Измеритель параметров качества электроэнергии на базе ПЭВМ

УДК 621.311.004.12

Левин В. И.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

НА БАЗЕ ПЭВМ

В настоящее время в связи с использованием новых технологий, критичных к качеству электропитания существенно изменились требования к качеству электроэнергии (КЭ). Поэтому весьма актуальной задачей является разработка методов и средств контроля КЭ в электрических сетях В статье рассмотрена структура измерителя КЭ на базе ПЭВМ.

Показатели КЭ могут быть получены при помощи, набора мгновенных значений напряжений и токов измеренных в известные моменты времени (фазы сигнала).

Можно выделить три основные функциональные части измерителя КЭ:

1. Аппаратура измерения мгновенных значений токов и напряжения, работающая согласно определенным алгоритмам измерения.

2. Аппаратура обработки результатов вычисления, работающая по заданным алгоритмам вычисления показателей КЭ.

3. Средства отображения и хранения полученных результатов.

В настоящее время одним из наиболее удобных и перспективных решений является создание измерителя КЭ на базе персонального IBM-совместимого компьютера или промышленного компьютера серии Micro-PC. При таком подходе основными проблемами разработки являются:

1. Выбор и оценка наиболее оптимальных алгоритмов вычисления показателей КЭ по мгновенным значениям тока и напряжения.

2. Разработка оптимальных алгоритмов измерения, обеспечивающих минимальную погрешность вычисления.

3. Разработка высокоточной аппаратуры измерения мгновенных значений, работающей согласно определенным алгоритмам измерения.

4. Реализация алгоритмов вычисления на алгоритмических языках высокого уровня и создание удобного графического интерфейса пользователя.

Рассмотрим, в качестве примера, реализацию измерений несимметрии напряжений применяя дискретное преобразование Фурье. Комплекс действующих значений симметричных составляющих напряжений определяется выражением [1]:

Un=l/3

где a - оператор поворота на 120°;

п - измеряемая последовательность напряжений.

Приняв п = 2 (обратная последовательность) получим следующие выражения для квадратурных составляющих [1]:

га-1

Un2x=2/mZ Ua(ti)sin(coti ±<р);

т-1

Un2y=2/m£ иа(^)со8(ю^±ф);

И)

где n - А,В,С;

Ф - 0,-120°,+120°;

m -количество точек дискретизации;

ti -моменты измерения.

Так как, измерения проводятся в заранее известные фазы сигнала rati, величины sincati и cosoti являются заранее вычисленными табулированными значениями.

В связи с отклонением частоты сети от номинальной, основной проблемой является соответствие моментов измерения мгновенных значений заданным фазам сигнала Для удовлетворения этого соответствия применяется следующий алгоритм измерения:

1-й шаг: Измерение периода сигнала непосредственно перед текущим моментом измерения и определение шага дискретизации во временном измерении.

2-й шаг: Измерение мгновенных значений в вычисленные моменты времени.

За начало отсчета принимается момент перехода синусоидального сигнала через нулевое значение.

Структурная схема измерителя качества электроэнергии на базе ПЭВМ

Ua Ub Uc la lb lc 111111

Устройство сопряжения напряжений

Устройство сопряжения токов

Уэт

Uak

Аналоговый мультиплексор

Буферный усилитель

Блок управления дискретизацией ♦

Компаратор

Задающий генератор

АЦП

Устройство управления

iz

ту ii.

Схема Таймер

управле-

ния

таймером

7V

iz.

Интерфейс системной шины

-_-

Системная шина tSA

Системный блок ПЭВМ IBM PC

Монитор

Клавиатура

Другие ПУ

Рис. 1

Структурная схема измерителя КЭ на базе ПЭВМ представлена на рис. 1.

Устройство сопряжения напряжений подключает фазные напряжения поступающие с выходом измерительных трансформаторов на вход аналогового мультиплексора. Устройство сопряжения осуществляет гальваническую развязку, нормирование сигнала, а также отключение входных сигналов от измерительного тракта при отключении прибора (защита входных цепей).

Аналогичные функции выполняет устройство сопряжения токов. Дополнительно в состав устройства входит преобразователь тока в напряжение. Преобразователь имеет элементы защиты, т.к. во время аварий входной ток может в 40 раз превышать номинальное значение [2].

Для повышения точности и стабильности измерительного тракта на входы мультиплексора дополнительно подается напряжение иоп с выхода источника опорного напряжения и 17о. Эти дополнительные входы применяются для самокалибровки прибора.

