СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ И ВЫЧИСЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
METHOD TO MEASURE AND CALCULATE PARAMETRES OF ELECTRIC CIRCUIT

Изобретение относится к способам измерения и вычисления основных параметров электрической сети - амплитудных и действующих значений токов и напряжений в информационно-управляющих комплексах для АСУ распределенными энергообъектами и производствами.
Известен способ измерения амплитудных и действующих значений тока и напряжения, используемый в информационно-управляющих телемеханических комплексах (К.Г.Митюшкин. Телемеханика в энергосистемах. - М.: Энергоатомиздат, 1988 г.), основанный на промежуточном преобразовании сигнала переменного тока от измерительных трансформаторов в сигнал постоянного тока и последующем аналого-цифровом преобразовании сигнала постоянного тока.
Наличие промежуточных преобразователей снижает точность, быстродействие и надежность такого способа измерений, причем деградация характеристик увеличивается с ростом числа каналов ввода измерительной информации.
Наиболее близким к предложенному является способ прямых измерений и вычислений, используемый в системе преобразования, интегрирования и накопления параметров электроэнергии «Спринт» (Портнов Е.М. и др. Энергетик, № 12, 1996, стр.13-14), принятый за прототип, и в патенте Рф № 2132573 (Портнов Е.М. и др. Кодоимпульсное передающее устройство, бюллетень № 18, 27.06.99). Способ основан на сканировании текущих значений измеряемых параметров электрической сети, полученных непосредственно от измерительных трансформаторов тока и напряжения, прямом аналого-цифровом преобразовании полученных мгновенных значений сигналов, запоминании сформированных кодов и использовании их для вычисления действующих и амплитудных значений параметров электрической сети.
При реализации известного способа определяют длительность периода частоты электрической сети, разделяют полученное значение на интервалы равной длительности, в каждом образованном интервале сканируют мгновенные значения сигналов от измерительных трансформаторов тока и напряжения, полученные мгновенные значения параметра преобразуют в коды, которые используют для вычисления действующего и амплитудного (максимального) значения измеряемого параметра.
Известный способ измерений параметров электрической сети позволяет исключить индивидуальные промежуточные преобразователи измеряемых сигналов переменного тока в сигналы постоянного тока и благодаря этому упростить и повысить надежность измерительного устройства.
д
Недостатком известного способа является сложность получения мгновенных значений и вычисления требуемых параметров электрической сети по большому числу значений параметра, полученных за один период частоты электрической сети. Так, например, действующее значение напряжения (U) вычисляют по формуле:
,
i
где «n» - число интервалов, образованных для фиксации мгновенных значений измеряемого напряжения за один период частоты электрической сети, U - значение напряжения в интервале «i». Аналогично получают действующее значение тока.
Вычисления значений параметров требуют значительных затрат времени и приводят либо к уменьшению числа интервалов сканирования и соответствующему увеличению погрешности, либо к уменьшению числа измеряемых параметров.
Задачей изобретения является упрощение способа измерений и вычислений амплитудных и действующих значений токов и напряжений. Благодаря применению предложенного способа упрощается структура и повышается надежность устройств ввода информации от датчиков - измерительных трансформаторов тока и напряжения.
Это достигается тем, что переходят от многократного в течение одного периода частоты электрической сети аналого-цифрового преобразования измеряемого параметра к однократному измерению амплитудного значения измеряемого сигнала в каждой половине периода и последующему усреднению полученных значений для определения амплитудного значения измеряемого сигнала, а действующее значение измеряемого сигнала получают делением вычисленного амплитудного значения на коэффициент .
На фиг.1 приведена реализация предложенного способа с использованием устройства для измерения и вычисления параметров электрической сети.
