ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ (ВАРИАНТЫ)
POWER LOSS METRE (VERSIONS)

Предлагаемая группа изобретений относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники и предназначена для измерения усредненной на 1-минутном интервале мощности потерь электроэнергии.
Известно устройство для определения начальных моментов любого порядка [1], содержащее входной зажим, функциональный преобразователь, интегратор, источник опорного напряжения, компаратор, одновибратор, первый и второй счетчики, генератор прямоугольных импульсов, блок деления, индикатор.
Недостатками аналога являются невысокая точность, обусловленная наличием в схеме устройства аналогового интегратора, выполненного на операционном усилителе и конденсаторе, а также узкие функциональные возможности.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является счетчик потерь электроэнергии [2], содержащий генератор прямоугольных импульсов, компьютер, таймер, таймер-часы, датчик тока, аналого-цифровой преобразователь, функциональный преобразователь, накапливающий сумматор, индикатор, блок деления, постоянное запоминающее устройство, приемо-передатчик, первый и второй счетчики, первый и второй одновибраторы.
Недостатками прототипа являются невысокая точность, обусловленная неучетом зависимости активного сопротивления токоведущих элементов электрооборудования от температуры нагрева (погрешность по этой причине может достигать 40% [3]), а также узкие функциональные возможности.
Технические задачи, решаемые изобретением, - повышение точности за счет учета зависимости активного сопротивления токоведущих элементов электрооборудования от температуры нагрева и расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности непрерывного контроля мощности потерь электроэнергии.
Указанные технические задачи (в первом варианте реализации измерителя) решаются благодаря тому, что в счетчик потерь электроэнергии, содержащий датчик тока, квадратор, дополнительно введены переключатель, датчики температуры окружающей среды и электрооборудования, первый и второй источники опорного напряжения, инвертор, сумматор, стрелочный индикатор, блок умножения, первое и второе апериодические звенья, второй вход последнего подключен к выходу датчика температуры окружающей среды, а выход соединен с первым выводом переключателя, второй вывод которого через инвертор подключен к выходу датчика температуры электрооборудования, а общий вывод соединен с третьим входом сумматора, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго источников опорного напряжения, а выход соединен с вторым входом блока умножения, первый вход которого через квадратор подключен к выходу датчика тока, а выход соединен с объединенными первым входом второго апериодического звена и входом первого апериодического звена, выход которого через стрелочный индикатор соединен с общей шиной измерителя.
Указанные технические задачи (во втором варианте реализации измерителя) решаются благодаря тому, что в счетчик потерь электроэнергии, содержащий генератор прямоугольных импульсов, компьютер, цифровой индикатор, датчик тока, приемо-передатчик, дополнительно введены датчики температуры окружающей среды и электрооборудования, микроконтроллер, регистр, информационный выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора, а информационный и управляющий входы подключены соответственно к выходам портов D и Е микроконтроллера, выход порта F которого через приемо-передатчик соединен с входом компьютера, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера, входы портов А, В и С которого подключены соответственно к выходам датчиков тока, температуры окружающей среды и температуры электрооборудования.
Блок умножения содержит операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной измерителя, а выход соединен с объединенными выходом блока умножения и, через резистор обратной связи, с инвертирующим входом операционного усилителя, подключенным через цифроаналоговый преобразователь к первому входу блока умножения, второй вход которого соединен с аналоговым информационным входом аналого-цифрового преобразователя, вход опорного напряжения которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а цифровой информационный выход соединен с цифровым входом цифроаналогового преобразователя.
Квадратор содержит операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной измерителя, а выход связан с объединенными выходом квадратора и, через резистор обратной связи, с инвертирующим входом операционного усилителя, подключенным через цифроаналоговый преобразователь ко входу квадратора, соединенному с аналоговым информационным входом аналого-цифрового преобразователя, вход опорного напряжения которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а цифровой информационный выход соединен с цифровым входом цифроаналогового преобразователя.
Инвертор содержит операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной измерителя, а выход соединен с объединенными выходом инвертора и через резистор обратной связи - с инвертирующим входом операционного усилителя, подключенным через входной резистор ко входу инвертора.
Сумматор содержит операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной измерителя, а выход соединен с объединенными выходом сумматора и через резистор обратной связи - с инвертирующим входом операционного усилителя, подключенным через входные резисторы ко входам сумматора.
