оперативный контроллер мощности нагрузки энергопотребителя

Формула изобретения

Оперативный контроллер мощности нагрузки энергопотребителя, содержащий аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, первый и второй источники опорного напряжения, первый и второй регистры, дешифратор, индикатор, датчик мощности, первый, второй и третий одновибраторы, первый триггер, элемент И, двоичный счетчик, генератор опорной частоты, выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к прямому выходу первого триггера, а выход соединен с тактовым входом двоичного счетчика, информационный выход которого соединен с группой младших разрядов информационного входа первого регистра, выход которого соединен с информационным входом цифроаналогового преобразователя, аналоговый вход опорного напряжения которого подключен к выходу первого источника опорного напряжения, а информационный выход соединен с входом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого подключен к выходу второго источника опорного напряжения, а цифровой информационный выход через второй регистр соединен с информационным входом дешифратора, выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора, инверсный выход первого одновибратора соединен с входом второго одновибратора, прямой выход которого соединен с входом записи первого регистра, а инверсный выход соединен с входом третьего одновибратора, инверсный выход которого соединен с входом установки единицы первого триггера, а прямой выход соединен с входом установки нуля двоичного счетчика и входом запуска аналого-цифрового преобразователя, выход окончания цикла которого соединен с входом записи второго регистра, отличающийся тем, что в него дополнительно введен второй триггер, прямой выход которого соединен со старшим разрядом информационного входа первого регистра, а вход установки единицы подключен к выходу переполнения двоичного счетчика, соединенному с входом установки нуля первого триггера, тактовый вход которого подключен к выходу датчика мощности, а инверсный выход соединен с входом первого одновибратора, инверсный выход третьего одновибратора соединен с входом установки нуля второго триггера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники и предназначено для оперативного контроля мощности нагрузки энергопотребителей в узлах нагрузки электроэнергетических систем и системах электроснабжения предприятий, оснащенных счетчиками электроэнергии с телеметрическим выходом.

Известно автоматическое устройство для определения текущей совмещенной электрической нагрузки предприятия /1/, содержащее блок приема информации, счетчик-усреднитель, сдвигающий регистр, счетчик текущей мощности предприятия, элемент ИЛИ, счетчик-распределитель, дешифратор распределения, генератор, блок управления, блок индикации и регистрации.

Недостатками аналога являются низкое быстродействие (поскольку текущая мощность определяется, как усредненная на получасовом интервале) и невысокая точность (за счет сглаживания при усреднении).

Аналогом также является устройство для измерения избыточной мощности энергопотребителя /2/, содержащее дифференциальный интегратор, делительный блок, генератор линейно изменяющегося напряжения, три сумматора, блок задания максимума нагрузки, преобразователь частоты в напряжение, преобразователь кода в напряжение, преобразователь мощности в частоту.

Недостатками этого аналога, как и предыдущего, являются низкое быстродействие и невысокая точность, поскольку измеряемые им параметры усредняются на интервале длительностью 3 - 5 минут.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для оперативного контроля текущей мощности нагрузки энергопотребителя /3/, содержащее датчик мощности, генератор опорной частоты, элемент И, триггер, счетчик, два регистра, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, два источника опорного напряжения, дешифратор, индикатор, три одновибратора.

Недостатком прототипа является его невысокая точность при контроле малых значений мощности нагрузки, близких к нулю. Фактически на цифровом индикаторе прототипа при этом отображается значение мощности, полученное при цикле измерений, предшествующем замеру нулевой мощности.

