многофазный счетчик электрической энергии

Формула изобретения

Многофазный счетчик электрической энергии, содержащий первую, вторую, n-ю входные клеммы напряжения, первую, вторую, n-ю входные клеммы тока, аналоговый перемножитель, фильтр низких частот, преобразователь напряжения в частоту, выход которого соединен с первым входом блока обработки информации, компаратор нулевого уровня, выход которого соединен с вторым входом блока обработки информации, отличающийся тем, что он содержит первый и второй мультиплексоры, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами аналогового перемножителя, формирователь тактовых импульсов, первый, второй, n-й входы которого соединены соответственно с первым, вторым, n-м входами первого мультиплексора и соответствующими входными клеммами напряжения, первый, второй, n-й входы второго мультиплексора соединены с соответствующими входными клеммами тока, блок управления, вход которого подключен к выходу формирователя тактовых импульсов, а выход соединен с управляющими входами первого и второго мультиплексоров, преобразователь напряжения в частоту содержит управляемый инвертор, интегратор, гистерезисный компаратор и логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем вход управляемого инвертора является первым входом преобразователя напряжения в частоту, а выход соединен с входом интегратора, выход которого соединен с входом гистерезисного компаратора, выход которого является выходом преобразователя напряжения в частоту и подключен к первому входу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого является вторым входом преобразователя напряжения в частоту, а выход логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключен к упавляющему входу управляемого инвертора, выход аналогового перемножителя соединен с первым входом преобразователя напряжения в частоту и входом фильтра низких частот, выход которого подключен к входу компаратора нулевого уровня, выход которого соединен также с вторым входом преобразователя напряжения в частоту.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения активной электрической энергии в многофазных цепях переменного тока.

Известен счетчик электрической энергии для раздельного измерения потоков энергии в обоих направлениях [1] содержащий аналоговый перемножитель, интегратор, преобразователь напряжения в частоту и детектор направления энергии. Недостатком этого устройства является низкая точность и сложность в многофазном исполнении.

Известен прибор для измерения электрической энергии [2] предназначенный для определения направления передачи электрической энергии и измерения ее расхода в трехфазной сети, содержащий три аналоговых коммутатора, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки информации в виде микропроцессора и отсчетного устройства. Недостатками устройства являются низкая точность и сложность.

Известно устройство для измерения активной энергии в трехфазных цепях переменного тока [3] содержащее аналоговый перемножитель сигналов, компаратор нулевого уровня, фильтр низких частот, преобразователь напряжения в частоту и блок обработки информации.

