устройство для контроля качества электроэнергии

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, содержащее последовательно соединенные преобразователь мгновенных значений напряжения в цифровой код, квадратор, первый арифметический блок, блок извлечения квадратного корня, логометр и блок индикации, вход преобразователя мгновенных значений напряжения в цифровой код соединен с входом устройства, задатчик моментов измерения, выход которого соединен с вторым входом преобразователя мгновенных значений напряжения в цифровой код, третий вход которого соединен с выходом задатчика номинальных значений напряжения, а выход - со счетным входом суммирующего счетчика и с входами блоков выделения минимального и максимального кодов, выход суммирующего счетчика соединен с дополнительным входом логометра и через второй квадратор - с входом вычитаемого первого арифметического блока, выходы блоков выделения максимального и минимального кодов соединены соответственно с первым и вторым входами второго арифметического блока, выход которого соединен с входом делителя логометра, блок управления, выход которого соединен с управляющими входами задатчика моментов измерения, задатчика номинальных значений напряжения и с синхровходом второго арифметического блока, второй арифметический блок содержит узел усреднения максимальных кодов, узел усреднения минимальных кодов, блок элементов И, узел вычитания кодов, выход которого соединен с выходом блока, первый и второй входы которого соединены с первыми входами соответственно узлов усреднения максимальных и минимальных кодов, выход узла усреднения максимальных кодов через блок элементов И соединен с вторым входом узла вычитания кодов, выход которого соединен с выходом блока, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, дополнительный вход второго арифметического блока соединен с выходом суммирующего счетчика, а второй арифметический блок дополнительно содержит пять элементов задержки, узел выбора режима измерения, счетчик импульсов, триггер, элемент И, второй и третий блоки элементов И, счетчик числа измерений, причем вторые входы трех блоков элементов И через соответствующие элементы задержки соединены с входом фиксации, вторым и первым выходами фиксации результата узла выбора режима измерения, синхровход которого соединен через первый элемент задержки с синхровходом блока, а синхровыход соединен со счетным входом счетчика импульсов, первым входом элемента И и синхровходами узлов усреднения минимальных и максимальных кодов, выход узла усреднения минимальных кодов соединен с первым входом первого блока элементов И, выход которого соединен с первым входом узла вычитания кодов, первый вход второго блока элементов И соединен с дополнительным входом блока, а выход - с вторым входом узла вычитания кодов, входы разрешения узлов усреднения минимальных и максимальных кодов соединены с выходом триггера и с вторым входом элемента И, выход которого соединен со счетным входом счетчика числа измерений, информационный выход которого соединен с входами делителя узлов усреднения максимальных и минимальных кодов, входы фиксации результатов которых соединены с входом фиксации результата узла выбора режима измерения, входом сброса триггера и через второй элемент задержки - с выходом переполнения счетчика числа измерений, вход установки триггера соединен с выходом счетчика импульсов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерениям в энергетике и может быть использовано при контроле показателей качества электрической энергии - коэффициента пульсации, отклонения и колебания напряжения, а также глубины провала напряжения.

Известно устройство для контроля показателей качества электроэнергии (авт. св. N 838593, кл. G 01 R 19/00, 1979), содержащее блоки входных преобразователей, блок формирования тестовых сигналов, умножитель частоты, аналого-цифровой преобразователь, блок усреднения кодов, блоки памяти, блок управления, вычислительный блок, блок регистрации, блок контроля фазовых сдвигов, блок контроля отклонения частоты и группы переключателей.

Недостатком известного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные невозможностью осуществить измерение и контроль глубины провала напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство (1), содержащее задатчик моментов измерения, преобразователь мгновенных значений напряжения и цифровой код, задатчик номинальных значений напряжения, блок управления, блоки выделения максимальных и минимальных кодов, квадраторы, сумматоры, суммирующий счетчик, блок извлечения квадратного корня, логометр и блок индикации.

