Многомерный статистический анализатор сглаженной эффективной мощности нагрузки Советский патент 1993 года по МПК G06F15/36 

ных импульсов, выход которого соединен с тактовым входом второго счетчика и входом пятого одновибрэторз, выход которого соединен со входом синхронизации накапливэ- ющего сумматора и через шестой одновибратор связан с регрессивным входом реверсивного счетчика, выход второго счетчика через первый элемент И-НЕ соединен с инверсным входом седьмого одно- вибратора, выход которого соединен с установочным входом второго счетчика и тактовым входом третьего счетчика, второй блок памяти, дополнительно введены второй кварцевый генератор прямоугольных импульсов, четвертый счетчик, аналого- цифровой и цифроана/юговый преобразователи, квадратор и блок извлечения квадратного корня, коммутатор, группа инерционных звеньев, второй регистр, восьмой и девятый одновибрэторы, причем выход старшего разряда третьего счетчика через восьмой одновибратор соединен с инверсным входом первого одновибратора и входом записи второго регистра, информационный вход которого подключен к выходу накапливающего сумматора, а выход соединен с информационным входом цифроана- логового.преобразователя, выход которого через квадратор соединен с объединенными входами группы инерционных звеньев,, выходы которых соединены с соответствующими информационными входами коммутатора, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым адресным входом,второго блока памяти, вход записи которого через девятый одновибратор подключен к выходу второго кварцевого генератора прямоугольных импульсов, связанному с тактовым входом четвертого счетчика, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора и вторым адресным входом второго блока памяти.

Существенными отличиями предлагаемого технического решения являются использование в схеме анализатора новых элементов (второго кварцевого генератора прямоугольных импульсов, четвертого счетчика, аналого-цифрового и цифроаналого- вого преобразователей, квадратора и блока извлечения квадратного корня, коммутатора, группы инерционных звеньев, второго регистра, восьмого и девятого одиоеибрато- ров), и организация связей между новыми элементами, а также между новыми и старыми элементами. Эти существенные отличил обеспечивают достихсение положительного эффекта: 1) расширение функциональных

возможностей анализатора за счет расширения класса решаемых задач, а именно, за счет получения семейства гистограмм сглаженной эффективной мощности нэгрузки - величины, которая пропорциональна температуре нагрева токопроводов с различным поперечным сечением и, следовательно, различной постоянной времени нагрева; 2) повышение точности анализато0 ра при обследовании электрических нагрузок промышленных предприятий с целью использования его информации для определения расчетной мощности по нагреву (см. (б)).

5 На фиг. 1 представлена структурная схема анализатора; на фиг,2 приведены графики измеряемых и вычисляемых величин; на фиг.З изображена схема датчика усредненной мощности нагрузки; чертежами на

0 фиг,4,5 иллюстрируется работа датчика усредненной мощности нагрузки; на фиг.б - место определения расчетной нагрузки по получаемой анализатором информации, Анализатор содержит датчик 1 усред5 ненной мощности нагрузки (ДУМ), вход которого является входом анализатора, а выход через квадратор 2 соединен с объединенными входами группы инерционных звеньев (ИЗ) 3-4 первого порядка с разлим0 ными постоянными времени, выходы которых соединены с соответствующими информационными входами коммутатора 5, выход которого через последовательно сое- д иненные устройство б для извлечения

5 квадратного корня и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7 соединен с первым адресным входом второго блока 8 памяти (БП), второй адресный вход которого объединен с управляющим входом коммутатора

0 5 и подключен к выходу четвертого счетчика 9, тактовый вход которого объединен со входом девятого одновибратора 10 и подключен к выходу второго кварцевого генератора 11 прямоугольных импульсов (), инверс5 ный выход однозибратора 10 соединен со входом записи БП 8.