Данное устройство позволяет измерять суммарную энергию при импульсно-реверсивном режиме за счет выделения энергии прямого и обратного направления. Недостатком этого устройства является низкая точность, что обусловлено введением последовательно по тракту преобразования измеряемого сигнала большого количества элементов, выполняющих линейные (сумматоры) и нелинейные (выпрямители) операции и приводящих к появлению дополнительных составляющих аддитивной ошибки, к которой особо чувствительны счетчики электрической энергии как приборы с нормируемой относительной погрешностью преобразования. Кроме того, устройство обладает принципиальной погрешностью измерения суммарной энергии при импульсно-реверсивном режиме из-за запаздывания сигнала в тракте формирования частотного импульсного сигнала (наличие фильтра низких частот и интегрирующего преобразователя напряжения в частоту) по отношению к сигналу знака мгновенной мощности на выходах компараторов нулевого уровня. Другим недостатком рассматриваемого устройства являются его низкие функциональные возможности, поскольку оно не позволяет производить раздельное измерение энергии прямого и обратного направления (работать в реверсивном режиме), а также производить измерение модуля проходящей по цепи мощности, потребность в котором возникает при необходимости предотвращения хищения электрической энергии у потребителей с гарантированным отсутствием ее рекуперации. Необходимость в большом количестве дополнительных элементов для придания устройству возможности измерения суммарной энергии при импульсно-реверсивном режиме, а также использование нескольких аналоговых перемножителей для многофазной цепи приводит к усложнению, удорожанию и снижению надежности прибора.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерения электрической энергии в многофазных цепях переменного тока при сохранении возможности реализации различных алгоритмов учета ее направления, достигаемое за счет сокращения числа элементов в тракте преобразования измерительного сигнала и вносимых ими ошибок, а также исключения запаздывания сигнала в тракте формирования частотного импульсного сигнала по отношению к знаковому сигналу мгновенной мощности на выходах компараторов нулевого уровня. Кроме того, дополнительно решается задача упрощения устройства за счет снижения количества аналоговых решающих элементов.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее первую, вторую, n-ю входные клеммы напряжения, первую, вторую, n-ю входные клеммы тока, аналоговый перемножитель, преобразователь напряжения в частоту, выход которого соединен с первым входом блока обработки информации, компаратор нулевого уровня, выход которого соединен с вторым входом блока обработки информации, фильтр низких частот, введены первый и второй мультиплексоры, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами аналогового перемножителя, формирователь тактовых импульсов, первый, второй, n-ый входы которого соединены соответственно с первым, вторым, n-ым входами первого мультиплексора и соответствующими входными клеммами напряжения, а первый, второй, n-ый входы второго мультиплексора соединены с соответствующими входными клеммами тока, блок управления, вход которого подключен к выходу формирователя тактовых импульсов, выход блока управления соединен с управляющими входами первого и второго мультиплексоров, преобразователь напряжения в частоту содержит управляемый инвертор, интегратор, гистерезисный компаратор и логический элемент Исключающее ИЛИ, причем вход управляемого инвертора является первым входом преобразователя напряжения в частоту, выход управляемого инвертора соединен с входом интегратора, выход которого соединен с входом гистерезисного компаратора, выход которого является выходом преобразователя напряжения в частоту и подключен к первому входу логического элемента Исключающее ИЛИ, второй вход которого является вторым входом преобразователя напряжения в частоту, а выход логического элемента Исключающее ИЛИ подключен к управляющему входу управляемого инвертора, выход аналогового перемножителя соединен с первым входом преобразователя напряжения в частоту и входом фильтра низких частот, выход которого подключен к входу компаратора нулевого уровня, выход компаратора нулевого уровня соединен также с вторым входом преобразователя напряжения в частоту.

За счет указанной совокупности отличительных признаков предлагаемое устройство обладает более высокой точностью.

Во-первых, это достигается за счет того, что из тракта преобразования, начиная от сигнала мгновенной мощности на выходе аналогового перемножителя, до его преобразования в частоту импульсного сигнала, исключены дополнительные операции суммирования, выпрямления и фильтрации низких частот и соответствующие элементы, имеющиеся в прототипе. Это позволяет исключить и ошибки, вносимые элементами, реализующими указанные операции.

Во-вторых, в предлагаемом устройстве отсутствует принципиальная погрешность измерения суммарной энергии при импульсно-реверсивном режиме, поскольку запаздывание сигнала в тракте определения знака активной мощности, вносимое фильтром низких частот, покрывается всегда превышающим его временем прохождения выходного сигнала интегратора от нижней до верхней границ (порогов) петли гистерезисного компаратора. Поэтому при работе в реверсивном режиме в блок обработки информации пропускаются импульсы, соответствующие мощности обратного по отношению к предшествующему режиму направления, если величина энергии превышает минимально различимый квант энергии. Меньшие же уровни мощности другого направления учитываются в суммарной энергии основного направления.

В-третьих, в предлагаемом устройстве мала чувствительность результата преобразования в частоту импульсного сигнала к аддитивным составляющим аппаратурной погрешности интегратора, приведенным к его входу и вызванным, например, параметрами неидеальности операционного усилителя этого блока, поскольку при двойном интегрировании сигнала мгновенной мощности (в прямом и обратном направлении) эта погрешность пропорциональна квадрату отношения уровней рабочего (полезного) и паразитных сигналов независимо от характера (потенциального или токового) входного сигнала интегратора. Возможные источники аддитивных ошибок в виде напряжений на емкости интегратора или порогов срабатывания гистерезисного компаратора проявляются на фоне больших по величине уровней указанных порогов независимо от значения измеряемой мощности нагрузки, то есть проявляются в частотном выходном сигнале в виде относительной погрешности. Устранение указанных аддитивных ошибок позволяет расширить диапазон преобразования мощности в частоту с нормированной величиной относительной погрешности до 2-3 декад измеряемой мощности и при этом сохранить работоспособность при любом направлении средней мощности.

