многомерный статистический анализатор выбросов и провалов нестационарного напряжения

Формула изобретения

1. Многомерный статистический анализатор выбросов и провалов напряжения, содержащий первый нуль-орган, первый формирователь модуля, n (где n - число уровней анализа амплитуды выброса или глубины провала напряжения) аналоговых компараторов, n+1 двоичных счетчиков, многоканальный коммутатор, первый и второй цифровые блоки памяти, двоично-десятичный счетчик, распределитель уровней, регистр, цифровой компаратор, триггер, первый и второй генераторы прямоугольных импульсов, первый и второй одновибраторы, элемент И, элемент НЕ, преобразователь переменного напряжения в постоянное, вход которого соединен с входной клеммой анализатора, прямой выход первого нуль-органа соединен со старшим разрядом второй группы разрядов информационного входа регистра и первым управляющим входом первого формирователя модуля, второй управляющий вход которого подключен к инверсному выходу первого нуль-органа, а выход соединен с объединенными входами n аналоговых компараторов, инверсные выходы каждого из которых соединены со входами установки нуля с первого по n-й двоичных счетчиков, соответственно, выходы которых соединены соответственно с информационными входами многоканального коммутатора, выход которого соединен с информационным входом первого цифрового блока памяти, с первой группой разрядов информационного входа регистра и первым входом цифрового компаратора, выход которого соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен с входом управления записью регистра и через элемент НЕ - с входом установки единицы триггера, инверсный выход которого соединен со входом установки нуля распределителя уровней, тактовый вход которого подключен к выходу второго генератора прямоугольных импульсов, а выходы распределителя уровней соединены соответственно первый - со входом управления записью двоично-десятичного счетчика, второй - с тактовым входом двоично-десятичного счетчика, третий - с входом управления записью второго цифрового блока памяти, четвертый - с входом установки нуля триггера, выход первого генератора прямоугольных импульсов соединен с объединенными тактовыми входами n+1 двоичных счетчиков и с прямым входом первого одновибратора, прямой выход которого соединен с вторым входом элемента И и инверсным входом второго одновибратора, инверсный выход которого соединен с входом управления записью первого цифрового блока памяти, выход которого соединен со вторым входом цифрового компаратора, выход (n+1)-го двоичного счетчика соединен с управляющим входом многоканального коммутатора, адресным входом первого цифрового блока памяти и младшими разрядами второй группы разрядов информационного входа регистра, выход которого соединен с адресным входом второго цифрового блока памяти, выход которого соединен с информационным входом двоично-десятичного счетчика, выход которого соединен с информационным входом второго цифрового блока памяти, отличающийся тем, что в него дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь, второй формирователь модуля, второй нуль-орган, фильтр нижних частот и фильтр верхних частот, вход которого объединен с входом фильтра нижних частот и подключен к выходу преобразователя переменного напряжения в постоянное, а выход соединен с объединенными входом первого нуль-органа и информационным входом первого формирователя модуля, выход фильтра нижних частот соединен с объединенными входом второго нуль-органа и информационным входом второго формирователя модуля, первый управляющий вход которого объединен с старшим разрядом третьей группы разрядов информационного входа регистра и подключен к прямому выходу второго нуль-органа, инверсный выход которого соединен со вторым управляющим входом второго формирователя модуля, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, информационный выход которого соединен с младшими разрядами третьей группы разрядов информационного входа регистра.

2. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что каждый из формирователей модуля содержит первый и второй коммутаторы и инвертор, вход которого объединен с информационным входом первого коммутатора и подключен к информационному входу соответствующего формирователя модуля, первый управляющий вход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора, выход которого объединен с выходом второго коммутатора и соединен с выходом соответствующего формирователя модуля, второй управляющий вход которого соединен с управляющим входом второго коммутатора, информационный вход которого подключен к выходу инвертора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, предназначено для одновременного получения семейств функций распределения длительности превышения уровней анализа выбросами и провалами напряжения при различных значениях отклонений напряжения и может быть использовано в электроэнергетике для контроля качества электроэнергии при стационарном и нестационарном (относительно среднего значения) напряжении в промышленных электрических сетях и оценки его влияния на различное электрооборудование.