Устройство включает источник 1 частоты электрической сети, сигнал которого воспринимается компаратором 2. Первый 3 и второй 4 инверторы формируют сигналы управления режимом прямого и обратного счета импульсов первым 5 и вторым 6 реверсивными счетчиками. Первый, тактовый вход счетчиков 5 и 6 соединен с выходом генератора 7 тактовых импульсов. Выходные сигналы от разрядов 1…n счетчиков 5 и 6 сравниваются компаратором 8. Выход компаратора 8 соединен с первым (S) входом триггера 9, у которого второй (D) вход соединен с нулевым выходом источника питания (не показанного на фиг.1), а третий (С) вход - с выходом формирователя 10 импульсов, подключенного входом к выходу инвертора 3. Первый 11 и второй 12 элементы И одним входом подключены соответственно к выходам 3 и 4, а вторыми входами - к выходу триггера. Измеряемый сигнал от измерительного трансформатора тока или напряжения (не показанного на фиг.1) через узел 13 согласования поступает на первый, информационный вход коммутатора 14, у которого второй управляющий вход соединен с выходом компаратора 8. Сигнал от коммутатора проходит на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 15. Выходной код от 15 и сигналы от 8 поступают на узел 16 обработки данных и вычислений.
На фиг.2а…2е показаны временные диаграммы, поясняющие предложенный способ измерения и вычисления параметров электрической сети.
На фиг.2а показан измеряемый сигнал (от измерительного трансформатора тока или напряжения, согласованный по уровню с используемым аналого-цифровым преобразователем), а на фиг.2б - форма сигнала (напряжения) электрической сети стандартной частоты 50 (60) Гц (+1…-2 Гц). На фиг.2в приведены прямоугольные импульсы, полученные на выходе компаратора 2 из сигнала фиг.2б.
На фиг.2г и 2д условно показаны сигналы двух реверсивных счетчиков, с помощью которых определяют середину интервала каждой половины периода сигнала фиг.2б. На фиг.2е выделены моменты аналого-цифрового преобразования мгновенного значения измеряемого сигнала, на фиг.2а вертикальными отрезками показаны зафиксированные мгновенные значения измеряемого сигнала.
Триггер 9 может быть реализован, например, на интегральной микросхеме 561ТМ2. Сигнал «1», поданный на первый (S) вход триггера, переводит его в состояние «1». Для синхронного управления используется второй (D) и третий (С) входы. Триггер переходит в состояние, соответствующее сигналу на втором входе в момент переключения сигнала на третьем входе из «0» в «1».
Реверсивные счетчики 5 и 6 могут быть реализованы, например, на интегральных микросхемах 561 ИЕ11. Счетчик переводится в очередную кодовую позицию при переключении сигнала на первом (С) входе из «0» в «1». Уровень сигнала на втором входе определяет режим счета импульсов - прямой или обратный. Счетчик возвращается в начальное положение при поступлении сигнала «1» на третий (R) вход.
Коммутатор 14 может быть реализован, например, на микросхеме КР590КН7.
Компаратор 2 аналоговых сигналов может быть реализован, например, на интегральной микросхеме 554СА3.
Аналого-цифровой преобразователь 15 может быть реализован, например, на интегральной микросхеме AD7892 (фирмы Analog Devices), обеспечивающей преобразование в двенадцатиразрядные коды входных аналоговых сигналов в диапазоне ±2,5 В.
Компаратор 8 цифровых сигналов может быть реализован, например, на интегральных микросхемах 561ИП2.
Формирователь импульсов 10 может быть реализован, например, на основе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ - интегральной микросхеме 561ЛП2, у которой один вход соединен непосредственно с выходом инвертора 3, а другой - с указанным выходом 3 через интегрирующую RC-цепочку. На выходе схемы формируется импульсный сигнал, фронт которого совпадает с моментами переключения сигнала на входе из «0» в «1» и из «1» в «0», а длительность определяется постоянной времени интегрирующей цепочки.