Предлагаемая реализация преобразования мгновенной мощности в частоту импульсного сигнала позволяет не только повысить точность и упростить устройство в целом за счет исключения указанных элементов прототипа, но и обеспечить работоспособность при любом из двух возможных направлений средней многофазной мощности в измеряемой цепи, а при различных режимах работы блока обработки информации производить либо раздельное измерение энергии прямого и обратного направления (работать в реверсивном режиме), либо измерение модуля проходящей по цепи мощности, то есть расширить функциональные возможности в сравнении с прототипом.

Решению поставленной задачи служит также первый и второй мультиплексоры, формирователь тактовых импульсов и блок управления, позволяющие распространить указанные выше преимущества предлагаемого устройства на многофазные цепи. Использованные в устройстве управляемый инвертор, интегратор и гистерезисный компаратор, позволяют производить преобразование мгновенной трехфазной мощности в частоту при произвольной частоте коммутации фазных величин, при этом используется только один аналоговый перемножитель и исключается необходимость получения суммарного сигнала многофазной мгновенной мощности. Коммутация с частотой сетевого напряжения, обеспечиваемая соединением входов формирователя тактовых импульсов с входными клеммами напряжения, повышает стабильность длительности периода импульсного выходного сигнала гистерезисного компаратора и облегчает настройку и поверку многофазного счетчика. Последнее обеспечивается соединением n входов формирователя тактовых импульсов с соответствующими входными клеммами напряжения устройства.

На фиг. 1 приведена функциональная схема многофазного счетчика электрической энергии; на фиг. 2 схема возможной реализации формирователь тактовых импульсов; на фиг. 3 функциональная схема возможной реализации блока обработки информации для раздельного измерения потоков электрической энергии обоих направлений; на фиг. 4 функциональная схема возможной реализации блока обработки информации для измерения среднего потока электрической энергии для потребителей с возможной ее рекуперацией; на фиг. 5 функциональная схема возможной реализации блока обработки информации для измерения модуля прошедшей через измеряемую цепь электрической энергии.

Устройство содержит первый 1 мультиплексор, первый, n-й входы которого соединены соответственно с входными клеммами напряжения U₁, U_n и второй 2 мультиплексор, первый, n-й входы которого соединены соответственно с входными клеммами тока I₁, I_n. Выходы первого 1 и второго 2 мультиплексоров соединены соответственно с первым и вторым входами аналогового перемножителя 3, выход которого соединен с первым входом преобразователя напряжения в частоту 4. Преобразователь напряжения в частоту 4 выполнен в виде управляемого инвертора 5, вход которого является первым входом преобразователя напряжения в частоту 4, а его выход соединен с входом интегратора 6, выходом подключенного к входу гистерезисного компаратора 7, выход которого является выходом преобразователя напряжения в частоту 4 и соединен с первым входом логического элемента Исключающее ИЛИ 8, второй вход которого является вторым входом преобразователя напряжения в частоту 4, а его выход соединен с управляющим входом управляемого инвертора 5. Выход аналогового перемножителя 3 соединен с входом фильтра низких частот 9, выход которого подключен к входу компаратора нулевого уровня 10. Компаратор нулевого уровня 10 подключен к второму входу преобразователя напряжения в частоту 4 и к второму входу блока обработки информации 11, первый вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту 4.

Первый, второй, n-ый входы формирователя тактовых импульсов 12 соединены соответственно с первым, вторым, n-ым входами первого мультиплексора 1 и входными клеммами напряжения, а первый, второй, n-ый входы второго мультиплексора 2 соединены с соответствующими входными клеммами тока. Вход блока управления 13, соединен с выходом формирователя тактовых импульсов 12, а его выход с управляющими входами первого 1 и второго 2 мультиплексоров.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Первый 1 и второй 2 мультиплексоры пропускают соответственно на первый и второй входы аналогового перемножителя 3 сигналы тока и напряжения с входных клемм напряжения и тока одной из n одноименных фаз в течение времени, равного или кратного длительности периода выходного сигнала формирователя 12 тактовых импульсов. Открытое состояние в течение указанного времени только одного ключа одноименной фазы первого 1 и второго 2 мультиплексоров обеспечивает блок управления 13, в качестве которого может быть использован n-фазный распределитель импульсов. Аналоговый перемножитель 3 осуществляет четырехквадрантное перемножение сигналов напряжения и тока одноименной фазы и его выходной сигнал в течение одного периода работы формирователя 12 тактовых импульсов характеризует мгновенную мощность соответствующей фазы сети.