Известен многоуровневый статистический анализатор длительности выбросов и провалов напряжения /1/, содержащий одновибраторы, блоки памяти, счетчики, генератор прямоугольных импульсов, элементы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ключ, триггеры, дешифратор, компаратор, двухпозиционный переключатель, аналого-цифровой преобразователь.

Недостатком аналога являются узкие функциональные возможности - он предназначен для исследования только стационарных случайных процессов изменения напряжения и накапливает ложные результаты при анализе нестационарных случайных процессов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является анализатор длительности выбросов и провалов напряжения /2/, содержащий выпрямительный элемент, нуль-орган, формирователь модуля, компараторы, счетчики, блоки памяти, элемент И, элемент НЕ, одновибратор, регистр, триггер и распределитель уровней.

Недостатком прототипа также являются узкие функциональные возможности - он предназначен для исследования только стационарных случайных процессов изменения напряжения и накапливает ложные результаты при анализе нестационарных случайных процессов.

Техническая задача, решаемая изобретением - расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности исследования нестационарных случайных процессов.

Указанные технические задачи решаются благодаря тому, что в анализатор длительности выбросов и провалов напряжения, содержащий первый нуль-орган, первый формирователь модуля, n (где n - число уровней анализа амплитуды выброса или глубины провала напряжения) аналоговых компараторов, n+1 двоичных счетчиков, многоканальный коммутатор, первый и второй цифровые блоки памяти, двоично-десятичный счетчик, распределитель уровней, регистр, цифровой компаратор, триггер, генератор прямоугольных импульсов, первый и второй одновибраторы, элемент И, элемент НЕ, преобразователь переменного напряжения в постоянное, вход которого соединен со входной клеммой анализатора, прямой выход первого нуль-органа соединен со старшим разрядом второй группы разрядов информационного входа регистра и первым управляющим входом первого формирователя модуля, второй управляющий вход которого подключен к инверсному выходу первого нуль-органа, а выход соединен с объединенными входами n аналоговых компараторов, инверсные выходы каждого из которых соединены соответственно со входами установки нуля n двоичных счетчиков, выходы которых соединены соответственно с информационными входами многоканального коммутатора, выход которого соединен с информационным входом первого цифрового блока памяти, с первой группой разрядов информационного входа регистра и первым входом цифрового компаратора, выход которого соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен с входом управления записью регистра и через элемент НЕ - с входом установки единицы триггера, инверсный выход которого соединен со входом установки нуля распределителя уровней, тактовый вход которого подключен к выходу второго генератора прямоугольных импульсов, выходы которого соединены соответственно первый - со входом управления записью двоично-десятичного счетчика, второй - с тактовым входом двоично-десятичного счетчика, третий - с входом управления записью второго цифрового блока памяти, четвертый - с входом установки нуля триггера, выход первого генератора прямоугольных импульсов соединен с объединенными тактовыми входами n+1 двоичных счетчиков и с прямым входом первого одновибратора, прямой выход которого соединен с вторым входом элемента И и инверсным входом второго одновибратора, инверсный выход которого соединен с входом управления записью первого цифрового блока памяти, выход которого соединен с вторым входом цифрового компаратора, выход (n+1)-го двоичного счетчика соединен с управляющим входом многоканального коммутатора, адресным входом первого цифрового блока памяти и младшими разрядами второй группы разрядов информационного входа регистра, выход которого соединен с адресным входом второго цифрового блока памяти, выход которого соединен с информационным входом двоично-десятичного счетчика, выход которого соединен с информационным входом второго цифрового блока памяти, дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь, второй формирователь модуля, второй нуль-орган, фильтр нижних частот и фильтр верхних частот, вход которого объединен с входом фильтра нижних частот и подключен к выходу преобразователя переменного напряжения в постоянное, а выход соединен с объединенными входом первого нуль-органа и информационным входом первого формирователя модуля, выход фильтра нижних частот соединен с объединенными входом второго нуль-органа и информационным входом второго формирователя модуля, первый управляющий вход которого объединен с старшим разрядом третьей группы разрядов информационного входа регистра и подключен к прямому выходу второго нуль-органа, инверсный выход которого соединен со вторым управляющим входом второго формирователя модуля, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, информационный выход которого соединен с младшими разрядами третьей группы разрядов информационного входа регистра; формирователь модуля содержит первый и второй коммутаторы и инвертор, вход которого объединен с информационным входом первого коммутатора и подключен к информационному входу формирователя модуля, первый управляющий вход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора, выход которого объединен с выходом второго коммутатора и соединен с выходом формирователя модуля, второй управляющий вход которого соединен с управляющим входом второго коммутатора, информационный вход которого подключен к выходу инвертора.