Блок управления дискретизацией управляет процессом дискретизации и реализует по сути приведенный выше алгоритм измерения. Компаратор отслеживая моменты перехода через ноль аналогового сигнала напряжения фазы А запускает и останавливает счетчики таймера, что позволяет, зная частоту задающего генератора, вычислять значение периода сигнала и его частоту. После измерения периода, значения находящиеся в счетчиках таймера делятся на количество точек дискретизации и таким образом определяется интервал считывания мгновенных значений. Таймер перепрограммируется в режим, при котором он генерирует импульсы, запускающие АЦП

Шинный интерфейс обеспечивает "общение" ПЭВМ с аппаратурой измерения и позволяет:

программировать таймер и считывать значения его счетчиков и управляющих

регистров;

считывать сигналы готовности АЦП;

считывать код полученный после аналого-цифрового преобразования.

Полученные наборы мгновенных значений подвергаются обработке в ПЭВМ и

отображаются на мониторе в графическом и цифровом представлении, а также могут быть выведены на принтер.

Описанное устройство было реализовано на базе ПЭВМ ЮМ РС. В устройстве применялся 10-разрядный АЦП, а количество точек дискретизации на период равнялось 360.

В таблице представлены измеряемые величины и погрешность их измерения.

Таблица

[ Наименование измеряемой Наименование Полученное значение |

I величины погрешности погрешности, % |

Г1. Действующие значения 1

переменных напряжений частотой от 45 до 55 Гц,

Ua, В относительная 0.08

иь,в -II- 0.08

Uc,B 0.113

2. Действующие значения

напряжений первой гармоники частотой от 45 до 55 Гц,

Ula, В -II- 0.08

ШЪ,В -II- 0.08

Ule, В -II- 0.113

J 3. Действующие значения силы I переменного тока, 1а, В lb, в 1с, В 0.345 1 0.291 I 0.364 I

1 4. Угол сдвига фаз между током и напряжением в.фазах, Фа, ° ФЬ,° Фс,° абсолютная угловая 0.3° I 0.3° I 0.3° I

5. Угол сдвига фаз в трехфазной сети между током и напряжением 1 прямой последовательности, 1 Ф, 0 -//- 0.3°

6. Коэффициент мощности в фазах А,В,С, cos Фа cos ФЪ 1 cos Фс абсолютная 1 0.006 1 0.009 I 0.003 I

| 7. Коэффициент мощности J трехфазной сети I cos Ф -II- 0.006 1

У 8. Активные составляющие б мощности переменноготока в I фазах, И Ра ,Вт 1 РЬ ,Вт , I Рс ,Вт • относительная 0.354 I 0.301 I 0.384 J

9. Активная составляющая мощности переменного тока трехфазной сети, Р, Вт. -II- 0.462 [

10. Реактивные составляющие мощности переменного тока в фазах Qa, Вт Qb, Вт Qc; рт -II--II--II- 0.354 I 0.301 I 0.384

11. Реактивная составляющая мощности переменного тока трехфазной сети Q, Вт V » -II- f' 1 0.462

12. Полная мощность переменного тока в фазах, Sa, Вт Sb, Вт Sc, Вт > -II--II--II- 0.354 0.301 0.384

I 13. Полная мощность переменного тока трехфазной сети, S, Вт -II- 0.462

114. Отклонение напряжения в фазах, Диа, % диъ,% Дис, % -II- - -II- 0.08 1 0.08 0.113

15. Отклонение напряжения трехфазной сеть, ди,% -II- 0.159 1

16. Коэффициент несинусоидальности в фазах, Кнсиа, % КнсШ, % Кнсис, % -II--II--II- 0.08 I 0.08 1 0.113 |

17. Коэффициент п-ной гармонической составляющей в фазах, Кц(п)а, % Ки(п)Ь, % * Ки(п)с , % -II--II--II- 0.08 1 0.08 I 0.113 I

| 18. Нулевая последовательность I напряжений, I Ш, В -II- 0.159

119. Обратная последовательность | напряжений, I иг, в -II- 0.159

1 20. Прямая последовательность | напряжений,* I 1Л, В -II- 0.159

| 21. Коэффициент нулеврй 1 последовательности напряжений, | Кои, % ' 0.159

1 22. Коэффициент обратной (последовательности напряжений, 1 К2и, % 0.159

I 23. Частота, I Р>Г1* -II- 0.005

I 24. Отклонение частоты, I ДР, Гц -II- 0.005

Вывод

Разработанное устройство позволяет производить комплексную оценку КЭ в реальном масштабе времени с достаточной точностью.

Перечень ссылок

1. ГОСТ 13109-87. Электрическая энергия. Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 20 с.

2. Обобщенные технические требования к цифровым регистраторам аварийных событий /РЗА МинЭнерго Украины. -К,-1994.