Преобразование выходного сигнала аналогового перемножителя 3 в частоту производится следующим образом. Фильтр низких частот 9 производит его усреднение по времени, причем постоянная времени фильтра выбирается в n раз больше периода основной гармоники входных сигналов, так что сигнал P_a на его выходе, являющемся аналоговым выходом преобразователя напряжения 4, пропорционален средней активной мощности всех фаз сети, а его полярность однозначно соответствует знаку (направлению) этой мощности. В сети переменного тока этот сигнал характеризует активную мощность, то есть учитывает и коэффициент мощности. Для фиксации знака активной мощности служит компаратор нулевого уровня 10, его двоичный выходной сигнал S_p используется при преобразовании мощности в частоту и представлении результата измерения.

Амплитуда сигнала на выходе управляемого инвертора 5 также пропорциональна амплитуде мгновенной мощности одной из фаз сети на выходе аналогового перемножителя 3, полярность же его соответствует или инверсна полярности последней в зависимости от управляющего сигнала на другом входе этого элемента. При ненулевой мощности в измеряемой цепи какого-либо одного направления в зависимости от полярности выходного сигнала управляемого инвертора 5 напряжение на выходе интегратора 6 увеличивается или уменьшается и определяет одно из двух возможных состояний гистерезисного компаратора 7. Значение выходного сигнала этого элемента, устанавливающееся при увеличении напряжения на выходе интегратора 6 и достижении его величины верхнего порога, сохраняется после этого как при больших значениях этого напряжения, так и при его уменьшении вплоть до нижнего порога, когда состояние гистерезисного компаратора 7 принимает свое второе значение. В свою очередь, второе состояние сохраняется после этого, как при значениях напряжения на выходе интегратора 6, меньших нижнего порога, так и при больших, но не превышающих верхнего порога срабатывания. Состояние управляемого инвертора 5 и гистерезисного компаратора 7 согласуются через логический элемент Исключающее ИЛИ 8 таким образом, что для какого-либо одного из двух возможных направлений средней многофазной мощности в измеряемой цепи при достижении напряжения на интеграторе 6 верхнего порога срабатывания гистерезисного компаратора 7 его изменившийся выходной сигнал переключает состояние управляемого инвертора 5, что приводит к уменьшению напряжения на интеграторе 6. Постоянная интегрирования интегратора 6 выбирается такой, чтобы при максимальной мощности в максимально нагруженной фазе сети изменение напряжения на выходе интегратора 6 было, по крайней мере, в n раз меньше разности верхнего и нижнего порогов срабатывания гистерезисного компаратора 7 (ширина петли гистерезиса). При соблюдении указанных условий и неизменном направлении средней мощности в измеряемой сети отрицательная обратная связь, осуществляемая соединением через логический элемент Исключающее ИЛИ 8 выхода гистерезисного компаратора 7 и управляющего входа управляемого инвертора 5, обеспечивает поддержание напряжения на выходе интегратора 6 внутри диапазона, ограниченного верхним и нижним порогами срабатывания гистерезисного компаратора (ширины петли гистерезиса). При этом осуществляется непрерывное интегрирование сигнала мгновенной мощности, что соответствует методически точному алгоритму вычисления активной энергии в цепи переменного тока. Фиксируемое гистерезисным компаратором изменение результата интегрирования на величину, равную ширине его петли гистерезиса, равно минимально различимому кванту активной энергии. Подсчет же числа этих квантов в виде соответствующих им выходных импульсов гистерезисного компаратора позволяет методической погрешности (с точностью до одного кванта) определять величину активной энергии за время измерения. Средняя частота импульсного сигнала на его выходе F пропорциональна мощности, протекающей в измеряемой цепи. Указанный параметр в сети переменного тока характеризует активную мощность, то есть учитывает и коэффициент мощности.

При изменении направления средней многофазной мощности в измеряемой цепи указанное условие нарушается. Для обеспечения работоспособности преобразователя напряжения в частоту в этом случае используется изменившийся выходной сигнал S_p компаратора нулевого уровня 10, характеризующий знак (направление) многофазной активной мощности. Он переводит логический элемент Исключающее ИЛИ 8 в режим инвертирования выходного сигнала гистерезисного компаратора 7, поступающего на первый вход логического элемента Исключающее ИЛИ 8, и обеспечивает тем самым выполнение условия отрицательности обратной связи преобразования в частоту при любом направлении активной мощности. При этом средняя частота импульсов на выходе гистерезисного компаратора пропорциональна многофазной активной мощности в измеряемой цепи и не зависит от ее направления.

