Устройство измерения электрических сигналов с комбинированным аналого-цифровым интерфейсом

Полезная модель относится к области измерений электрических величин и может быть использована в информационно-измерительных системах, в частности на электрических подстанциях.
Известно техническое решение для измерения электрических величин, к которому измеряемые величины поступают от датчиков с цифровым или аналоговым выходом [1]. Однако, в измерительно-управляющих системах в электроэнергетике часто требуется измерять и обрабатывать данные, поступающие, как от аналоговых, так и от цифровых датчиков.
Недостатком данного решения является то, что измерения осуществляются только аналоговых, или только цифровых (оцифрованных) величин. Устройство - аналог не допускает прием части данных по аналоговому интерфейсу (например, напряжение), а другой части данных по цифровому интерфейсу (например, ток).
Наиболее близким по технической сущности решением является устройство [2], содержащее аналоговый интерфейс и цифровой интерфейс приема данных. Блок аналого-цифрового преобразования выполнен с возможностью аналого-цифрового преобразования изохронного с данными, поступающими через цифровой интерфейс приема данных от измерительных датчиков с цифровым выходом. Изохронность аналого-цифрового преобразования достигается за счет подключения модуля аналого-цифрового преобразования к интерфейсу синхронизации, в связи с чем, преобразованные в цифровой вид аналоговые величины маркируются меткой времени. Маркировка меткой времени осуществляется по тем же правилам, что и в измерительных датчиках с цифровым выходом. Модуль вычисления электрических параметров при вычислении электрических параметров, требующих данных от нескольких источников данных (например, вычисление активной мощности требует данных от измерительного датчика тока и измерительного датчика напряжения) предварительно осуществляет операцию выравнивания наборов данных, полученных от разных источников по временным меткам, присвоенным этим данным измерительными датчиками с цифровыми выходами, либо собственным модулем аналого-цифрового преобразования.
Однако, в цифровых системах управления электроэнергетическими объектами необходимо синхронизировать данные, поступающие в измерительно-управляющую систему в разнородной форме, как правило, в цифровом, аналоговом и дискретном виде. Например, при управлении электроэнергетическими объектами и при анализе аварийных ситуаций необходимо совмещать цифровые осциллограммы напряжений с аналоговыми осциллограммами токов и с осциллограммами дискретных (блокирующих или разрешающих) сигналов в единой системе времени.
Недостатком известного устройства являются ограниченные функциональные возможности. Оно не обеспечивает возможность обработки, отображения и регистрации измеренных сигналов в цифровом, аналоговом и дискретном виде в единой системе времени относительно друг друга. Это не позволяет выполнять косвенные измерения сложных величин, например, мощности и сопротивления, с учетом блокирующих сигналов, и, следовательно, ограничивает область применения устройства - прототипа.
Целью предложенной полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем интерфейс цифровых сигналов, интерфейс аналоговых сигналов, аналого-цифровой преобразователь, синхронизатор, блок вычислений и отображения сигналов, первый вход которого подключен к выходу интерфейса цифровых сигналов, выход интерфейса аналоговых сигналов соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым выходом синхронизатора, дополнительно введен интерфейс дискретных сигналов, первый и второй блоки задержки, выход первого блока задержки подключен к второму входу блока вычислений и отображения сигналов, вход первого блока задержки соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, выход второго блока задержки соединен с третьим входом блока вычислений и отображения сигналов, вход второго блока задержки соединен с выходом интерфейса дискретных сигналов, вход синхронизации интерфейса дискретных сигналов соединен со вторым выходом синхронизатора, вход синхронизатора соединен с выходом синхронизации интерфейса цифровых сигналов.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием интерфейса дискретных сигналов и его дополнительных связей, который позволяет измерять дискретные сигналы, отображающие положение коммутационных аппаратов, ключей управления, реле и состояние отдельных элементов в контролируемой силовой электрической сети.
Кроме этого, заявляемое устройство отличается наличием двух блоков задержки, которые с соответствующими связями включены в соответствующих трактах передачи сигналов от аналого-цифрового преобразователя и от интерфейса дискретных сигналов к блоку вычислений и отображения сигналов. Эти блоки обеспечивают соответствующие необходимые для синхронизации задержки сигналов и синхронизацию всех сигналов, поступающих на все входы блока вычислений и отображения сигналов. Благодаря этому в блоке вычислений и отображения сигналов корректно выполняется обработка сигналов при косвенных измерениях и отображении осциллограмм.
Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что при введении новых указанных элементов в указанной связи с остальными элементами заявленное устройство проявляет новые свойства. В целом это обеспечивает возможность обрабатывать измеряемые разными способами сигналы в едином времени, выполнять косвенные измерения сложных величин и анализировать осциллограммы в едином времени. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства измерения электрических сигналов с комбинированным аналого-цифровым интерфейсом.
Схема содержит интерфейс 1 цифровых сигналов, интерфейс 2 аналоговых сигналов, аналого-цифровой преобразователь 3, синхронизатор 4, блок 5 вычислений и отображения сигналов, первый 6 и второй 7 блоки задержки, интерфейс 8 дискретных сигналов.
Устройство работает следующим образом. Данные от датчиков тока, напряжения и других величин с цифровыми выходами поступают через цифровой интерфейс на первый вход блока вычислений и отображения сигналов. При этом, временные метки данных через выход синхронизации цифрового интерфейса поступают на вход синхронизатора. Этим меткам, например, напряжению одной из фаз, присваивается статус ведущих, и они определяют ход местного времени устройства.
Аналоговые сигналы тока, напряжения и других величин поступают через аналоговый интерфейс на первый вход аналого-цифрового преобразователя. В этом блоке осуществляется оцифровка аналоговых сигналов, и привязка полученных цифровых значений сигналов к меткам местного времени, создаваемым синхронизатором. Вырабатываемые синхронизатором метки местного времени поступают через его первый выход в блок аналого-цифрового преобразования через его второй вход. Оцифрованные значения сигналов через первый блок задержки поступают на второй вход блока вычислений и отображения сигналов. В первом блоке задержки оцифрованные значения аналоговых сигналов смещаются во времени до совмещения меток времени этих сигналов с метками времени сигналов от цифрового интерфейса.
Дискретные данные поступают от датчиков дискретных сигналов через интерфейс дискретных сигналов на вход второго блока задержки. При этом, от синхронизатора через его второй выход поступают метки местного времени в интерфейс дискретных сигналов через его вход синхронизации. В интерфейсе дискретных сигналов осуществляется привязка значений дискретных сигналов к меткам местного времени и дискретные сигналы поступают на вход второго блока задержки с метками местного времени. Во втором блоке задержки дискретные сигналы смещаются во времени до совмещения с соответствующими метками времени сигналов от цифрового интерфейса, и передаются в блок вычислений и отображения сигналов через его третий вход.
Первый и второй блоки задержки, таким образом, обеспечивают соответствующие необходимые для синхронизации смещения сигналов во времени, и синхронизацию всех сигналов, поступающих на все входы блока вычислений и отображения сигналов.
В блоке вычислений и отображения сигналов формируются синхронизированные по единому местному времени цифровые значения измеряемых сигналов всех видов. На основе оцифрованных значений сигналов с метками времени вычисляются интегральные (например, действующие) значения измеряемых величин, а также вычисляются сложные электрические величины, например, мощности и сопротивления при косвенных измерениях. Кроме этого в блоке вычислений и отображения сигналов осуществляется построение синхронизированных осциллограмм, содержащих кривые изменения токов, напряжений, дискретных сигналов и косвенно измеренных величин, в единой системе времени.
Расширены функциональные возможности предложенного устройства в сравнении с известными. Оно обеспечивает возможность обработки, отображения и регистрации измеренных сигналов в цифровом, аналоговом и дискретном виде в единой системе времени относительно друг друга. Это позволяет выполнять косвенные измерения сложных величин, например, мощности и сопротивления, с учетом блокирующих и разрешающих дискретных сигналов. Особенно важно, что предложенное устройство позволяет более точно анализировать процессы в электроэнергетических объектах по синхронизированным (совмещенным) осциллограммам сигналов, поступающих в устройство в аналоговом, оцифрованном и дискретном виде.
Источники информации:
1. Счетчики электрической энергии цифровые многофункциональные ARIS ЕМ. Руководство по эксплуатации ПБКМ.411739.001 РЭ. - Екатеринбург, 2016.
2. Патент РФ №140729 МПК G01R 19/25, опубл. 20.05.2014, бюл. №14.