Техническая задача, решаемая изобретением - повышение точности устройства при контроле малых значений мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для оперативного контроля текущей мощности нагрузки энергопотребителя, содержащем аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, первый и второй источники опорного напряжения, первый и второй регистры, дешифратор, индикатор, датчик мощности, первый, второй и третий одновибраторы, первый триггер, элемент И, двоичный счетчик, генератор опорной частоты, выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к прямому выходу первого триггера, а выход соединен с тактовым входом двоичного счетчика, информационный выход которого соединен с группой младших разрядов информационного входа первого регистра, выход которого соединен с информационным входом цифроаналогового преобразователя, аналоговый вход опорного напряжения которого подключен к выходу первого источника опорного напряжения, а информационный выход соединен со входом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого подключен к выходу второго источника опорного напряжения, а цифровой информационный выход через второй регистр соединен с информационным входом дешифратора, выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора, инверсный выход первого одновибратора соединен со входом второго одновибратора, прямой выход которого соединен со входом записи первого регистра, а инверсный выход соединен со входом третьего одновибратора, инверсный выход которого соединен со входом установки единицы первого триггера, а прямой выход соединен со входом установки нуля двоичного счетчика и входом запуска аналого-цифрового преобразователя, выход окончания цикла которого соединен со входом записи второго регистра, дополнительно введен второй триггер, прямой выход которого соединен со старшим разрядом информационного входа первого регистра, а вход установки единицы подключен к выходу переполнения двоичного счетчика, соединенному со входом установки нуля первого триггера, тактовый вход которого подключен к выходу датчика мощности, а инверсный выход соединен со входом первого одновибратора, инверсный выход третьего одновибратора соединен со входом установки нуля второго триггера.

Существенными отличиями предлагаемого технического решения является использование нового элемента (второго триггера) и связей между новым элементом и старыми элементами, а также новых связей между старыми элементами. Эти существенные отличия обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение точности устройства при контроле малых значений мощности.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, а на фиг. 2 приведены графики изменений напряжения на элементах схемы.

Устройство содержит генератор 1 опорной частоты, выход которого через элемент И 2 соединен с тактовым входом двоичного счетчика 3, информационный выход которого соединен с группой младших разрядов информационного входа первого регистра 4, выход которого соединен с информационным входом цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 5, аналоговый вход опорного напряжения которого подключен к выходу первого источника опорного напряжения (ИОН) 6, а информационный выход ЦАП 5 соединен со входом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7, информационный вход которого подключен к выходу второго ИОН 8, а цифровой информационный выход через второй регистр 9 соединен с информационным входом дешифратора 10, выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора 11, датчик 12 мощности (ДМ), выход которого соединен с тактовым входом первого триггера 13, прямой выход которого соединен со вторым входом элемента И 2, а инверсный соединен со входом первого одновибратора 14, инверсный выход которого соединен со входом второго одновибратора 15, прямой выход которого соединен со входом записи первого регистра 4, а инверсный соединен со входом третьего одновибратора 16, прямой выход которого соединен со входом установки нуля двоичного счетчика 3 и входом запуска АЦП 7, выход окончания цикла которого соединен со входом записи второго регистра 9, инверсный выход третьего одновибратора 16 соединен со входом установки единицы первого триггера 13 и со входом установки нуля второго триггера 17, прямой выход которого соединен со старшим разрядом информационного входа первого регистра 4, а вход установки единицы подключен к выходу переполнения двоичного счетчика 3, соединенному со входом установки нуля первого триггера 13.

Генератор 1 выполняется кварцевым, высокая стабильность его частоты гарантирует высокую точность работы устройства.

В качестве ДМ 12 используются счетчики электроэнергии с телеметрическим выходом, например, СА3У-И687, СР4У-И689 и др.

Устройство работает следующим образом.

На выходе ДМ 12 появляются прямоугольные импульсы напряжения, частота которых f пропорциональна текущей мощности нагрузки P(t). Очередной такой импульс появляется на выходе ДМ 12 в момент времени t₁. Этот импульс опрокидывает первый триггер 13 из единичного состояния в нулевое. Напряжение прямого выхода триггера 13 при этом спадает до нуля, блокируя элемент И 2 и запрещая пропускание импульсов с выхода генератора 1 на вход счетчика 3, в результате этого счетчик 3 прекращает подсчет импульсов и находится в состоянии покоя. Появляющееся на инверсном выходе триггера 13 единичное напряжение запускает первый одновибратор 14. Оканчиваясь, выходной импульс первого одновибратора 14 запускает второй одновибратор 15. Единичным импульсом с прямого выхода одновибратора 15 в регистр 4 записывается информация, накопленная в счетчике 16 за предыдущий интервал измерений. По окончании нулевого отрицательного импульса на инверсном выходе второго одновибратора 15 запускается третий одновибратор 16. Импульсом с прямого выхода одновибратора 16 обнуляется содержимое счетчика 3, который подготавливается таким образом к накоплению информации на следующем интервале измерений. Отрицательным импульсом с инверсного выхода одновибратора 16 подтверждается нулевое состояние второго триггера 17, а первый триггер 13 возвращается в единичное состояние, после чего начинается новый цикл измерений на интервале t₁ - t₂.

