УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАГРУЗКИ ПО НАПРЯЖЕНИЮ С ЗАЩИТОЙ ОТ АНОМАЛЬНЫХ ИСКАЖЕНИЙ

a
a
a
0
1
2
Полезная модель относится к области измерений в электротехнике и может быть использована для определения статических характеристик нагрузки по напряжению U, которые представляют в виде полинома  второй степени с коэффициентами аппроксимации , , , соответствующими минимальному среднеквадратическому
отклонению значений напряжения и мощности.
Предложенное техническое решение представляет собой специализированное устройство измерительной и вычислительной техники, содержащее элементы (блоки) и связи между ними, находящиеся в функционально-конструктивном единстве и размещенные в ограниченном пространстве с возможностью выполнения в едином корпусе.
Известны устройства для измерений и определения различных характеристик и параметров нагрузки электрических цепей.
В частности, известно устройство [RU 143384, U1, G09B 23/18, 20.02.2014], содержащее модели силового трансформатора, линии электропередачи и электрической нагрузки, а также, по меньшей мере, один измеритель параметров режима работы сети системы электроснабжения, снабженный выводами для подключения к электрической сети 220 В, причем устройство дополнительно снабжено стабилизатором напряжения для подключения через него к электрической сети.
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, поскольку, хотя известное устройство и позволяет проводить измерения параметров электрических сетей, но не позволяет определять статические характеристики нагрузки по напряжению.
Кроме того, известно техническое решение [RU 133931, U1, G01M 17/08, 27.10.2013], содержащее ЭВМ с принтером и блоком беспроводного интерфейса, подсистему диагностирования электрических цепей, измеритель изоляции, внешний порт передачи данных, подсистему управления электрическими цепями, имеющую распределенную структуру и содержащую два блока измерения и управления с преобразователями электросигналов, блоки питания, при этом, измеритель изоляции подключен к внешнему порту передачи данных, ЭВМ соединена с блоками измерения электрических цепей, блоками питания и управления, блоки измерения подключены к электрическим цепям, блоки питания, измерения и управления соединены с преобразователями электросигналов, подключены к силовым и вспомогательным электрическим цепям, блоки распределенной структуры измерения электрических цепей выполнены в виде модулей, в которых составляющие устройство диагностирования компоненты распределены следующим образом: один блок в виде “мегаомметра”, другой блок в виде “Z-метра”, причем, модуль “мегаомметр” содержит микроконтроллер, энергонезависимую память, микросхему часов реального времени, драйвер USB, блок питания, блок заряда аккумуляторов, аккумулятор, гальванически развязанный блок питания, формирователь высоковольтного выходного напряжения, усилитель тока, усилитель напряжения, схему управления, интерфейса UART, а блок “Z-метр” содержит микроконтроллер, энергонезависимую память, микросхему часов реального времени, драйвер USB, блок питания, блок заряда аккумуляторов, аккумулятор, генератор измерительного сигнала, узел преобразователей, узел синхронного детектора и интегратор логического узла.
Недостатком этого технического решения является относительно высокая сложность и относительно узкие функциональные возможности, поскольку, хотя известное устройство и позволяет проводить измерения параметров электрических сетей, но не позволяет определить статические характеристики нагрузки по напряжению.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному, является устройство [RU 2509314, C2, G01R 27/00, 10.03.2014], содержащее фильтр низкой частоты, вход которого подключен к контролируемой сети, источник опорного напряжения, индикатор и компараторы аварийной и предупредительной сигнализации, преобразователь сопротивления в напряжение, разностный усилитель, блок дифференцирования и компаратор, причем, источник опорного напряжения подключен к первому входу разностного усилителя и входу преобразователя сопротивления в напряжение, один выход которого связан с входом фильтра низкой частоты, а другой - с входом блока дифференцирования и вторым входом разностного усилителя, выход которого соединен с индикатором и с первыми входами компараторов аварийной и предупредительной сигнализации, ко вторым входам - входам стробирования которых через третий компаратор подключен выход блока дифференцирования.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, поскольку, хотя известное устройство и позволяет проводить контроль и измерение параметров электрических сетей, но не позволяет определять статические характеристики нагрузки по напряжению с учетом возникающих аномальных искажений измеряемых параметров.