Датчик 1 усредненной мощности нагрузки (см. фиг.З) содержит импульсный датчик 12 текущей мощности нагрузки (ИДТМ),

0 вход которого является входом датчика ДУМ 1, а выход соединен с тактовым входом первого счетчика 13, выход которого соединен с информационным: входом первого БП 14, выход которого соединен с информацион5 ным входом накапливающего сумматора 15, выход которого через последовательно соединенные второй регистр 16 и цифроанзло- говый преобразователь (ЦАП) 17 соединен с выходом ДУМ 1, первый одновибрьтор 13, прямой выход которого соединен с установечным входом накапливающего сумматора 15, а инверсный - со входом записи реверсивного счетчика 19 и входом второго одно- вибратора 20. инверсный выход которого соединен с прогрессивным входом реверсивного счетчика 19 и входом третьего од- новибратора 21, инверсный выход которого соединен со входом записи первого БП 14, а прямой - с инверсным входом четвертого одновибрэтора 22 и входом записи первого регистра 23, выход которого соединен с информационным входом реверсивного счетчика 19, выход которого соединен с адресным входом первого БП 14 и информационным входом первого регистра 23, первый кварцевый ГПИ 24. выход которого :, соединен с тактовым входом второго счетчика 25 и входом пятого одновибратора, выход которого соединен со входом синхронизации накапливающего сумматора 15 и через шестой одновибратор 27 связан с регрессивным входом реверсивного счетчика 19. выход четвертого одновибратора 22 соединен с установочным входом первого счетчика 13, выход второго счетчика 25 через первый элемент И-НЕ 28 соединен с инверсным входом седьмого одновибратора 29, прямой выход которого соединен с установочным входом второго счетчика 25 и тактовым входом третьего счетчика 30, выход старшего разряда которого через восьмой одноеибратор 31 соединен с инверсным входом первого одновибраторз 18 и входом записи второго регистра 16.

Накапливающий сумматор 15(см.фиг.З) включает сумматор 32, первый вход которого подключен к информационному входу накапливающего сумматора 15, а выход соединен с информационным входом третьего регистра 33, выход которого соединен с информационным входом четвертого регистра 34, а вход записи подключен ко входу синхронизации накапливающего сумматб- оа 15. связанному с инверсным входом десятого одновибратора 35, выход которого соединен со входом записи четвертого регистра 34, вход установки нуля которого подключен к установочному входу накапливающего сумматора 15, а выход соединен со вторым входом сумматора 32 и выходом накапливающего сумматора 15.

Рассмотрим вначале работу датчика ДУМ 1.

В анализаторе в качестве датчика ИДТМ 12 используется счетчик электроэнергии с телеметрическим выходом (например, типа САЗУ-И687, СР4У-И689 (6) и

др.).

В ДУМ 1 используется первый БП 14 емкостью К х М. где К 256 - число М-рэзрядных слов, которые могут 5ытк размещены в БП 14.

В зависимости от параметров ИДТМ 12 число М выбирается равным 4-8.

На вход счетчика 13 с выхода датчика

ИДТМ 12 поступают импульсы, частота которых пропорциональна текущей мощности нагрузки Р(т)(см. фиг.2). Посчитывая эти импульсы, счетчик 13 осуществляет дискретное интегрирование мощности нагрузки. В конце промежуточного интервала усреднения At содержимое счетчика 13 записывается в первый БП 14 по адресу, формируемо.му реверсивным счетчиком 19.

Затем содержимое счетчика 13 обнуляется, после чего начинается новый промежуточный интервал усреднения, В конце этого нового цикла работы датчика ДУМ 1 содержимое счетчика 13 записывается в первый

БП 14 по увеличенному на единицу адресу и т.д. Таким образом в процессе работы ДУМ 1 в ячейки БП 14 по порядку записываются многоразрядные слова, значения которых в каждом случае равняются расходу электроэнергии за промежуточный интервал усреднения:

. -Wi- I P(t)dt.(1)

tj-Ai

Параллельно с этим за время At реализуется следующий алгоритм обработки информации.