Первое апериодическое звено содержит операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной счетчика, а выход соединен с объединенными выходом первого апериодического звена и через параллельно соединенные резистор обратной связи и конденсатор - с инвертирующим входом операционного усилителя, подключенным через входной резистор ко входу первого апериодического звена.
Второе апериодическое звено содержит операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной счетчика, а выход соединен с объединенными выходом второго апериодического звена и через параллельно соединенные резистор обратной связи и конденсатор - с инвертирующим входом операционного усилителя, подключенным через входные резисторы ко входам второго апериодического звена.
Существенным отличием предлагаемого измерителя является введение дополнительных элементов в различных вариантах его реализации:
1) переключателя, датчиков температуры окружающей среды и электрооборудования, первого и второго источников опорного напряжения, инвертора, сумматора, блока умножения, стрелочного индикатора, первого и второго апериодических звеньев;
2) микроконтроллера, регистра, датчиков температуры окружающей среды и электрооборудования.
К существенным отличиям измерителя также относятся организация его новой структуры и введение новых связей между элементами. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивает достижение положительного эффекта - расширения функциональных возможностей счетчика, за счет возможности непрерывного контроля мощности потерь электроэнергии, и повышения его точности за счет учета зависимости активного сопротивления токоведущих элементов электрооборудования от температуры нагрева.
Схемы первого и второго вариантов реализации измерителя приведены на фиг.1 и 2; схемы элементов измерителя представлены на: фиг.3 - блока умножения, фиг.4 - квадратора, фиг.5 - инвертора, фиг.6 - сумматора, фиг.7 и 8 - первого и второго апериодических звеньев.
Схема первого варианта реализации измерителя (фиг.1) содержит датчик 1 тока (ДТ), квадратор 2, блок 3 умножения (БУ), первое 4 и второе 5 апериодические звенья (AЗ), первый 6 и второй 7 источники опорного напряжения (ИОН), сумматор 8, датчик 9 температуры окружающей среды, стрелочный индикатор 10, датчик 11 температуры электрооборудования, инвертор 12, переключатель 13. Выход датчика 1 тока через квадратор 2 соединен с первым входом блока 3 умножения, выход которого соединен с объединенными первым входом второго апериодического звена 5 и входом первого апериодического звена 4, выход которого через стрелочный индикатор 10 соединен с общей шиной измерителя, второй вход второго апериодического звена 5 подключен к выходу датчика 9 температуры окружающей среды, а выход соединен с первым выводом переключателя 13, второй вывод которого через инвертор 12 подключен к выходу датчика 11 температуры электрооборудования, а общий вывод соединен с третьим входом сумматора 8, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого 6 и второго 7 источников опорного напряжения, а выход соединен со вторым входом блока 3 умножения.
Схема второго варианта реализации измерителя (фиг.2) содержит датчик 14 тока (ДТ), микроконтроллер (МК) 15, регистр 16, цифровой индикатор (ЦИ) 17, датчики температуры окружающей среды (ДТОС) 18 и электрооборудования (ДТЭО) 19, генератор 20 прямоугольных импульсов (ГПИ), приемо-передатчик 21, компьютер 22. Выход датчика 14 тока соединен с входом порта А микроконтроллера 15, входы портов В и С которого подключены соответственно к выходам датчиков температуры окружающей среды 18 и температуры электрооборудования 19, а тактовый вход подключен к выходу генератора 20 прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера 15 соединены соответственно D - с информационным входом регистра 16, Е - с управляющим входом регистра 16, F - через приемо-передатчик 21 с входом компьютера 22, информационный выход регистра 16 соединен с информационным входом цифрового индикатора 17.
Блок 3 умножения (фиг.3) содержит операционный усилитель 23, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной измерителя, а выход соединен с объединенными выходом блока 3 умножения и через резистор 24 обратной связи - с инвертирующим входом операционного усилителя 23, подключенным через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 25 к первому входу блока 3 умножения, второй вход которого соединен с аналоговым информационным входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 26, вход опорного напряжения которого подключен к выходу источника 27 опорного напряжения, а цифровой информационный выход соединен с цифровым входом цифроаналогового преобразователя 25.