Задачей настоящей полезной модели является разработка устройства, позволяющего определять статические характеристики нагрузки по напряжению при наличии нерегулярных колебаний и дрейфа мощности в условиях возможных аномальных искажений.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения определения статических характеристик нагрузки по напряжению при наличии нерегулярных колебаний и дрейфа мощности в условиях возможных аномальных искажений.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается путем введения в известное устройство дополнительного арсенала технических средств, в частности, тем, что, в устройство, содержащее блок фильтрации, согласно полезной модели, введены измерительный трансформатор тока, включенный на выходе питающего нагрузку трансформатора, измерительный трансформатор напряжения, включенный параллельно нагрузке, блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом питающего нагрузку трансформатора, блок измерения активной мощности и напряжения, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока управления, а первый и второй информационные входы, соединены, соответственно, с выходом измерительного трансформатора тока и измерительного трансформатора напряжения, блок определения показателей регулирующих эффектов, вход которого соединен с выходом блока измерений активной мощности и напряжения и с первым информационным входом блока фильтрации, выполненного с возможностью фильтрации пар измерений, блок определения аномальных искажений, вход которого соединен с выходом блока определения показателей регулирующих эффектов, а сигнальный и информационные выходы - соединены, соответственно, с управляющим и вторым информационным входом блока фильтрации, блок определения абсолютных значений базисной мощности, вход которого соединен с выходом блока фильтрации, блок определения относительных значений напряжения и мощности, первый вход которого соединен с выходом блока определения абсолютных значений базисной мощности, блок определения коэффициентов аппроксимации, вход которого соединен с выходом блока определения относительных значений напряжения и мощности, блок определения погрешности, вход которого соединен с выходом блока определения коэффициентов аппроксимации, и блок уточнения относительных значений базисной мощности, вход которого соединен с выходом блок определения погрешности, а выход - соединен со вторым входом блока определения относительных значений напряжения и мощности.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - функциональная схема устройства для определения статических характеристик нагрузки по напряжению с защитой от аномальных искажений;
на фиг. 2 - функциональная схема блока определения аномальных искажений.
На фиг. 1 представлены: блок 1 управления, питающий нагрузку трансформатор 2, блок 3 измерения активной мощности и напряжения, измерительный трансформатор 4 тока, измерительный трансформатор 5 напряжения, блок 6 определения показателей регулирующих эффектов, блок 7 фильтрации, выполненный с возможностью фильтрации пар измерений, блок 8 определения абсолютных значений базисной мощности, блок 9 определения относительных значений напряжения и мощности, блок 10 определения коэффициентов аппроксимации, блок 11 определения погрешности, блок 12 уточнения относительных значений базисной мощности и блок 13 определения аномальных искажений.
На фиг. 2 (функциональная схема блока 13 определения аномальных искажений) представлены: блок 14 вычитания, двухсторонний ограничитель 15, сумматор 16 и нерекурсивный фильтр-усреднитель 17.
В устройстве для определения статических характеристик нагрузки по напряжению с защитой от аномальных искажений (фиг. 1) измерительный трансформатор 4 тока включен на выходе питающего нагрузку трансформатора 2, измерительный трансформатор 5 напряжения включен параллельно нагрузке, первый выход блока 1 управления соединен с управляющим входом питающего нагрузку трансформатора 2, управляющий вход блока 3 измерения активной мощности и напряжения соединен со вторым выходом блока 1 управления, а его первый и второй информационные входы, соединены, соответственно, с выходом измерительного трансформатора 4 тока и измерительного трансформатора 5 напряжения.
Кроме того, в устройстве для определения статических характеристик нагрузки по напряжению с защитой от аномальных искажений вход блока 6 определения показателей регулирующих эффектов соединен с выходом блока 3 измерений активной мощности и напряжения и с первым информационным входом блока 7 фильтрации, выполненного с возможностью фильтрации пар измерений, вход блока 13 определения аномальных искажений соединен с выходом блока 6 определения показателей регулирующих эффектов, а сигнальный и информационные выходы - соединены, соответственно, с управляющим и вторым информационным входом блока 7 фильтрации, вход блока 8 определения абсолютных значений базисной мощности соединен с выходом блока 7 фильтрации, первый вход блока 9 определения относительных значений напряжения и мощности соединен с выходом блока 8 определения абсолютных значений базисной мощности, вход блока 10 определения коэффициентов аппроксимации соединен с выходом блока 9 определения относительных значений напряжения и мощности, вход блока 11 определения погрешности соединен с выходом блока 10 определения коэффициентов аппроксимации, вход блока 12 уточнения значений базисной мощности соединен с выходом блока 11 определения погрешности, а его выход - соединен со вторым входом блока 9 определения относительных значений напряжения и мощности.