В конце очередного промежуточного интервала усреднения A t отрицательным

фронтом импульса с выхода старшего разряда счетчика 30 запускается одновибратор 31, который, в свою очередь, запускает одновибратор 18 (в момент времени t 0 на фиг,4). Импульсом с прямого выхода последнего обнуляется содержимое регистра 34 суммы, а импульсом с инверсного выхода одновибратора 18 в счетчик 19 из регистра 23 вписывается код адреса ячейки БП 14, в которой хранится значение расхода злектроэнергии за предыдущий промежуточный интервал At {см. фиг,5).

В момент времени tt (фиг.4) запускается одновибратор 20, который увеличивает содержимое счетчика 19 на единицу.

В момент времени t2 (фиг.4) импульсом

с инверсного выхода одновибратора 21 в очередную ячейку первого БП 14 из счетчика 13 переписывается значение расхода электроэнергии Wj за последний промежуточный интервал А т (см. фиг;5), а импульсом с прямого выхода одновибраторэ 21 в регистр 23 записывается новый, увеличенный на единицу, код. -.

3 момент времени t (фиг.4) импульсом с выхода одновибратора 22 содержимое счетчика 13

обнуляется. После окончания импульса од- новибратора 22 оно вновь начинает накапливаться за следующий промежуточный интервал усреднения At.

В момент времени t4 (фиг,4) импульсом 5 с выхода ГПИ 24 запускается одновибратор 26, выходной импульс которого записывает в регистр 33 значение Wt, поскольку на входы сумматора 32 в этот момент времени подаются нулевое значение с выхода pern- 10 стра 34 и значение Wi с выхода первого БП 14.

Импульсом с выхода одновибраторэ 35 в момент времени ts (фиг.4) значение Wi переписывается из промежуточного регист- 15 ра 33 в регистр 34 суммы.

Одновременно с этим, импульсом с выхода одноаибратора 27, появляющимся в момент времени ts (фиг.4) и поступающим на регрессивный вход реверсивного счетчи- 20 ка 19, содержимое последнего уменьшается на единицу - на выходе первого БП 14 появ- ляется значение расхода электроэнергии WM за предыдущий промежуточный интер вал Дт (см. фиг. 5). 25

Последующие 239 тактов ГПИ 24 группа одновибраторое 18, 20-22 бездействует, а цепь одновибрзторов 26, 27, 35 запускается , по переднему фронту импульсов ГПИ 24.

При очередном запуске одновибраторов 30 26, 27, 35 в регистре 34 появляется сумма (см. фиг.5)

W2 W| +W|-1.

В следующем такте ГПИ 24 в регистре 34 появляется сумма35

Ws Wi + Wi-t + Wi-2

и т.д. Таким образом, из ячеек первого БП 14 осуществляется ретровыборка значений Wj (см. фиг.5), которые добавляются к предыдущей сумме, после чего новое значение 40 суммы записывается в регистр 34.

В 240-м такте генератора 24 в регистре 34 накапливается сумма, равная расходу электроэнергии за интервал усреднения мощности нагрузки Т 240 At:45

239t|

W240 2 WH / P(t)dt.(2)

0t| - Т .

Учитывая, что интервал усреднения Т остается постоянным, можно сделать вывод QQ о том, что содержимое регистра 34 пропорционально усредненной на интервале Т мощности нагрузки:

W-f(3) 55

(-Ть;э

После окончания 240-го такта ГПИ 24 запускается одновибратор 31, который переписывает содержимое регистра 34 в регистр 16, а также запускает схему ДУМ 1 на

накопление новой суммы в регистре 34. При этом в регистре 16 оказывается значение, пропорциональное усредненной мощности нагрузки Pyi (см. фиг,5). а на выходе ДУМ 1 появляется напряжение Up, пропорциональное этой мощности. После прохождения следующего промежуточного интервала усреднения At из выходе ДУМ 1 появляется напряжение, пропорциональное мощности

Ру(|+1) (СМ. фИГ.5) И Т.Д.

Таким образом, на выходе датчика ДУМ 1 имеется напряжение, которое пропорционально мощности нагрузки Рт, усредненной на скользящем с шагом A t интервале Т. Например, в одном из вариантов анализатор имеет следующие параметры: частоту генератора 24 f24 - 2400 Гц: промежуточный интервал At 0,1 с; интервал усреднения Т 24 с. При таких параметрах выходное напряжение датчика мощности ДУМ 1 изменяется практически непрерывно и достаточно плавно.