Квадратор 2 (фиг.4) содержит операционный усилитель 28, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной измерителя, а выход соединен с объединенными выходом квадратора 2 и через резистор 29 обратной связи - с инвертирующим входом операционного усилителя 28, подключенным через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 30 ко входу квадратора 2, соединенному с аналоговым информационным входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 31, вход опорного напряжения которого подключен к выходу источника 32 опорного напряжения (ИОН), а цифровой информационный выход соединен с цифровым входом цифроаналогового преобразователя 30.
Инвертор 12 (фиг.5) содержит операционный усилитель 33, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной измерителя, а выход соединен с объединенными выходом инвертора 12 и через резистор 34 обратной связи - с инвертирующим входом операционного усилителя 33, подключенным через входной резистор 35 ко входу инвертора 12.
Сумматор 8 (фиг.6) содержит операционный усилитель (ОУ) 36, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной измерителя, а выход соединен с объединенными выходом сумматора 8 и через резистор 37 обратной связи - с инвертирующим входом операционного усилителя 36, подключенным через входные резисторы 38-39 ко входам сумматора 8.
Первое апериодическое звено 4 (фиг.7) содержит операционный усилитель 40, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной измерителя, а выход соединен с объединенными выходом первого апериодического звена 4 и через параллельно соединенные резистор 41 обратной связи и конденсатор 42 - с инвертирующим входом операционного усилителя 40, подключенным через входной резистор 43 ко входу первого апериодического звена 4.
Второе апериодическое звено 5 (фиг.8) содержит операционный усилитель 44, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной измерителя, а выход соединен с объединенными выходом второго апериодического звена 5 и через параллельно соединенные резистор 45 обратной связи и конденсатор 46 - с инвертирующим входом операционного усилителя 44, подключенным через входные резисторы 47 и 48 ко входам второго апериодического звена 5.
Потери мощности в токоведущих элементах (ТЭ) электрооборудования (ЭО) определяются по формуле
где I(t) - изменяющийся во времени ток нагрузки, протекающий по ТЭ ЭО;
R - сопротивление ТЭ ЭО.
0
0
При упрощенных расчетах сопротивление R принимается неизменным во времени и равным сопротивлению R при температуре окружающей среды t=20°С или сопротивлению при другой фиксированной температуре.
ЭО
Значение сопротивления R в функции от температуры t ТЭ ЭО определяется по формуле
м
а
ст
-1
-1
-1
где α - температурный коэффициент сопротивления ТЭ ЭО; имеет значение для меди α=0,0041°С, алюминия α=0,0044°°С, стали α=0,006°С.
ЭО
Так как потери мощности отображаются на индикаторах в реальном времени, то масштаб по времени, а также по постоянной времени нагрева τ при моделировании в обоих вариантах измерителя принят равным единице.
Первый вариант измерителя (фиг.1) работает следующим образом.
ЭО
В том случае, если доступ к ТЭ ЭО невозможен или затруднителен, опасен (в этом случае переключатель 13 на фиг.1 устанавливается в правое положение), то температура t(t) определяется путем имитационного моделирования из дифференциального уравнения нагрева [4]
где  - коэффициент изменения сопротивления ТЭ ЭО в функции от температуры.
ном
t - номинальная длительно допустимая температура ТЭ ЭО;
окр
t - температура окружающей среды;
ном
I - номинальный ток ЭО;
I(t) - ток нагрузки.
I
I
I
2
С выхода ДТ 1, проходя через квадратор 2, на первый вход БУ 3 поступает напряжение, пропорциональное квадрату тока нагрузки U=-(I/m) (где m=I/U - масштаб по току).
Схемы квадратора 2 и БУ 3 одинаковы, у квадратора два входных зажима объединены. В БУ 3 (фиг.3) умножение аналогового сигнала x, поступающего через первый вход БУ 3 на аналоговый вход ЦАП 25, выполняет ЦАП 25, к цифровому входу которого приложен код с выхода АЦП 26 [5, 6]. Этот код пропорционален напряжению y, поступающему через второй вход БУ 3 на вход АЦП 26. На выходе БУ 3 появляется напряжение z=-ху. Инверсию выходного сигнала БУ 3 (так же, как и у остальных элементов измерителя, изображенных на фиг.4-8) вносит ОУ 23.