Рассмотрим пример реализации предложенного способа измерения и вычисления. От источника 1 поступает сигнал с частотой электрической сети (фиг.2б). Компаратор 2 преобразует синусоидальный сигнал от 1 в прямоугольные импульсы (фиг.2в). Высокая чувствительность компаратора обеспечивает формирование на его выходе сигналов, длительность которых практически равна текущему периоду сигнала от 1. С помощью инверторов 3 и 4 цепи формирования прямоугольных импульсов отделяются от цепей управления реверсивными счетчиками 5 и 6. В каждой половине периода сигнала электрической сети на выходе одного инвертора формируется сигнал «1», а на выходе другого - сигнал «0». Сигналы от инверторов поступают на вторые входы счетчиков 5 и 6 и определяют направление счета входных импульсов. Счетчик, на второй вход которого подан сигнал «1», работает в режиме прямого, а другой счетчик - в режиме обратного счета импульсов. Импульсы поступают на первые, тактовые входы счетчиков от генератора 7 тактовых импульсов. Для примера, на фиг.2г и 2д показано, что в первой половине первого периода сигнала от источника 1 счетчик 5 переведен в режим прямого счета (фиг.2г), а счетчик 6 (фиг.2д) - в режим обратного счета. Коды на выходах счетчиков 5 и 6 условно показаны в виде «пилообразных» сигналов, после поступления очередного тактового сигнала «пила» увеличивается на одну «ступеньку» - квант кода, если счетчик переведен в режим прямого счета, «пила» уменьшается на один квант, если счетчик переведен в режим обратного счета. Так как счетчик 5 к началу рассматриваемой половины периода установлен в режим прямого счета, код в счетчике от нулевого значения увеличивается на «1» каждым поступившим импульсом от генератора 7. Счетчик 6, который в предшествующей половине периода работал в режиме прямого счета, в рассматриваемой половине периода переводится в режим обратного счета. Его выходной код от максимального значения, отображающего число импульсов от генератора 7, поступивших на тактовый вход 6 за предшествующую половину периода частоты электрической сети, уменьшается на «1» каждым поступившим импульсом от 7. С временным сдвигом относительно фронта сигнала текущей половины периода частоты электрической сети, в точности соответствующим середине половины периода, коды на выходах счетчиков 5 и 6 совпадут. В этот момент на выходе компаратора 8, сравнивающего коды от 5 и 6, образуется сигнал «1» (фиг.2е). Сигнал от 8 поступает на второй, управляющий вход коммутатора 14 и разрешает передачу текущего значения сигнала от узла 13 на выход. Прошедший на выход коммутатора 14 сигнал (фиг.2а) равен амплитудному значению измеряемого сигнала. Аналоговый сигнал от 14 поступает на вход АЦП 15 и преобразуется в код. Код от АЦП и сигнал управления коммутатором поступают в узел 16 обработки и вычислений.
На фронте очередной половины периода частоты электрической сети формируется импульс на выходе формирователя 10, который переводит триггер 9 в «0». Триггер переводится в «1» по сигналу от компаратора 8. Сигнал от триггера поступает на один вход элементов И 11 и 12 и проходит на выход того элемента, который в рассматриваемой половине периода частоты электрической сети подключен к третьему входу счетчика, переведенного в режим обратного счета. Как показано на фиг.2д, счетчик, переведенный в режим обратного счета, удерживается в начальном состоянии до начала очередной половины периода частоты электрической сети и оказывается подготовленным к прямому счету в очередной половине периода. Аналогично устройство работает во всех смежных половинах периода частоты электрической сети.
-2
Если предположить, что в смежных половинах периода частота электрической сети изменяется на пренебрежимо малую величину, момент сканирования входных измеряемых сигналов в точности совпадает с моментом образования наибольшего, т.е. амплитудного значения сигнала, причем момент сканирования «адаптируется» к моменту формирования амплитудного значения сигнала от датчика при девиации частоты сети. Для практического исключения погрешности измерения из-за дискретности фиксации момента равенства кодов от счетчиков 5 и 6 необходимо установить достаточно высокую частоту импульсов от генератора. Если принять частоту сигналов генератора 7, равной 100000 Гц, за одну половину периода частоты сети, примерно равную 10 с, на вход счетчиков 5, 6 поступит около 1000 импульсов, что обеспечит пренебрежимо малый сдвиг момента считывания сигнала от датчика относительно момента образования амплитудного значения сигнала.
От АЦП, таким образом, будут получены коды амплитудных значений измеряемого сигнала, которые вводятся в ОЗУ узла 16. Определенное число смежных отсчетов кодов, равное, например, 100, усредняется. Усредненное по выбранному числу отсчетов амплитудное значение параметра получается за время i·10 мсек. Усредненное действующее значение измеряемого сигнала получают из вычисленного амплитудного значения делением на коэффициент .
Показано, что использование предложенного способа позволяет перейти от многократного к однократному сканированию измеряемого сигнала в каждой половине периода частоты электрической сети и упростить процедуры измерения и вычисления параметров электрической сети. В результате упрощается и увеличивается надежность измерительных устройств, использующих предложенный способ.