Рассмотрим работу анализатора (см. фиг.1).

Обработка информации осуществляется анализатором следующим образом.

Напряжение Ру (здесь и в дальнейшем индексом отмечены напряжения, соответствующие обозначенным величинам), определяемое датчиком ДУМ 1, возводится в квадрат, а затем пропускается через инерционные звенья 3-4, имеющие различные постоянные времени п. На выходах ИЗ 3-4 появляются напряжения Psci . которые пропорциональны температуре нагрева то- коведущих элементов реальных электроустановок, имеющих постоянные нагрева fj. Напряжения поочередно подаются через устройство 6 для извлечения квадратного корня на вход АЦП 7, на выходе которого формируется двоичный код, пропорциональный значениям эффективной сглаженной мощности нагрузки Рэс1. Этот код образует группу разрядов первого адресного входа второго БП 8 и задает номер разряда одной из размерностей измеряемого двумерного распределения. Выходной код счетчика 9 образует группу разрядов второго адресного входа БП 8 и задает, соответственно, номер разряда второй размерности измеряемого двумерного распределения.

Выборка значений P3ci осуществляется кварцевым генератором 11 следующим образом.

В определенный момент времени, после срабатывания по заднему фронту импульса генератора 11 счетчика 9 его содержимое становится равным 0000. При

эквивалентные

Рас,1

гаком коде на управляющем входе коммутатора 5 на его выходе появляется напряжение , приложенное к первому информационному входу коммутатора 5, Ко второму адресному входу БП 8 прикладывэ- ется код значения P3ci, например 0100. Полный адресный код БП 8 равен 00000100.

По переднему фронту выходного импульса ГПИ 11 запускается одновибратор 10, выходной импульс которого осуществля- ет накопление информации (увеличение ее на единицу) в канале БП 8 с адресом 00000100.

При следующем срабатывании кварцевого ГПИ11 к управляющему входу коммута- тора 5 прикладывается код 0001 - в этом случае к первому адресному входу БП 8 прикладывается код (например, 0011), пропорциональный мощности Рэс . После этого при срабатывании одновибратора 10 на едини- цу увеличивается информация, хранящаяся в канале БП 8 с адресом 00010011 и т.д.

После достаточно длительного накопления информации по содержимому каналов БП 8 строится семейство гистограмм эффек- тивной сглаженной с различными постоянными т мощности нагрузки P3ci.

Полученная с помощью анализатора информация может использоваться для решения следующих задач:

1)Определение расчетной мощности то- копроводоо по нагреву для эксплуатируемого электрооборудования.

2)Определение коэффициента загрузки

по току установленного электрооборудова- ния.

3)Определение и уточнение коэффициентов максимума (см. (5)) установленного электрооборудования.

4)Определение расчетной мощности по нагреву электрооборудования проектируемых систем электроснабжения. В этом случае описанный анализатор подключается к устройству, моделирующему процесс изменения мощности нагрузки, через преобра- зоаатель напряжение-частота. Следует отметить, что этот пункт может выполняться ускоренно с масштабом по времени rru

100-1000. что позволит получать результаты достаточно быстро.

Рассмотрим уточненный метод определения расчетной мощности (тока) нагрузки по нагреву (см. п.1).

Для реализации метода параллельно проводят измерения двумя анализаторами. В одном анализаторе при этом в качестве датчика ИДТМ 12 используется датчик активной мощности нагрузки, а в другом - датчик реактивной мощности нагрузки.

После этого полученные семейства гистограмм активной и реактивной эффективной сглаженной мощности нагрузки обрабатываются следующим образом. Каждая из гистограмм аппроксимируется одним из известных методов (см., например, (7)) наиболее близким теоретическим законом распределения. После этого определяют максимальные значения сглаженной эффективной мощности нагрузки РМ1 и QMi (где i - 1-16 - номер постоянной нагрева г), которые могут быть превышены с заданной допустимой вероятностью Рдоп.