На второй вход БУ 3 с выхода сумматора 8 поступает напряжение, пропорциональное сопротивлению R ТЭ ЭО, по которому протекает ток I. На выходе БУ 3 появляется напряжение, пропорциональное потерям мощности в ЭО
п
где К - коэффициент пропорциональности.
3
4
Напряжение U для удобства наблюдения при исследовании резко-переменных нагрузок пропускается через первое апериодическое звено 4, имеющее постоянную времени сглаживания τ=1 мин.
5
ЭО
9
окр
t
окр
t
t
Выходное напряжение AЗ 4, пропорциональное сглаженному значению потерь мощности ЭО ΔР, отображается стрелочным индикатором 10, а также поступает на первый вход второго AЗ 5, постоянная времени сглаживания которого равна постоянной времени нагрева исследуемого ЭО τ=τ. Второй вход AЗ 5 подключен к выходу ДТОС 9, выходное напряжение которого пропорционально температуре окружающей среды U=t/m (где t - температура окружающей среды, m=t/U - масштаб по температуре).
3
9
5
ЭО
t
ЭО
5
ЭО
Напряжения U и U суммируются вторым AЗ 5 (фиг.8), выходное напряжение которого U=-t/m, пропорциональное температуре ТЭ ЭО t, изменяется по экспоненте с постоянной τ=τ и представляет собой решение дифференциального уравнения модели нагрева ТЭ ЭО
которое для удобства пояснений можно записать, как
5
ЭО
3
9
5
Решение уравнения 6 осуществляется апериодическим звеном 5 [7, 8]. Понижение порядка производной dU/dt выполняет интегратор, реализованный на элементах 44-48 (фиг.8) и имеющий постоянную интегрирования Т=τ. На вход интегратора на ОУ 44 поступают суммируемые напряжения через резисторы: 47 - U, 48 - U, 45 - (-U).
5
6
0
R
0
0
R
R
5
0
t
Отрицательное напряжение U с выхода AЗ 5 через переключатель 13 поступает на третий вход сумматора 8, к первому и второму входам которого соответственно приложены: отрицательное напряжение с выхода первого ИОН 6 U=-R/m (где R - сопротивление ТЭ ЭО при температуре окружающей среды t=20°С, m=R/U - масштаб по сопротивлению) и положительное напряжение с выхода второго ИОН 7 U=t/m.
С учетом инвертирования сигнала операционным усилителем 36 (фиг.6) сумматор 8 вычисляет сопротивление ТЭ ЭО по формуле (2).
ЭО
В том случае, если ТЭ ЭО доступен, то значение температуры t определяется с помощью датчика ДТЭО 11 (в этом случае у первого варианта измерителя на фиг.1 переключатель 13 устанавливается в левое положение).
ЭО
В этом режиме группа элементов 1-4, 6-8, 10 первого варианта измерителя работает так же, как и в описанном выше режиме с имитацией t.
11
ЭО
Напряжение U, пропорциональное температуре ТЭ ЭО t, задается датчиком ДТЭО 11. Это напряжение, после прохождения через инвертор 12 (фиг.5) и переключатель 13, подается на первый вход сумматора 8 и т.д.
Потери мощности в обоих режимах отображаются на индикаторе 10.
45
46
45
46
45
46
Первый вариант измерителя применим для исследования только маломощного ЭО (мощностью до нескольких кВт). Это объясняется трудностью реализации интегратора на ОУ 44 (фиг.8) с большой постоянной интегрирования T=R·C. Например: 1) Т=1 мин, R·=6 МОм, ·С=10 мкФ; 2) T=10 мин, R·= 6 МОм, ·С=100 мкФ. Из рассмотрения приведенных примеров ясно, что при дальнейшем увеличении значений R и С для увеличения постоянной τ рабочие токи через R и С будут соизмеримы со входными токами ОУ 44 и токами утечки конденсаторов, а это, в свою очередь, может привести к значительной погрешности устройства.
Второй вариант измерителя (фиг.2) работает следующим образом.
ЭО
Выходное напряжение ДТ 14, пропорциональное току нагрузки I(t), поступает на вход порта А МК 15, который соединен со входом встроенного в МК 15 АЦП. Дальнейшая обработка тока I, а также других производных величин (ΔР, t, R и др.) выполняется в МК 15 программными средствами.