Недостаток прототипа - ограниченные функциональные возможности. Недостаток объясняется тем, что устройство позволяет контролировать основной ряд показателей качества электроэнергии (коэффициент пульсации, отклонения и колебания напряжения) и не обеспечивает контроль глубины провала исследуемого напряжения.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, а именно обеспечение измерения и контроля глубины провала исследуемого напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для контроля напряжения, содержащем логометр, блок индикации, преобразователь мгновенных значений напряжения в цифровой код, первый квадратор, первый арифметический блок, блок извлечения квадратного корня, задатчик номинальных значений напряжения, задатчик моментов измерения, блок управления, суммирующий счетчик, второй квадратор, блоки выделения максимального и минимального кодов и второй арифметический блок, вход преобразователя мгновенных значений является информационным входом устройства, а выход подключен к счетному входу суммирующего счетчика, входами блоков выделения минимального и максимального кодов и входу первого квадратора, выход которого соединен с входом уменьшаемого первого арифметического блока, вход вычитаемого и выход которого соединены соответственно с выходом второго квадрата, входом блока извлечения квадратного корня, выход которого соединен с входом делимого логометра, выход и вход делителя которого соединены соответственно с входом блока индикации и выходом второго арифметического блока, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом блока выделения максимального кода и выходом блока выделения минимального кода, выход суммирующего счетчика соединен с входом второго квадратора и дополнительным входом логометра, причем выход блока управления подключен к входам задатчика моментов измерения и задатчика номинальных значений напряжения, выходами подключенных соответственно к первым и вторым входам преобразователя мгновенных значений напряжения в цифровой код, выход блока управления соединен с синхровходом второго арифметического блока, дополнительный вход которого связан с выходом суммирующего счетчика, при этом второй арифметический блок содержит пять элементов задержки, узел усреднения максимальных кодов, узел усреднения минимальных кодов, узел выбора режима измерения, счетчик n-импульсов, триггер, элемент И, счетчик числа измерений, три группы элементов И и узел вычитания кодов, выход которого является выходом второго арифметического блока, а первый и второй входы соединены соответственно с выходом первой группы элементов И и выходами второй и третьей групп элементов И, первые входы каждой из которых соединены через соответствующий элемент задержки соответственно с входом фиксации, вторым и первым выходами фиксации результата узла выбора режима измерения, синхровходом соединенного с выходом первого элемента задержки, вход которого является синхровходом второго арифметического блока, синхровыход узла выбора режима измерения соединен одновременно со счетным входом счетчика n-импульсов, первым входом элемента И, синхровходами узлов усреднения минимального и максимального кодов, информационные входы которых являются соответственно первым и вторым входами второго арифметического блока, а входы разрешения подключены к выходу триггера и второму входу элемента И, выход которого соединен со счетным входом счетчика числа измерений, информационным выходом соединенного с входами делителя узлов усреднения максимального и минимального кодов, входы фиксации результатов которых связаны через элемент задержки с выходом переполнения счетчика числа измерений и, одновременно, с входом фиксации результата узла выбора режима измерения и входом сброса триггера, вход установки которого подключен к выходу счетчика n-импульсов, причем первые входы первой и третьей групп элементов И соединены соответственно с выходами узлов усреднения минимального и максимального кодов, а первый вход второй группы элементов И является дополнительным входом второго арифметического блока.

Сущность изобретения состоит в расширении функциональных возможностей устройства путем введенной связи между блоком управления и вторым арифметическим блоком, выполненным с дополнительным входом, в результате чего в логометре осуществляется фиксация кода, пропорционального разности минимального и номинального значений исследуемого напряжения. Такое схемное решение позволяет проводить измерение и контроль глубины провала исследуемого напряжения.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа изменением конструкции второго арифметического блока и введением соответствующих связей. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения с другими решениями показывает, что в научно-технической литературе не обнаружено устройство с такой совокупностью новых узлов, элементов и соответствующих связей. Таким образом заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Суть определения основного ряда показателей качества электроэнергии заключается в том, что

U²_x = U²_xo+ U²_xi ,

(1) где U_х - среднеквадратическое значение исследуемого напряжения;

U_хо - средневыпрямленное значение исследуемого напряжения;

U_хi - среднеквадратическое значение i-ой гармонической составляющей исследуемого напряжения.

По определению коэффициент пульсации определяется из выражения

K_п = .

(2)

С учетом (1) выражение (2) принимает вид

K_п = .

(3)

Отклонения и колебания напряжения определяются из выражения

U = ,

(4)

U = ,

(5) где U_н - номинальное значение напряжения;

U_max и U_min - максимальное и минимальное значения исследуемого напряжения соответственно.

