ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА
METRE OF HARMONIC SIGNAL PARAMETRES

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения амплитуды, разности фаз и частоты гармонических сигналов с непрерывной выдачей информации в стационарных режимах и во время переходных процессов, где требуется повышенная точность измерений. Изобретение может быть использовано, например, в системах авторегулирования возбуждения электрических машин для измерения амплитуд напряжения и тока, частоты и разности фаз между ними.
Во время короткого замыкания измеряемые сигналы напряжения и тока обогащаются гармониками высших порядков, кратных основной частоте, амплитудным и фазовым шумом, при этом также наблюдается незначительный уход частоты от номинального значения. Сократить время и уменьшить броски напряжения во время переходного процесса путем авторегулирования возбуждения электрической машины можно за счет сокращения времени измерения параметров входных сигналов (тока, напряжения и разности фаз).
Существующие в настоящее время устройства измерения параметров низкочастотных гармонических сигналов обладают недостатком, выражающимся в существенной для аппаратуры авторегулирования временной задержке с момента измерения до выдачи информации (0,5-1 период измеряемого сигнала), что снижает эффективность их работы, особенно при переходных режимах, например коротком замыкании в сети.
Известно «Устройство измерения амплитуды сигнала» (патент РФ №2280877 от 20.12.2004) того же назначения, что и предлагаемое, но не имеющее с ним общих признаков и состоящее из генератора опорного напряжения, двух квадраторов, трех перемножителей, восьми интеграторов, блока управления, вычислительного блока и индикатора. На вычислительный блок поступают сигналы, формируемые первыми пятью интеграторами, дополнительно используются результаты интегрирования ортогональных составляющих опорного сигнала и результат интегрирования измеряемого сигнала за время измерения, эти сигналы формируются шестым, седьмым и восьмым интеграторами соответственно. Недостатком данного устройства является большая задержка в выдаче результата измерения (на один период входного сигнала). Не ставится и не решается задача измерения разности фаз между током и напряжением; устройство утрачивает работоспособность при рассогласовании частот опорного генератора и входного сигнала.
Известно устройство «Цифровой фазометр» (патент РФ №2207579 от 11.01.2002), не имеющее общих признаков с предлагаемым, но обладающее с ним схожим назначением, состоящее из двухканального преобразователя сдвиг фазы - интервал времени, элемента «2И/ИЛИ», первого элемента «И», счетчика, блока сравнения, коммутатора, вычислительного блока, формирователя, времязадающего узла, формирователя импульса конца первого измерения, буферного регистра, генератора квантирующих импульсов, второго элемента «И», формирователя импульса конца второго измерения, элемента задержки, первого элемента «ИЛИ», RS-триггера, второго элемента «ИЛИ», счетчика количества измерительных циклов. Недостатком данного устройства является низкая точность измерения фазы при наличии аддитивного шума, что обусловлено использованием в данном устройстве метода определения разности фаз, заключающийся в измерении длительности интервалов между нулями входных сигналов.
Известно «Устройство для измерения амплитудных и фазовых характеристик гармонических сигналов» (патент РФ №2089919 от 20.05.94), не имеющее общих признаков с предлагаемым, но обладающее схожим назначением и состоящее из второго блока деления, формирователя управляющих импульсов, первого блока выборки-хранения, второго блока выборки-хранения, сумматора, блока для извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух величин, первого переключателя, первого блока деления, тригонометрического преобразователя, второго переключателя, блока сравнения. Недостатками данного устройства является низкая точность измерения вплоть до полной невозможности работы в условиях наличия фазового и амплитудного шума во входном сигнале и гармоник кратных частот, вследствие того что последнее фактически осуществляет мгновенную оценку параметров входных сигналов; не ставится и не решается задача определения амплитуды.
Сущностью изобретения является устройство непрерывного измерения амплитуды тока, напряжения и разности фаз между ними, алгоритм работы которого основан на оценке энергии и взаимной корреляционной функции входных сигналов, произведенных в течение длительности половины периода. Наличие непрерывно производимых интегральных оценок позволяет минимизировать влияние аддитивного и фазового шума и кратных гармоник высших порядков, возникающих при переходных процессах в энергосистемах, на точность измерения информативных параметров. Частота выдачи результата при этом определяется частотой дискретизации измеряемых сигналов.
Достигаемый технический результат заключается в существенном снижении в предлагаемом устройстве временной задержки с момента снятия дискретных отсчетов входных сигналов до выдачи результата по сравнению с рассмотренными известными решениями (периода), повышении точности измерения разности фаз между током и напряжением и возможности производить оценку параметров переменного тока при наличии фазового и амплитудного шума и гармоник высших порядков.