Существенными отличиями предлагаемого анализатора являются введение аналого-цифрового преобразователя, второго формирователя модуля, второго нуль-органа и фильтров нижних и верхних частот, а также новая организация связей между элементами анализатора. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - расширение функциональных возможностей анализатора за счет возможности исследования нестационарных случайных процессов.

На фиг.1 представлена схема анализатора, на фиг.2 - схема формирователя модуля, на фиг. 3 показаны процессы изменения напряжения на выходах преобразователя переменного напряжения в постоянное и фильтров нижних и верхних частот.

Анализатор (фиг.1) содержит входную клемму 1, соединенную со входом преобразователя 2 переменного напряжения в постоянное (ППНП), выход которого соединен с объединенными входами фильтра верхних частот (ФВЧ) 3 и фильтра нижних частот (ФНЧ) 4, выход которого соединен с объединенными информационным входом второго формирователя 5 модуля (ФМ) и входом второго нуль-органа (НО) 6, прямой выход которого соединен с старшим разрядом третьей группы разрядов информационного входа регистра 7 и первым управляющим входом второго ФМ 5, второй управляющий вход которого подключен к инверсному выходу второго НО 6, а выход соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8, информационный выход которого соединен с младшими разрядами третьей группы разрядов информационного входа регистра 7, старший разряд второй группы разрядов которого объединен с первым управляющим входом первого ФМ 9 и подключен к прямому выходу первого НО 10, вход которого объединен с информационным входом первого ФМ 9 и подключен к выходу ФВЧ 3, а инверсный выход соединен со вторым управляющим входом первого ФМ 9, выход которого соединен с объединенными входами n (где n - число уровней анализа амплитуды выброса или глубины провала напряжения) аналоговых компараторов (АК) 11-12, инверсные выходы каждого из которых соединены соответственно со входами установки нуля n двоичных счетчиков 13-14, выходы которых соединены соответственно с информационными входами многоканального коммутатора 15, выход которого соединен с информационным входом первого цифрового блока 16 памяти (ЦБП), с первой группой разрядов информационного входа регистра 7 и первым входом цифрового компаратора (ЦК) 17, выход которого соединен с первым входом элемента И 18, выход которого соединен с входом управления записью регистра 7 и через элемент НЕ 19 - с входом установки единицы триггера 20, инверсный выход которого соединен со входом установки нуля распределителя 21 уровней (РУ), тактовый вход которого подключен к выходу второго генератора 22 прямоугольных импульсов (ГПИ), выходы которого соединены соответственно первый - со входом управления записью двоично-десятичного счетчика 23, второй - с тактовым входом двоично-десятичного счетчика 23, третий - с входом управления записью второго ЦБП 24, четвертый - с входом установки нуля триггера 20, выход первого ГПИ 25 соединен с объединенными тактовыми входами n+1 двоичных счетчиков 11-12, 26 и с прямым входом первого одновибратора 27, прямой выход которого соединен с вторым входом элемента И 18 и инверсным входом второго одновибратора 28, инверсный выход которого соединен с входом управления записью первого ЦБП 16, выход которого соединен с вторым входом ЦК 17, выход (n+1)-го двоичного счетчика 26 соединен с управляющим входом многоканального коммутатора 15, адресным входом первого ЦК 16 и младшими разрядами второй группы разрядов информационного входа регистра 7, выход которого соединен с адресным входом второго ЦБП 24, выход которого соединен с информационным входом двоично-десятичного счетчика 23, выход которого соединен с информационным входом второго ЦБП 24.