Глубина провала напряжения является показателем качества электроэнергии неосновного ряда. По определению ГОСТ 13109-87 глубина провала напряжения определяется из выражения

V_u =

(6)

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для контроля напряжения; на фиг.2 - функциональная схема второго арифметического блока.

Устройство для контроля напряжения (фиг.1) содержит задатчик 1 моментов измерения, преобразователь 2 мгновенных значений напряжения в цифровой код, задатчик 3 номинальных значений напряжения, блок 4 управления, блоки 5 и 6 выделения минимального и максимального кодов соответственно, первый квадратор 7, второй квадратор 8, второй арифметический блок 9, первый арифметический блок 10, суммирующий счетчик 11, блок 12 извлечения квадратного корня, логометр 13, блок 14 индикации.

Блок 4 управления предназначен для управления работой задатчиков 1, 3, второго арифметического блока 9 и выполнен в виде генератора тактовых импульсов.

Второй арифметический блок 9 (фиг.2) предназначен для выполнения операций усреднения кодов, поступивших с выходов блоков 5 и 6 соответственно, а также для выполнения операций вычитания усредненных в блоке кодов либо кода, усредненного в блоке, и кода, поступившего с выхода суммирующего счетчика 11.

Блок 9 содержит элементы 15-19 задержки записи кодов, узел 20 усреднения минимальных кодов и узел 21 усреднения максимальных кодов, выполненных идентично, в виде последовательно соединенных группы 22 элементов И, сумматора 23 кодов, группы 24 элементов И и схемы 25 деления суммы кодов на число измерений, триггер 26, узел 27 выбора режима измерения, счетчик 28 на n-импульсов, схема 29 И, счетчик 30 числа измерений, группы 31-33 элементов И и узел 34 вычитания кодов.

Блок 9 имеет входы 35-38 и выход 39, причем вход 35 является управляющим и подключен к выходу блока 4 управления. Входы 36, 37 и 38 блока 9 подключены соответственно к выходам блоков 6 и 5 выделения кодов и выходу счетчика 11 соответственно.

Узел 27 выбора режима измерения выполнен в виде трехпозиционного переключателя, позволяющего осуществить выбор:

режима I - измерение коэффициента пульсации (верхнее положение подвижных контактов);

режима II - измерение отклонений и колебаний напряжения (среднее положение подвижных контактов);

режима III - измерение глубины провала напряжения (нижнее положение подвижных контактов).

Счетчик 30 числа измерений выполнен на n-измерений и имеет кодовый выход числа измерений и выход переполнения счетчика.

Узлы 20 и 21 усреднения кодов работают следующим образом (фиг.2).

Коды, пропорциональные минимальному значению напряжения (для узла 20) или максимальному значению напряжения (для узла 21), поступают на вход сумматора 23 через группу 22 элементов И, только при наличии на втором входе элементов И группы 22 сигнала логической единицы и поступлении управляющего импульса по входу 35, через элемент 15 и узел 27 на первый вход элементов группы 22. При поступлении n-импульсов, в сумматоре 23 будет накоплена сумма N_mini кодов или N_maxi (для узла 21). Код этой суммы поступит через элемент группы 24, на первый вход схемы 25 только при появлении на первом входе элементов И группы 24 разрешающего импульса. На втором входе схемы 25 присутствует код числа n-измерений, поступивший с кодового выхода счетчика 30. В результате деления в схеме 25 кода суммы на код числа измерений, будет завершено выполнение алгоритма усреднения кодов N_min или N_maxi ( для узла 21).

Второй арифметический блок 9 (фиг.2) работает следующим образом.

В исходном состоянии сумматоры 23 узлов 20, 21, счетчики 28, 30 и триггер 26 находятся в нулевом состоянии.

В режиме I узел 27 выбора режима измерения (верхнее положение подвижных контактов) отключает входы 36-38 и блок 9 в работе устройства не участвует.

