поступивших кодов, объединенному с первыми входами первой и второй групп элементов И, второму входу, третьему входу первой группы элементов И. второму и третьему входам второй группы элементов И, выходом связанной с одним из входов группы элементов ИЛИ, другой вход и выход которой соединены соответственно с выходом первой группы элементов И и входом сумматора кодов, выходом подключенного к второму входу третьей группы элементов И, первый сход и выход которой связаны соответственно с выходом элемента задержки и входом делимого схемы деления кодов, вход делителя которой подключен к кодовому выходу счетчика поступивших кодов, выходом переполнения связанного с. входом элемента задержки и являющегося выходом правления триггерами узла усреднения кодов.

JO

IA

Ј

y

i

$t/s.3