Для правильной работы устройства необходимо наличие гистерезиса передаточной характеристики преобразования у гистерезисного компаратора 7. Другое используемое в литературе название таких элементов регенераторный компаратор, реализуемый на одном или двух компараторах с обязательным введением элементов с положительной обратной связью. Хорошо известными являются и методы стабилизации порогов срабатывания и ширины петли гистерезиса.

В предлагаемом устройстве синхронизация работы формирователя тактовых импульсов 12 и сети не является обязательной, при этом частота сигнала на выходе формирователя тактовых импульсов 12 может быть как больше, так и меньше частоты сети. Это не приводит к принципиальным ошибкам в измерении электрической энергии в течение длительного интервала времени. Следует, тем не менее, учитывать возрастание погрешностей, обусловленных коммутацией ключей мультиплексоров 1 и 2 при частотах, значительно превышающих частоту сети. Однако при низкой частоте выходных сигналов формирователя тактовых импульсов, близкой к частоте сети, возможная несинхронность приводит к появлению нестабильности длительности соседних по времени выходных импульсов преобразователя напряжения в частоту 4, особенно при больших уровнях мощности нагрузки, что затрудняет поверку счетчика (требует увеличения длительности его поверки). Целесообразно поэтому выполнить формирователь тактовых импульсов 12 синхронизированным по частоте с напряжением сети, при этом важно обеспечить это свойство при исчезновении любого из фазных напряжений. Предлагаемая реализация формирователя тактовых импульсов 12, в виде сумматора с усилением, например, как показано на фиг. 2, на операционном усилителе 14, отрицательную обратную связь которого образует стабилитрон 15, позволяет удовлетворить этим требованиям, при этом достаточно весовые коэффициенты суммирования (резисторы 16-1, 16-n) выбрать неравными и не соответствующими вероятной несимметрии фазных напряжений.

Выходной импульсный сигнал F преобразователя напряжения в частоту и выходной сигнал S_p знака мощности поступают на вход блока обработки информации, который осуществляет накопление, хранение и отображение числа накопленных импульсов с выхода преобразователя напряжения в частоту, характеризующего измеренное количество электрической энергии. При этом предлагаемый многофазный счетчик позволяет производить измерение энергии в соответствии с различными встречаемыми в практике алгоритмами учета ее направления (знака): раздельное измерение потоков электрической энергии обоих направлений по сети (например, для межсистемного учета), измерение среднего потока электрической энергии для потребителей с возможной ее рекуперацией и, наконец, измерение модуля прошедшей через измеряемую цепь электрической энергии для потребителей, у которых отсутствует возможность ее рекуперации. Реализация этих алгоритмов при наличии указанных выше логических сигналов F и S_p хотя и требует некоторого различия в выполнении блока обработки информации, но форма выполнения последнего не влияет на результат решения основной решаемой задачи и потому не относится к числу существенных признаков. Для раздельного учета энергии разного направления блок обработки информации 11 содержит (фиг. 3) два счетчика импульсов 17 и 18, импульсный выходной сигнал преобразователя напряжения в частоту F через демультиплексор 19, управляемый знаковым сигналом S_p, поступает на счетные входы первого 17 или второго 18 счетчиков импульсов, содержимое которых отображается соответственно первым 20 и вторым 21 отсчетными устройствами и характеризует многофазную активную мощность прямого и обратного направления. Для потребителей с возможной рекуперацией электрической энергии в блоке обработки информации 11 используется (фиг. 4) реверсивный счетчик 22, направление счета которым импульсных сигналов F управляется знаковым сигналом S_p, а содержимое реверсивного счетчика 22 отображается отсчетным устройством 23 и характеризует разницу между потребленной и возвращенной в сеть электрической энергией. В третьем, наиболее распространенном случае, когда у потребителей отсутствует возможность рекуперации электрической энергии, целесообразно, чтобы счетчик производил измерение ее модуля, что позволяет затруднить хищение электрической энергии при намеренном изменении ее направления. В этом случае блок обработки информации 11 содержит (фиг. 5) только счетчик импульсов 24 и отсчетное устройство 25, характеризующее потребленную многофазную активную энергию.

Очевидно, что возможно также построение блока обработки информации, совмещающего все три перечисленные функции, при условии введения переключения режима работы.