АНАЛИЗАТОР КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Область техники
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использовано для мониторинга качества отпускаемой электрической энергии.
Уровень техники
Известно устройство (по патенту РФ №2339046), осуществляющее способ сжатия значений, характеризующих формы волны отслеживаемого сигнала электрической энергии, включающий сбор данных, представляющих периоды сигнала электрической энергии, разложение формы волны на множество компонентов, охватывающее множество периодов формы волны, и раздельное сжатие значений, по меньшей мере, некоторых компонентов, охватывающее множество периодов, отличающийся тем, что преобразование замеров каждой группы включает быстрое преобразование Фурье. Для достижения данного результата осуществляют сбор данных, представляющих периоды контролируемого сигнала, разложение формы волны сигнала электрической энергии на множество компонентов. При этом это множество включает весь спектр периодов волны. Далее осуществляют индивидуальное сжатие значений и сохранение этих значений и соответствующих диапазонов их изменений.
В состав известного устройства входят блоки, производящие замеры, определяющие частоту сети, определяющие значения параметров, определяющие интервалы значений, блоки памяти и блок преобразования Фурье.
Недостатками известного технического решения является низкая производительность и недостаточная точность анализа качества электрической энергии.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение производительности и точности анализа качества электрической энергии.
Поставленная цель достигается за счет того, что в анализаторе качества электрической энергии, содержащем аналого-цифровой преобразователь со входом, модуль гальванической развязки, блок вэйвлет-преобразования, системную шину, блок памяти, интерфейсный модуль, блок обработки сигнала, причем аналого-цифровой преобразователь соединен своим выходом со входом модуля гальванической развязки, который своим выходом соединен со входом блока вэйвлет-преобразования, а блок вэйвлет-преобразования, блок памяти, интерфейсный модуль и блок обработки сигнала соединены с системной шиной.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема анализатора качества электрической энергии.
Раскрытие полезной модели
На чертеже обозначены: кварцевый генератор 1, блок обработки сигналов 2, блок памяти 3, выходной преобразователь 4, интерфейсный модуль 5, блок входных делителей 6, аналого-цифровой преобразователь 7, модуль гальванической развязки 8, блок вэйвлет-преобразования 9, системная шина 10.
Основными элементами устройства являются аналого-цифровой преобразователь (далее по тексту АЦП) 7, блок вэйвлет-преобразования 9, блок обработки сигналов 2, блок памяти 3, интерфейсный модуль 5. Все элементы устройства могут быть размещены в корпусе (на рисунке не показан). Корпус может быть выполнен различной формы. Корпус может состоять из дна, стенок и крышки. В корпусе могут быть выполнены отверстия, обеспечивающие входы в соответствующие блоки устройства для выполнения необходимых операций. Внутри корпуса размещены блок входных делителей 6, АЦП 7, модуль гальванической развязки 8, блок вэйвлет-преобразования 9, системная шина 10, кварцевый генератор 1, блок обработки сигналов 2, блок памяти 3, выходной преобразователь 4 и интерфейсный модуль 5.
Соединение элементов в устройстве осуществлено следующим образом, блок входных делителей 6 соединен с АЦП 7. АЦП 7 соединен с модулем гальванической развязки 8. Модуль гальванической развязки 8 соединен с блоком вэйвлет-преобразования 9. Блок вэйвлет-преобразования 9 соединен с системной шиной 10. К системной шине присоединены кварцевый генератор 1, блок обработки сигналов 2, выходной преобразователь 4 и блок памяти 3. Выходной преобразователь 4 соединен с интерфейсным модулем 5. Выходной преобразователь 4 и интерфейсный модуль 5 могут быть выполнены как одно устройство. Соединение элементов в устройстве может быть осуществлено при помощи проводов.
Блок входных делителей 6 представляет собой устройство для пропорционального уменьшения постоянного или переменного напряжения до требуемых значений. Блок входных делителей 6 может включать элементы активных или реактивных сопротивлений.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7 представляет собой устройство, выполненное стандартным образом и предназначенное для преобразования входного аналогововго сигнала (напряжения и/или тока) в цифровую форму.
Модуль гальванической развязки 8 представляет собой стандартное устройство, выполненное, например, в виде оптронной пары.
Блок вэйвлет-преобразования 9 (http://chaos.ssu.runnet.ru/kafedra/edu_work/textbook/khovanovs-01/node25.html, http://ufn.ru/ufn96/ufn96_11/Russian/r9611a.pdf) выполнен с обеспечением вычисления соответствующих входных сигналов в выходные сигналы, необходимые пользователю. В частном случае бок вэйвлет-преобразования 9 раскладывает исходный сигнал по базисным функциям, полученным из некоторого прототипа (например, в качестве базисной функции может быть взята функция Гаусса и ее производные, МНАТ или «Мексиканская шляпа», функция Меандр, функция Морле) путем сжатий, растяжений и сдвигов по времени. В блоке вэйвлет-преобразования 9 может быть занесена информация о базисной функции.
Кварцевый генератор 1 представляет собой стандартное устройство, обеспечивающее стабильность работы всего устройства.
Устройство может включать в себя блок обработки сигналов 2. Блок обработки сигналов 2 представляет собой блок, осуществляющий дополнительную необходимую обработку сигнала, например, производит усреднение, нахождение максимального и/или минимального значения или другие необходимые пользователю преобразования.