Формирователи модуля 5 и 9 идентичны, ФМ 5 (фиг.2) содержит первый 29 и второй 30 коммутаторы и инвертор 31, вход которого объединен с информационным входом первого коммутатора 29 и подключен к информационному входу ФМ 5, первый управляющий вход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора 29, выход которого объединен с выходом второго коммутатора 30 и соединен с выходом ФМ 5, второй управляющий вход которого соединен с управляющим входом второго коммутатора 30, информационный вход которого подключен к выходу инвертора 31.

Анализатор выполнен многоканальным. Диапазон изменения низкочастотной медленно изменяющейся нестационарной составляющей отклонений напряжения равномерно разбивается границами разрядов АЦП 8. Уровни срабатывания АК 11-12 равномерно разбивают диапазон изменения амплитуды выбросов и провалов напряжения, квантователями длительности выбросов и провалов напряжения выше различных уровней анализа являются двоичные счетчики 13-14. Далее в качестве примера рассматривается 16384-канальный анализатор, имеющий одинаковое число квантов отклонений (как выше, так и ниже номинального уровня U_н), а также амплитуды и длительности выбросов и провалов напряжения n=16. Число каналов определяется по формуле: 2n2nn=16384.

Для повышения точности измерения длительности выбросов и провалов напряжения используются 8-разрядные счетчики 13-14, выходы четырех старших разрядов каждого из которых соединены соответственно с информационными входами коммутатора 15.

Счетчик 26 выполнен 4-разрядным.

Генератор 25 выполняется кварцевым.

Частота генератор 22 (которая может быть нестабильной) должна быть на 1-2 порядка выше частоты ГПИ 25.

Поле разрядов информационного входа регистра 7 разбито на три группы: первую - группу младших разрядов, отображающих длительность выбросов и провалов напряжения (в рассматриваемом примере включает четыре двоичных разряда); вторую - группу средних разрядов, отображающих амплитуду выбросов и провалов напряжения (включает пять разрядов); третью - группу старших разрядов, отображающих значение отклонений напряжения (включает пять разрядов - четыре отображают модуль отклонений и один отображает их знак).

Фильтры ФВЧ 3 и ФНЧ 4 имеют одинаковую частоту среза 0,1 Гц.

Анализатор работает следующим образом.

С помощью ППНП 2 осуществляется преобразование переменного напряжения сети u(t) в постоянное, пропорциональное действующему значению анализируемого напряжения за вычетом его номинального уровня: U₂(t)=U(t)-U_н.

Напряжение U₂ подается на входы фильтров ФНЧ 4 и ФВЧ 3.

Из суммарного сигнала U₂(t) с помощью ФНЧ 4 выделяется низкочастотная составляющая отклонений напряжения U. При положительных отклонениях U напряжение U₄ без изменений пропускается через ФМ 5 на вход АЦП 8; напряжение прямого выхода НО 6 равно единице - измеряемые статистики накапливаются в областях ЦБП 24 с адресами 10000000000000-11111111111111. В конкретном рассматриваемом на фиг.3 примере значение разрядов третьей группы разрядов информационного входа регистра 7 равно 10001. Следовательно, для рассматриваемого на фиг.3 примера измеряемые статистики будут накапливаться в областях ЦБП 24 с адресами 10001000000000-10001111111111.

Из суммарного сигнала U₂(t) с помощью ФВЧ 3 выделяется высокочастотная составляющая резкопеременных изменений напряжения - выбросов и провалов. При выбросах напряжения сети выходное напряжение ФВЧ 3 U₃ положительно, оно без изменений пропускается блоком 9 на входы АК 11-12; напряжение прямого выхода НО 10 равно единице, измеряемые статистики накапливаются в ячейках ЦБП 24 с адресами ХХХХХ100000000 - ХХХХХ111111111 (где Х - произвольное значение разряда). Для рассматриваемого на фиг.3 примера измеряемые статистики будут накапливаться в областях ЦБП 24 с адресами 10001100000000 - 10001111111111.