Сопоставительный анализ с перечисленными измерителями показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых элементов: последовательно соединенных схемы возведения в квадрат, первого блока скользящего усреднения, первого линейного преобразователя и схемы извлечения квадратного корня; последовательно соединенных тактового генератора, счетчика двоичных импульсов, второго блока скользящего усреднения, второго линейного преобразователя, а также компаратора, выход которого соединен со входом сброса счетчика двоичных импульсов; последовательно соединенных первого умножителя, третьего блока скользящего усреднения, делителя, схемы нелинейного ограничения, тригонометрического блока, а также второго умножителя, выход которого соединен со входом делитель делителя, а входы соединены с выходами каналов измерения амплитуды напряжения и тока соответственно, а также с источником постоянной величины α, где α=2; первый, второй и третий блоки скользящего усреднения состоят из сумматора и двух линий задержки, причем первый вход сумматора соединен со входом первой линии задержки, выход сумматора соединен со входом второй линии задержки, а выходы первой и второй линий задержек соединены со вторым и третьим входами сумматора соответственно, причем второй вход является инверсным.
Следовательно, устройство удовлетворяет критерию «новизна».
Сравнение с другими техническими решениями показывает, что в два раза повышено быстродействие и существенно улучшена помехоустойчивость устройства по отношению к гармоникам кратных частот, амплитудному и фазовому шуму во входных сигналах.
Изобретение поясняется следующим графическим материалом:
фиг.1 - общая функциональная схема измерителя параметров гармонического сигнала;
фиг.2 - структурная схема блока скользящего усреднения.
Устройство состоит из четырех каналов (фиг.1): канала измерения амплитуды напряжения, канала измерения частоты, канала измерения разности фаз тока и напряжения и канала измерения амплитуды тока.
Канал измерения амплитуды напряжения состоит из последовательно соединенных схемы возведения в квадрат 1, первого блока скользящего усреднения 2, первого линейного преобразователя 3 и схемы извлечения квадратного корня 4. Канал измерения амплитуды тока 16 аналогичен каналу измерения амплитуды напряжения. Канал измерения фазы состоит из последовательно соединенных первого умножителя 10, третьего блока скользящего усреднения 11, делителя 12, схемы нелинейного ограничения 13, тригонометрического блока 14, а также второго умножителя 15, выход которого соединен со входом делитель делителя 12, а на входы подаются выходные сигналы канала измерения амплитуды напряжения и канала измерения амплитуды тока 16, и постоянная величина α, где α=2.
Канал измерения частоты состоит из последовательно соединенных тактового генератора 5, счетчика двоичных импульсов 6, второго блока скользящего усреднения 7, второго линейного преобразователя 8, а также компаратора 9, выход которого соединен с входом сброса счетчика двоичных импульсов 6.
Первый, второй и третий блоки скользящего усреднения (фиг.2) состоят из первой и второй линий задержек 18, 19 и сумматора 17, причем первый вход сумматора 17 объединен со входом первой линии задержки 18, а выход сумматора 17 соединен со входом второй линии задержки 19, а выходы первой и второй линий задержек 18 и 19 соединены со вторым и третьим входами сумматора 17 соответственно, причем второй вход сумматора является инверсным. В первом 2 и третьем 11 блоках скользящего усреднения первая линяя задержки 18 обладает глубиной N, где N - количество дискретных отсчетов в полупериоде. Во втором блоке скользящего усреднения 7 первая линяя задержки 18 обладает глубиной К, где К- количество периодов усреднения при измерении частоты.
0
Рассмотрим принцип работы измерителя. Представим входные сигналы напряжения и тока в виде основной гармоники с частотой f и набора гармоник высших порядков, возникающих при переходных процессах:
,
где n - номер гармоники, φ разность фаз между током и напряжением.
В энергетических системах во время переходных процессов существенно преобладают нечетные гармоники, особенно третья и пятая. Найдем энергию сигнала при n=2р+1, где р=0,1,2…. Благодаря ортогональности гармонических составляющих сигнала для нечетных гармоник имеем:
2
где <U> - оценка среднеквадратичной амплитуды сигнала,
- период основной гармоники.