В режиме II (среднее положение подвижных контактов узла 27) управляющие импульсы по входу 35 через элемент 15 и контакты узла 27 поступают на вход счетчика 28, где за время Т_о первого цикла измерения накапливается n-импульсов. При достижении числа n-импульсов, на выходе счетчика 28 будет сформирован импульс переполнения, который переведет триггер 26 в единичное состояние. Наличие на вторых входах узлов 20, 21 и элемента 29 логической единицы, поступившей с выхода триггера 26, позволит с приходом (n+1)-го импульса начать выполнение алгоритма усреднения в узлах 20, 21 и подсчет числа импульсов счетчиком 30. При накоплении в счетчике 30 числа n-импульсов, на выходе переполнения счетчика будет сформирован сигнал, который через элемент 16 разрешит выполнение операции деления в узлах 20, 21 и, переведя триггер 26 в нулевое состояние по R-входу, отключит входы 36 и 37 второго арифметического блока 9. Одновременно с этим, сигнал переполнения, через элемент 17, поступит на второй вход элементов И группы 31. Одновременно с этим, сигнал переполнения счетчика 30, поступив на вход фиксации результата узла 27, появится на первом его выходе и далее через элемент 19 поступит на второй вход элементов И 33, разрешая ввод кодов соответственно по первому и второму входам узла 34 вычитания кодов. В результате выполнения операции вычитания на выходе 39 будет присутствовать код разности выходных кодов узлов 21 и 20.

В режиме III измерения глубины провала напряжения (нижнее положение подвижных контактов узла 27) работа блока 9 аналогична работе этого блока в режиме II, за исключением того, что при накоплении в счетчике 30 числа n-импульсов, сигнал переполнения счетчика, поступив на вход фиксации результата узла 27, появится на втором его выходе и далее через элемент 18 поступит на второй вход элементов И группы 32. Таким образом, на первый и второй входы узла 34 вычитания кодов поступят соответственно выходной код узла 20 и выходной код суммирующего счетчика 11, поступивший по входу 38 второго арифметического блока 9. В результате выполнения операции вычитания в узле 34 вычитания на выходе 39 будет присутствовать код разности выходных кодов узла 20 и суммирующего счетчика 11.

Устройство (фиг.1) работает следующим образом.

В исходном состоянии блок 10 подготовлен к измерению, суммирующий счетчик 11 установлен в нулевое состояние, ячейки логометра 13 очищены, исследуемый сигнал на входе устройства отсутствует.

В режиме I исследуемое напряжения поступает на вход преобразователя 2.

По команде с блока 4 задатчик 1 выдает за время Т_о цикла измерения число импульсов, равное n, запускающих преобразователь 2 в моменты времени

t_i = i , где i= 1, 2,...,n.

С приходом с задатчика 1 каждого из n-импульсов на вход преобразователя 2, осуществляется его запуск на преобразование мгновенного значения исследуемого напряжения в цифровой код N_i.

Эти коды поступают на входы суммирующего счетчика 11 и квадратора 7. За время измерения Т_о в суммирующем счетчике 11 образуется код, пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения

U_xo = U_xi(t)dt N_i , где U_xi(t) - мгновенное значение исследуемого напряжения.

Этот код поступает в ячейку логометра 13 и фиксируется в ней. Одновременно с этим коды N_i поступают в квадратор 7 и, после возведения в квадрат, коды N_i² поступают на вход уменьшаемого блока 10. За время поступления n-импульсов в блоке 10 образуется код, пропорциональный квадрату текущего среднеквадратического значения исследуемого напряжения

U²_x = U²_xi(t)dt N²_i .

По окончании времени Т_о код суммирующего счетчика 11 возводится в квадрат в квадраторе 8 и по входу вычитаемого вводится в блок 10 на вычитание. В результате выполнения операции вычитания на выходе блока 10 образуется код, пропорциональный сумме квадратов действующих гармоник переменной составляющей напряжения. После извлечения квадратного корня в блоке 12 извлечения квадратного корня, код фиксируется в ячейке логометра 13. Далее в логометре 13 осуществляется деление кода, пропорционального корню квадратному из суммы квадратов гармонических составляющих, на код, пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения, и в блоке 14 индикации фиксируется значение коэффициента пульсации.

В режиме II устройство работает следующим образом. В исходном состоянии блоки 9, 10 подготовлены к измерению, суммирующий счетчик 11 установлен в нулевое состояние, ячейки логометра 13 очищены, исследуемый сигнал на входе устройства отсутствует.