Блок памяти 3 представляет собой устройство, состоящее из ячеек памяти, в которых записана необходимая пользователю информация.
Выходной преобразователь 4 представляет собой устройство, предназначенное для преобразования поступившего в него сигнала в необходимую пользователю форму, например, преобразования сигнала для дальнейшего отображения или передачи сигнала.
Интерфейсный модуль 5, обеспечивает графическое отображение и обмен информацией между взаимодействующими объектами. Интерфейсный модуль 5 может иметь выход, например, RS-232, USB или Ethernet.
Системная шина 10 выполнена с обеспечением ее соединения с кварцевым генератором 1, блоком вэйвлет- преобразования 9, блоком обработки сигнала 2, блоком памяти 3 и выходным преобразователем 4. Системная шина 10 предназначена для передачи необходимых данных между элементами устройства.
В состав устройства может входить блок логических интегральных схем (на рисунке не показан), представляющий собой микросхему или блок соединенных микросхем, представляющих собой логические элементы. Блок логических интегральных схем может быть присоединен к системной шине 10.
Осуществление полезной модели
Полезная модель реализуется следующим образом. Устройство предназначено для анализа качества электрической энергии в электрической сети. Под электрической сетью понимается совокупность устройств, служащих для передачи и распределения электрической энергии к электроприемникам. Для анализа качества электрической энергии пользователь соединяет устройство с электрической сетью. Для этого пользователь соединяет соответствующие входы устройства с электрической цепью. В частном случае, при подключении устройства к электрической сети сигнал о токе/напряжении в электрической сети поступает в АЦП 7, который принимает входные аналоговые сигналы и преобразует в соответствующие им цифровые сигналы, удобные для обработки другими элементами устройства. К блоку входных делителей 6 поступает сигнал о напряжении из электрической сети. Напряжение, выдаваемое блоком входных делителей 6 уменьшается до разрешенных значений. Далее сигнал из блока входных делителей 6 поступает к соответствующему входу АЦП 7. АЦП 7 принимает входные аналоговые сигналы о напряжении/токе и преобразует в соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для дальнейшей обработки цифровыми блоками устройства. Также сигнал о токе и напряжении может поступать непосредственно в АЦП 7, при выполнении устройства без блока выходных делителей 6. Далее сигнал от АЦП 7 поступает к соответствующему входу модуля гальванической развязки 8. Модуль гальванической развязки 8 обеспечивает защиту внутренних блоков устройства от повреждения при скачках напряжения в сети. Далее сигнал от модуля гальванической развязки 8 поступает к блоку вэйвлет-преобразования 10. Блок вэйвлет-преобразования 10 преобразует сигнал о токе и/или напряжении в соответсвующую матрицу коэффицинетов вэйвлет-преобразования в соответствии с выбранной базисной функцией. Для этого блок вэйвлет-преобразования 10 перемножает полученный сигнал с базисной функцией в конкретный промежуток времени для данного сдвига во времени. Результат перемножения записывается в ячейку матрицы вейвлет-коэффициентов. Затем сдвигают базисную функцию во времени и снова вычисляют скалярное произведение, результат которого записывается в следующую ячейку матрицы. Увеличивают масштаб базисной функции и выполняют аналогичные действия, формируя тем самым очередную строчку матрицы вейвлет-коэффициентов. Результатом вейвлет-преобразования будет матрица размером N×M, где N-число смещений базисной функции, а М-число изменений масштаба. Результаты полученной матрицы- это вычисленные амплитуда и фаза каждой гармонической составляющей (с 1-ой по n-ю). Для оценки несинусоидальности измеряемых токов и напряжений знание фазы не требуется (эта величина нужна для других целей), а оценка осуществляется с помощью следующих коэффициентов (например, для напряжения):
Коэффициент искажения синусоидальности
Коэффициент n-ой гармонической (интергармонической) составляющей
1
Где U - амплитуда (или действующее значение) первой гармоники;
n
U - амплитуда (или действующее значение) n-ой гармоники (интергармоники). Далее блок вэйвлет-преобразования 10 передает сигнал о величине произведения базисной функции на исходный сигнал в системную шину 10. Из системной шины 10 сигнал поступает в соответствующие блоки. При этом кварцевый генератор 1 задает тактовую частоту всему устройству для своевременного срабатывания соответствующих блоков устройства.
Блок обработки сигналов 2 осуществляет дополнительную необходимую обработку сигнала, производит усреднение, нахождение максимального и/или минимального значения. Преобразованные сигналы блок обработки сигналов 2 передает в системную шину 10. Из системной шины 10 преобразованный сигнал передается в выходной преобразователь 4, который преобразует сигнал для дальнейшей его передачи или отображения на соответствующем устройстве.
Преобразованные сигналы в блоке вэйвлет-преобразования 9 и в блоке обработки сигналов 2 при необходимости записываются в соответствующих ячейках памяти блока памяти 3.
Также сигналы от блока вэйвлет-преобразования 9 по системной шине 10 поступает в выходной преобразователь 4, где преобразуется в необходимый для передачи через интерфейсный модуль 5 сигнал для его отображения или дальнейшей передачи в другие устройства.
Таким образом, поставленная цель достигается за счет того, что в устройстве, содержащем АЦП 7, блок вэйвлет-преобразования 9, блок обработки сигналов 2 и интерфейсный модуль 5 с совокупностью всех признаков устройства, достигается поставленная повышение производительности и точности анализа качества электрической энергии.