Тогда оценка среднеквадратичной амплитуды напряжения:
По аналогии для оценки среднеквадратичной амплитуды тока выполняется выражение:
Взаимно-корреляционная функция сигналов тока и напряжения с учетом сделанных предположений, при условии высокой корреляции между током и напряжением может быть вычислена как:
Откуда получаем выражение для косинуса разности фаз:
Принцип работы канала измерения амплитуды напряжения основан на алгоритме (1), реализованном в дискретном приближении:
k
∂
∂
где U=U[kT] - дискретные отсчеты входных сигналов напряжения, взятые в момент времени kТ, где Т - период дискретизации.
i
Канал измерения амплитуды напряжения работает следующим образом. Дискретные отсчеты сигнала напряжения XU поступают на схему возведения в квадрат 1 (фиг.1), где претерпевают нелинейное преобразование, а затем на первый блок скользящего усреднения 2, где вычисляется энергетическая характеристика входного сигнала. После чего полученный результат поступает на первый линейный преобразователь 3, реализованный в виде умножителя на постоянный коэффициент , а далее на схему извлечения квадратного корня 4, откуда снимается оценка амплитуды входного сигнала напряжения, выраженная в масштабе величин входных дискретных отсчетов XUi.
Алгоритм работы канала измерения частоты основан на подсчете количества тактовых интервалов (импульсов) между нулями входного сигнала напряжения. Результат подсчета непрерывно усредняется по К периодам. В практических приложениях выбор К зависит от требуемой точности; рекомендуется К≥8. Так как изменение частоты в энергосистемах происходит медленнее по сравнению с изменением тока, напряжения и разности фаз, то требований высокого быстродействия на канал измерения частоты не налагается.
0
Канал измерения частоты работает следующим образом. Прямоугольные сигналы с тактового генератора 5 (фиг.1) поступают на вход двоичного счетчика со сбросом 6, где производится подсчет количества тактовых импульсов в течение длительности К периодов. Один раз в полупериод, в момент перепада сигнала сброса, поданного с выхода компаратора 9 (значение пороговой величины γ, выбираемой в зависимости от уровня шума во входных сигналах), накопленное счетчиком значение подается на второй блок скользящего усреднения 7, где непрерывно усредняется в течение К периодов и затем масштабируется вторым линейным преобразователем 8, реализованным в виде умножителя на постоянный коэффициент. Оценка частоты выдается в единицах количества дискретных отсчетов тактового генератора на половину периода входного сигнала.
Алгоритм работы канала измерения амплитуды тока 16 аналогичен алгоритму работы канала измерения амплитуды напряжения.
Принцип работы канала измерения разности фаз между током и напряжением основан на алгоритме (2) в дискретном приближении:
k
∂
∂
где I=[kT] - дискретные отсчеты входных сигналов тока, взятые в момент kT;
i
<I> - дискретные отсчеты среднеквадратичной оценки амплитуды тока;
i
∂
<FI>=φ[iT].
i
i
Канал измерения фазы работает следующим образом. Дискретные отсчеты тока и напряжения подаются на первый умножитель 10, который выполняет функцию фазового детектора. С выхода первого умножителя 10 результат подается на третий блок скользящего усреднения 11, с которого снимаются отсчеты взаимно-корреляционной функции между сигналами, вычисленной за время полупериода. Далее последние поступают на вход делителя 12, где нормируются на продукт произведения, снимаемый с выхода второго умножителя 15, на входы которого подаются дискретные отсчеты оценки амплитуды напряжения<U>и тока<I>16, и постоянная величина α, где α=2. Выходной сигнал с делителя 12 подается на схему нелинейного ограничения 13, работающую в соответствии с правилом:
i
С выхода схемы нелинейного ограничения 13 результат поступает на тригонометрический блок 14, производящий вычисление функции arccos(x). С выхода тригонометрического блока 14 снимаются дискретные отсчеты оценки разности фаз между током и напряжением<FI>.
Предлагаемое устройство позволяет проводить оценку параметров переменного тока при наличии амплитудного и фазового шума, гармоник высших порядков, кратных основной частоте с задержкой в четверть периода с момента снятия дискретных отсчетов до выдачи результата.
На основе практических исследований рабочих характеристик предлагаемого устройства измерения параметров переменного тока промышленной частоты 50 Гц при частоте опорного генератора и частоте дискретизации входных сигналов 20 кГц и коэффициенте гармоник 15% получены следующие показатели: точность измерения амплитуд тока и напряжения - 0,1%; точность измерения разности фаз - 0,1%; точность измерения частоты (при К=8) - 0,02%; задержка измерения параметров с момента снятия дискретных отсчетов до выдачи результатов - 5 мс.