Блок 3 измерения может быть выполнен в виде анализатора электропотребления, например, типа AR5. Блок 1 управления 1, блок 6 определения показателей регулирующих эффектов, блок 7 фильтрации, блок 8 определения абсолютных значений базисной мощности, блок 9 определения относительных значений напряжения и мощности, блок 10 определения коэффициентов аппроксимации, блок 11 определения погрешности и блок 12 уточнения относительных значений базисной мощности могут быть выполнены на микроконтроллерах серии 51 производителя atmel AT89S53.
В блоке 13 определения аномальных искажений (фиг. 2) выход блока 14 вычитания соединен с входом двухстороннего ограничителя, сигнальный выход которого является сигнальным выходом блока 13 определения аномальных искажений, а информационный выход соединен с первым входом сумматора 16, выход которого является информационным выходом блока 13 определения аномальных искажений, а первый вход блока 14 вычитания, являющийся входом блока 13 определения аномальных искажений, соединен с входом нерекурсивного фильтра-усреднителя 17, выход которого соединен со вторыми входами блока 14 вычитания и сумматора 16, выход которого является информационным выходом блока 13 определения аномальных искажений.
Устройство для определения статических характеристик нагрузки по напряжению с защитой от аномальных искажений работает следующим образом.
Предложенное устройство позволяет определять статические характеристики нагрузки по напряжению даже при наличии нерегулярных колебаний и дрейфа мощности благодаря тому, что измерения значений напряжения и мощности в блоке измерения производят до и после каждого изменения напряжения, после чего в блоке фильтрации производят фильтрацию полученных пар измерений по значениям регулирующего эффекта нагрузки, а при переводе значений мощности в относительные единицы в блоке приведения для каждой пары измерений выбирают такие значения базисных мощностей, чтобы среднеквадратическое отклонение результатов измерений в относительных единицах от полученной статической характеристики нагрузки было минимальным.
1(i)
2(i)
1(i)
2(i)
1(i)
2(i)
1(i)
2(i)
i
Для реализации таких функций последовательно изменяют напряжение в нагрузке с помощью изменений параметров питающего нагрузку трансформатора 2 путем подачи на его управляющий вход сигнала управления от блока 1 управления, а измерение значений напряжения и мощности на нагрузке производят с помощью блока 3 измерения, на входы которого поступают измеряемые ток и напряжение от измерительного трансформатора 4 тока и от измерительного трансформатора 5 напряжения, соответственно. Для координации процесса измерения с процессом изменения напряжения на нагрузке служит блок 1 управления 1, в котором в соответствии с программой эксперимента последовательно формируют управляющие воздействия для блока 3. В соответствии с управляющими воздействиями до и после каждого изменения напряжения в блоке 3 производят измерение значений трехфазной активной мощности P и P и действующего среднефазного значения напряжения U и U, где i - порядковый номер пары измерений, индекс 1 означает, что измерение произведено до изменения напряжения, а индекс 2 означает, что измерение произведено после изменения напряжения. Далее полученные пары измеренных значений U и U, Р и P одновременно поступают с выхода блока 3 на вход блока 6 определения показателей регулирующих эффектов и на вход блока 7 фильтрации. В блоке 6 определяются значения показателей регулирующих эффектов нагрузки KP для каждой пары измерений в соответствии с соотношением:
.
i
При поступлении значений показателей регулирующих эффектов нагрузки KP из блока 6 в блок 13 входной сигнал блока 13 усредняется в фильтре-усреднителе 17 на некотором скользящем интервале, например, по трем или пяти текущим значениям. Результат усреднения вычитается в блоке 14 из входного сигнала, поэтому на вход двухстороннего ограничителя 15 поступает центрированный входной сигнал. Если центрированные значения показателей регулирующих эффектов нагрузки выходят за пределы ограничений двухстороннего ограничителя, например, становятся меньше -0,75 или больше +1,0, то на сигнальном выходе двухстороннего ограничителя 15 формируется сигнал, который подается на управляющий вход блока 7 фильтрации для исключения соответствующей пары измерений в процессе дальнейшей обработки, как имеющие аномальные искажения из-за наличия нерегулярных колебаний или дрейфа мощности.
1(i)
2(i)
1(i)
2(i)
i
В номинальном режиме, когда аномальные искажения отсутствуют, выходной информационный сигнал блока 13 проступает на второй информационный вход блока 7 фильтрации, где производится линейная фильтрация полученных пар измерений U и U, P и P по значению показателя регулирующего эффекта нагрузки KP.