Затем определяют соответствующие значения полной мощности нагрузки по известной формуле (5)

SMi V Рм. 2 + Ом, 2

(4)

По точкам SMI. используя известные методы аппроксимации (8), строят зависимость SM(j) - см. фиг.8. Нз фиг.8 по справочным данным (9) строится также зависимость допустимых значений мощности Здоп выбираемого оборудования от постоянной нагрева г.

Значение расчетной мощности Sp определяют по точке пересечения кривых SM(r) и

5доп(г).

Преимуществами предлагаемого анализатора по сравнению с известными являются его более широкие функциональные возможности за счет расашрения класса решаемых задач, а именно, за счет получения семейства гистограмм сглаженной эффективной мощности нагрузки - величины, ко- тор.ая пропорциональна температуре нагрева токопроводое с различным поперечным сечением, а также повышение точности при обследовании электрических нагрузок промышленных предприятий. Применение новой получаемой анализатором информации дает возможность более точно определять расчетную мощность (ток) по нагреву. Вследствие этого применение анализатора позволяет получить на промышленном предприятии средней мощности экономический эффект е несколько десятков тысяч рублей за счет более рационального выбора различных токоведущих элементов системы электроснабжения по нагреву, поскольку существующие методы позволяют выбирать указанное оборудование с.неоправданным запасом. Анализатор реализуется на микроэлектронной основе отечественного производства. В настоящее оремй разработана принципиальная схема и ведется изготовление опытного образца анализатора. Для доведения предполагавмого изобретения до промышленного использования требуется 2 годэ.

Формула изобретения Многомерный статистический анализатор сглаженной эффективной мощности нагрузки, содержащий импульсный датчик текущей мощности нагрузки, вход которого является входом анализатора, а выход соединен с тактовым входо м первого счетчика, выход которого соединен с информационным входом первого блока памяти, выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора, первый одновибратор, прямой выход которого соединен с установочным входом накапливающего сумматора, а инверсный - с входом записи реверсивного счетчика и входом второго одновибратора, инверсный выход которого соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика и входом третьего одновибратора, инверсный выход которого соединен с входом записи первого блока памяти, а прямой - с инверсным входом четвертого одновибратора и входом записи первого регистра, выход которого соединен с информационным входом реверсивного счетчика, выход которого соединен с адресным входом первого блока памяти и информационным входом первого регистра, выход четвертого одновибратора соединен с установочным входом первого счетчика, первый кварцевый генератор прямоугольных импульсов, выход которого соединен с тактовым входом второго счетчика и входом пятого одновибратора, выход которого соединен с входом синхронизации накапливающего сумматора и через шестой одновибратор с вычитающим входом реверсивного счетчика, выход второго счетчика

подключен к входу элемента И-НЕ, выход которого соединен с инверсным входом седьмого одновибрэтора, выход которого соединен с установочным входом второго

счетчика и тактовым входом третьего счетчика, и второй блок памяти, отличающийся тем, что, с целью повышения точности анализатора, в него дополнительно введены второй кварцевый генератор

прямоугольных импульсов, четвертый счетчик, аналого-цифровой и цифроанэлоговый преобразователи, квадратор и блок извлечения квадратного корня, коммутатор, группа инерционных звеньев, второй регистр,

восьмой и девятый одновибраторы, причем выход старшего разряда третьего счетчика через восьмой одновибратор соединен с инверсным входом первого одновибратора и входом записи второго регистра, информационный вход которого подключен к выходу накапливающего сумматора, а выход соединен с информационным входом цифроана- логового преобразователя, выход которого через квадратор соединен с входами икерциониых звеньев группы, выходы которых соединены с соответствующими информационными входами коммутатора, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с информационным входом

аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым адресным входом второго блока памяти, вход записи которого через девятый одновибратор подключен к выходу второго кварцевого генератора прямоугольных импульсов, соединенному с тактовым входом четвертого счетчика, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора и вторым адресным входом второго блока памяти.

№.%С1

Фиг. г

Фиг.5