По команде блока 4 управления задатчик 1 выдает за время Т_о первого цикла n-импульсов на запуск преобразователя 2, а задатчик 3 номинальных значений напряжения выдает номинальное значение исследуемого сигнала. Преобразователь 2 преобразует значения номинального сигнала U_нi в цифровые коды N_нi, которые поступают в счетчик 11, где за время Т_о образуется код, пропорциональный номинальному напряжению N_нi . Этот код фиксируется в логометре 13.

Одновременно с этим преобразованием возведенные в квадрат в квадраторе 7 номинальные коды N_нi² поступают в блок 10 на суммирование. За время Т_о в блоке 10 образуется код, пропорциональный квадрату номинального напряжения N²_нi .

С приходом (n+1)-го импульса с задатчика 1, начинается второй цикл измерения длительностью То, в котором коды мгновенных значений исследуемого напряжения N_i поступают в суммирующий счетчик 11, где за время Т_о цикла образуется код N_i. Этот код возводится в квадрат в квадраторе 8 и поступает на вход вычитаемого блока 10 для выполнения операции вычитания. В результате выполнения в блоке 10 операции вычитания на его выходе образуется код, пропорциональный квадрату отклонения исследуемого напряжения. После извлечения квадратного корня в блоке 12, код фиксируется в ячейке логометра 13. Далее в логометре 13 осуществляется деление кода, пропорционального разности исследуемого и номинального напряжений на код, пропорциональный номинальному значению напряжения, и в блоке 14 индикации фиксируется отклонение исследуемого напряжения.

Одновременно с этим коды N_i поступают в блоки 5 и 6 выделения минимального и максимального кодов соответственно, где осуществляется сравнение кодов с номинальным кодом и выделение минимального N_mini и максимального N_maxi кодов.

Коды N_maxi поступают на вход 36, а коды N_mini - на вход 37 блока 9. За время Т_о второго цикла измерения на выходе 39 блока 9 образуется код, пропорциональный разности максимального и минимального значений напряжения, который фиксируется в логометре 13. После выполнения в логометре 13 операции деления этого кода на значение номинального кода, в блоке 14 индикации будет зафиксирован результат, соответствующий колебанию исследуемого напряжения.

В режиме III устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии блоки 9, 10 подготовлены к измерению, суммирующий счетчик 11 установлен в нулевое состояние, ячейки логометра 13 очищены, исследуемый сигнал на входе устройства отсутствует.

По команде блока 4 управления задатчик 1 выдает за время Т_о первого цикла измерения n-импульсов на запуск преобразователя 2, а задатчик 3 выдает номинальное значение исследуемого сигнала. Преобразователь 2 преобразует мгновенные значения номинального сигнала U_нi в цифровые коды N_нi, которые поступают в счетчик 11, где за время Т_о первого цикла измерения образуется код, пропорциональный номинальному напряжению N_нi, фиксируемый в ячейке логометра 13, а суммирующий счетчик 11 отключается.

С приходом (n+1)-го импульса с задатчика 1, начинается второй цикл измерения длительностью Т_о, в котором коды мгновенных значений исследуемого напряжения N_i поступают в блоки 5 и 6 выделения минимального и максимального кодов соответственно, где осуществляется сравнение этих кодов с номинальным кодом и выделение максимального N_maxi и минимального N_mini кодов. Эти коды поступают соответственно на входы 36 и 37 блока 9. В результате операций преобразования кодов в блоке 9 к окончанию времени Т_о второго цикла измерения на его выходе 39 будет присутствовать код, пропорциональный разности минимального и номинального (хранящегося в суммирующем счетчике 11) напряжений, фиксируемый в ячейке логометра 13. В результате выполнения в логометре 13 операции деления этого кода на код, пропорциональный номинальному напряжению, в блоке 14 будет зафиксирован результат, соответствующий глубине провала напряжения V_u.

Таким образом, выполнение второго арифметического блока с синхровходом и дополнительным входом, подключенными соответственно к выходу блока управления и выходу суммирующего счетчика, позволило осуществлять измерение и контроль как коэффициента пульсации, отклонения и колебания напряжения, так и глубины провала напряжения, что является расширением функциональных возможностей устройства.