1(i)
2(1)
1(i)
2(i)
С выхода блока 7 фильтрации пары значений напряжения U и U, и мощности P и P поступают на вход блока 8 определения абсолютных
значений базисной мощности, где определяют первое приближение своего значения базисной мощности для каждой пары измерений:
- для первой пары измерений,
- для последующих пар измерений.
БАЗ(i)
1(i)
2(i)
1(i)
2(i)
Далее полученные значения базисной мощности P вместе со значениями U и U, P и P с выхода блока 8, которые транслируются в него из блока 7, поступают на вход блока 9, где измеренные значения напряжения и мощности переводят в относительные единицы:
, ,
причем для перевода всех измеренных значений мощности и напряжения в относительные единицы используют одно и то же неизменное значение базисного напряжения.
∗1(i)
∗2(i)
∗1(i)
∗2(i)
Полученные значения U и U, P и P в относительных единицах с выхода блока 9 поступают на вход блока 10 определения коэффициентов аппроксимации, где их аппроксимируют полиномом второй степени:
,
a
a
a
0
1
2
причем коэффициенты , ,  определяют методом наименьших квадратов по зависимостям путем решения системы уравнений:
,
,
…
,
.
a
a
a
0
1
2
∗1(i)
∗2(i)
∗1(i)
∗2(i)
Затем полученные коэффициенты , ,  вместе со значениями U и U, P и P с выхода блока 10 определения коэффициентов
аппроксимации поступают на вход блока 11 определения погрешности, где определяют среднеквадратическое отклонение значений напряжения и мощности в относительных единицах от полученного полинома:
,
a
a
a
0
1
2
∗1(i)
∗2(i)
∗1(i)
∗2(i)
где N - количество пар измерений, оставшихся после фильтрации в блоке 7 фильтрации. Затем, определенные ранее значения коэффициентов , ,  вместе со значениями U и U, P и P, поступают с выхода блока 11 определения погрешности на вход блока 12 уточнения относительных значений базисной мощности, в котором определяют второе приближение своего значения базисной мощности для каждой пары измерений:
.
ЪА30)
Полученные значения базисной мощности Р поступают с выхода
a
a
a
0
1
2
БАЗ(i)
блока 12 уточнения относительных значений базисной мощности на вход блока приведения 9, в котором повторяют перевод измеренных значений мощности в относительные единицы по формулам (1) и далее устройство продолжает работать описанным выше образом. При этом, перевод значений мощности в относительные единицы, определение коэффициентов , , , определение среднеквадратического отклонения σ и определение следующего приближения значений базисной мощности P повторяют до тех пор, пока с каждым последующим повторением среднеквадратическое отклонение σ существенно уменьшается и прекращают этот процесс, когда уменьшение становится несущественным.
a
a
a
0
1
2
В качестве искомой статической характеристикой нагрузки по напряжению принимают регрессионную модель в виде полинома второй степени  с коэффициентами , , , соответствующими минимальному среднеквадратическому отклонению значений напряжения и мощности.
Таким образом, благодаря введению дополнительного арсенала технических средств (в частности, тем, что, введены измерительный трансформатор тока, включенный на выходе питающего нагрузку трансформатора, измерительный трансформатор напряжения, включенный параллельно нагрузке, блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом питающего нагрузку трансформатора, блок измерения активной мощности и напряжения, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока управления, а первый и второй информационные входы, соединены, соответственно, с выходом измерительного трансформатора тока и измерительного трансформатора напряжения, блок определения показателей регулирующих эффектов, вход которого соединен с выходом блока измерений активной мощности и напряжения и с первым информационным входом блока фильтрации, выполненного с возможностью фильтрации пар измерений, блок определения аномальных искажений, вход которого соединен с выходом блока определения показателей регулирующих эффектов, а сигнальный и информационные выходы - соединены, соответственно, с управляющим и вторым информационным входом блока фильтрации, блок определения абсолютных значений базисной мощности, вход которого соединен с выходом блока фильтрации, блок определения относительных значений напряжения и мощности, первый вход которого соединен с выходом блока определения абсолютных значений базисной мощности, блок определения коэффициентов аппроксимации, вход которого соединен с выходом блока определения относительных значений напряжения и мощности, блок определения погрешности, вход которого соединен с выходом блока определения коэффициентов аппроксимации, и блок уточнения относительных значений базисной мощности, вход которого соединен с выходом блок определения погрешности, а выход - соединен со вторым входом блока определения относительных значений напряжения и мощности), в предложении достигнут требуемый технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей путем обеспечения определения статических характеристик нагрузки по напряжению при наличии нерегулярных колебаний и дрейфа мощности с защитой от аномальных искажений.