УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF COMMERCIAL FREQUENCY ALTERNATING CURRENT PARAMETRES

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения параметров переменного тока с непрерывной выдачей информации в стационарных режимах и во время переходных процессов в работе энергетического оборудования. Изобретение может быть использовано в системах авторегулирования возбуждения электрических машин на вырабатывающих предприятиях для измерения амплитуды напряжения и тока, частоты и разности фаз между ними по одной или трем фазам.
Существующие в настоящее время устройства измерения параметров гармонических сигналов обладают недостатком, выражающимся в большой временной задержке с момента измерения до выдачи информации (0,5 - 1 период измеряемого сигнала), что снижает эффективность регулирования, особенно при переходных режимах, например коротком замыкании в сети.
Известно «Устройство измерения амплитуды сигнала» (патент РФ №2280877 от 20.12.2004) того же назначения, что и предлагаемое, но не имеющее с ним общих признаков и состоящее из генератора опорного напряжения, двух квадраторов, трех перемножителей, восьми интеграторов, блока управления, вычислительного блока и индикатора. На вычислительный блок поступают сигналы, формируемые первыми пятью интеграторами, дополнительно используются результаты интегрирования ортогональных составляющих опорного сигнала и результат интегрирования измеряемого сигнала за время измерения, эти сигналы формируются шестым, седьмым и восьмым интеграторами соответственно. Недостатком данного устройства является большая задержка в выдаче результата измерения (на один период входного сигнала). Не ставится и не решается задача измерения разности фаз между током и напряжением; устройство утрачивает работоспособность при рассогласовании частот опорного генератора и входного сигнала.
Известно устройство «Цифровой фазометр» (патент РФ №2207579 от 11.01.2002), не имеющее общих признаков с предлагаемым, но обладающее с ним схожим назначением, состоящее из двухканального преобразователя сдвиг фазы - интервал времени, элемента «2И/ИЛИ», первого элемента «И», счетчика, блока сравнения, коммутатора, вычислительного блока, формирователя, времязадающего узла, формирователя импульса конца первого измерения, буферного регистра, генератора квантирующих импульсов, второго элемента «И», формирователя импульса конца второго измерения, элемента задержки, первого элемента «ИЛИ», RS-триггера, второго элемента «ИЛИ», счетчика количества измерительных циклов. Недостатком данного устройства является низкая точность измерения фазы при наличии аддитивного шума, что обусловлено использованием в данном устройстве метода определения разности фаз путем определения длительности интервалов между нулями входных сигналов.
Известно «Устройство для измерения амплитудных и фазовых характеристик гармонических сигналов» (патент РФ №2089919 от 20.05.94), не имеющее общих признаков с предлагаемым, но обладающее схожим назначением и состоящее из второго блока деления, формирователя управляющих импульсов, первого блока выборки-хранения, второго блока выборки-хранения, сумматора, блока для извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух величин, первого переключателя, первого блока деления, тригонометрического преобразователя, второго переключателя, блока сравнения. Недостатками данного устройства является низкая точность измерения вплоть до полной невозможности работы в условиях наличия фазового и амплитудного шума во входном сигнале и гармоник кратных частот, вследствие того, что последнее фактически осуществляет мгновенную оценку параметров входных сигналов; не ставится и не решается задача определения амплитуды.
Сущностью изобретения является устройство непрерывного измерения параметров переменного тока промышленной частоты, алгоритм работы которого основан на скользящей оценке энергии и взаимной корреляционной функции входных сигналов, произведенной в течение длительности половины периода. Наличие непрерывно производимых интегральных оценок позволяет минимизировать влияние аддитивного и фазового шума и кратных гармоник высших порядков, возникающих при переходных процессах в энергосистемах, на точность измерения информативных параметров. Частота выдачи результата при этом определяется частотой дискретизации измеряемых сигналов.
Достигаемый технический результат заключается в существенном снижении в предлагаемом устройстве задержки с момента снятия дискретных отсчетов входных сигналов до выдачи результата по сравнению с известными решениями (- периода) и в возможности производить оценку параметров переменного тока при наличии фазового и амплитудного шума и гармоник высших порядков.
Сопоставительный анализ с перечисленными измерителями показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых элементов: последовательно соединенных амплитудного детектора, первого блока скользящего усреднения и первого линейного преобразователя; последовательно соединенных тактового генератора, счетчика двоичных импульсов, второго блока скользящего усреднения и второго линейного преобразователя; последовательно соединенных фазового детектора, третьего блока скользящего усреднения и третьего линейного преобразователя, причем второй выход фазового детектора соединен со входом сброса счетчика двоичных импульсов, вход амплитудного детектора и вход канала измерения амплитуды тока объединены с первым и вторым входами фазового детектора соответственно; первый, второй и третий блоки скользящего усреднения состоят из сумматора и двух линий задержки, причем первый вход сумматора соединен с входом первой линии задержки, выход сумматора соединен с входом второй линии задержки, а выходы первой и второй линий задержек соединены со вторым и третьим входами сумматора соответственно, причем второй вход является инверсным; фазовый детектор выполнен по знаковому принципу, а амплитудный детектор выполнен в виде схемы вычисления абсолютного значения.
Следовательно, устройство удовлетворяет критерию «новизна».
Сравнение с другими техническими решениями показывает, что в два раза повышено быстродействие и существенно улучшена помехоустойчивость устройства по отношению к гармоникам высших порядков, амплитудному и фазовому шуму во входных сигналах.