ЭО
0
ЭО
0
1мин
2
2
В первом режиме применения второго варианта измерителя (при наличии доступа к ТЭ ЭО) датчиком 19 измеряется температура ТЭ ЭО t. В АЦП МК 15 входная аналоговая величина преобразуется в код тока I. Далее в МК 15 вычисляются: 1) квадрат тока I; 2) сопротивление ТЭ ЭО R=R[1+α(t-t)]; 3) потери мощности ΔР=IR; 4) значение усредненной за 1 мин мощности ΔP, которое ежеминутно записывается в регистр 16 и непрерывно отображается на индикаторе 17.
окр
ЭО
Во втором режиме применения второго варианта измерителя (при отсутствии доступа к ТЭ ЭО) датчиком 18 измеряется температура окружающей среды t, а температура ТЭ ЭО t рассчитывается в МК 15 по следующему алгоритму.
ЭО
Разрешим уравнение (3) относительно производной температуры t, a также сделаем замену
2
окр
ЭО
В памяти МК 15 размещаются константы, используемые в правой части уравнения (7) как коэффициенты перед переменными R, I, t, t. Значения констант приведены в таблице. Константы вводятся в МК 15 компьютером 22 через приемо-передатчик 21 при подготовке измерителя к работе. Эти данные являются индивидуальными для каждого ТЭ ЭО.
Таблица
Значения констант
Номера ячеек памяти МК 15
1
2
3
4
5
Содержимое ячеек
R<sub>0</sub>
αR<sub>0</sub>
t<sub>0</sub>=20°
t<sub>ном</sub>
1
<img file="00000009.tif" he="12" wi="42" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000010.tif" he="11" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
ЭО
ЭО
При решении уравнения (7) численным методом в МК 15 операция интегрирования правой части этого уравнения заменяется на операцию суммирования при каждой выборке очередного значения с ранее накопленной суммой в ячейке «а» памяти МК 15. Несмотря на непрерывное суммирование ячейка «а» не переполняется, поскольку при увеличении температуры t правая часть уравнения (7) положительна, а при уменьшении температуры t - отрицательна.
ЭО
ЭО
Следует также отметить, что точность решения уравнения (7) описанным способом очень высока, поскольку выборки тока I выполняются с высокой частотой, а скорость изменения температуры t и сопротивления ТЭ ЭО R(t) на несколько порядков ниже скорости изменения тока I из-за большого значения постоянной нагрева.
2
2
0
ЭО
0
1мин
;
В МК 15 в этом режиме применения второго варианта измерителя вычисляются: 1) квадрат тока I; 2) сопротивление ТЭ ЭО R=R[1+α(t-t)]; 3) потери мощности ΔР=IR; 4) значение усредненной за 1 мин мощности ΔP, которое ежеминутно записывается в регистр 16 и непрерывно отображается на индикаторе 17; 5) правая часть уравнения при i-той выборке тока I
а
a
i
ЭО
6) накапливающаяся сумма в ячейке «а» S=S+П=t.
Преимуществами предлагаемого устройства по сравнению с известными аналогами являются меньшая погрешность и более широкие функциональные возможности. Схемы вариантов измерителя ориентированы на применение современной микроэлектронной основы - опытный образец счетчика изготовлен на базе AVR-микроконтроллера Atmega8.
Источники информации
1. Авторское свидетельство 2041496 СССР, МПК G06F 17/18, 1991.
2. Патент 2380715 РФ, МПК G01R 19/02, G01R 11/00, 2008 (прототип).
3. Осипов Д.С. Учет нагрева токоведущих частей в расчетах потерь мощности и электроэнергии при несинусоидальных режимах систем электроснабжения: Автореф. дис.… канд. техн. наук. - Омск, 2005.
4. Брагин С.М. Электрический и тепловой расчет кабеля. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 328 с.
5. Гнатек Ю.Р. Справочник по цифроаналоговым и аналого-цифровым преобразователям: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1982. - 552 с.
6. Свид-во на полезную модель 2878 РФ, МПК G06G 7/12. Устройство для выполнения арифметических операций (варианты), 1991 (4-й н.п. ф-лы).
7. Коган Б.Я. Электронные моделирующие устройства и их применение для исследования систем автоматического регулирования. - М.: Физматгиз, 1963. - 512 с.
8. Анисимов Б.В., Голубкин В.Н. Аналоговые вычислительные машины: Учебник для вузов. - М.: Высш. шк., 1971. - 448 с.