После возвращения первого триггера 13 в единичное состояние ко второму входу элемента И 2 прикладывается единичное напряжение и он начинает пропускать импульсы с выхода генератора 1 на тактовый вход счетчика 3. Счетчик 3 подсчитывает импульсы на интервале t₁ - t₂, длительность которого равна периоду следования импульсов с выхода ДМ 12. Количество импульсов, подсчитанных счетчиком 3 на интервале t₁ - t₂, равняется n.

Пропорциональный этому числу код после записи в первый регистр 4 в момент времени t₂ прикладывается к цифровому входу ЦАП 5, выходное напряжение которого становится равным

U₅ = U_опn, (1)

где U_оп - выходное напряжение первого ИОН 6, подаваемое на вход опорного напряжения ЦАП 5.

Количество импульсов n пропорционально длительности периода T импульсов ДМ 12

n = K₁T = K₁/f, (2)

где f = 1/T - частота импульсов на выходе ДМ 12;

K₁ - постоянный коэффициент пропорциональности.

Частота импульсов на выходе ДМ 12 пропорциональна мощности P энергопотребителя

f = K₂ P, (3)

где K₂ - постоянный коэффициент пропорциональности.

Учитывая формулы (2) и (3), можно записать

n = K₁/K₂P, (4)

Зависимость между измеряемой мощностью P и выходным напряжением ЦАП 5, с учетом формул (1) - (4), определяется следующим соотношением

(5)

Напряжение U₅ с выхода ЦАП 5 прикладывается ко входу опорного напряжения АЦП 7, на информационный аналоговый вход которого подается напряжением U₈ с выхода второго ИОН 8. Это напряжение пропорционально цене импульса ДМ 12:

U₈ = K₃ C_и , (6)

где K₃ - постоянный коэффициент пропорциональности;

C_и = цена импульса ДМ 12.

Выходной код АЦП 7, который формируется после запуска АЦП 7 в момент времени t₂ и записывается во второй регистр 9, равен



где N - максимальный код на выходе АЦП 7, соответствующий его рабочему диапазону;

K_э - эквивалентный коэффициент пропорциональности всего устройства, определяемый по формуле

(8)

Код АЦП 7, который пропорционален контролируемой текущей мощности P нагрузки энергопотребителя, отображается на цифровом индикаторе 11. Число десятичных разрядов индикатора 9 (положение запятой), а также размерность отображаемых значений мощности (МВт или кВт) выбирается путем варьирования коэффициента К и его составляющих по формуле (8).

Для исключения возможности ложной работы устройства при измерении малых значений мощности P в схеме предусмотрена связь между выходом переполнения счетчика 3 и входом установки нуля первого триггера 13, а также введен второй триггер 17. При контроле малых (близких или равных нулю) значений мощности P длительность периода T следования импульсов на выходе ДМ 12 значительно возрастает, в результате чего счетчик 3 переполняется, на его выходе переполнения появляется отрицательный импульс, который переводит первый триггер 13 в нулевое состояние, а второй триггер 17 - в единичное. Единичное напряжение прямого выхода триггера 17 прикладывается к старшему разряду информационного входа первого регистра 4. С некоторой задержкой времени после этого выходным импульсом одновибратора 15 в регистр 4 записывается код со старшим значащим разрядом. При этом выходное напряжение ЦАП 5 снижается до значения.

U₅ < U₈,

а при таком соотношении выходной код АЦП 7 становится равным нулю.

Преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с известными является повышение точности устройства при контроле малых значений мощности нагрузки энергопотребителя.

Источники информации.

1. Авторское свидетельство СССР N 521525, кл. G 01 R 21/00, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР N 1114965, кл. G 01 R 21/00, 1984.

3. Патент РФ N 2066056, кл. G 01 R 21/00, 1996 (прототип).