Изобретение поясняется следующими графическими материалами:
фиг.1 - общая функциональная схема устройства измерения параметров переменного тока промышленной частоты;
фиг.2 - структурная схема блока фазового детектора;
фиг.3 - структурная схема блока скользящего усреднения.
Устройство состоит из четырех каналов (фиг.1: канала измерения амплитуды напряжения, канала измерения частоты, канала измерения разности фаз тока и напряжения и канала измерения амплитуды тока.
Канал измерения амплитуды напряжения состоит из последовательно соединенных амплитудного детектора 1, первого блока скользящего усреднения 2 и первого линейного преобразователя 3. Канал измерения фазы состоит из последовательно соединенных фазового детектора 8, третьего блока скользящего усреднения 9 и третьего линейного преобразователя 10. Канал измерения частоты состоит из последовательно соединенных тактового генератора 4, счетчика двоичных импульсов 5, второго блока скользящего усреднения 6 и второго линейного преобразователя 7, причем второй выход фазового детектора 8 канала измерения фазы соединен с входом сброса счетчика двоичных импульсов 5. Канал измерения амплитуды тока 11 аналогичен каналу измерения амплитуды напряжения.
i
i
0
Блок фазового детектора (фиг.2) состоит из компараторов 12 и 14, соединенных с логическим элементом «ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ» 13, причем на сигнальные входы компараторов 12 и 14 подаются дискретные сигналы напряжения XU и тока XI соответственно, а на опорные - значение пороговой величины γ, выбираемой в зависимости от уровня шума во входных сигналах.
Первый, второй и третий блоки скользящего усреднения (фиг.3) состоят из первой и второй линий задержек 16, 17 и сумматора 15, причем первый вход сумматора 15 объединен со входом первой линии задержки 16, а выход сумматора 15 со входом второй линии задержки 17, а выходы первой и второй линий задержек 16 и 17 соединены со вторым и третьим входами сумматора 15 соответственно, причем второй вход сумматора является инверсным. В первом 2 и третьем 9 блоках скользящего усреднения первая линяя задержки 16 обладает глубиной N, где N - количество дискретных отсчетов в полупериоде. Во втором блоке скользящего усреднения 6 первая линяя задержки 16 обладает глубиной К, где К - количество периодов усреднения при измерении частоты.
Алгоритм работы канала измерения амплитуды напряжения основан на вычислении энергии сигнала за измеренную длительность полупериода:
k
д
д
где U - дискретные отсчеты входных сигналов напряжения, взятые в момент времени kT, где T - период дискретизации.
Канал измерения амплитуды напряжения работает следующим образом. Дискретные отсчеты сигнала напряжения поступают на амплитудный детектор 1 (фиг.1), реализованный в виде схемы вычисления абсолютного значения, работающей в соответствии с правилом:
После чего отсчеты выпрямленного сигнала поступают на первый блок скользящего усреднения 2, а затем полученный результат поступает на первый линейный преобразователь 3, реализованный в виде умножителя на постоянный коэффициент . Оценка амплитуды выдается в масштабе величин входных дискретных отсчетов сигнала напряжения XUi.
Алгоритм работы канала измерения частоты основан на подсчете количества тактовых интервалов (импульсов) между нулями входного сигнала напряжения. Результат подсчета непрерывно усредняется по К периодам.
Канал измерения частоты работает следующим образом. Прямоугольные сигналы с тактового генератора 4 (фиг.1) поступают на вход двоичного счетчика со сбросом 5, где производится подсчет количества тактовых импульсов в течение длительности К периодов. Один раз в полупериод, в момент перепада сигнала сброса, поданного с выхода компаратора 12 фазового детектора 8, накопленное счетчиком значение подается на второй блок скользящего усреднения 6, где непрерывно усредняется в течение К периодов и затем масштабируется вторым линейным преобразователем 7, реализованным в виде умножителя на постоянный коэффициент . Оценка частоты выдается в единицах количества дискретных отсчетов тактового генератора на половину периода измеряемого сигнала.
Алгоритм работы канала измерения фазы основан на непрерывном вычислении взаимной корреляционной функции между током и напряжением за время длительности полупериода измеряемых сигналов. Для достижения инвариантности измерения к амплитудам тока и напряжения применяется знаковый алгоритм:
k
д
где  I - дискретные отсчеты входных сигналов тока, взятые в момент kT.
Канал измерения фазы работает следующим образом. Дискретные отсчеты тока и напряжения подаются на фазовый детектор 8, работающий по знаковому принципу. С выхода фазового детектора 8 результат подается на третий блок скользящего усреднения 9, с которого снимаются отсчеты знаковой взаимно-корреляционной функции между сигналами, вычисленной за время полупериода входного сигнала. Третий линейный преобразователь 10 производит масштабирование и смещение оценки фазы.
Алгоритм работы канала измерения амплитуды тока 11 аналогичен алгоритму работы канала измерения амплитуды напряжения.
Предлагаемое устройство позволяет проводить оценку параметров переменного тока при наличии амплитудного и фазового шума, гармоник высших порядков, кратных основной частоте с задержкой в четверть периода с момента снятия дискретных отсчетов до выдачи результата.
На основе практических исследований предлагаемого устройства измерения параметров переменного тока промышленной частоты 50 Гц при частоте опорного генератора и частоте дискретизации входных сигналов 20 кГц и коэффициенте гармоник 15% получены следующие показатели: точность измерения амплитуд тока и напряжения - 0,3%; точность измерения разности фаз - 0,3%; точность измерения частоты (при К=8) - 0,02%; задержка измерения параметров с момента снятия дискретных отсчетов до выдачи результатов - 5 мс.