Импульсы ГПИ 25 непрерывно поступают на тактовые входы счетчиков 13-14, однако при отсутствии выбросов (или провалов) напряжения содержимое счетчиков 13-14 остается нулевым, поскольку к их входам установки нуля приложено единичное напряжение с инверсных выходов АК 11-12. Четырехразрядный счетчик 26 циклически изменяет свое состояние, в каждом такте генератора 25 также запускаются одновибраторы 27 и 28, однако информация в ЦБП 24 не накапливается, а содержимое ячеек ЦБП 16 поддерживается нулевым.

При превышении выбросом напряжения первого уровня анализа (в момент времени t₁ на фиг.3) срабатывает АК 11 (опорный уровень которого равен первому уровню анализа), его выходное напряжение становится равным нулю. Счетчик 13 начинает заполняться и, подсчитывая импульсы ГПИ 25, определяет длительность Т₁ превышения выбросом первого уровня анализа.

В очередном цикле работы счетчика 26 при его выходном коде 0000 на выходе коммутатора 15 появляется отличное от нуля содержимое счетчика 13, равное 0001, которое превышает нулевое содержимое ячейки ЦБП 16 с адресом 0000. На выходе ЦК 17 появляется единичное напряжение, открывая элемент И 18 для импульса одновибратора 27, который записывает в регистр 7 код 10001100000001, а также опрокидывает в единичное состояние триггер 20. Импульсом с выхода одновибратора 28 в ячейку 0000 ЦБП 16 записывается код 0001.

Поскольку со входа установки нуля РУ 21 снимается единичное напряжение, то он выходит из состояния покоя и по его выходам начинает сканировать управляющее напряжение, осуществляя следующий короткий цикл операций.

С приходом на тактовый вход РУ 21 очередного импульса с выхода ГПИ 22 на первом выходе РУ 21 появляется управляющий сигнал, который записывает в двоично-десятичный счетчик 23 выборку, накопленную в результате предыдущего анализа в ячейке ЦБП 24 с адресом 10001100000001. В следующем такте импульсом со второго выхода РУ 21 содержимое счетчика 23 увеличивается на единицу, после чего импульсом с третьего выхода РУ 21 эта информация возвращается в ЦБП 24 по тому же адресу. Импульс с четвертого выхода РУ 21 переводит триггер 20 в нулевое состояние, возвращая таким образом распределитель в состояние покоя.

В процессе дальнейшего нарастания длительности выброса Т₁ выше первого уровня анализа выходной код счетчика 13 становится равным 0010 - в очередном цикле работы счетчика 26 на единицу увеличивается статистика, накапливаемая в канале ЦБП 24 с адресом 10001100000010 и т.д.

В случае превышения выбросом напряжения второго уровня анализа (в момент времени t₂ на фиг.3) начинает нарастать содержимое одного из счетчиков 13-14, измеряющего длительность Т₂. При увеличении содержимого этого счетчика до значения 0001 в очередном цикле работы счетчика 26 на единицу увеличивается статистика, накапливаемая в канале ЦБП 24 с адресом 10001100100001 и т.д.

При снижении напряжения счетчики 13-14 обнуляются напряжением с инверсных выходов отпускающих компараторов 11-12, ячейки ЦБП 16 также последовательно обнуляются и накопление информации в ЦБП 24 прекращается.

При появлении провала напряжения сети на прямом выходе НО 10 появляется "0", а блок 9 инвертирует отрицательное напряжение с выхода ФВЧ 3 - в результате на выходы АК 11-12 подается положительное напряжение, как и при анализе выбросов.

При анализе провалов напряжения анализатор работает так же, как и при анализе выбросов, только информация накапливается в каналах ЦБП 24 с адресами ХХХХХ000000000 - ХХХХХ011111111.

Преимуществами предлагаемого анализатора по сравнению с известными являются расширение функциональных возможностей за счет возможности исследования нестационарных случайных процессов. Схема устройства реализуется на интегральных микросхемах.

Список использованных источников информации:

1. Патент 2054195 РФ, кл. G 06 G 17/18, 1996.

2. А.с. 1674156 СССР, кл. G 06 G 17/18, 1991(прототип).